Преобразователь электрической энергии постоянного тока для систем электропитания аэрокосмических аппаратов

Использование: в области электротехники. Технический результат – уменьшение количества полупроводниковых силовых ключей и, как следствие, повышение коэффициента полезного действия и удельных массогабаритных показателей преобразователя. Преобразователь содержит два дросселя, солнечную батарею и аккумуляторную батарею, отрицательные выводы которых объединены и подключены к общей точке схемы, два диода, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу выходного конденсатора, отрицательный вывод которого соединен с общей точкой схемы. Первые разноименные выводы обмоток двухобмоточного трансформатора соединены друг с другом и с первым выводом одного из двух дросселей, второй вывод которого подключен к точке соединения двух последовательно включенных транзисторов, образующих стойку, при этом нижний транзистор стойки подключен к общей точке схемы, а верхний транзистор стойки соединен с положительным выводом аккумуляторной батареи и положительным выводом входного конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы. Второй вывод каждой из двух обмоток трансформатора соединен с анодом одного из двух диодов и стоком одного из двух транзисторов, истоки которых подключены к общей точке схемы, между точкой объединения обмоток трансформатора и первым выводом второго дросселя включен транзистор, между первым выводом второго дросселя и положительным выводом выходного конденсатора включен диод, положительный вывод солнечной батареи подключен ко второму выводу второго дросселя. 5 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для построения систем непрерывного электропитания постоянного тока аэрокосмических аппаратов с двумя независимыми источниками электрической энергии, одним из которых является солнечная батарея, вторым аккумуляторная батарея.

Известен преобразователь для систем электропитания постоянного тока космических аппаратов [А. К. Weinberg, P. R. Boldo, "A high power, high frequency, DC to DC converter for space applications," 23rd Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Toledo, 1992, pp.1140-1147 vol. 2.], являющийся аналогом предлагаемого изобретения, содержащий двухобмоточный трансформатор и дроссель с двумя магнитосвязанными обмотками, при этом первые разноименные выводы обмоток трансформатора соединены друг с другом и с первыми разноименными выводами обмоток дросселя, к второму выводу каждой обмотки трансформатора подключен сток одного из двух транзисторов и анод одного из двух диодов, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы, истоки транзисторов объединены и подключены к общей точке схемы, второй вывод первой обмотки дросселя подключен к первичному источнику питания постоянного тока, второй вывод которого соединен с общей точкой схемы, второй вывод второй обмотки дросселя подключен к аноду диода, катод которого соединен с положительным выводом конденсатора, нагрузка преобразователя подключена параллельно конденсатору.

Основным недостатком этого устройства является отсутствие возможности ограничения тока нагрузки при возникновении перегрузки и короткого замыкания, что значительно снижает надежность схемы. Помимо этого, представленный преобразователь питается только от одного источника постоянного тока, что не позволяет обеспечивать непрерывное электропитание нагрузки при отказе первичного источника питания и также снижает общую надежность электроснабжения.

Кроме того, известен преобразователь для систем электропитания постоянного тока (патент РФ №2676678), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, содержащий две параллельно включенные ветви, каждая из которых состоит из двух последовательно включенных транзисторов с обратными диодами, солнечную батарею, аккумуляторную батарею и два дросселя, каждый из которых одним выводом подключен к узлу соединения двух последовательно включенных транзисторов, вторые выводы дросселей объединены, отрицательные выводы солнечной батареи, аккумуляторной батареи и двух параллельных ветвей подключены к общей точке схемы, положительные выводы двух параллельных ветвей объединены и подключены к катоду диода, анод которого соединен с положительным выводом солнечной батареи, каждый узел соединения двух последовательно включенных транзисторов в параллельных ветвях соединен с анодом одного из двух диодов, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы, к точке объединения выводов дросселей подключен сток транзистора, исток которого соединен с общей точкой схемы, также к точке объединения выводов дросселей подключен двунаправленный ключ, образованный встречно-последовательным включением транзисторов, второй вывод которого подключен к положительному выводу аккумуляторной батареи, нагрузка преобразователя подключена параллельно конденсатору.

Основными недостатками данного устройства является низкий коэффициент полезного действия и сложность управления из-за большого количества полупроводниковых ключей, а также большие размеры пассивных магнитных элементов, что негативно сказывается на удельных энергетических характеристиках преобразователя.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно уменьшение количества полупроводниковых силовых ключей и необходимой величины магнитных элементов для повышения коэффициента полезного действия и удельных массогабаритных показателей преобразователя.

Поставленная задача достигается тем, что в известный преобразователь для систем электропитания постоянного тока, содержащий два дросселя, солнечную батарею и аккумуляторную батарею, отрицательные выводы которых объединены и подключены к общей точке схемы, два диода, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу выходного конденсатора, отрицательный вывод которого соединен с общей точкой схемы, введен двухобмоточный трансформатор, первые разноименные выводы обмоток которого соединены друг с другом и с первым выводом одного из двух дросселей, второй вывод которого подключен к точке соединения двух последовательно включенных транзисторов, образующих стойку, при этом нижний транзистор стойки подключен к общей точке схемы, а верхний транзистор стойки соединен с положительным выводом аккумуляторной батареи и положительным выводом входного конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы, второй вывод каждой из двух обмоток трансформатора соединен с анодом одного из двух диодов и стоком одного из двух транзисторов, истоки которых подключены к общей точке схемы, между точкой объединения обмоток трансформатора и первым выводом второго дросселя введен дополнительный транзистор, также введен диод между первым выводом второго дросселя и положительным выводом выходного конденсатора, положительный вывод солнечной батареи подключен к второму выводу второго дросселя.

На фиг. 1 представлен вариант принципиальной электрической схемы предлагаемого устройства.

На фиг. 2 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в режиме регулятора мощности солнечной батареи.

На фиг. 3 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в режиме преобразователя напряжение аккумуляторной батареи.

На фиг. 4 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в режиме стабилизатора тока заряда аккумуляторной батареи.

На фиг. 5 представлены графики импульсов управления силовых ключей устройства в совмещенном режиме регулятора мощности солнечной батареи и стабилизатора тока заряда аккумуляторной батареи.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит солнечную батарею 10; аккумуляторную батарею 14; нагрузку 7; диоды 4, 5, 8; транзисторы с обратными диодами 1, 2, 11, 13, 15; дроссели 9, 12; конденсаторы 6, 16; двухобмоточный трансформатор 3.

Первые разноименные выводы обмоток трансформатора 3 соединены друг с другом и с первым выводом дросселя 12, второй вывод которого подключен к точке соединения двух последовательно включенных транзисторов 13 и 15, образующих стойку, при этом исток транзистора 15 подключен к общей точке схемы, а сток транзистора 13 соединен с положительным выводом входного конденсатора 16, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы. Истоки транзисторов 1 и 2 подключены к общей точке схемы, а стоки соединены с вторым выводом одной из двух обмоток трансформатора 3 и анодом одного из двух диодов 4 и 5 соответственно, катоды которых объединены и соединены с положительным выводом выходного конденсатора 6, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы. К точке объединения обмоток трансформатора 3 подключен исток транзистора 11, сток которого подключен к первому выводу дросселя 9 и аноду диода 8, катод которого соединен с положительным выводом выходного конденсатора 6. Второй вывод дросселя 9 подключен к положительному выводу солнечной батареи 10, отрицательный вывод которой соединен с общей точкой схемы. Аккумуляторная батарея 14 подключена параллельно входному конденсатору 16, а нагрузка 7 подключена параллельно выходному конденсатору 6.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

Преобразователь электрической энергии постоянного тока имеет два входа и питается от независимых источников электрической энергии, одним из которых является солнечная батарея, вторым аккумуляторная батарея. Благодаря такой структуре обеспечивается непрерывность электропитания нагрузки во всех режимах работы аэрокосмического аппарата. Солнечная батарея в данном случае является основным источником энергии. При номинальной освещенности ее мощности достаточно для питания нагрузки и поддержания заряда аккумулятора. Аккумуляторная батарея является резервным источником питания, компенсирующим недостаток энергии в случае частичного или полного затенения солнечной батареи. Таким образом предлагаемый преобразователь обеспечивает три основных и два совмещенных режима работы, а также имеет возможность ограничения выходного тока при перегрузке и коротком замыкании.

При достаточной освещенности, когда мощность солнечной батареи равна или превышает мощность нагрузки, устройство работает в режиме регулятора мощности солнечной батареи (РМБС). В данном режиме питание нагрузки преобразователя обеспечивается только за счет энергии солнечной батареи, а аккумуляторная батарея полностью заряжена и ее ток равен нулю. Выходное напряжение преобразователя стабилизируется коммутацией силового ключа 11, в то время как ключи 1 и 2 замкнуты, а ключ 15 разомкнут.Аккумуляторная батарея отключается от выхода схемы с помощью ключа 13, который в данном режиме разомкнут.

Полный цикл работы преобразователя в режиме РМБС состоит из двух интервалов коммутации ключа 11. Относительная длительность импульса управления транзистора на первом интервале работы определяется величиной коэффициента заполнения D1, который принимает значения в диапазоне от 0 до 1. Относительная длительность второго интервала коммутации определяется как 1-D1. Период коммутации TS определяет время полного цикла работы преобразователя и зависит от частоты коммутации силовых ключей. Графики импульсов управления транзисторов 1, 2, и 11 (F1, F2, F11 соответственно) в режиме РМ-БС представлены на фиг. 2.

Если солнечная батарея находится в тени и ее мощность равна нулю, устройство функционирует в режиме преобразователя напряжения аккумуляторной батареи (ПНАБ). Питание нагрузки в таком случае осуществляется только за счет накопленной энергии аккумулятора, а ток солнечной батареи равен нулю. Выходное напряжение преобразователя стабилизируется коммутацией силовых ключей 1 и 2, в то время как ключи 11 и 15 разомкнуты. Транзистор 13 необходим для ограничения выходного тока преобразователя при перегрузке или коротком замыкании и в нормальном режиме работы замкнут.

Полный цикл работы преобразователя в режиме ПНАБ состоит из четырех интервалов коммутации ключей 1 и 2. Относительная длительность импульсов управления транзисторов на первом и третьем интервалах работы определяется величиной коэффициента заполнения D2, который принимает значения в диапазоне от 0 до 0,5. Относительная длительность второго и четвертого интервалов коммутации определяется как 0,5-D2. Период коммутации TS определяет время полного цикла работы преобразователя и зависит от частоты коммутации силовых ключей. Графики импульсов управления транзисторов 1, 2, и 13 (F1, F2, F13 соответственно) в режиме ПНАБ представлены на фиг. 3.

Если мощность солнечной батареи отлична от нуля, а мощность нагрузки равна нулю, устройства переходит в режим стабилизатора тока заряда аккумуляторной батареи (СТЗАБ). В таком случае вся мощность солнечной батареи может быть направлена на заряд аккумулятора. Ток заряда аккумуляторной батареи регулируется коммутацией ключа 15, в то время как ключ 11 замкнут, а транзисторы 1 и 2 разомкнуты. Транзистор 13 разомкнут и выполняет функцию диода. Стабилизация выходного напряжения преобразователя в данном режиме не требуется.

Полный цикл работы преобразователя в режиме СТЗАБ состоит из двух интервалов коммутации ключа 15. Относительная длительность импульса управления транзистора на первом интервале работы определяется величиной коэффициента заполнения D3, который принимает значения в диапазоне от 0 до 1. Относительная длительность второго интервала коммутации определяется как 1-D3. Период коммутации TS определяет время полного цикла работы преобразователя и зависит от частоты коммутации силовых ключей. Графики импульсов управления транзисторов 11 и 15 (F11, F15 соответственно) в режиме СТЗАБ представлены на фиг. 4.

Если мощность солнечной батареи отлична от нуля, но меньше мощности нагрузки, недостаток энергии компенсируется аккумуляторной батареей и устройство функционирует в совмещенном режиме РМБС+ПНАБ. В таком случае преобразователь питается одновременно от двух источников электрической энергии, обеспечивая непрерывное и стабильное электроснабжение нагрузки. Алгоритм управления устройством в данном режиме работы полностью соответствует алгоритму в режиме ПНАБ. Выходное напряжение стабилизируется коммутацией силовых ключей 1 и 2, в то время как ключи 11 и 15 разомкнуты, а ключ 13 замкнут. При этом весь генерируемый ток солнечной батареи протекает в нагрузку через диод 8. Графики импульсов управления транзисторов 1, 2, и 13 (F2, F2, F13 соответственно) в совмещенном режиме РМБС+ПНАБ представлены на фиг. 3.

Если мощность солнечной батареи превышает мощность нагрузки, часть энергии может быть направлена на заряд аккумуляторной батареи. В таком случае устройство переходит в совмещенный режим РМБС+СТЗАБ при котором одновременно обеспечивается стабилизация выходного напряжения преобразователя и тока заряда аккумулятора. Ток заряда аккумуляторной батареи регулируется коммутацией ключа 15. Транзистор 13 при этом разомкнут и выполняет функцию диода. Выходное напряжение преобразователя стабилизируется коммутацией ключа 11, в то время как ключи 1 и 2 разомкнуты.

Полный цикл работы преобразователя в режиме РМБС+ПНАБ состоит из трех интервалов коммутации ключей 11 и 15. Относительные длительности импульсов управления ключей 11 и 15 определяются коэффициентами заполнения D1 и D3 соответственно, которые принимают значения в диапазоне от 0 до 1. Относительная длительность третьего интервала коммутации определяется как 1-D1. Период коммутации Ts определяет время полного цикла работы преобразователя и зависит от частоты коммутации силовых ключей. Графики импульсов управления транзисторов 11 и 15 (F11, F15 соответственно) в режиме РМБС+СТЗАБ представлены на фиг. 5.

В предлагаемом устройстве также предусмотрена возможность ограничения тока аккумуляторной батареи при возникновении перегрузки или короткого замыкания в нагрузке. Для этого используется транзистор 13, обратный диод транзистора 15 и индуктивность 12, образующие понижающий импульсный преобразователь. Такое техническое решение в целом повышает надежность эксплуатации системы электропитания аэрокосмических аппаратов.

Технический результат изобретения, достигаемый от изменения топологии схемы, по сравнению с известным устройством, заключается в повышении коэффициента полезного действия, упрощении алгоритма управления и уменьшении массогабаритных параметров за счет уменьшения количества полупроводниковых ключей и требуемой величины пассивных магнитных элементов.

Преобразователь электрической энергии постоянного тока для систем электропитания аэрокосмических аппаратов, содержащий два дросселя, солнечную батарею и аккумуляторную батарею, отрицательные выводы которых объединены и подключены к общей точке схемы, два диода, катоды которых объединены и подключены к положительному выводу выходного конденсатора, отрицательный вывод которого соединен с общей точкой схемы, отличающийся тем, что первые разноименные выводы обмоток двухобмоточного трансформатора соединены друг с другом и с первым выводом одного из двух дросселей, второй вывод которого подключен к точке соединения двух последовательно включенных транзисторов, образующих стойку, при этом нижний транзистор стойки подключен к общей точке схемы, а верхний транзистор стойки соединен с положительным выводом аккумуляторной батареи и положительным выводом входного конденсатора, отрицательный вывод которого подключен к общей точке схемы, второй вывод каждой из двух обмоток трансформатора соединен с анодом одного из двух диодов и стоком одного из двух транзисторов, истоки которых подключены к общей точке схемы, между точкой объединения обмоток трансформатора и первым выводом второго дросселя включен транзистор, между первым выводом второго дросселя и положительным выводом выходного конденсатора включен диод, положительный вывод солнечной батареи подключен ко второму выводу второго дросселя.



 

Похожие патенты:

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в снижении затрат энергии на собственные нужды электромагнитного генератора и полном использовании энергии постоянного магнита.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в снижении вероятности короткого замыкания.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам электроснабжения робота, включающая в себя солнечную фотоэлектрическую установку. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей системы электроснабжения робота и в том числе в обеспечении ее работоспособности в условиях полевых бурь.

Использование: в области электротехники при проектировании и создании систем электропитания автоматических космических аппаратов на основе солнечных и аккумуляторных батарей.

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для мониторинга гололедообразований на грозозащитных тросах воздушных линий электропередачи электрических сетей напряжением 110-220 кВ.

Изобретение относится к способу управления автономной системой электроснабжения космического аппарата. Для этого управляют стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы при контроле степени заряженности и разряженности аккумуляторных батарей в блоке, выдают запрет на работу соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, снимают запрет при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, запрещают работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, снимают этот запрет при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, контролируют ток солнечной батареи, снимают блокировку работы преобразователя напряжения после превышения тока солнечной батареи заранее заданного значения, при аварийном разряде аккумуляторных батарей, в зависимости от величины их остаточной емкости включают режим аварийного экономичного разряда аккумуляторных батарей и, при необходимости, включают блок автономного управления приводом солнечной батареи для получения солнечной батареей максимальной освещенности от Солнца, а в случае не устранения аварийного режима, блокируют работу всех разрядных устройств.

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано при организации электроснабжения потребителей электроэнергией на переменном токе от солнечных батарей, а также при строительстве промышленных солнечных электростанций.

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в устройствах для подзаряда аккумуляторных батарей, находящихся на хранении, с целью компенсации их саморазряда.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – обеспечение возможности подключения устройств генерации на стороне переменного тока, а также возможности гибко менять приоритеты подключения различных вводов от источников генерации и аккумуляторных батарей.

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение восстановления полной энергоемкости аккумуляторных батарей (АБ), что приведет к повышению живучести искусственного спутника Земли (ИСЗ), а также обеспечит преемственность зарядных устройств, что позволит снизить его конечную стоимость и сроки его изготовления.
Наверх