СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF LOAD POWER SUPPLY BY DIRECT CURRENT IN SELF-CONTAINED SYSTEM OF POWER SUPPLY OF SPACE VEHICLE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), использующим в качестве первичных источников энергии батареи солнечные (БС), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторные батареи (АБ).
Известны способы питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания КА, описанные в монографии «Системы электропитания космических аппаратов, Новосибирск, ВО "Наука", 1994 г.».
Известные способы и автономные системы электропитания КА предусматривают стабилизацию напряжения от первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) на нагрузке стабилизированными преобразователями различного типа. Известные устройства (см. подраздел 7.3) содержат элементы контроля выходного напряжения системы электропитания. Однако механизм контроля и использования этой информации при штатной эксплуатации КА не раскрыт.
Наиболее близким техническим решением является способ питания нагрузки постоянным током (патент №2467449 RU) в автономной системе электропитания космического аппарата, содержащей солнечную фотоэлектрическую батарею и n аккумуляторных батарей, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батареей и нагрузкой, и по n зарядных и разрядных устройств, заключающийся в том, что управляют стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы электропитания; контролируют степень заряженности аккумуляторных батарей; вводят запрет на работу соответствующего зарядного устройства при достижении максимального уровня заряженности данной аккумуляторной батареи и снимают этот запрет при снижении уровня заряженности; вводят запрет на работу соответствующего разрядного устройства при достижении установленного минимального уровня заряженности данной аккумуляторной батареи и снимают этот запрет при повышении уровня заряженности данной аккумуляторной батареи; вводят запрет работы всех разрядных устройств и прекращают управление разрядными устройствами при аварийном разряде аккумуляторных батарей в случае потери ориентации батареи фотоэлектрической на Солнце; снимают запрет работы всех разрядных устройств и возобновляют управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности при заряде аккумуляторных батарей до некоторого значения емкости, отличающийся тем, что контролируют выходное напряжение системы электропитания с помощью порогового датчика; при аварийном разряде нескольких m (m из n) аккумуляторных батарей до минимального уровня заряженности формируют управляющий сигнал в бортовой комплекс управления космического аппарата для отключения части бортовой аппаратуры и запоминают его; при аварийном разряде всех n работающих аккумуляторных батарей до минимального уровня заряженности снимают запрет на работу всех разрядных устройств; в случае если после запоминания управляющего сигнала выходное напряжение системы снижается до заданного порогового значения, запрещают работу всех разрядных устройств и прекращают управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности; после восстановления ориентации батареи фотоэлектрической на Солнце производят питание оставшейся включенной части бортовой нагрузки от батареи фотоэлектрической через стабилизатор напряжения; сброс запоминания управляющего сигнала производят после заряда всех аккумуляторных батарей по внешней разовой команде. Данное изобретение принято за прототип.
Известное изобретение позволяет своевременно отключить сеансную нагрузку для защиты ее от несанкционированных воздействий пониженного питающего напряжения, не содержит дальнейших рекомендаций по работе с сеансной нагрузкой. Кроме того, этот способ недостаточно надежен, так как не учитывает, что снижение напряжения на нагрузке может произойти не только в случае потери ориентации солнечной батареи на Солнце и разряде аккумуляторных батарей, но и по причине возникшей нештатной ситуации (например, короткое замыкание) в самой нагрузке, в том числе и в сеансной нагрузке. При этом информация, полученная по данным телеметрии КА, имеет низкое быстродействие и зачастую не способна достоверно прояснить истинную причину возникшей ситуации.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности эксплуатации КА при возникновении аварийных ситуаций, связанных с нерасчетным понижением или повышением выходного напряжения системы электроснабжения.
Указанная задача решается тем, что в способе питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата, содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батареей и нагрузкой, содержащей дежурную и сеансную составляющие, и по n зарядных и разрядных устройств, заключающемся в том, что управляют стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы электропитания, при этом с помощью измерительных шунтов контролируют ток нагрузки и токи заряда-разряда аккумуляторных батарей, кроме того, контролируют выходное напряжение системы электропитания с помощью пороговых датчиков и отключают сеансную нагрузку при достижении пороговых значений выходного напряжения, дополнительно контролируют динамику переходных процессов изменения выходного напряжения и тока нагрузки во времени с помощью быстродействующих запоминающих устройств, которые запускают по достижении пороговых значений выходного напряжения, а повторное включение сеансной нагрузки проводят после анализа результатов запомненной динамики переходных процессов. Кроме того, одновременно с контролем динамики переходного процесса изменения выходного напряжения и тока нагрузки во времени контролируют динамику изменения токов заряда-разряда аккумуляторных батарей.
Действительно, переходной процесс изменения выходного напряжения во времени позволит определить длительность и характер нештатного воздействия. Переходной процесс изменения тока нагрузки позволит определить мощность нештатного воздействия в течение всей его длительности и однозначно определить, находится или нет, в случае повышенного потребления, это повышенное потребление в сеансной нагрузке (если момент отключения сеансной нагрузки будет зафиксирован в процессе контроля динамики переходных процессов), либо позволит сделать вывод, что нештатное воздействие возникло внутри системы электропитания (до измерительного шунта тока нагрузки). В случае повышения напряжения на нагрузке ток нагрузки позволит определить, не находится ли источник повышенного напряжения в нагрузке (например, при торможении гироскопических устройств). Переходной процесс изменения токов заряда-разряда позволит определить степень участия аккумуляторной батареи в процессе нештатного воздействия.
На фиг.1 приведена функциональная схема автономной системы электропитания КА для реализации заявляемого способа.
1
2
1
2
1
2
Автономная система электропитания КА содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторные батареи 4-4, подключенные через зарядные преобразователи 5-5 к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 6-6 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3. В рассматриваемом примере используются две аккумуляторные батареи и соответствующее число зарядных и разрядных преобразователей.
При этом нагрузка 2 в своем составе содержит дежурную нагрузку (бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию и многое другое - на схеме не показано) 2-1 и коммутируемую коммутатором К сеансную нагрузку (ретранслятор - для связных КА) 2-2.
1
2
1
2
1
2
К аккумуляторным батареям 4-4 подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7-7, связанные входом с аккумуляторными батареями 4-4 для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2 (бортовой ЭВМ).
1
2
В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 8-8.
1
2
Каждый зарядный преобразователь 5-5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10.
1
2
Каждый разрядный преобразователь 6-6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12, и вольтодобавочного узла 13.
Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 14, управляемого схемой управления 15, входного фильтра - конденсатор 16 и выходного фильтра на диоде 17, дросселе 19 и конденсаторе 18.
1
2
1
2
1
2
1
2
Схемы управления: 10 зарядных преобразователей 5-5, 12 - разрядных преобразователей 6-6, 15 - преобразователя напряжения 3, выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения (к нагрузке 2). Схемы управления 10 зарядных преобразователей 5-5 дополнительно связаны с измерительными шунтами 8-8 и по управлению - с нагрузкой 2.
1
2
Дополнительно введен блок контроля и запоминания параметров СЭП 2/1, подключенный по питанию параллельно нагрузке 2 и содержащий блок пороговых датчиков 2/3 напряжения нагрузки 2 и блок запоминания динамических параметров 2/4. Вход блока контроля и запоминания параметров СЭП 2/1 связан с измерительными шунтами тока нагрузки 20 и токов заряда-разряда 8-8, а выход с дежурной нагрузкой 2-1 (бортовой ЭВМ) и коммутатором К сеансной нагрузки 2-2).
1
2
1
2
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4-4 работают в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные преобразователи 5-5. Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.
1
2
1
2
При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4-4 через разрядные преобразователи 6-6.
1
n
1
2
Устройства контроля 7-7 контролируют напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 4-4 и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2.
Блок пороговых датчиков 2/3 блока контроля и запоминания параметров СЭП 2/1 контролирует выходное напряжение СЭП на предмет достижения заданных пороговых значений (минимального либо максимального значения напряжения). В случае срабатывания какого-либо порогового датчика запускается блок запоминания динамических параметров 2/4, а затем выдается команда на отключение сеансной нагрузки 2-2. Блок запоминания динамических параметров 2/4 контролирует и запоминает (с помощью быстродействующих запоминающих устройств) динамику переходного процесса изменения выходного напряжения нагрузки, а также сопутствующих параметров тока нагрузки и токов заряда-разряда аккумуляторных батарей во времени и передает запомненные данные в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ). Далее полученная информация по командно-измерительной радиолинии поступает на Землю (в центр управления КА). В совокупности с другими телеметрическими данными, полученными с КА, динамические параметры переходных процессов позволят объективно оценить и локализовать причину нештатной ситуации, определить уровень воздействия и последствия нештатной ситуации и выработать технологию парирования причин и последствий при дальнейшей эксплуатации КА.
Таким образом, предлагаемый способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания КА позволяет повысить надежность эксплуатации КА при возникновении аварийных ситуаций, связанных с нерасчетным понижением или повышением выходного напряжения системы электроснабжения.