Автономная система электропитания искусственного спутника земли

 

Использование: в автономных системах электропитания ИСЗ с длительным ресурсом эксплуатации. Сущность изобретения: система содержит солнечную батарею (СБ), подключенную к нагрузке через сериесный преобразователь, аккумуляторные батареи со схемами защиты, подключенные к СБ через зарядные преобразователи, а к нагрузке - через разрядные преобразователи. Каждый преобразователь содержит схему управления, связанную с выходом преобразователя по напряжению и току. Обратные связи по выходному напряжению разрядных преобразователей подключены к схемам управления через переключатели уровня стабилизации, связанные со схемами защиты аккумуляторных батарей и нагрузкой. В процессе эксплуатации периодически проводят переключение уровня стабилизации разрядных преобразователей, что обеспечивает автоматическое проведение профилактических циклов аккумуляторных батарей. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным системам электропитания ИСЗ с длительным ресурсом эксплуатации.

Характерной особенностью таких систем электропитания является существенное превышение начальных энергетических характеристик первичных источников электроэнергии (солнечных батарей) и вторичных источников электроэнергии (аккумуляторных батарей) над реальным потреблением бортовой аппаратуры ИСЗ, обусловленное последующими ресурсными деградационными изменениями.

Известны автономные системы электропитания [1] которые содержат солнечные батареи, аккумуляторные батареи со схемами защиты, подключенные к солнечной батарее и нагрузке через зарядные и разрядные преобразователи.

При этом регулирование мощности солнечной батареи осуществляется параллельными (шунтовыми) преобразователями, либо последовательными (сериесными) преобразователями.

Применительно к автономным системам электропитания ИСЗ с длительным ресурсом эксплуатации, регулирование мощности солнечной батареи посредством сериесного преобразователя более предпочтительно, так как, во-первых, отпадает необходимость расcчитывать преобразователь на всю начальную мощность солнечной батареи, а во-вторых, появляется возможность экстремального регулирования мощности, что позволяет более эффективно использовать мощность солнечной батареи, что особенно важно в конце длительного ресурса эксплуатации ИСЗ.

Известна также автономная система электропитания с сериесным преобразователем [2] а с параллельным преобразователем [3] Наиболее близкой по технической сути предлагаемой автономной системе электропитания ИСЗ является автономная система электропитания [4] прототип.

Недостатком известных автономных систем электропитания является отсутствие возможности проведения профилактических циклов аккумуляторных батарей оптимальными режимами заряда-разряда, что снижает их ресурсные возможности и надежность.

Целью предлагаемого изобретения является повышение ресурсных характеристик и надежности автономной системы электропитания ИСЗ.

Поставленная цель достигается тем, что обратные связи по выходному напряжению разрядных преобразователей подключены к схемам управления через переключатели уровня стабилизации, связанные со схемами защиты аккумуляторных батарей и нагрузкой.

На чертеже представлена функциональная схема предложенной автономной системы электропитания ИСЗ. Система содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через сериесный преобразователь 3, аккумуляторные батареи 4₁-4_n со схемами защиты 5₁-5_n, подключенные через зарядные преобразователи 6₁-6_n к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 7₁-7_n к нагрузке (выходному фильтру сериесного преобразователя 3). Каждый преобразователь содержит схему управления 9, 10, 24, выполненную в виде широтно-импульсного модулятора и связанную с выходом преобразователя по напряжению и току. Обратная связь по току берется для зарядных 6₁-6_n и разрядных 7₁-7_n преобразователей с шунтов 11₁-11_n в цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей 4₁-4_n и с шунта 25 в цепи нагрузки 2 для сериесного преобразователя 3. Обратные связи по выходному напряжению разрядных преобразователей подключены к схемам управления 10 через переключатели уровня стабилизации 8₁-8_n, связанные со схемами защиты 5₁-5_n аккумуляторных батарей 4₁-4_n и нагрузкой 2.

Зарядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа (транзистора) 13, управляемого схемой управления 9, вольтдобавочного узла, выполненного на трансформаторе 14 и транзисторах 12₁, 12₂, выпрямителя на диодах 15₁, 15₂.

Разрядный преобразователь 7 состоит из регулирующего ключа (транзистора) 16, управляемого схемой управления 10.

Сериесный преобразователь 3 состоит из регулирующего ключа 19, управляемого схемой управления 24, входного фильтра конденсатор 20 и выходного на дросселе 22, диоде 21 и конденсаторе 25.

Переключатель уровня стабилизации 8 по своей сути представляет собой резистор 17 в цепи питания схемы управления 10, зашунтированный контактами реле 18, управляемого нагрузкой 2 и схемой защиты аккумуляторной батареи.

Схема защиты аккумуляторной батареи 5 на чертеже не раскрыта, так как может состоять из различного набора функциональных узлов, в зависимости от типа аккумуляторной батареи и требований к ней (контроль минимального и максимального напряжения батареи или каждого аккумулятора, контроль датчиков давления и температуры, контроль текущей емкости и т.д.).

Система работает следующим образом. При наличии мощности солнечной батареи 1 напряжение на нагрузке 2 стабилизируется сериесным преобразователем 3. Обратная связь по току с шунта 25 защищает сериесный преобразователь 3 от перегрузки. Избыточная мощность солнечной батареи 1 используется для заряда аккумуляторных батарей 4₁-4_n через зарядные преобразователи 6₁-6_n. Обратные связи по току с шунтов 11₁-11_n ограничивают токи заряда на заданном уровне, а обратная связь по напряжению ограничивает токи заряда из условия наличия избыточной мощности солнечной батареи путем ограничения токов заряда при снижении напряжения солнечной батареи на уровне: напряжение нагрузки 2 плюс (1-2)В (падение напряжения на силовом ключе 19 сериесного преобразователя 3).

При недостатке или отсутствии мощности солнечной батареи 1 напряжение на нагрузке 2 снижается, и разрядные преобразователи 7₁-7_n начинают отдавать недостающую мощность от аккумуляторных батарей 4₁-4_n в нагрузку 2 из условия обеспечения установленного уровня стабилизации (на практике уровень стабилизации разрядного преобразователя на 0,2-0,4 В ниже уровня стабилизации сериесного преобразователя). Обратные связи по току ограничивают токи разряда.

В процессе работы зарядных 6₁-6_n и разрядных 7₁-7_n преобразователей схемы защиты 5₁-5_n аккумуляторных батарей 4₁-4_n контролируют их состояние и выдают управляющие воздействия на зарядные преобразователи 6₁-6_n (включение, отключение) и нагрузку (при необходимости сброс сеансной нагрузки при полном разряде аккумуляторной батареи).

Для реализации поставленной цели в автономную систему электропитания введены переключатели 8₁-8_n уровня стабилизации напряжения разрядных преобразователей 7₁-7_n, связанные со схемами защиты 5₁-5_n аккумуляторных батарей и нагрузкой 2. Со стороны нагрузки выдается сигнал на проведение профилактического цикла одной из аккумуляторных батарей на соответствующий переключатель уровня стабилизации 8.

Такой сигнал может быть сформирован бортовой ЭВМ ИСЗ, либо выдан по командной радиолинии из центра управления с Земли. Номинал стабилизации разрядного преобразователя 7 повышается выше напряжения стабилизации сериесного преобразователя 3, при этом соответствующая аккумуляторная батарея 4 начинает разряжаться в нагрузку 2 токами на уровне установленного токоограничения. Одновременно выдается сигнал через соответствующую схему защиты 5 аккумуляторной батареи на запрет работы соответствующего зарядного преобразователя 6. При полном разряде аккумуляторной батареи 4, схема защиты 5 аккумуляторной батареи выдает сигнал на переключатель уровня стабилизации 8 для возвращения в исходное состояние. Разряд прекращается, начинается заряд до прекращения его по соответствующей логике схемой защиты 5 аккумуляторной батареи. Таким же образом могут быть проведены профилактические циклы других аккумуляторных батарей автономной системы электропитания ИСЗ.

Весь процесс проведения профилактических циклов реализуется в процессе эксплуатации ИСЗ в автоматическом режиме, последовательно с каждой аккумуляторной батареей, что повышает ресурсные характеристики автономной системы электропитания ИСЗ и ее надежности.

Формула изобретения

АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ, содержащая солнечную батарею, подключенную к нагрузке через сериесный преобразователь, n аккумуляторных батарей со схемами защиты, подключенных через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи к нагрузке, причем каждый преобразователь содержит схему управления, выполненную в виде широтно-импульсного модулятора, содержащего измерительные органы выходного напряжения и тока преобразователя, отличающаяся тем, что, с целью повышения ее ресурсных характеристик и надежности, измерительные органы выходного напряжения разрядных преобразователей подключены к их выходам через переключатели уровня стабилизации, связанные со схемами защиты аккумуляторных батарей и нагрузкой, а схемы защиты аккумуляторных батарей связаны с зарядными и разрядными преобразователями и нагрузкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1