Способ электропитания космического аппарата

Авторы патента:

H02J7/34 - параллельная работа в сетях с использованием как электрических аккумуляторов, так и других источников постоянного тока, например с целью обеспечения буферного режима (H02J 7/14 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2510116:

Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (RU)

Заявляемое изобретение относится к области космической энергетики, конкретнее к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). Технический результат заключается в повышении эффективности использования солнечной батареи и надежности системы электропитания КА, позволяющий осуществлять возможность поддержания стабилизации номиналов напряжения постоянного и переменного тока, необходимого для питания разнообразных нагрузок КА. Для этого в заявленном способе от первичного источника электроэнергии - солнечной батареи и вторичного источника электроэнергии - аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке посредством стабилизатора напряжения, выполненного в виде мостового инвертора с выходным трансформатором, со вторичных обмоток которого осуществляют электропитание всех потребителей различными номиналами напряжения, при согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, экстремальном регулировании мощности солнечной батареи. При этом солнечную батарею делят на «n» секций с суммарным выходным напряжением всех секций, равным требующемуся выходному напряжению солнечной батареи в целом. Каждую секцию стабилизируют через индивидуальный стабилизатор напряжения, после чего стабилизированное переменное напряжение всех секций солнечной батареи, синхронизированное между собой, соединяют последовательно и подают на первичную обмотку общего выходного трансформатора. 1 ил.

Заявляемое изобретение относится к области космической энергетики, а конкретнее к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА).

Известны способы электропитания 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 приведен 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», B.C. Кудряшов, М.В. Нестеришин, А.В. Жихарев, В.О. Эльман, А.С.Поляков (Приборостроение, журнал, том 47, апрель 2004, 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 имеют общий недостаток - они не универсальны, что ограничивает область их использования.

Известен способ электропитания, реализованный системой, 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» 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.

Следует отметить, что в настоящее время во всем мире идет процесс повышения напряжения на выходе системы электропитания космического аппарата. Это объясняется тем, что с повышением напряжения пропорционально снижаются токи в бортовой аппаратуре и кабельной сети и, следовательно, потери энергии, поскольку последние пропорциональны квадрату тока. Поэтому технология интегрирования солнечной и аккумуляторных батарей в состав системы электропитания в процессе изготовления космического аппарата имеет сегодня важное значение для обеспечения функциональной надежности космического аппарата в процессе его изготовления.

Недостатком известной автономной системы электропитания КА является то, что при высоком напряжении солнечных батарей (более 200 В) она становится элементом как повышенной опасности для обслуживающего персонала, так и источником возникновения аварийных ситуаций связанных с возможными электрическими разрядами (пробоями). Кроме того, увеличение количества солнечных элементов в последовательной цепи генераторов объективно ведет к снижению их надежности и повышает степень необходимого резервирования.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования солнечной батареи и надежности системы электропитания КА.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе электропитания космического аппарата, от первичного источника электроэнергии - солнечной батареи и вторичного источника электроэнергии - аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке посредством стабилизатора напряжения, выполненного в виде мостового инвертора с выходным трансформатором, со вторичных обмоток которого осуществляют электропитание всех потребителей различными номиналами напряжения, при согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, экстремальном регулировании мощности солнечной батареи. При этом солнечную батарею делят на «n» секций с суммарным выходным напряжением всех секций, равным требующемуся выходному напряжению солнечной батареи в целом. Каждую секцию стабилизируют через индивидуальный стабилизатор напряжения, после чего стабилизированное переменное напряжение всех секций солнечной батареи, синхронизированное между собой, соединяют последовательно и подают на первичную обмотку общего выходного трансформатора.

Действительно, у каждой секции (генератора) солнечной батареи есть свой индивидуальный стабилизатор напряжения, который обеспечивает стабилизацию напряжения отдельной секции (генератора) в точке ее максимальной мощности. После этого синхронизированное переменное напряжение всех секций солнечной батареи соединяется последовательно и подается на первичную обмотку общего трансформатора, с вторичных обмоток от которого осуществляется питание бортовой аппаратуры КА всего спутника различными номиналами напряжения.

Преимущество такого построения системы электропитания заключается в том, что при стабилизации напряжения каждой секции солнечной батареи в точке ее максимальной мощности, повышается эффективность ее использования и надежность электропитания КА в целом. При этом уменьшение величины напряжения на каждой секции солнечной батареи обеспечивает надежность и безаварийность работы КА.

В качестве примера конкретной реализации заявляемого способа на фиг.1, приведена функциональная схема автономной системы электропитания космического аппарата, при этом солнечная батарея имеет 4 секции (генератора).

Система электропитания состоит из солнечной батареи 1, аккумуляторной батареи 2, зарядного устройства аккумуляторной батареи 3, разрядного устройства аккумуляторной батареи 4, стабилизаторов напряжения 5 и 13.

Стабилизаторы напряжения 5 и 13 выполнены в виде мостовых инверторов. 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» 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.

Стабилизатор напряжения 5 представляет собой группу стабилизаторов для каждой секции (генератора) солнечной батареи, состоящих из датчиков тока 6_1-4, соединенных с экстремальными регуляторами мощности 7_1-4. Формирование переменного напряжения обеспечивается с помощью схемы управления, которая по определенному закону открывает попарно транзисторы 8_1-4, 11_1-4 и 9_1-4, 10_1-4 соответственно. Экстремальные регуляторы мощности 7_1-4 с учетом показаний датчиков тока 6_1-4 и напряжения секций (генераторов) солнечной батареи 1_1-4 выдает сигнал коррекции на изменение частоты открытия транзисторов 8_1-4, 11_1-4 и 9_1-4,10_1-4 таким образом, чтобы на солнечной батарее устанавливалось напряжение, равное оптимальному напряжению вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечной батареи. При этом это напряжение будет синхронизированное, так как напряжение стабилизируется для каждой секции в отдельности.

Синхронизированное стабилизатором 5 напряжение солнечной батареи поступает на первичную обмотку 23 трансформатора 22. Далее оно трансформируется на вторичных обмотках трансформатора 24 и 25 в различные номиналы напряжений. Выпрямители 26 и 27 необходимы для преобразования переменного тока в постоянный, которым осуществляется питание нагрузок 28 и 29.

Аналогичным образом осуществляется стабилизация напряжения аккумуляторной батареи 2, через стабилизатор 13, экстремального регулятора мощности 14, датчика тока 12 и мостовых инверторов 15, 16, 17, 18. Трансформатор 19 необходим для поддержания напряжения аккумуляторной батареи в заданном диапазоне с помощью первичной 20 и вторичной 21 обмотки.

Система электропитания работает полностью в автоматическом режиме.

В результате решения поставленной задачи по повышению надежности и функциональных возможностей достигается технический результат, позволяющий поддерживать напряжение полезной нагрузки в допустимых пределах.

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

Способ электропитания космического аппарата от первичного источника электроэнергии - солнечной батареи и вторичного источника электроэнергии - аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке посредством стабилизатора напряжения, выполненного в виде мостового инвертора с выходным трансформатором, с вторичных обмоток которого осуществляют электропитание всех потребителей различными номиналами напряжения, при согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, экстремальном регулировании мощности солнечной батареи, отличающийся тем, что солнечную батарею делят на «п» секций с суммарным выходным напряжением всех секций, равным требующемуся выходному напряжению солнечной батареи в целом, и каждую секцию стабилизируют через индивидуальный стабилизатор напряжения, после чего стабилизированное переменное напряжение всех секций солнечной батареи, синхронизированное между собой, соединяют последовательно и подают на первичную обмотку общего выходного трансформатора.

Изобретение относится к системе бесперебойного электропитания и, в частности, к системе бесперебойного электропитания, имеющей упрощенную схему индикации наличия напряжения.

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника земли // 2503112

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

Устройство сбалансированного стабилизированного питания потребителей большой мощности // 2502172

Изобретение относится к области энергетики, и позволяет осуществлять прецизионное регулируемое питание потребителей постоянного тока, и может быть реализовано в сложных технологических комплексах большой мощности.

Устройство и способ для формирования, накопления и передачи электрической энергии // 2496208

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности энергоснабжения.

Способ электропитания космического аппарата // 2488933

Электрическая схема автотранспортного средства // 2483412

Двунаправленный преобразователь постоянного тока в постоянный для управления накопителем энергии при отводе энергии // 2476978

Способ управления автономной системой электропитания космического аппарата // 2467449

Преобразователь постоянного тока в постоянный с регулируемым напряжением на входе, использующийся для отбора мощности // 2460195

Изобретение относится к схемам преобразования напряжения. .

Автономная система электропитания искусственного спутника земли // 2440654

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

Автономная система электроснабжения // 2522728

Изобретение относится к электротехнике, к системам электроснабжения автономных объектов с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей. Технический результат - уменьшение количества оборудования. Сущность технического решения заключается в том, что использование солнечной батареи с дополнительной промежуточной шиной, включенной в цепь второго входного силового вывода стабилизатора напряжения, уменьшает амплитуду пульсации напряжения на обмотках дросселя стабилизатора напряжения при коммутации его ключевого элемента на величину напряжения промежуточной шины солнечной батареи, а введение в стабилизатор напряжения двухобмоточного дросселя и второго конденсатора реализует сглаживающий магнитно-связанный фильтр, который совместно с дополнительным диодом и четырьмя ключевыми элементами интегрирует в стабилизатор напряжения дополнительные функции заряда и разряда аккумуляторной батареи. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Система автономного электроснабжения // 2530743

Система автономного электроснабжения относится к области электроэнергетики. Технический результат - повышение перегрузочной способности системы в автономном режиме работы при возникновении пиковых и дополнительных нагрузок путем обеспечения параллельной работы инвертора и электрогенератора. Задача решена за счет того, что в схему дополнительно введены блок синхронизации и распределения нагрузки с информационным входом и двумя информационными выходами и блок управления возбуждением генератора, а первый выход блока синхронизации и распределения нагрузки соединен посредством блока управления возбуждением с системой управления генератором, его второй выход - с системой управления ДВС, его вход - с дополнительно введенным третьим информационным выходом блока коммутации, причем первый вход инвертора соединен с выходом генератора, его первый выход - с первым входом блока коммутации, а первый выход блока коммутации подключен к потребителю электроэнергии. Обеспечение параллельной работы инвертора и электрогенератора позволяет решить проблему энергоснабжения охранной сигнализации загородного дома, на производстве и т.д. в период отсутствия электроэнергии. 1 ил.

Способ электроснабжения и устройство для его осуществления // 2531806

Использование: в области электротехники. Технический результат: повышение качества и эффективности бесперебойного электроснабжения потребителей, а также увеличение ресурса работы аккумуляторов. Согласно способу напряжение постоянного тока источника стабилизируют при помощи стабилизаторов с гальванической развязкой до уровня напряжения заряда аккумулятора, при помощи стабилизаторов осуществляют параллельный заряд последовательно соединенных аккумуляторов, электропитание потребителю подают с полюсов, образованных последовательно соединенными аккумуляторами, при этом через аккумуляторы постоянно протекает ток, являющийся разницей тока разряда и тока заряда. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил.

Источник бесперебойного электропитания // 2533197

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение бесперебойности питания в случае отказа любых собственных узлов источника электропитания. Источник содержит два входных AC/DC преобразователя и выходной DC/DC преобразователь напряжения, систему управления преобразователями и аккумуляторную батарею (АБ). Выход первого входного AC/DC преобразователя напряжения подключается через диод к нагрузке, а выход второго выходного преобразователя через другой диод - к АБ. Выходной DC/DC преобразователь напряжения включен между катодами указанных диодов после входных преобразователей. Параллельно выходному DC/DC преобразователю напряжения включен электронный ключ и выходной контактор. 3 ил.

Способ питания нагрузки постоянным током в автономный системе электропитания искусственного спутника земли // 2535662

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.

Способ управления системой электропитания космического аппарата // 2537389

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), использующих в качестве первичных источников энергии батареи фотоэлектрические (БФ), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторные батареи (АБ). Техническим результатом изобретения является сдерживание процесса возникновения аварийной ситуации из-за нарушения энергобаланса. Это достигается тем, что одну из двух панелей солнечной батареи поворачивают с нейтрального положения по тангажу по ходу часовой стрелки, другую панель таким же образом поворачивают против хода часовой стрелки или наоборот соответственно на углы φ1, φ2, образованные продольными осями космического аппарата и передней и задней панелей солнечных батарей, при этом освещаемые плоскости панелей солнечной батареи после перекладок панелей образуют тупой угол, равный (180°+φ1+φ2); о наличии режима максимального отбора мощности фотоэлектрической батареи судят по закону изменения входного напряжения от времени на световом участке орбиты космического аппарата, при этом данную схему перекладок панелей используют для относительно малых углов β между плоскостью орбиты и направлением на Солнце, например, в диапазоне его изменения от «минус» 30° до «плюс» 30°, а допустимые углы перекладок панелей φ1доп и φ2доп определяют из условия: φ1доп≤φ1опт=arccos(R3/(R3+H1)), φ2доп≤φ2опт=arccos(R3/(R3+H2)), где φ1опт - оптимальный угол перекладки, при котором обеспечивается режим максимального отбора мощности передней панели; φ2опт - оптимальный угол перекладки, при котором обеспечивается режим максимального отбора мощности задней панели; R3 - радиус Земли; Н1 - высота орбиты КА в точке выхода его из теневого участка; Н2 - высота орбиты КА в точке входа его в теневой участок. 5 ил.

Способ резервирования аккумуляторов и устройство для его осуществления // 2543498

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при эксплуатации аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания, в частности в системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ), малых космических аппаратов. Технический результат - увеличение обеспечиваемого количества заряд-разрядных циклов батареи, имеющей в своем составе последовательно соединенные основные и резервные аккумуляторы, повышение эффективности использования энергии резервных аккумуляторов. В процессе эксплуатации батареи осуществляют подзаряд от индивидуальных источников напряжения только наиболее разряженных аккумуляторов в составе батареи. Питание индивидуальных источников, которые выполнены в виде выходных каскадов преобразователя постоянного напряжения, осуществляют от резервных аккумуляторов батареи. При этом на выходах индивидуальных источников формируют напряжения, равные текущему среднему значению напряжений на аккумуляторах батареи, а для питания нагрузки используют электрическую энергию только основных аккумуляторов батареи. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника земли // 2548661

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания (СЭП) искусственных спутников Земли (ИСЗ). Техническим результатом изобретения является повышение функциональной надежности автономной системы электропитания ИСЗ. Для достижения технического результата предлагается способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации «n» номиналов напряжения нагрузки и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное входное напряжение питания посредством параллельного короткозамкнутого 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, стабилизируемых индивидуально посредством «m» секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника земли // 2548664

Система электропитания космического аппарата с экстремальным регулированием мощности солнечной батареи // 2560720

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к бортовым системам электропитания космических аппаратов, и может быть использовано в системе питания автоматических космических аппаратов на основе солнечных и аккумуляторных батарей. Система электропитания содержит солнечную батарею(СБ), аккумуляторную батарею (АБ), регулятор напряжения и разрядное устройство, которые выполнены в виде мостовых инверторов. Зарядное устройство, два отдельных согласующих трансформатора, систему управления с экстремальным регулированием мощности, нагрузку с различными номиналами питающего напряжения. СБ подключена к регулятору напряжения, выход которого соединен с первичной обмоткой первого трансформатора. АБ подключена к разрядному устройству, выход которого соединен с первичной обмоткой второго трансформатора и к зарядному устройству, вход которого соединен с вторичной обмоткой первого трансформатора. Вторичные обмотки первого и второго трансформаторов соединены последовательно и через выпрямитель питают нагрузку. Технический результат - повышение энергетической эффективности за счет реализации экстремального регулирования мощности как в режиме заряда АБ, так и в режиме совместного питания бортовой нагрузки от СБ и АБ. 3 ил.