УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники и импульсной техники и может быть использована в качестве дополнительного накопительного устройства в системе электроснабжения возвращаемого космического аппарата для обеспечения импульсных нагрузок при активации пиросредств двигателей мягкой посадки возвращаемого космического корабля и применяться для обеспечения импульсных нагрузок в системах электроснабжения постоянного тока, снижая нагрузку на буферные накопители электрической энергии, входящих в их состав.
В известных системах электроснабжения постоянного тока для получения на нагрузке импульса тока большой мощности, между источником питания и нагрузкой включают промежуточный индукционный накопитель, выполняющий совместно с коммутационной аппаратурой роль «обострителя мощности». При использовании источников питания с малым внутренним активным сопротивлением потери энергии будут определяться в основном индуктивным сопротивлением индуктивного накопителя и при большой постоянной времени последнего почти вся энергия источников питания может быть передана в индуктивный элемент за один цикл разряда для последующей ее передачи в цепь нагрузки (Булатов О.Г. и др. Теристорные схемы включения высокоинтенсивных источников света. - М: Энергия, 1975, с. 93, рис. 4-41. Техническая физика, т.51, вып.6, Л.: Наука, 1981, с. 1258).
Известно устройство [Описание полезной модели к патенту RU 83160 U1 H02J 17/00 (2006.01)] «Устройство импульсного электропитания нагрузки», но оно имеет отдаленное от заявляемого устройства функциональное назначение, построение и технический результат, который состоит в повышении КПД путем увеличения коэффициента передачи энергии.
Недостатком указанного устройства является большое количество элементов, что повышает требования надежности к каждому из них и снижает его надежность, в целом, а выдача больших импульсов тока (до 300 А) устройством, построенным по упомянутой схеме, будет сопровождаться большим электромагнитным влиянием на чувствительные к электромагнитному воздействию окружающие приборы.
Известно устройство электропитания импульсных нагрузок для систем электроснабжения постоянного тока в составе комбинированных многоразовых буферных накопителей для обеспечения больших как стационарных, так и импульсных нагрузок в системах электроснабжения постоянного тока: Носкин Г.В., Хаванов Е.С., Бесчастный Р.А. «Гибридный накопитель электрической энергии на основе литий-ионных аккумуляторов и блоков суперконденсаторов для систем электроснабжения возвращаемых космических аппаратов» // Лесной вестник / Forestry Bulletin, 2019. Т. 23. №4. С.39-48. DOI: 10.18698/2542-1468-2019-4-39-48.
В данной научной статье предлагается схема устройства, разработанного для оптимизации систем электроснабжения постоянного тока за счет применения в централизованном варианте в их составе не только химических накопителей электрической энергии, но и электрохимических конденсаторов (суперконденсаторов), специализируемых для обеспечения больших кратковременных импульсных нагрузок, поэтому данное устройство электропитания стационарной и импульсной нагрузок для систем электроснабжения постоянного тока принято в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит: аккумуляторную батарею (АБ), силовую шину от АБ к силовым выводам устройства, которые связаны с шиной системы электроснабжения постоянного тока, к которой параллельно подключена стационарная нагрузка и, посредством первого нормально-разомкнутого дистанционного переключателя, может быть подключена импульсная нагрузка, второй нормально-замкнутый дистанционный переключатель с блоком диодов в составе байпасного средства, включенного параллельно второму нормально-замкнутому дистанционному переключателю, включенному последовательно в силовую шину устройства, блок суперконденсаторов (БСК), связанный с силовой шиной устройства посредством первой шины от БСК с третьим нормально-разомкнутым дистанционным переключателем, датчики тока и напряжения АБ и БСК, датчик температуры устройства, датчик тока на силовых выводах устройства, устройство обработки и преобразования внутренних данных (УОПВД), повышающий преобразователь напряжения с ограничителем тока (ППНОТ), зарядную шину БСК, связанную с АБ через ППНОТ в устройстве.
Устройство-прототип функционирует следующим образом: внешняя команда, поступающая на первый нормально-разомкнутый дистанционный переключатель в системе электроснабжения постоянного тока, замыкает его, подключая тем самым, подключенное к стационарной нагрузке устройство, к импульсной нагрузке. Одновременно с этим внешняя команда поступает на второй нормально-замкнутый и третий нормально-разомкнутый дистанционные переключатели устройства, тем самым обеспечивая реализацию электропитания стационарной и импульсной нагрузок средствами блока суперконденсаторов в составе устройства на время требуемой длительности электропитания импульсной нагрузки. При этом, благодаря второму нормально-замкнутому дистанционному переключателю с байпасным средством, аккумуляторная батарея не теряет гальванической связи с шинами системы электроснабжения постоянного тока и стационарной и импульсной нагрузками, соответственно, что обеспечивает требуемые параметры надежности устройства. Соответственно, в случае, когда, изначально более высокое, напряжение БСК при обеспечении его средствами электропитания стационарной и импульсной нагрузок падает ниже напряжения АБ, обеспечение электропитания упомянутых нагрузок будет осуществлено средствами АБ. С помощью компараторов напряжения и тока
в составе УОПВД и датчиков напряжения БСК обеспечивается периодический заряд БСК от АБ малым током с повышением напряжения посредством ППНОТ. Средствами УОПВД совместно с датчиком тока на выводах устройства обеспечивается генерация внутренней команды (аналог внешней команды) обеспечения стационарной и импульсной нагрузок при превышении уставки по току на силовых выводах устройства (величина уставки зависит от электрических характеристик АБ в составе устройства).
Недостатком известного устройства является то, что в режиме обеспечения импульсных нагрузок блок суперконденсаторов в составе устройства должен кратковременно обеспечить как импульсную, так и стационарную нагрузки, что повышает требования к блоку суперконденсаторов, а при реализации коротких импульсов тока длительностью не более 30 мс труднодостижимым становится то, что в случае не поступления внешней команды (нештатная ситуация в части выдачи внешних команд), для своевременного обеспечения импульсной нагрузки, датчик тока на силовой шине аккумуляторной батареи в устройстве должен иметь частоту измерения тока в районе 4 кГц, а сумма быстродействий УОПВД и переключателей при этом должна лежать в интервале десяти наносекунд, для того, чтобы обеспечить, близкий к прямоугольному, передний фронт нарастания импульса.
Техническим результатом устройства электропитания импульсных нагрузок для систем электроснабжения постоянного тока является повышение энергетической эффективности электропитания импульсной нагрузок.
Технический результат достигается тем, что в устройстве электропитания импульсной нагрузки для систем электроснабжения постоянного тока, содержащем блок суперконденсаторов, зарядную шину блока суперконденсаторов, идущую от аккумуляторной батареи с последовательно включенным в нее, повышающим преобразователем напряжения с ограничителем тока, компаратор напряжения и датчик напряжения, включенный параллельно блоку суперконденсаторов, в отличие от известного, блок суперконденсаторов через, включенный последовательно в прямом направлении, первый блок диодов Шоттки параллельно подключен к шине на импульсную нагрузку через последовательно-включенный, полевой транзистор, затвор которого соединен с делителем напряжения, который включен параллельно шине на импульсную нагрузку, на которой между делителем напряжения и полевым транзистором в прямом направлении включен второй блок диодов Шоттки.
Функционирование заявляемого устройства в составе системы электроснабжения постоянного тока поясняется фиг. 1 и фиг. 2, на которых приведена:
на фиг. 1 - схема электропитания импульсной нагрузки для систем электроснабжения постоянного тока;
на фиг. 2 - результаты моделирования заявляемого устройства, и приняты следующие обозначения:
1 - устройство электропитания импульсной нагрузки для систем электроснабжения постоянного тока;
2 - внешняя команда активации импульсных нагрузок;
3 - нормально-разомкнутый дистанционный переключатель;
4 - шина системы электроснабжения постоянного тока на импульсную нагрузку;
5 - аккумуляторная батарея;
6 - блок суперконденсаторов;
7 - делитель напряжения;
8, 9 - резисторы делителя напряжения;
10 - канал с делителя напряжения на затвор полевого транзистора;
11 - полевой транзистор;
12 - шина от блока суперконденсаторов к шине (4);
13 - диод Шоттки, включенный последовательно в прямом направлении на шине (12);
14 - повышающий преобразователь напряжения с ограничителем тока;
15 - зарядная шина блока суперконденсаторов (6);
16 - импульсная нагрузка;
17 - датчик напряжения блока суперконденсаторов;
18 - телеметрический канал от датчика напряжения блока суперконденсаторов;
19 - компаратор напряжения блока суперконденсаторов (6) с генератором команд;
20 - командная шина от компаратора напряжения на дистанционный переключатель включение или отключение преобразователя (14);
22 - шина системы электроснабжения постоянного тока;
23 - шина электропитания компаратора (19) от зарядной шины (15);
24 - диод Шоттки, включенный последовательно в прямом направлении на шине (4) между делителем напряжения (7) и полевым транзистором (11).
Устройство, показанное на фиг. 1, выполнено следующим образом:
В устройстве 1 блок суперконденсаторов 6, подключен параллельно, через последовательно включенный в прямом направлении диод Шоттки 13 и полевой транзистор 11, к шине системы электроснабжения постоянного тока на импульсную нагрузку 4, к которой параллельно подключен делитель напряжения 7, состоящий из резисторов 8,9 и сообщающийся с затвором полевого транзистора 11 посредством канала 10. Между делителем напряжения 7 и полевым транзистором 11 на шине 4 последовательно в прямом направлении включен диод Шоттки 24. Параллельно блоку суперконденсаторов подключен датчик напряжения 17, от которого идет телеметрический канал 18 к компаратору 19, электропитание которого обеспечивается непрерывно по шине 23 от зарядной шины 15 блока суперконденсаторов 6. Параллельно блоку суперконденсаторов 6 через подключен повышающий преобразователь напряжения с ограничителем тока 14, подключенный параллельно к шине системы электроснабжения постоянного тока 22. Компаратор 19 управляет включением и отключением преобразователя 14 по командной шине 20.
Устройство электропитания импульсной нагрузки 1 для систем электроснабжения постоянного тока функционирует следующим образом:
После поступления внешней команды 2 на нормально-разомкнутый дистанционный переключатель 3, на шине 4 появляется напряжение и ток, вследствие чего, посредством делителя напряжения 7 по каналу 10 обеспечивается открывание затвора полевого транзистора 11, вследствие чего по шине 12 от блока суперконденсаторов 6, имеющего относительно большее напряжение, чем на аккумуляторной батареи 5, обеспечивается электропитание импульсной нагрузки 16. Для предотвращения заряда блока суперконденсаторов 6 от аккумуляторной батареи 5 по шине 4 при импульсе, в случае неисправности блока суперконденсаторов 6 и полевого транзистора 11 в прямом направлении шины 12 последовательно включен диод Шоттки 13. Большее напряжение блока суперконденсаторов 6 обусловлено требованиями надежности обеспечения электропитания импульсныхнагрузок, согласно которым аккумуляторная батарея 5 в момент обеспечения импульсных нагрузок 16 должна сохранять гальваническую связь с ними, поэтому периодический заряд блока суперконденсаторов осуществляется от зарядной шины 15 посредством повышающего преобразователя напряжения.
Включение и отключение преобразователя 14 осуществляется командами из компаратора напряжения 19 по командной шине 20. Команды включения и отключения заряда блока суперконденсаторов 6 формируются компаратором 19 согласно получаемым от датчика напряжения 17, данным. Для того, чтобы при подключении импульсной нагрузки 16 блок суперконденсаторов 6 не обеспечивал электропитание стационарной нагрузки 21 посредством шины 4 между делителем напряжения 7 и полевым транзистором 11 включен блок диодов Шоттки 24. Электропитание стационарной нагрузки обеспечивается от аккумуляторной батареи 5 посредством шины 22 непрерывно.
На фиг. 2 приведены результаты моделирования заявляемого устройства в MATLAB/Simulink, поясняющие общий принцип работы устройства. Моделирование проводилось с учетом максимальных импульсных нагрузок (инициация пиросредств двигателей мягкой посадки возвращаемого космического аппарата). С помощью моделирования была подтверждена работоспособность основной составной части заявляемого устройства - блока суперконденсаторов, так как в момент импульса тока напряжение на БСК не упало ниже напряжения аккумуляторной батареи (напряжение аккумуляторной батареи ~28-29 В), что является искомым результатом. Длительность импульса применительно к этому случаю составляет не более 30 мс. Так как полевые транзисторы обладают быстродействием порядка 10-7 с, переходными процессами нарастания и спадания импульсов тока в моделировании было решено пренебречь.
Повышение удельной мощности заявляемого устройства достигается расположением блока суперконденсаторов в непосредственной близости к импульсной нагрузке в отличии от устройства-прототипа и, в следствие этого, снятием с блока суперконденсаторов необходимости обеспечения стационарной нагрузки, в момент обеспечения импульсной нагрузки.
Благодаря повышению энергетической эффективности электропитания стационарной и импульсной нагрузок средствами устройства электропитания импульсной нагрузки для системы электроснабжения постоянного тока достигается сокращение массы блока суперконденсаторов в заявляемом устройстве по сравнению с устройством-прототипом.