СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD OF LOAD FEEDING BY DIRECT CURRENT IN AUTONOMOUS ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM OF MAN-MADE SATELLITE

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания (СЭП) искусственных спутников Земли (ИСЗ).
Известны способы питания нагрузки постоянным током в автономных системах электропитания ИСЗ, описанные в монографии «Системы электропитания космических аппаратов», Новосибирск, ВО “Наука”, 1994 г. [1].
Известные способы и автономные системы электропитания ИСЗ предусматривают стабилизацию напряжения от первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) на нагрузке стабилизированными преобразователями различного типа.
Известен способ питания нагрузки постоянным током, предусматривающий наращивание мощности автономной системы электропитания установкой дополнительных модулей с обеспечением их равномерной загрузки (см. [1] главу 2, рис.2.14).
Однако такой подход (унифицированных модулей) применительно к космической технике неэффективен, так как неизбежно ведет к снижению удельных энергетических характеристик системы в целом.
Наиболее близким техническим решением является «Способ питания нагрузки постоянным током» - см. патент RU №2392718 от 17 ноября 2008 г., который выбран в качестве прототипа.
Известный способ заключается в питании нагрузки постоянным током от первичного 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, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное выходное напряжение питания посредством параллельного стабилизированного преобразователя, содержащего схему управления с широтно-импульсным модулятором, а стабилизацию напряжения остальных 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, отличается тем, что первичный источник электроэнергии делят на постоянно включенную основную и коммутируемые дополнительные секции, при этом мощность основной секции первичного источника электроэнергии выбирают по мощности дежурной нагрузки исходя из соотношения:
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>п</mi><mi>и</mi></mrow></msub><mo>≥</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mi>д</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mi>д</mi></msub><mo>/</mo><mover accent="true"><mi>η</mi><mo>˙</mo></mover></mrow>
,
пи
где Р - мощность основной секции первичного источника электроэнергии;
д
Р - мощность дежурной нагрузки;
зар
Р - мощность для заряда аккумуляторных батарей;
<mover accent="true"><mi>η</mi><mo>˙</mo></mover>
- коэффициент полезного действия системы стабилизированных преобразователей;
д
k - коэффициент, учитывающий деградацию мощности первичного источника электроэнергии в течение ресурса,
а дополнительные секции первичного источника электроэнергии с мощностью каждой секции, не превышающей мощность основной секции первичного источника электроэнергии, подключают при недостатке мощности основной секции, при этом мощность параллельного стабилизированного преобразователя рассчитывают исходя из мощности основной секции первичного источника электроэнергии.
Известный способ позволяет достичь высоких удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания ИСЗ.
Однако вопросы обеспечения функциональной надежности известным способом не решаются. Так, отказ коммутаторов или автоматики коммутации дополнительных секций первичного источника электроэнергии приведет к потере суммарной мощности первичного источника электроэнергии или к перенапряжению на шинах нагрузки. И то и другое может вывести ИСЗ из строя.
Задачей заявляемого изобретения является повышение функциональной надежности автономной системы электропитания ИСЗ.
Поставленная задача достигается тем, что в способе питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающемся в стабилизации «n» номиналов напряжения нагрузки и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное входное напряжение питания посредством параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя, содержащего силовой транзисторный ключ и схему управления с широтно-импульсным модулятором, а стабилизацию напряжения остальных 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, кроме того, первичный источник ограниченной мощности делят на «m» секций, стабилизируемых индивидуально посредством «m» секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя, предусматривают дополнительный уровень стабилизации напряжения на нагрузке, имеющей максимальное выходное напряжение питания, шунтовым стабилизированным преобразователем. Кроме того, мощность шунтового стабилизированного преобразователя рассчитывают исходя из мощности допустимого количества отказавших секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя.
Действительно, в случае отказа одного (любого) из «m» единичных силовых транзисторных ключей оставшиеся ключи распределят (в рамках максимальной мощности одной секции) между собой образовавшуюся нерегулируемую мощность соответствующей секции первичного источника ограниченной мощности. Однако это произойдет, если мощность одной секции первичного источника ограниченной мощности будет равна или меньше мощности текущей нагрузки на ИСЗ. В противном случае напряжение на нагрузке возрастет выше нормального значения, что может привести к отказам бортовой аппаратуры ИСЗ.
Для исключения этой аварийной ситуации предлагается предусмотреть дополнительный уровень стабилизации напряжения на нагрузке, имеющей максимальное выходное напряжение питания шунтовым стабилизированным преобразователем. При этом мощность шунтового стабилизированного преобразователя рассчитывают исходя из допустимого количества отказавших секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя.
Суть предлагаемого способа поясняется на примере функциональной схемы автономной системы электропитания, изображенной на фиг.1.
1
2
m
1
2
m
1
2
n-1
1
2
n-1
Устройство содержит солнечную батарею (первичный источник ограниченной мощности) 1, состоящую из секций 1, 1, …1, подключенную к нагрузке 2 через диоды РД, РД, …РД в цепи каждой секции соответственно и выходной фильтр 3. Аккумуляторная батарея 4 (в приведенном примере используется одна аккумуляторная батарея) подключена через зарядный преобразователь 5 и через разрядный преобразователь 6 к входу выходного фильтра 3, при этом вход разрядного преобразователя подключен к выходу выходного фильтра 3. Параллельный короткозамкнутый стабилизированный преобразователь 7 входом подключен к выходу выходного фильтра 3, а силовым транзисторным ключом, разделенным так же на «m» единичных силовых транзисторных ключей? подключен к каждой соответствующей секции первичного источника ограниченной мощности. Кроме того, к клеммам «+» и «-» нагрузки 2 подключено (n-1) сериесных преобразователей 8, 8,….8, к выходу которых подключены нагрузки 2, 2,….2, где n - число номиналов напряжения в автономной системе электропитания.
Зарядный преобразователь состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2, выпрямителя на диодах D1 и D2.
Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.
1
2
m
Параллельный короткозамкнутый стабилизированный преобразователь 7 состоит из «m» единичных силовых транзисторных ключей К, К, …К, управляемых общей схемой управления 13.
Параллельный шунтовой стабилизированный преобразователь 17 состоит из регулирующего ключа 18, управляемого схемой управления 19, и балластного сопротивления 20.
1
2
n-1
Сериесные преобразователи 8, 8,….8 состоят из регулирующих ключей 14, управляемых схемами управления 15 и выходных фильтров 16.
Схемы управления преобразователями 10, 12, 13, 15, 19 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения.
Устройство работает следующим образом.
1
2
m
1
2
m
В процессе эксплуатации питание нагрузки 2 осуществляется от солнечной батареи 1, состоящей из секций 1, 1, …1, «развязанных» диодами РД, РД, …РД (в цепи каждой секции соответственно), через выходной фильтр 3. При этом все секции постоянно подключены к нагрузке 2 и не коммутируются. Стабилизация напряжения на нагрузке 2 осуществляется параллельным короткозамкнутым стабилизированным преобразователем 7.
Аккумуляторная батарея 4 работает преимущественно в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный стабилизированный преобразователь 5. При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.
1
2
n-1
Сериесные преобразователи 8, 8,….8 постоянно работают в одном режиме от стабильного напряжения первой нагрузки 2.
1
2
m
В случае отказа одного (любого) из «m» единичных силовых транзисторных ключей К, К, …К оставшиеся ключи распределят между собой образовавшуюся нерегулируемую мощность соответствующей секции первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) в пределах своей текущей недозагруженности. Если этого окажется недостаточно и напряжение на нагрузку 2 превысит номинальное значение, то в работу вступит параллельный шунтовой стабилизированный преобразователь 17, рассчитанный на сброс избыточной мощности заранее заданной величины (исходя из допустимого количества отказавших стабилизаторов в секциях первичного источника ограниченной мощности).
Таким образом, предлагаемый способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли позволяет повысить функциональную надежность автономной системы электропитания ИСЗ.