СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Советский патент 2006 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системам электропитания (СЭП) космических кораблей или спутников с использованием в качестве первичного источника солнечных батарей (СБ) и накопителя энергии - аккумуляторных батарей (АБ). Может применяться при построении СЭП мощностью от нескольких сот ватт до нескольких киловатт.

В настоящее время известны и широко применяются, как у нас в стране, так и за рубежом, СЭП (состоит из источника энергии - СБ, накопителя энергии - АБ, блока автоматики и стабилизации - БАС) космических аппаратов (КА) с последовательными и параллельными регуляторами мощности СБ. Более эффективными являются системы электропитания с параллельными регуляторами, имеющие более высокий коэффициент полезного действия, но и они обладают недостатками, главным из которых является необходимость сброса тепла при малой нагрузке. Чтобы не нарушить температурный режим в гермоотсеке, где установлена различная аппаратура совместно с БАС, теплоприемник (мощные резисторы) устанавливаются за бортом КА, что приводит к определенным техническим трудностям.

Поэтому в последнее время наибольшее применение находит схема СЭП с параллельным регулятором и секционированной СБ (патенты Англии №1447527, №1424383, ряд патентов США). В такой СЭП, имеющей высокий кпд, незначительное тепловыделение.

На фиг.1 изображена схема СЭП, выбранная за прототип.

На фиг.2 приведены вольтамперная характеристика солнечной батареи и рисунок, поясняющий работу схемы СЭП по фиг.1.

На фиг.3 приведена схема СЭП по предлагаемому изобретению.

фиг.4. поясняет работу СЭП предлагаемого изобретения.

На фиг.5 показано распределение поддиапазонов регулирования основных узлов БАС (СН, ЗУ, РУ).

На фиг.1 (патент Англии №1447527) обозначено:

М - секция солнечной батареи;

А - усилитель;

Д - диод;

C1, С2 - конденсатор;

BAT - аккумуляторная батарея;

Q - транзистор;

Т - трансформатор;

CAN - аналого-цифровой преобразователь;

CNA - цифроаналоговый преобразователь;

DEC - декодирующее устройство;

Z - диод Зенера;

Dif - устройство вычитания;

С - широтно-импульсный модулятор;

АД - усилитель рассогласования;

В - шина питания нагрузки.

Секции солнечной батареи грубого регулирования соединяются с шиной питания через диоды Д₁...Д₂ ^к. Выключаются секции закорачивающими транзисторами, которые, в свою очередь, управляются усилителями А₁...А₂ ^к. Напряжение шины питания подается на вход усилителя рассогласования М. На второй вход подается эталонное напряжение с диода зенера Z. Выход дифференциального усилителя подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, который вырабатывает код на определенное напряжение рассогласования. Этот код поступает на декодирующее устройство, которое и подключает нужное сочетание секций СБ. Цифровой выход CNA прикладывается к цифровому входу цифроаналогового преобразователя CNA. Аналоговый выход CNA, пропорциональный входному коду, представляет собой ступенчатое напряжение V_A, которое прикладывается к одному входу устройства вычитания Dif. К другому входу устройства вычитания Dif подается выходной сигнал рассогласования с дифференциального усилителя АД. Выходное напряжение V_С устройства вычитания Dif прикладывается к широтно-импульсному модулятору С, который управляет работой транзистора Q. Секции батареи М_р...М_s служат для точного регулирования напряжения на шине нагрузки. С помощью этого же широтно-импульсного регулятора осуществляется стабилизация напряжения на нагрузке при отсутствии мощности СБ (СБ в тени). Аккумуляторная батарея ВАТ разряжается черед диод.

СЭП, построенная на основе схемы фиг.1, имеет высокий кпд и незначительное тепловыделение, так как выключенная секция отдает мощность не более 5% от номинальной мощности СБ (Р_БСном), которая выделяется в закорачивающем транзисторе. СЭП имеет небольшой вес.

Однако ей присущи и недостатки. На схеме фиг.1 не показаны способы технической реализации заряда ВАТ. Настройка регулятора довольно сложна. Фиг.2б поясняет работу схемы фиг.1. Напряжение на выходе цифроаналогового преобразователя CNA V_A меняется ступенчато, так как пропорционально коду на выходе CNA.

Количество ступеней V_A соответствует количеству сочетаний секций грубого регулирования, следовательно, при изменении числа секций грубого регулирования изменится число сочетаний и соответственно диапазон изменения выходного напряжения ΔV. Для уменьшения ΔV необходимо увеличивать коэффициент усиления схемы управления (АД, CNA, CNA, ДЕС, Dif, С), что неизбежно приведет к ухудшению устойчивости работы СЭП.

СЭП, выполненная по схеме фиг.1, не является универсальной и не может быть легко построена на различную мощность, так как при изменении числа секций грубого регулирования требуется индивидуальная разработка и настройка регулятора БАС, а при изменении мощности СЭП с неизменным числом секций грубого регулирования необходимо пропорциональное изменение мощности всех секций солнечной батареи. Надежность данной системы электропитания невысокая, так как при различной мощности секций грубого регулирования выход из строя отдельной секции приводит не только к уменьшению мощности, но и значительно ухудшает устойчивость работы системы электропитания.

Нестабильность диапазона изменения выходного напряжения при построении СЭП различной мощности приводит к трудностям согласования режимов работы БАС-заряд-разряд-стабилизация.

С целью устранения вышеперечисленных недостатков предлагается схема СЭП, изображенная на фиг.3, где обозначено:

БС - батарея солнечная;

Кл - ключ;

Д - диод;

А - усилитель;

Ф - фильтр;

СЗ - схема защиты АБ;

АБ - аккумуляторная батарея;

ЗУ - зарядное устройство;

РУ - разрядное устройство;

Н - нагрузка;

ШИМ - широтно-импульсный модулятор;

ЗГ - задающий генератор;

СО - схема совладений;

ФИ - формирователь импульсов;

РРИ - реверсивный распределитель импульсов;

СН - стабилизатор напряжения.

Фиг.4 поясняет работу СН. ШИМ управляет секцией точного регулирования БС_О, а подключение и отключение секций грубого регулирования осуществляется в зависимости от величины угла ШИМ. Частота работы закорачивающего ключа, например, транзистора выбирается достаточно большой (до десятков кГц). При открытом транзисторе ток секции замыкается через него. Секция находится в режиме короткого замыкания. При закрытом транзисторе ток секции БС_О питает нагрузку. Ток СБ в номинальном режиме и режиме КЗ различаются незначительно. Практически ток секций СБ меняет только свое направление (в диод или в транзистор), и в СЭП не возникает помех, влияющих на работу аппаратуры КА. Фильтр Ф сглаживает напряжение на шине питания нагрузки. Сигнал ШИМ, открывающий транзистор, может меняться от 0 до 360°. На фиг.4 показано, что при изменении сигнала от 30° до 330° подключения и отключения секций грубого регулирования БС1...БСN не происходит. Изменение тока нагрузки отрабатывает регулятор точного регулирования, состоящий из БС_О, фильтра, закорачивающего ключа, диода, усилителя и ШИМа. При незначительном увеличении тока нагрузки напряжение на вине питания начнет падать, сигнал закорачивающий БС_О уменьшится и войдет в область 0-30°. В этом случае схема совпадения, на которую кроме сигнала ШИМ подаются кратные частоты (на фиг.4 - 12, 24, 36 и 72 кГц), начнет выдавать импульсы по каналу подключения секций грубого регулирования на ФИ с частотой ШИМ. Формирователь импульсов ФИ понижает частоту следования импульсов до частоты ≈3,0 кГц и формирует импульсы, поступающие на реверсивный распределитель импульсов (РРИ). В основу его принципиальной схемы положен реверсивный кольцевой сдвиговый регистр с перекрестной обратной связью, известный в литературе как счетчик Джонсона РРИ, выключая с помощью усилителей A1...AN транзисторы, начинает подключать последовательно секции грубого регулирования к шине питания нагрузки (с частотой ≈3,0 кГц). Как только окажутся подключенными нужное количество секций.(Р_{БСподкл.}≈Р_н), напряжение на выходе увеличится. Угол регулирования ШИМ войдет в диапазон точного регулирования (30°-330°), и подключение секций грубого регулирования прекратится. В случае уменьшения нагрузки напряжение на шине питания начнет возрастать. Угол регулирования ШИМ войдет в диапазон 330°-360°. Схема совпадения начнет выдавать по каналу отключения секций импульсы на ФИ. Формирователь импульсов будет управлять работой РРИ, который, в свою очередь, через усилители А1...AN начнет открывать ключи, закорачивающие секции БС. Как только отключится нужное количество секций, угол регулирования ШИМ установится в диапазоне точного регулирования (30°-330°). Диапазон изменения напряжения на выходе ΔV постоянен, не зависит от количества секций грубого регулирования и определяется чувствительностью ШИМа (≤0,1 B).

Предложенная схема универсальна, так как простым увеличением количества разрядов РРИ и секций грубого регулирования можно наращивать мощность СЭП практически неограниченно. При построении такой СЭП должно выполняться только одно условие - мощность секции БС_О должна не менее чем в три раза превышать мощность одной секции грубого регулирования. Это необходимо для обеспечения высокой устойчивости регулирования - подключение одной секции грубого регулирования, при медленно изменяющейся нагрузке, не должно приводить к увеличению угла регулирования ШИМ до 330°-360°, а отключение - к уменьшению угла до 0-30°. Хорошие динамические характеристики при сбросе и набросе нагрузки, высокая стабильность выходного напряжения обеспечиваются высоким быстродействием ШИМ, большой частотой подключения секций грубого регулирования и тем, что подключение или отключение секций грубого регулирования начинается, когда точный регулятор продолжает стабилизировать напряжение на выходе (угол регулирования ШИМ в диапазоне 0-30° или 330°-360°).

Предложенная схема СЭП имеет высокий коэффициент полезного действия (кпд), минимальное тепловыделение и массу.

Высокий кпд объясняется тем, что потери мощности имеются только в схеме управления, которые при микросхемном исполнении незначительны (Р_БС=3 кВт, Р_сх.упр.≤3,0 Вт, η_сн≈1,0). Тепловыделение как и в схеме фиг.1 не превышает 5% Р_БСном. Масса СН небольшая, так как закорачивающие транзисторы нерезервированные, конденсаторы фильтра общие для СН и РУ. Дроссель фильтра невелик, так как мощность БС_О составляет не более 20% Р_БС. Схема имеет высокую надежность. Если при условии минимальной нагрузки, большей мощности одной секции грубого регулирования, произойдет КЗ или обрыв любой секции, то это не приведет к нарушению стабильности выходного напряжения.

В предлагаемой схеме СЭП хорошо согласовывается работа основных узлов СН, ЗУ и РУ, входящих в состав БАС. Логика работы поясняется на фиг.5. Весь допустимый диапазон изменения выходного напряжения ( В для СЭП изделий 183B, 184E, 283П, 11Ф664 и др.) включает в себя поддиапазоны регулирования основных узлов.

При полностью заряженной АБ и нагрузке, не превышающей Р_БСопт, стабилизатор напряжения поддерживает на шине питания нагрузки напряжение на уровне 28±0,1 В. Работа схемы происходит так, как описано выше.

Если нагрузка увеличилась и мощности солнечной батареи становится недостаточно, напряжение на шине питания падает. СН полностью открывается (подключены все секции грубого и точного регулирования). Как только напряжение на шине питания достигнет поддиапазона регулирования РУ, разрядное устройство начнет открываться и будет поддерживать напряжение на уровне 27±0,1 В, восполняя недостаток мощности СБ.

При заходе КА в тень Р_БС=0 и стабилизацию напряжения осуществляет только РУ (U_н=27+0,1 В).

В случае разряженной АБ и избытке мощности СБ, ЗУ открывается. Напряжение на шине питания, которое стабилизировалось СН, начнет падать. СН полностью откроется. При достижении выходным напряжением поддиапазона ЗУ последнее начинает стабилизировать U_н, забирая избыток мощности СБ. Напряжение на выходе при этом поддерживается на уровне 27,5±0,1 В.

Схема построения ЗУ и РУ определяется диапазоном изменения напряжения на АБ и, как правило, представляет собой последовательное соединение ключевого регулятора и вольтодобавочного устройства.

На предприятии п/я Г-4514 по схеме фиг.3 разработал и изготовлен макет БАС. Проведены лабораторные испытания СЭП, которые подтвердили правильность выбранных технических решений.

Стабильный поддиапазон регулирования СН позволяет наращивать СЭП по мощности при минимуме доработки.

Предложенное техническое решение построения регулятора СН с управлением секциями грубого регулирования в функции от угла ШИМ точного регулятора позволяет повысить стабильность выходного напряжения как при работе СН, так и при согласованной работе всех основных узлов блока автоматики и стабилизации (СН, ЗУ, РУ), значительно упрощает схему СН, облегчает процесс настройки регулятора.

В предложенной схеме ключи могут быть установлены и вместо диодов, соединяющих секции БС с шиной питания. Однако в этом случае ток БС (особенно секции БС_О) будет иметь прерывистый характер, что приведет к увеличению помех, влияющих на аппаратуру КА. СЭП спутников или космических кораблей по схеме фиг.3 будет иметь небольшой вес, высокий кпд и незначительное тепловыделение, что облегчит задачу температурной стабилизации в гермоотсеке, где совместно с различной бортовой аппаратурой устанавливаются блоки автоматики и стабилизации и накопители энергии - аккумуляторные батареи.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системам электропитания космических кораблей или спутников с использованием в качестве первичного источника солнечных батарей и накопителя энергии - аккумуляторных батарей. Технический результат заключается в повышении стабильности выходного напряжения, улучшении весогабаритных характеристик и улучшении универсальности. Для этого устройство содержит солнечную батарею, диоды, силовую питающую нагрузочную шину, шину заряда накопителя энергии, фильтр, широтно-импульсный модулятор, накопитель энергии, блок защиты, зарядный и разрядные узлы, также введены задающий генератор, схема совпадений, формирователь импульсов и реверсивный распределитель импульсов. 5 ил.

Система электропитания, преимущественно для космических кораблей или спутников, содержащая солнечную батарею, выполненную в виде зашунтированных управляемыми ключами с усилителями на входе N секций, часть из которых - секции грубого регулирования, через диоды соединена с силовой питающей нагрузочной шиной, а другая часть - секции точного регулирования, соединена с этой шиной через диод и фильтр, причем вход усилителя секции точного регулирования подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, накопитель энергии с подключенным параллельно ему блоком защиты, зарядный и разрядный узлы, включенные между силовой витающей нагрузочной шиной и шиной заряда накопителя энергии, при этом к управляющему входу зарядного узла подключен выход блока защиты накопителя энергии, а измерительные входы зарядного и разрядного узлов соединены с силовой питающей нагрузочной шиной, отличающаяся тем, что, с целью повышения стабильности выходного напряжения, улучшения весогабаритных характеристик и улучшения универсальности, в нее введены задающий генератор с М выходами, схема совпадений, формирователь импульсов и реверсивный распределитель импульсов, причем выход широтно-импульсного модулятора подключен к усилителю секции точного регулирования солнечной батареи и к одному из входов схемы совпадений, измерительный вход к шинам нагрузки, а выход синхронизации - к одному из выходов задающего генератора, остальные выходы которого подключены к входам схемы совпадений, выходы которой через формирователь импульсов подключены к входам реверсивного распределителя импульсов, выходы которого соединены с входами усилителей секции грубого регулирования солнечной батареи.