СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
LOAD POWER SUPPLY METHOD BY DIRECT CURRENT

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания преимущественно связных космических аппаратов (КА).
В настоящее время в космической технике идет процесс создания связных спутников Земли с большой выходной мощностью (10-25 кВт) и длительным (15 лет) ресурсом работы.
Эта задача, в отношении автономной системы электропитания, может быть решена только при условии повышения эффективности использования первичных источников электроэнергии (преимущественно солнечных батарей), вторичных источников электроэнергии (преимущественно аккумуляторных батарей) и системы автоматики, согласующей работу указанных источников с обеспечением стабильного напряжения на входах потребителей электроэнергии.
При создании системы автоматики, обеспечивающей стабильное напряжение на входах потребителей электроэнергии, необходимо решить важную задачу - это снижение потери электроэнергии на пути от источников электроэнергии до потребителей.
Известны способы питания нагрузки постоянным стабильным напряжением, описанные в "Системы электропитания космических аппаратов.- Новосибирск: ВО "Наука", 1994 г.", в частности, глава 2, п.2,5.
Известный способ предусматривает наращивание мощности автономной системы электропитания установкой дополнительных модулей с обеспечением их равномерной загрузки.
Недостатком известного способа является низкая эффективность использования источников электроэнергии.
В подавляющем большинстве случаев автономная система электропитания формирует один уровень выходного стабилизированного напряжения, например, в [1] (см. главу 7) это напряжение в номинале составляет 27 В.
В то же время в составе бортовой аппаратуры не все потребители электроэнергии пользуются этим номиналом напряжения, следовательно, имеют в своем составе собственные стабилизированные преобразователи. При этом если есть потребность в более высоком напряжении, используются преобразователи с вольтодобавочными элементами, коэффициент полезного действия которых существенно ниже.
Наиболее близким техническим решением является «Способ питания нагрузки постоянным током (патент RU №2258292) от источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, который отличается тем, что стабилизируют n номиналов напряжения, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное напряжение питания, а стабилизацию напряжения остальных (n-1) 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». Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.
Недостатком известного способа является то, что стабилизатор максимального напряжения (первой нагрузки) рассчитывается на суммарную мощность всех нагрузок, что повышает его вес и соответственно снижает удельные энергетические характеристики системы электропитания. Кроме того, в известной структуре напряжение потребления от солнечной батареи привязано к напряжению первой нагрузки и практически неизменно в процессе эксплуатации КА. Этот факт снижает эффективность использования первичного источника электроэнергии (солнечной батареи).
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования первичного источника электроэнергии (солнечной батареи) и удельных энергетических характеристик системы электропитания КА в целом.
Поставленная цель достигается тем, что при питании нагрузки постоянным током от источника ограниченной мощности, солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации «n» номиналов напряжения на «n» нагрузках и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, вначале ограничивают напряжение на шинах солнечной батареи максимально допустимым уровнем, после чего стабилизацию каждого напряжения для «n» нагрузок проводят «n» сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят на шинах солнечной батареи с ограниченным максимально допустимым уровнем напряжения. При этом напряжение на шинах солнечной батареи ограничивают на уровне, превышающем Uрт.бс, где Upт.бс - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в начале ресурса при установившейся температуре, В, часть солнечной батареи, не превышающую по мощности минимальную суммарную мощность нагрузок, подключают непосредственно на вход «n» сериесных стабилизированных преобразователей, а ограничение напряжения на шинах солнечной батареи проводят параллельным стабилизированным преобразователем.
Действительно, замена функции стабилизации напряжения максимального (первого) выходного уровня (в прототипе) на функцию ограничения напряжения позволяет существенно повысить эффективность использования солнечной батареи за счет обеспечения возможности экстремального регулирования. Снижение активных потерь (на диоде) для нерегулируемой части солнечной батареи также повышает эффективность ее использования. Кроме того, эффективность использования солнечной батареи повышает снижение активных потерь в линиях связи и сериесных стабилизированных преобразователях за счет передачи мощности при более высоком напряжении (соответственно, меньшими токами). При этом повышение рабочего напряжения солнечной батареи позволяет оптимизировать аккумуляторные батареи в рамках обеспечения их заряда без использования вольтодобавочных узлов, а эпизодичность работы ограничителя напряжения (работа в основном после прохождения КА «теневых» участков орбиты - по данным расчетов и летных измерений составляет 5-8 мин, т.е. для геостационарной орбиты суммарное время работы в этом режиме не превысит 12 часов за год), позволит существенно уменьшить его вес, что повысит удельные энергетические характеристики системы электропитания КА в целом.
На фиг.1 приведены вольтамперные характеристики (ВАХ) солнечной батареи в начале эксплуатации ВАХ1 и в конце эксплуатации ВАХ2 при установившейся температуре, а также после прохождения «теневого» участка орбиты (холодной солнечной батареи) ВАХ3 и соответствующие им характеристики мощности солнечной батареи от напряжения Р1, Р2 и Р3. Каждая ВАХ состоит из трех основных точек: это ток короткого замыкания (Iкз1, Iкз2 и Iкз3), напряжение холостого хода (Uxx1, Uxx2 и Uxx3) и напряжение в рабочей точке (Upт1, UpT2 и UpT3). Напряжение в рабочей точке соответствует точке максимальной мощности солнечной батареи.
Как видно из чертежа:
1. При напряжении на шинах солнечной батареи менее уровня ограничения напряжения (например, в точке Upт1, где Upт1 - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в начале ресурса при установившейся температуре, В), работа ограничителя напряжения не требуется. При этом возможно экстремальное регулирование снимаемой мощности солнечной батареи.
2. В случае, если напряжение солнечной батареи достигнет уровня ограничения, в работу вступит параллельный стабилизированный преобразователь. Это возможно в начале эксплуатации КА (когда реальная мощность солнечной батареи оказалась больше расчетной величины) или после охлаждения солнечной батареи из-за прохождения КА «теневого» участка орбиты (ВАХЗ).
На фиг.2 приведена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу (рассматривается схема с одной аккумуляторной батареей).
1
n
1
n
Устройство содержит солнечную батарею 1 (состоящую в данном примере из 2 секций), подключенную к нагрузке 2 (в составе 2÷2) через ограничитель напряжения (параллельный стабилизированный преобразователь) 3 (выходные клеммы «+» и «-») и сериесные преобразователи 4÷4, аккумуляторную батарею 5, подключенную через зарядный преобразователь 6 и через разрядный преобразователь 7 к выходу ограничителя напряжения 3
Зарядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 15, управляемого схемой управления 16.
Разрядный преобразователь 7 состоит из регулирующего ключа 17, управляемого схемой управления 18 и вольтодобавочного узла 19.
Ограничитель напряжения 3 состоит из силовой части 3/1 (в количестве двух - по числу секций солнечной батареи) в составе регулирующего ключа 8 и развязывающего диода 10 и общей схемы управления 9.
1
n
Сериесные преобразователи 4÷4 состоят из регулирующих ключей 11, управляемых схемами управления 12, входных 13 и выходных 14 фильтров.
Схемы управления преобразователями 9, 16, 18, 12 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения.
Дополнительно введена секция солнечной батареи 1/1, не превышающая по мощности минимальную суммарную мощность нагрузок, которую подключают непосредственно на вход «n» сериесных стабилизированных преобразователей (клеммы «+» и «-»).
Устройство работает следующим образом.
1
n
В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 5 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 зарядным стабилизированным преобразователем 6. Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 сериесными преобразователями 4÷4. Ограничение напряжения солнечной батареи 1, при необходимости, осуществляется ограничителем напряжения 3.
В начале эксплуатации КА или при прохождении космического аппарата «теневого» участка орбиты, когда солнечная батарея 1 охлаждается и при выходе на освещенный участок ее вольтамперная характеристика изменяется (причем напряжение холостого хода может увеличиться практически до 200%, в зависимости от степени охлаждения солнечной батареи - длительности «теневого» участка и особенностей конструкции космического аппарата), ограничитель напряжения обеспечивает защиту системы электропитания от недопустимо высокого входного напряжения путем шунтирования солнечной батареи параллельным стабилизированным преобразователем.
При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации космического аппарата на Солнце питающее напряжение на клеммы «+» и «-») подается от аккумуляторной батареи 5 через разрядный преобразователь 7.
1
n
Сериесные преобразователи 4÷4 постоянно работают в одном режиме от общего входного напряжения высокой величины. Причем преобразователь для максимального напряжения нагрузки рассчитан только на мощность этой нагрузки.
Мощность солнечной батареи используется по текущему максимальному уровню.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективности использования первичного источника электроэнергии (солнечной батареи) и удельных энергетических характеристик системы электропитания КА в целом.