Энергетический анализ структурных схем систем электроснабжения автоматических космических аппаратов

УДК 621.311.6

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ СХЕМ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Ю.А. Шиняков

Томский университет систем управления и радиоэлектроники E-mail: Shua@main.tusur.ru

Рассмотрены структурные схемы систем электроснабжения автоматических космических аппаратов. Проведен их сравнительный энергетический анализ. Обоснована целесообразность использования на объектах с изменяющимися условиями эксплуатации и резко-переменными графиками нагрузки универсальной параллельно-последовательной структуры системы электроснабжения, обеспечивающей возможность экстремального регулирования мощности солнечной батареи и имеющей лучшие энергетические показатели.

Одной из важнейших бортовых систем автоматических космических аппаратов (КА) является система электроснабжения (СЭС), которая представляет собой совокупность первичных и вторичных источников тока, аппаратуры преобразования энергии и стабилизации выходного напряжения с необходимой автоматикой контроля и управления. В качестве первичных источников энергии наибольшее применение находят солнечные батареи (СБ), а в качестве накопителей энергии для питания бортовых потребителей энергии на теневых участках орбиты и при пиковых нагрузках обычно используются аккумуляторные батареи (АБ).

Аппаратура регулирования и контроля (АРК), включающая в свой состав как требуемый набор энергопреобразующих устройств, так и необходимые устройства контроля параметров СЭС, согласовывает работу СБ, АБ и нагрузки. При изменении освещенности СБ и деградации характеристик СБ и АБ она обеспечивает заданное качество выходного напряжения в установившихся и переходных режимах, реализацию оптимальных алгоритмов управления режимами заряда-разряда АБ и оптимальное использование СБ.

Основные базовые структурные схемы СЭС, нашедшие широкое применение при разработке и создании автоматических КА, представлены на рис. 1 и 2 [1].

На начальном этапе развития космической техники наибольшее распространение получила надежная структура СЭС с общими силовыми шинами первичного источника питания, накопителя энергии и нагрузки (рис. 1, а). В такой системе напряжение на СБ и на выходной шине питания нагрузки (Н) определяется напряжением АБ, что приводит к невозможности оптимизации режима работы СБ при изменении условий ее эксплуатации и значительной нестабильности выходного напряжения СЭС. Ограничение диапазона изменения напряжения АБ с целью повышения стабильности напряжения питания бортовых потребителей ухудшает энергетические характеристики АБ, увеличивает частоту циклирования и уменьшает ее ресурс.

Усложнение и увеличение числа задач, решаемых автоматическими КА непосредственно в космосе, потребовали применения новых подходов к проектированию бортовых систем и предопределили переход к использованию централизованных СЭС с раздельными силовыми шинами СБ-АБ-Н (рис. 1, б, в, рис. 2), позволяющих согласовывать режимы источников энергии с нагрузкой и тем самым существенно повысить энергетическую эффективность, понизить массу СЭС и увеличить ресурс КА [2]. В СЭС дополнительно введены зарядные устройства (ЗУ), разрядные устройства (РУ) и регуляторы напряжений (РН), принципы постро-

а б в

Рис. 1. Структурные схемы СЭС: а) с общими силовыми шинами, б) параллельная, в) параллельно-последовательная

ения которых в СЭС, выполненных по всем названным структурам, имеют много общего.

Недостатком СЭС параллельной структуры (ПаС) является «жесткая» связь в одном направлении (через диод) шин СБ и нагрузки (Н), что резко снижает управляемость системы, так как не позволяет регулировать напряжение СБ в оптимальной рабочей точке при изменении условий эксплуатации (температура, освещенность и т. д.).

В СЭС параллельно-последовательной структуры (ППС) шины источников энергии и нагрузки разделены между собой преобразующими устройствами (ЗУ, РУ, РН). Это дает возможность перераспределения потоков энергии в СЭС по любому алгоритму и закону. Система электроснабжения становится управляемой полностью. Потери на последовательном ключе регулятора напряжения РН компенсируются возможностью коммутации отдельных секций СБ непосредственно к шине питания нагрузки и применением экстремального регулирования мощности СБ [3, 4].

В СЭС выполненной по последовательной структуре (ПС) (рис. 2, а) передача энергии от СБ в нагрузку всегда осуществляется через два преобразующих устройства (ЗУ и РУ), поэтому ее использование ограничено и возможно только на КА с резко-переменными графиками нагрузки и значительными теневыми участками, то есть, только на объектах, на которых большая часть энергии должна сначала запасаться в АБ, а затем передаваться в нагрузку.

На рис. 2, б, представлена схема СЭС с подключением ЗУ и РУ к входной шине СБ, которую можно классифицировать как производную параллельно-последовательной структуры (рис. 1, в). Отличие заключается в том, что выход РУ подключен к шине СБ. Такое переключение выхода РУ с шины питания нагрузки на шину СБ ведет к увеличению потерь энергии в СЭС, т. к. передача энергии от АБ в нагрузку осуществляется через два последовательно соединенных устройства - РУ и РН. Однако при этом обеспечиваются более качественные параметры электропитания, поскольку только один регулятор РН стабилизирует выходное напряжение. Стабилизатор напряжения СН обеспечивает электропитание дополнительной нагрузки Н2 ма-

лой мощности с другим уровнем напряжения. Количество дополнительных стабилизаторов напряжения СН и шин питания бортовых потребителей с уровнем напряжения, отличающимся от значения основной стабилизированной шины питания нагрузки Н1, может быть произвольным.

Представленные упрощенные структурные схемы являются базовыми, которые значительно уточняются при разработке структурно-функциональных схем АРК и проведении энергетического расчета СЭС. При этом уточняется требуемое количество АБ и секций СБ, конфигурация АРК, учитывается целый ряд специфических требований конкретного КА, обусловленных его функциональным назначением, конструктивным исполнением, условиями терморегулирования и т. д.

Одним из важнейших показателей любой автономной энергетической системы является ее энергетическая эффективность, поэтому представляет практический интерес проведение сопоставительного анализа энергетической эффективности базовых структур СЭС автоматических КА, с целью определения областей их рационального применения.

Энергетическая эффективность СЭС

К = (№ -Д№ -Д№ )/№ = № /№ =

>-"СБ ""п "''АБ/' "СБ макс "н'"СБ макс Т Т

= Г рж / Г рСБ ж,

I н I СБ макс ' V ^ /

где - энергия, доставляемая в нагрузку; РСБмжс -экстремальное текущее значение мощности СБ; Рн - текущее значение мощности нагрузки; Т - период функционирования СЭС [1].

Выражение (1) можно преобразовать к виду

Кэ = 1сБ / ^СБ макс - (Л1п +Л1аб)/^СБ макс =

= Кт СБ - Кп СЭС-

ЗУ

2Е

СБ

-

АБ

РУ

н

СБ

гт

ЗУ

П

Автоматика

РУ

АБ

РН . Г" и

им

Н1

Н2

а б

Рис. 2. Структурные схемы СЭС: а) с последовательным соединением ЗУ и РУ, б) с подключением ЗУ и РУ к шине СБ

Ра Рн

Рис. 3. Циклограмма нагрузки и график мощности СБ

Коэффициент КтСБ характеризует эффективность использования первичного источника (точность поддержания экстремума мощности СБ), а КпСЭС - уровень потерь энергии в СЭС. В системе с экстремальным регулированием мощности СБ кгсб^1 (кэ^1-кп сэс).

Из (2) следует, что повышение энергетической эффективности СЭС может достигаться двумя путями - максимально возможным отбором энергии от СБ и снижением потерь энергии в АБ, регулирующих и коммутирующих устройствах АРК.

Эффективность преобразования энергии может быть повышена увеличением КПД регулирующей аппаратуры и улучшением эксплуатационных энергетических характеристик АБ.

Наиболее действенным способом повышения эффективности преобразования энергии в СЭС является определение и выбор оптимальной структуры, обеспечивающей при детерминированных циклограммах ориентации объекта и мощности нагрузки максимально возможное использование по мощности СБ и минимальные потери энергии в АБ, силовых преобразующих и коммутирующих устройствах АРК.

Из анализа произвольной циклограммы нагрузки и графика мощности СБ (рис. 3) аналитические уравнения энергобаланса для базовых структур (параллельной, параллельно-последовательной с ЭРМ СБ и последовательной с ЭРМ СБ) имеют вид:

^сГ =} Рс Л = } Рн Л/ПРН +

о о

+((1 -ПуПРУПАБУП РН / ЗУ ПРУПАБ) *

Дгру

п РУ'

*Ё | (Рн - РСБПРНЖ '=1 о

т т

^СБЭРМ = | РСБмакс = | Рн А/ / ПРН +

+((Прн -ПзуПруПаб)/ПрнПзуПруПаб) *

Дтру

п РУ'

*Ё | (Рн - РсБмЛЖ

'=1 о

^СБ ЭРМ = | РСБ макс А = | Рн А / ПЗУ ЛрУ +

о о

+((1 -пабУпзупрупаб) *

Дтру

п РУ'

'=1 о

где РСБ - текущее значение мощности; ПрнПзуПруПаб - КПД силовых устройств АРК и коэффициент отдачи АБ; ДтРУ; - время работы РУ при пиковых нагрузках и в периоды затенения СБ.

Из (1), (4) и (5) получаем выражения коэффициентов энергетической эффективности СЭС с последовательным РН и ЭРМ СБ, а также последовательной структуры СЭС с ЭРМ СБ

^ЭПЭПРМ = Пн /(1 + ((Прн - П ЗУ ПруПаб )/ПзуПабПру ) *

Дтру т

п Г т

'=1 о о

сэрм = ПзуПру /(1 + ((1- Паб )/Паб ) *

п ДтРУ. т

<=1 о о

Учитывая, что эффективность использования режима экстремального регулирования равна

т т

К сБ = №сб /Гсб = I РсБ А /1 РсБ А,

т сБ сБ сБ макс I сБ I сБ макс '

о о

коэффициент энергетической эффективности СЭС с параллельным РН с учетом (1) и (3) имеет вид:

КэШс = кт сбПрн /(1 + ((1 - П ЗУ ПруПаб )/ПзуПабПру ) *

Дтру т

п Г т

*Ё I

'=1 о о

Аналитические уравнения энергобаланса последовательной и параллельно-последовательной структуры без режимов ЭРМ СБ (ДО^С, ^С1БПС) имеют вид, аналогичный выражениям (5) и (4) при условии замены РСБ макс на РСБ, а уравнения коэффициентов энергетической эффективности (КПС,КППС) кро-

ме этого должны быть умножены на коэффициент эффективности использования СБ (К СБ).

Из анализа выражений (6-8) следует, что энергетическая эффективность СЭС зависит от значений КПД устройств РН, ЗУ, РУ (пРН, пЗУ, ПРУ), значения коэффициента отдачи АБ по энергии (пАБ), точности регулирования экстремума мощности СБ (Кт СБ) и степени совпадения графиков мощности СБ и нагрузки, которая характеризуется долей энергии (Я), передаваемой в нагрузку по цепи ЗУ-АБ-РУ:

п Т

Я = ! \ (Р - /! к *.

'-1 0 0

На рис. 4 представлены графики зависимости коэффициентов энергетической эффективности всех трех базовых структур (ППС, ПаС, ПС) в зависимости от значений Я и точности регулирования экстремума мощности СБ (КсБ). Графики составлены при условии, что КтСБ систем без ЭРМ СБ равен 0,85 (значение задано произвольно), коэффициенты полезного действия ЗУ, РУ, а также коэффициенты отдачи АБ по энергии всех систем имеют одинаковые значения (пЗУ=0,95, пРУ=0,95, паб=0,9), а коэффициенты полезного действия устройств РН различаются (пРН ппС=0,95, пРН ПаС=0,97). При условии увеличения или уменьшения КтСБ зависимости коэффициентов энер-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соу-стин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев. - Новосибирск: Наука, 1994. - 318 с.

2. Шиняков Ю.А. Эффективность использования солнечных батарей в автономных системах электроснабжения // Проблемы комплексного проектирования и испытаний энергетических устройств космических аппаратов. - Куйбышев, 1986. - Вып. 3.4.1. - С. 58-59.

гетической эффективности всех базовых структур без реализации режима ЭРМ СБ (КПС,КППС,КПаС) пропорционально повышаются или понижаются.

Из анализа графиков следует, что применение структуры СЭС с параллельным РН целесообразно только при передаче малой доли энергии в нагрузку через АБ (Я<0,4) и высоком значении коэффициента эффективности использования СБ (К[СБ^1). Значительные преимущества имеют структуры обеспечивающие возможность реализации режима ЭРМ СБ, т. к. сложно предположить, что в системе с параллельным РН, без активного поиска экстремума мощности СБ, возможно достижение эффективности использования первичного источника более 0,90...0,95.

Целесообразность использования параллельного или последовательного РН определяется спецификой назначения объекта, его условиями эксплуатации, а также соотношением параметров циклограмм энергопотребления и графика изменения мощности СБ. На объектах с изменяющимися условиями эксплуатации и резко-переменными графиками нагрузки (Я>0,4) предпочтительнее использование универсальной параллельно-последовательной структуры автономной СЭС, обеспечивающей возможность экстремального регулирования мощности СБ и имеющей лучшие энергетические показатели.

3. Чернышев А.И., Шиняков Ю.А., Гордеев К.Г. Экстремальный регулятор мощности для автономных систем электроснабжения // VIII Всес. конф. по космической технике: Материалы. -Куйбышев, 1983. - С. 45-52.

4. Пат. 2101831 РФ. МКИ6 Н(Ш 7/35. Система электропитания с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи / К.Г. Гордеев, С.П. Черданцев, Ю.А. Шиняков. Изобретения. - 1998. - № 1.