СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В АВТОНОМНЫЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Российский патент 2014 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания (СЭП) искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Известны способы питания нагрузки постоянным током в автономных системах электропитания ИСЗ, описанные в монографии «Системы электропитания космических аппаратов, Новосибирск, ВО "Наука", 1994 г. [1]».

Известные способы и автономные системы электропитания ИСЗ предусматривают стабилизацию напряжения от первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) на нагрузке стабилизированными преобразователями различного типа.

Известен способ питания нагрузки постоянным током, предусматривающий наращивание мощности автономной системы электропитания установкой дополнительных модулей с обеспечением их равномерной загрузки (см. [1] главу 2, рис.2.14).

Однако такой подход (унифицированных модулей) применительно к космической технике неэффективен, так как неизбежно ведет к снижению удельных энергетических характеристик системы в целом.

Наиболее близким техническим решением является «Способ питания нагрузки постоянным током» - см. патент RU №2392718 от 17 ноября 2008 г., который выбран в качестве прототипа.

Известный способ заключается в питании нагрузки постоянным током с несколькими номиналами выходного напряжения от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное выходное напряжение питания посредством параллельного стабилизированного преобразователя, содержащего схему управления с широтно-импульсным модулятором, а стабилизацию напряжения остальных нагрузок проводят от шин питания первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят только на первом уровне стабилизации напряжения, отличающийся тем, что первичный источник электроэнергии делят на постоянно включенную основную и коммутируемые дополнительные секции, при этом мощность основной секции первичного источника электроэнергии выбирают по мощности дежурной нагрузки исходя из соотношения:

$$P_{пи}\ge (P_{д}+P_{зар})\cdot k_{д}{/}^{\dot{\eta }}$$ , где

Р_пи - мощность основной секции первичного источника электроэнергии;

Р_д - мощность дежурной нагрузки;

Р_зар - мощность для заряда аккумуляторных батарей;

$$\dot{\eta }$$ - коэффициент полезного действия системы стабилизированных преобразователей;

k_д - коэффициент, учитывающий деградацию мощности первичного источника электроэнергии в течение ресурса,

а дополнительные секции первичного источника электроэнергии с мощностью каждой секции, не превышающей мощность основной секции первичного источника электроэнергии, подключают при недостатке мощности основной секции, при этом мощность параллельного стабилизированного преобразователя рассчитывают исходя из мощности основной секции первичного источника электроэнергии.

Известный способ позволяет достичь высоких удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания ИСЗ, однако вопросы обеспечения функциональной надежности известным способом не решаются. Так, отказ коммутаторов или автоматики коммутации дополнительных секций первичного источника электроэнергии приведет к потере суммарной мощности первичного источника электроэнергии или к перенапряжению на шинах нагрузки. И то и другое может вывести ИСЗ из строя.

Задачей заявляемого изобретения является повышение функциональной надежности автономной системы электропитания ИСЗ.

Поставленная задача достигается тем, что в способе питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли с несколькими номиналами выходного напряжения, от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающемся в стабилизации напряжения на нагрузках и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное выходное напряжение питания посредством параллельного стабилизированного преобразователя, содержащего силовой транзисторный ключ и схему управления с широтно-импульсным модулятором, а стабилизацию напряжения остальных нагрузок проводят от шин питания первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят только на первом уровне стабилизации напряжения, кроме того, первичный источник ограниченной мощности делят на «m» секций, силовой транзисторный ключ параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя делят так же на «m» силовых транзисторных ключей и каждую секцию первичного источника ограниченной мощности стабилизируют соответствующим силовым транзисторным ключом параллельного стабилизированного преобразователя, при этом управление силовыми транзисторными ключами проводят от общей схемы управления с широтно-импульсным модулятором.

Кроме того, количество секций первичного источника ограниченной мощности выбирают исходя из соотношения:

m≥Р_пи/Р_д, где

Р_пи - мощность первичного источника ограниченной мощности;

Р_д - мощность дежурной нагрузки искусственного спутника Земли.

Действительно, разделение силового транзисторного ключа параллельного стабилизированного преобразователя на «m» единичных силовых транзисторных ключей (по числу секций первичного источника ограниченной мощности) и стабилизация каждой секции соответствующим силовым транзисторным ключом параллельного стабилизированного преобразователя, когда управление силовыми транзисторными ключами проводят от общей схемы управления с широтно-импульсным модулятором, несущественно увеличит вес, но при этом существенно повысит функциональные возможности и надежность автономной системы электропитания. Это объясняется тем, что, в случае отказа одного (любого) из «m» единичных силовых транзисторных ключей, оставшиеся ключи распределят между собой образовавшуюся нерегулируемую мощность соответствующей секции первичного источника ограниченной мощности. Однако это произойдет, если мощность одной секции первичного источника ограниченной мощности будет равна или меньше мощности текущей нагрузки на ИСЗ. Для обеспечения этого условия во всех режимах работы системы электропитания ИСЗ необходимо, чтобы количество секций первичного источника ограниченной мощности было выбрано исходя из соотношения:

m≥Р_пи/Р_д, где

Р_пи - мощность первичного источника электроэнергии;

Р_д - мощность дежурной нагрузки искусственного спутника Земли.

Учитывая то, что работа только на дежурной нагрузке (без сеансной, целевой нагрузки) явление эпизодическое, практически всегда имеется резерв по мощности регулирования (стабилизации) напряжения первичного источника электроэнергии.

Суть предлагаемого способа можно пояснить на примере функциональной схемы автономной системы электропитания, изображенной на фиг.1.

Устройство содержит солнечную батарею (первичный источник ограниченной мощности) 1, состоящую из секций 1₁, 1₂,…1_m, подключенную к нагрузке 2 через диоды РД₁, РД₂,…РД_m в цепи каждой секции соответственно и выходной фильтр 3. Аккумуляторные батареи 4/1 и 4/2 подключены через зарядные преобразователи 5/1 и 5/2 и через разрядные преобразователи 6/1 и 6/2 к входу выходного фильтра 3, при этом входы разрядных преобразователей подключены к выходу выходного фильтра 3. Параллельный стабилизированный преобразователь 7 входом подключен к выходу выходного фильтра 3, а силовым транзисторным ключом, разделенным также на «m» единичных силовых транзисторных ключей, подключен к каждой соответствующей секции первичного источника ограниченной мощности. Кроме того, к клеммам «+» и «-» нагрузки 2 подключено (n-1) сериесных преобразователей 8₁, 8₂,…8_n-1, к выходу которых подключены нагрузки 2₁ 2₁,…2_n-1, где n - число номиналов напряжения в автономной системе электропитания.

Зарядный преобразователь состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2, выпрямителя на диодах D1 и D2.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Параллельный стабилизированный преобразователь 7 состоит из «m» единичных силовых транзисторных ключей K₁, К₂,…К_m, управляемых общей схемой управления 13.

Сериесные преобразователи 8₁, 8₂,…8_n-1 состоят из регулирующих ключей 14, управляемых схемами управления 15 и выходных фильтров 16.

Схемы управления преобразователями 10, 12, 13, 15 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения.

Устройство работает следующим образом.

В процессе эксплуатации питание нагрузки 2 осуществляется от солнечной батареи 1, состоящей из секций 1₁, 1₂,…1_m, «развязанных» диодами РД₁, РД₂,…РД_m (в цепи каждой секции соответственно), через выходной фильтр 3. При этом все секции постоянно подключены к нагрузке 2 и не коммутируются. Стабилизация напряжения на нагрузке 2 осуществляется параллельным стабилизированным преобразователем 7.

Аккумуляторные батареи 4/1 и 4/2 работают преимущественно в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядные стабилизированные преобразователи 5/1 и 512. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

При прохождении теневых участков орбиты, либо при нарушении ориентации, нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4/1 и 4/2 через разрядные преобразователи 6/1 и 6/2.

Сериесные преобразователи 8₁, 8₂,…8_n-1 постоянно работают в одном режиме от стабильного напряжения высокой величины.

Количество секций солнечной батареи выбирают исходя из соотношения:

m≥Р_пи/Р_д, где

Р_пи - мощность первичного источника ограниченной мощности (всей солнечной батареи);

Р_д - мощность дежурной нагрузки искусственного спутника Земли.

В случае отказа одного (любого) из «m» единичных силовых транзисторных ключей K₁, К₂,…К_m, оставшиеся ключи распределят (в рамках максимальной мощности одной секции) между собой образовавшуюся нерегулируемую мощность соответствующей секции первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи).

Таким образом, предлагаемый способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли позволяет повысить функциональную надежность автономной системы электропитания ИСЗ.

Изобретение относится к электротехнической промышленности. Способ заключается в стабилизации напряжения на нагрузках и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное выходное напряжение питания посредством параллельного стабилизированного преобразователя, а стабилизацию напряжения остальных нагрузок проводят от шин питания первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят только на первом уровне стабилизации напряжения. Первичный источник ограниченной мощности делят на «m» секций, силовой транзисторный ключ параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя делят на «m» единичных силовых транзисторных ключей и каждую секцию первичного источника ограниченной мощности стабилизируют соответствующим силовым транзисторным ключом параллельного стабилизированного преобразователя, при этом управление силовыми транзисторными ключами проводят от общей схемы управления с широтно-импульсным модулятором. Технический результат - повышение функциональной надёжности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли с несколькими номиналами выходного напряжения от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузках и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное выходное напряжение питания, посредством параллельного стабилизированного преобразователя, содержащего силовой транзисторный ключ и схему управления с широтно-импульсным модулятором, а стабилизацию напряжения остальных нагрузок проводят от шин питания первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят только на первом уровне стабилизации напряжения, кроме того, первичный источник ограниченной мощности делят на «m» секций, отличающийся тем, что силовой транзисторный ключ параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя делят так же на «m» единичных силовых транзисторных ключей и каждую секцию первичного источника ограниченной мощности стабилизируют соответствующим силовым транзисторным ключом параллельного стабилизированного преобразователя, при этом управление силовыми транзисторными ключами проводят от общей схемы управления с широтно-импульсным модулятором.

2. Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли по п.1, отличающийся тем, что количество секций первичного источника ограниченной мощности выбирают исходя из соотношения:
m≥Р_пи/Р_д, где
Р_пи - мощность первичного источника ограниченной мощности;
Р_д - мощность дежурной нагрузки искусственного спутника Земли.