Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата

Использование: в области электротехники для космических аппаратов (КА). Технический результат - повышение быстродействия и функциональной надежности системы электропитания (СЭП) при упрощении электрических схем. Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, использующий зарядные (ЗУ) и разрядные устройства (РУ). Согласно изобретению в составе ЗУ применяют независимые стабилизаторы тока (СТ), управляют ими командами включение-отключение, а общий ток ЗУ регулируют изменением количества включенных СТ. Питают СТ от шины, объединенной через диоды. Анализ степени заряженности АБ и установку тока заряда ЗУ выполняют, используя данные телеметрии о токе и напряжении АБ. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области космической энергетики, а именно бортовых систем электропитания космических аппаратов (КА) с использованием солнечных батарей (БС) и аккумуляторных (АБ) батарей.

Известен способ управления в автономной системе электропитания (патент RU №2313169 С2), содержащей БС, последовательный стабилизатор напряжения, включенный в цепь между солнечной батареей БС и нагрузкой, аккумуляторная батарея, подключенная через зарядное устройство к выходу БС и через разрядное устройство к выходу стабилизатора.

Параллельно БС подключен ограничитель максимального напряжения БС.

После выхода КА из тени Земли в течение примерно одной минуты (сумеречный период) происходит нарастание напряжения БС от нуля до значений, превышающих максимально допустимых для электро-радиоэлементов стабилизатора.

При достижении напряжения порога срабатывания ограничитель открывается и понижает напряжение БС до напряжения порога ограничителя.

Недостаток рассмотренного способа состоит в том, что без ограничителя напряжения можно обойтись, заменив последовательный регулятор напряжения параллельным, построенным по принципу последовательного шунтирования выходов секций БС, количество которых определяется из условия поддержания напряжения на выходе регулятора в заданных пределах. В ситуации выхода КА из тени Земли такой регулятор автоматически шунтирует необходимое количество секций БС, устанавливая нормальное напряжение на нагрузке.

Наиболее близким решением к заявляемому способу питания нагрузки является способ подключения аккумуляторной батареи, описанный в заявке «Автономная система электропитания» (RU №2317216 С2), в котором зарядное и разрядное устройства батареи подключены к выходу солнечной батареи до входа в последовательный стабилизатор напряжения. Технический результат заключается в получении стабильности напряжения на нагрузке путем уменьшения переходных процессов при смене режимов работы системы электропитания.

Указанный способ электропитания выбран в качестве прототипа.

Недостаток этого способа электропитания состоит в том, что ток в нагрузку идет от аккумуляторной батареи (АБ) через разрядное устройство (РУ) и через стабилизатор напряжения при нахождении его в зоне регулирования. При этом имеются дополнительные потери мощности на стабилизаторе.

Для заявленного способа выявлены основные общие существенные признаки, такие как: способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, использующий разрядные и зарядные устройства.

Технической проблемой заявляемого изобретения является повышение быстродействия и упрощение электрических схем для повышения функциональной надежности (СЭП).

Поставленная техническая проблема решается способом питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающимся в стабилизации напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, зарядные (ЗУ) и разрядные устройства (РУ), согласно заявленному изобретению, - в составе ЗУ применяют независимые стабилизаторы тока (СТ), управляют ими командами «включение-отключение», а общий ток ЗУ регулируют изменением количества включенных СТ. Анализ степени заряженности АБ и установку тока заряда ЗУ выполняют командами, учитывая телеметрическую информацию о токе и напряжении АБ.

Таким образом, поставленная техническая проблема решается тем, что в отличие от традиционного способа заряда АБ, когда при дефиците мощности БС зарядное устройство стабилизирует напряжение на нагрузке, предлагаемый способ исключает эту функцию из зоны управления СЭП. При этом значительно упрощается электрическая схема ЗУ.

В отличие от традиционных последовательных (как в прототипе) стабилизаторов-преобразователей использованы ключи-коммутаторы секций БС, которые отключают секции способом их короткого замыкания. Количество отключенных секций определяется из условия поддержания напряжения на выходе регулятора в заданных пределах.

Указанные способы значительно облегчают тепловые режимы силовых ключей, упрощают электрические схемы, уменьшают массу и габариты, улучшают динамические характеристики общей схемы управления, повышают надежность СЭП.

Суть предлагаемого способа можно пояснить на примере функциональной схемы автономной СЭП, изображенной на фиг. 1.

Устройство содержит первичный источник ограниченной мощности, например, солнечную батарею 1, состоящую из секций 11…1m, подключенную к нагрузке 2 через диоды РД1…РДт, в цепи каждой секции соответственно, и выходной фильтр 3. Вторичный источник электроэнергии, например, аккумуляторные батареи АБ 4/1 и 4/2 подключены плюсом через зарядные стабилизаторы тока СТ 5/1 и 5/2 к секциям 11…1m через диоды Д1…Дm шина соединенных батарей солнечных (СБС) и через разрядные устройства 6/1, 6/2 к фильтру 3. Регулятор мощности батареи солнечной (РМБС) 7, включенный между солнечной батареей 1 и нагрузкой 2, разделен на K1…Km единичных силовых ключей-короткозамыкателей, которые подключены к каждой соответствующей секции БС. РМБС представляет собой силовой электронный ключ, управляемый сигналом от общей схемы управления (на чертеже на показана), обеспечивающей необходимую точность стабилизации напряжения на нагрузке. Предусмотрена, резервная ячейка Кm+1, питаемая от шины СБС.

Разрядное устройство представляет собой двухтактный регулятор повышающего типа с высоким КПД (не ниже 0,97), активируется ШИМ-модулятором. Имеет в своем составе несколько ячеек на каждую АБ. При недостаче или полном отсутствии энергии от БС стабилизация напряжения на нагрузке, в режиме ТЕНЬ, обеспечивается РУ через общую схему управления СЭП.

Зарядное устройство ЗУ 5/1 и 5/2 содержит несколько ячеек 11…1m на каждую АБ. Ячейки построены на независимых стабилизаторах тока СТ с высоким КПД (не ниже 0,96), не имеющие перекрестных обратных связей в схеме управления, не имеющие контура управления по избыточной мощности БС, с питанием от шины СБС, объединенной через диоды Д1…Дm. Все ячейки настроены на одинаковый ток. Управление зарядом АБ реализуется командами «включение-отключение» необходимого количества ячеек.

При включении ЗУ разрешается работа заданного количества стабилизаторов СТ, обеспечивающих ток заряда АБ. Изменение тока заряда при выдаче соответствующих команд реализуется изменением количества подключенных СТ. В связи с тем, что напряжение на АБ ниже чем на нагрузке, то при включении СТ часть мощности работающих секций БС через шину СБС передается на заряд АБ. Недостающая для нагрузки мощность, компенсируется путем подключения необходимого количества секций регулятором РМБС.

В способе реализован так называемый «зонный» принцип регулирования напряжения на нагрузке и определяется зонами регулирования РМБС, РКМ, РУ, ЗУ следующим образом.

Работа в зоне РМБС.

Переход в режим «Солнце» сопровождается увеличением мощности БС. Появляется и увеличивается ток СТ. Напряжение на шине СБС близко к напряжению АБ, выходные диоды РМБС заперты. Мощность нагрузки полностью обеспечивается РУ за счет разряда АБ и появившегося (нарастающего) тока стабилизаторов СТ зарядного устройства.

По мере увеличения мощности БС СТ увеличивают выходной ток до тока стабилизации. При достижении мощности БС, равной мощности нагрузки, ток разряда АБ снижается до нуля. Ток СТ полностью уходит через РУ в нагрузку, стабилизация выходного напряжения обеспечивается РУ.

По достижении мощности БС значения, достаточного для питания нагрузки и заряда АБ полным током, ток РУ снижается до нуля, стабилизация выходного напряжения полностью обеспечивается РМБС.

Работа в зоне ЗУ.

При возникновении дефицита мощности БС (деградация БС), начало перехода в режим ТЕНЬ, потеря ориентации КА, ключи электронных коммутаторов РМБС запираются. Ток всех секций БС идет в нагрузку и на заряд АБ. Недостаток мощности БС для нагрузки восполняется током РУ. Необходимая для нагрузки часть тока, подключенных на заряд АБ стабилизаторов СТ, через РУ возвращается в нагрузку, оставшаяся (разностная) часть тока СТ идет на заряд АБ. По мере изменения избытка мощности соотношение этих частей тока СТ будет изменяться из условия обеспечения стабильного напряжения на нагрузке. Данный режим может сохраняться длительное время, СЭП работает в зоне ЗУ. Статические и динамические параметры обеспечиваются РУ.

Предельное состояние при таком способе управления избытком мощности - весь ток СТ через РУ возвращается в нагрузку. В этот момент начинается разряд АБ.

Из изложенного видно, что в зоне ЗУ стабилизаторы тока СТ не участвуют непосредственно в стабилизации напряжения на нагрузке, эту роль выполняет РУ.

Исключение функции ЗУ в части стабилизации напряжения нагрузки уменьшает зону нечувствительности в диапазоне регулирования общей схемы управления, что равносильно повышению быстродействия СЭП и повышению качества выходного напряжения при смене режимов и изменения тока нагрузки.

При передаче энергии БС последовательно через ЗУ и ключи РУ в нагрузку возникают дополнительные потери мощности (как в прототипе). При полном заряде АБ потери мощности существенно уменьшаются при высоких КПД ЗУ и РУ. Исключение реализуется последовательным уменьшением тока заряда командами, используя данные телеметрии о токе и напряжении АБ при входе СЭП в режим компенсации мощности (РКМ).

Зона РКМ.

Дальнейшее уменьшение мощности БС сопровождается уменьшением тока БС, отдаваемого в нагрузку, уменьшением тока СТ, идущего на вход РУ, и увеличением разрядного тока. СЭП работает в зоне РКМ.

Зона РУ.

При снижении выходной мощности БС до нуля прекращается ток СТ. Статические и динамические выходные параметры СЭП в этом режиме обеспечиваются РУ.

Техническим результатом заявленного изобретения является исключение из зоны управления СЭП функции зарядного устройства по стабилизации напряжения на нагрузке при дефиците мощности БС, что значительно упрощает электрическую схему ЗУ; улучшение динамических характеристик общей схемы управления; повышение надежности СЭП.

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи (БС), и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи (АБ), заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке регулятором мощности батареи солнечной, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, использующий разрядные (РУ) и зарядные (ЗУ) устройства, отличающийся тем, что в составе ЗУ применяют независимые стабилизаторы тока (СТ), не имеющие контура управления по избыточной мощности БС, питают СТ от шины, объединенной через диоды, управляют зарядом АБ включением-отключением необходимого количества ячеек.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к области авиационной техники и может быть использована в области винтокрылых ЛА с использованием системы привода винта, в частности гибридных БПЛА, а также для распределения и управления энергией винтокрылого ЛА. Стартер-генератор системы управления и передачи вращательного момента на винт БПЛА, выполненный в виде бесколлекторного синхронного электродвигателя с постоянными магнатами на роторе, обеспечивает запуск авиационного двигателя и электроснабжение бортовой системы.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системе и способу бесперебойного электроснабжения постоянного тока с применением аккумуляторных батарей. Технический результат заключается в повышении надежности электроснабжения потребителей.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сетям постоянного напряжения с подсетями постоянного напряжения и накопителями энергии. Технический результат заключается в повышении надежности энергообмена между электрическими устройствами.

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к источникам бесперебойного питания (ИБП) с резервированием преобразователя электрической энергии буферной кислотно-свинцовой герметизированной аккумуляторной батареей (АКБ), и может быть использовано для электропитания электронной аппаратуры различного назначения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат: повышение надежности и эффективности, упрощение конструкции.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к сетям постоянного напряжения. Технический результат заключается в усовершенствовании сети постоянного напряжения.

Использование: в области электротехники при проектировании и создании систем электропитания автоматических космических аппаратов на основе солнечных и аккумуляторных батарей. Технический результат - повышение энергетической эффективности и срока активного существования системы электропитания космического аппарата.

Группа изобретений относится к системе и контроллеру источника питания для расположенной на транспортном средстве системы досмотра контейнеров. Система содержит: генератор малой мощности, аккумуляторный блок, зарядное устройство, контроллер источника питания.

Группа изобретений относится к системе аккумулирования энергии и способу управления ею. Система состоит из: силовой части, средств оценки состояний силовой части и средств управления, оснащенных информационным интерфейсом.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении стартер-генераторных систем для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии. Стартер-генераторная система летательного аппарата, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов, параллельный полупроводниковый преобразователь на базе последовательно соединенных двунаправленного dc-dc преобразователя, построенного на базе мостовой схемы с высокочастотным трансформатором, индуктивно-емкостным фильтром на выходе и емкостным делителем на входе dc-dc преобразователя, и двунаправленного ac-dc преобразователя, построенного на базе инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией, индуктивно-емкостным фильтром на входе ac-dc преобразователя, при этом к выходу синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов подключается преобразователь частоты с естественной коммутацией на базе непосредственного преобразователя частоты, выход которого подключен к трехфазной нагрузке переменного тока и к зажимам ac-dc преобразователя, построенного на базе двунаправленного инвертора напряжения, выход которого в звене постоянного тока подключен к зажимам двунаправленного dc-dc преобразователя, последовательно соединенного с аккумуляторной батареей и нагрузкой постоянного тока.

Изобретение относится к гибридным энергетическим комплексам и предназначено для бесперебойного электро-, тепло- и холодоснабжения локальных объектов. Гибридный энергетический комплекс (ГЭК) содержит фотоэлектрический преобразователь, приводной дизель, механически связанный с аксиальным многофазным бесконтактным синхронным генератором, аккумуляторную батарею, выполняющую роль аварийного источника питания и выполненную с возможностью соединения через выпрямитель с выходом аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и имеющую возможность подключения к потребителям постоянного тока и через инвертор к потребителям переменного тока, тепловой преобразователь, трехвходовую аксиальную генераторную установку, механически связанную с приводным дизелем и имеющую механический, световой и тепловой входы. Выход фотоэлектрического преобразователя соединен со световым входом трехвходовой аксиальной генераторной установки. Аккумуляторная батарея выполнена с возможностью подключения через выпрямитель к выходу трехвходовой аксиальной генераторной установки. Приводной дизель сообщен с блоком утилизации тепла. ГЭК дополнительно содержит солнечную тепловую панель, холодильный аппарат, преобразователь «тепло-холод» и тепловой аккумулятор, выполненный с первым и вторым входами и первым и вторым выходами, при этом его первый вход подключен к солнечной тепловой панели, а его второй вход подключен к выходу блока утилизации тепла, его первый выход выполнен с возможностью подключения к потребителям тепловой энергии, а его второй выход подключен ко входу преобразователя «тепло-холод», выход которого выполнен с возможностью подключения к потребителям холода. Аксиальная трехвходовая генераторная установка выполнена вертикально-осевой. Выход теплового преобразователя подключен к тепловому входу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки. Вход холодильного аппарата выполнен с возможностью подключения к выходу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки, аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и инвертора, а выход выполнен с возможностью подключения к потребителям холода. Техническим результатом является обеспечение возможности снабжения потребителей теплом, холодом и электроэнергией. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх