СПОСОБ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2016 года по МПК H02J7/34 

Известны системы электропитания космического аппарата (КА), которые обеспечивают: стабилизацию постоянного напряжения на нагрузке (с точностью до 0,5-1,0% от номинального значения), стабилизацию напряжения на солнечной батарее, при котором обеспечивается съем мощности с нее вблизи оптимальной рабочей точки вольт-амперной характеристики (ВАХ), а также реализуются оптимальные алгоритмы управления режимами эксплуатации аккумуляторных батарей, позволяющие обеспечить максимально возможные емкостные параметры в процессе длительного циклирования батарей на орбите. В качестве примера таких систем электропитания (СЭП) приведем проект СЭП для геостационарного связного КА в статье «А POWER, FOR A TELECOMMUNICATION SATELLITE», L. Croci, P. Galantini, C. Marana (Proceedings of the European Space Power Conference held in Graz, Austria, 23-27 August 1993 (ESA WPP-054, August 1993).

В статье «Приборный комплекс систем электропитания искусственного спутника земли с экстремальным регулированием мощности солнечной батареи», В.С. Кудряшов, М.В. Нестеришин, А.В. Жихарев, В.О. Эльман, А.С. Поляков (Приборостроение, журнал, том 47, апрель 2004 г., издательство №4) приводится описание структурной схемы СЭП с экстремальным регулятором мощности солнечной батареи, показан эффект от такого регулирования на геостационарном спутнике связи «Экспресс-А», составивший по результатам летных измерений до 5% увеличения выходной мощности батареи. По схеме с экстремальным регулятором солнечной батареи выполнены СЭП многих отечественных КА, таких как геостационарные КА «Галс», «Экспресс», высокоорбитальные «Глонасс-М», низкоорбитальные «Гонец» и др.

При достигнутых высоких тактико-технических характеристиках СЭП современных КА они имеют общий недостаток - они не универсальны, что ограничивает область их использования.

Известна система электропитания, патент RU 2396666, в котором схема стабилизации напряжения выполнена с помощью мостовых инверторов, принятая за прототип. Описания подобных мостовых инверторов приведены, например, в статьях: «Высокочастотные преобразователи напряжения с резонансным переключением», А.В. Лукин (Электропитание, научно-технический сборник выпуск 1, под редакцией Ю.И. Конева. Ассоциация «Электропитание», М., 1993), The Series Connected Buck Boost Regulator For High Efficiency DC Voltage Regulation, Arthur G. Birchenough (NASA Technical Memorandum 2003-212514, NASA Lewis Research Center, Cleveland), а также в статье «Структурная схема и схемотехнические решения комплексов автоматики и стабилизации системы энергопитания негерметичного геостационарного космического аппарата с гальванической развязкой бортовой аппаратуры от солнечных и аккумуляторных батарей» авторов С.А. Поляков., А.И. Чернышев, В.О. Эльман, B.C. Кудряшов, см. «Электронные и электромеханические системы и устройства: сборник научных трудов НПЦ «Полюс». - Томск: МГП «РАСКО» при издательстве «Радио и связь», 2001, 568 с.

Недостатком известной автономной системы электропитания КА является то, что при деградации солнечной батареи по напряжению больше прогнозируемого приведет к снижению выходного напряжения на выходе системы электропитания (на нагрузке КА), и как следствие снижению надежности КА. Поэтому в настоящий момент на этапе проектирования КА необходимо закладывать дополнительный запас по напряжению солнечной батареи, что приводит к снижению удельно-массовых характеристик СЭП. Кроме того, при эксплуатации КА возможно возникновение необходимости повышения напряжения питания какого-либо потребителя, что в известных СЭП невозможно и что снижает их функциональные возможности.

Задачей заявляемого изобретения является улучшение функциональных возможностей и надежности системы электропитания КА.

Поставленная задача решается тем, что в системе электропитания космического аппарата, состоящей из солнечной батареи, подключенной своими плюсовой и минусовой шинами к стабилизатору напряжения, аккумуляторной батареи, подключенной своими плюсовой и минусовой шинами к входу разрядного и выходу зарядного устройств, экстремального регулятора мощности солнечной батареи, соединенного своими входами с датчиком тока, установленным в одной из шин между солнечной батареей и стабилизатором напряжения, а выходом - со стабилизатором напряжения, выполненным в виде мостовых инверторов с общим трансформатором, что вторичные обмотки трансформаторов выполнены с несколькими выводами для получения нескольких номиналов напряжения в заранее заданном диапазоне, где наименьшее напряжение соответствует требуемому напряжению на начало эксплуатации космического аппарата, кроме того, дополнительно введены устройства, регулирующие число работающих витков этих обмоток, а переключение числа витков проводят при снижении выходного напряжения до нижнего стабилизируемого уровня.

В результате чего осуществляется дополнительное ресурсное регулирование выходного напряжения по известному закону:

где U₁ - напряжение на первичной обмотке трансформатора;

U₂ - напряжение на вторичной обмотке трансформатора;

n₁ - число витков на первичной обмотке трансформатора;

n₂ - число витков на вторичной обмотке трансформатора.

На фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемой автономной системы электропитания КА.

Система электропитания состоит из солнечной батареи 1, аккумуляторной батареи 2, зарядного устройства аккумуляторной батареи 3, разрядного устройства аккумуляторной батареи 4, стабилизатора напряжения 7, экстремального регулятора мощности 5, соединенного своими входами с разрядным устройством 4 и с датчиком тока солнечной батареи 6, а выходом - со стабилизатором напряжения 7.

Стабилизатор напряжения 7 выполнен в виде мостовых инверторов. Описания подобных мостовых инверторов приведены, например, в статьях: «Высокочастотные преобразователи напряжения с резонансным переключением», автор А.В. Лукин (Электропитание, научно-технический сборник выпуск 1, под редакцией Ю.И. Конева. Ассоциация «Электропитание», М., 1993), The Series Connected Buck Boost Regulator For High Efficiency DC Voltage Regulation, автор Arthur G. Birchenough (NASA Technical Memorandum 2003-212514, NASA Lewis Research Center, Cleveland), а также в статье «Структурная схема и схемотехнические решения комплексов автоматики и стабилизации системы энергопитания негерметичного геостационарного космического аппарата с гальванической развязкой бортовой аппаратуры от солнечных и аккумуляторных батарей» С.А. Поляков, А.И. Чернышев, В.О. Эльман, B.C. Кудряшов, см. «Электронные и электромеханические системы и устройства: сборник научных трудов НПЦ «Полюс». - Томск: МГП «РАСКО» при издательстве «Радио и связь», 2001, 568 с.

Выходные обмотки 8 стабилизатора 7 являются первичной обмоткой трансформатора 11. Солнечная батарея 1 соединена со стабилизатором 7 плюсовой и минусовой шинами, причем в одной из шин установлен упомянутый датчик тока 6. Аккумуляторная батарея 2 соединена с разрядным устройством плюсовой шиной.

С вторичными обмотками 9, 10 трансформатора 11 соединены устройства 13 и 14, которые преобразуют переменное напряжение в постоянное, необходимое для нагрузок 15 и 16.

Формирование переменного напряжения на выходных обмотках 9, 10 стабилизатора 7 обеспечивается его схемой управления 17, которая по определенному закону открывает попарно транзисторы 18, 21 и 19, 20 соответственно.

Экстремальный регулятор мощности 5 с учетом показаний датчика тока 6 и напряжения на солнечной батарее 1 выдает сигнал коррекции на изменение закона открытия транзисторов стабилизатора 7 таким образом, чтобы на солнечной батарее устанавливалось напряжение, равное оптимальному напряжению вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечной батареи.

К вторичным обмоткам 9 и 10 трансформатора 11 подсоединены устройства 22 и 23, регулирующие напряжение под нагрузкой, которые управляют числом витков вторичной обмотки трансформатора 11 с помощью приводов 24, 25. Определение числа витков вторичных обмоток 9, 10 осуществляется схемой управления 26, которая в автоматическом режиме управляет приводами 24, 25 устройств 22, 23, регулирующих напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Устройства, регулирующие напряжение вторичной обмотки трансформатора состоит из следующих составных частей:

- контакторы К1 и К2 обеспечивают переход на подготовленное избирателем рабочее положение без разрыва нагрузочной цепи и гашение возникающей при этом электрической дуги;

- избиратели И1 и И2 подготавливают необходимое рабочее положение;

- приводные механизмы 24, 25 обеспечивают переключение контактора и избирателя;

- токоограничивающие сопротивления R, уменьшают коммутационный ток, возникающий в процессе переключения.

Система электропитания работает полностью в автоматическом режиме.

В результате решения поставленной задачи по повышению надежности и функциональных возможностей, достигается технический результат, заключающийся в снижении удельно-массовых характеристик, позволяющий поддерживать напряжение полезной нагрузки в допустимых пределах (даже в том случае, если деградация солнечной батареи по напряжению больше, чем заложена на этапе проектирования), за счет управлением числом витков вторичной обмотки трансформатора.

Кроме того, обеспечивается возможность поддержания стабилизации номиналов напряжения постоянного или переменного тока, необходимого для питания разнообразных нагрузок КА.

Изобретение относится к области космической энергетики, конкретнее к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). Технический результат - увеличение надежности. Система содержит солнечную батарею, подключенную своими плюсовой и минусовой шинами к стабилизатору напряжения, аккумуляторную батарею, подключенную своими плюсовой и минусовой шинами к входу разрядного и выходу зарядного устройств. Она также содержит экстремальный регулятор мощности солнечной батареи, соединенный своими входами с датчиком тока, установленным в одной из шин между солнечной батареей и стабилизатором напряжения, а выходом - со стабилизатором напряжения. Стабилизатор выполнен в виде мостовых инверторов с общим трансформатором. При этом вторичные обмотки трансформатора выполнены с несколькими выводами для получения нескольких номиналов напряжения в заранее заданном диапазоне, где наименьшее напряжение соответствует требуемому напряжению на начало эксплуатации космического аппарата. Система снабжена схемой управления и устройствами, регулирующими число работающих витков упомянутых обмоток, выполненных с возможностью взаимодействия со схемой управления, для переключения числа витков трансформатора при снижении выходного напряжения. 1 ил.

Система электропитания космического аппарата, содержащая солнечную батарею, подключенную своими плюсовой и минусовой шинами к стабилизатору напряжения, аккумуляторную батарею, подключенную своими плюсовой и минусовой шинами к входу разрядного и выходу зарядного устройств, экстремальный регулятор мощности солнечной батареи, соединенный своими входами с датчиком тока, установленным в одной из шин между солнечной батареей и стабилизатором напряжения, а выходом - со стабилизатором напряжения, выполненным в виде мостовых инверторов с общим трансформатором, отличающаяся тем, что вторичные обмотки трансформатора снабжены выводами для получения номиналов напряжения в заранее заданном диапазоне, наименьшее из которых соответствует требуемому напряжению на начало эксплуатации космического аппарата, а система снабжена схемой управления и устройствами для регулирования числа работающих витков упомянутых обмоток, выполненных с возможностью взаимодействия со схемой управления, для переключения числа витков трансформатора при снижении выходного напряжения.