СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD FOR DC SUPPLY TO LOAD IN AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM OF ARTIFICIAL EARTH SATELLITE

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).
В настоящее время в космической технике успешно развивается процесс создания ИСЗ для решения широкого круга народнохозяйственных задач. Это связь, навигация, геодезия, картография, метеорология и многое другое.
При создании ИСЗ существенное значение имеет задача оптимизации системы электропитания ИСЗ, так как она занимает порядка (15-20)% массы ИСЗ и во многом определяет функциональные и ресурсные возможности создаваемого спутника.
Эта задача может быть решена только при условии повышения удельных энергетических характеристик 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.
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).
В подавляющем большинстве случаев автономная система электропитания ИСЗ 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 ИСЗ не все потребители электроэнергии пользуются этим номиналом напряжения, а 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» - см. патент RU №2258292 от 10 августа 2005 г., который выбран в качестве прототипа.
Известный способ заключается в питании нагрузки постоянным током 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, при этом 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, кроме того, стабилизацию напряжения на первом уровне проводят шунтовым или короткозамкнутым стабилизированным преобразователем.
Известный способ позволяет достичь высоких удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания ИСЗ.
Однако то, что известный способ предусматривает стабилизацию напряжения первичного источника электроэнергии посредством параллельного (шунтового или короткозамкнутого) стабилизированного преобразователя во всем диапазоне мощности первичного источника электроэнергии и вне зависимости от мощности потребляемой нагрузкой, снижает удельные энергетические характеристики параллельного стабилизированного преобразователя и автономной системы электропитания в целом.
Задачей заявляемого изобретения является повышение удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания ИСЗ.
Поставленная задача достигается тем, что в способе питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли, с несколькими номиналами выходного напряжения, от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающемся 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, согласно изобретению 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:
пи
д
зар
д
Р≥(Р+Р)·k/ή,
пи
где Р - мощность основной секции первичного источника электроэнергии;
д
Р - мощность дежурной нагрузки;
зар
Р - мощность для заряда аккумуляторных батарей;
ή - 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. Кроме того, подключение и отключение дополнительных секций первичного источника электроэнергии проводят по крайним интегральным значениям сигнала с выхода широтно-импульсного модулятора схемы управления параллельного стабилизированного преобразователя.
Действительно, в заявляемом изобретении мощность параллельного стабилизированного преобразователя рассчитывают исходя из мощности только основной секции первичного источника электроэнергии (что в 2-4 раза меньше суммарной мощности первичного источника электроэнергии), что снизит вес параллельного стабилизированного преобразователя примерно в 1,5-3 раза и приведет к повышению удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания ИСЗ.
Мощность основной секции первичного источника электроэнергии рассчитывается из условия обеспечения питания дежурной нагрузки ИСЗ (системы ориентации, терморегулирования, телеметрии и другие) и заряда вторичных источников электроэнергии с учетом деградации мощности в течение ресурса и коэффициента полезного действия стабилизированных преобразователей. Это позволяет обеспечить стабильное питание нагрузки при работе ИСЗ в дежурном режиме.
При включении сеансной нагрузки (например, ретранслятора - в случае связного ИСЗ), мощности основной секции первичного источника электроэнергии становится недостаточно, для обеспечения стабильного питания нагрузки, проводят последовательное подключение дополнительных секций первичного источника электроэнергии из условия не превышения мощности на входе параллельного стабилизированного преобразователя. Это реализуется путем управления коммутацией дополнительных секций по командам, формируемым по крайним интегральным значениям сигнала с выхода широтно-импульсного модулятора схемы управления параллельного стабилизированного преобразователя.
Суть предлагаемого способа можно пояснить на примере устройства (функциональной схемы автономной системы электропитания), изображенной на фиг.1.
1
2
n-1
1
2
n-1
Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через выходной фильтр 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 к входу выходного фильтра 3, шунтовой преобразователь напряжения 7 с балластным сопротивлением Rб, включенный параллельно солнечной батарее 1. 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.
Шунтовой преобразователь напряжения 7 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, и балластного сопротивления Rб.
1
2
n-1
Сериесные преобразователи 8, 8,…8 состоят из регулирующих ключей 15, управляемых схемами управления 16, и выходных фильтров 17.
Схемы управления преобразователями 10, 12, 14, 16 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 14 шунтового преобразователя 7 дополнительно содержит интегратор выходного сигнала с пороговыми уровнями.
0
1
m
1
m
Солнечная батарея 1 состоит из основной постоянно включенной секции 1 и «m» коммутируемых секций 1-1, подключенных параллельно основной секции через управляемые транзисторные ключи K-K, связанные со схемой управления 14 шунтового преобразователя 7.
На фиг.2 представлен характер сигнала на выходе схемы управления 14 шунтового преобразователя 7. При этом вариант «А» соответствует минимальному значению величины избыточной мощности солнечной батареи (на балластное сопротивление Rб практически ничего не сбрасывается), а вариант «Б» соответствует максимальному значению величины избыточной мощности солнечной батареи (на балластное сопротивление Rб сбрасывается практически его максимальная расчетная мощность). Интегральные значения сигналов вариантов «А» и «Б» соответствуют Umin и Umax соответственно.
Устройство работает следующим образом.
В процессе эксплуатации питание нагрузки 2 осуществляется от солнечной батареи 1 через фильтр 3, а стабилизация напряжения осуществляется шунтовым стабилизированным преобразователем 7.
1
m
При недостатке мощности солнечной батареи 1 подключаются, а при избытке - отключаются дополнительные коммутируемые секции 1-1 солнечной батареи 1.
Подключение и отключение дополнительных секций первичного источника электроэнергии проводят по крайним интегральным значениям сигнала с выхода широтно-импульсного модулятора схемы управления 14 шунтового стабилизированного преобразователя 7.
При достижении величины интегрального значения Umin проводят подключение дополнительной секции (первой или очередной), а при достижении величины интегрального значения Umax проводят отключение дополнительной секции. Процесс управления коммутацией дополнительных секций не проводится при нахождении величины интегрального значения внутри указанного диапазона.
Аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный стабилизированный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.
При прохождении теневых участков орбиты, либо при нарушении ориентации, нагрузка 2 питается от разрядного преобразователя 6 с аккумуляторной батареей 4.
1
2
n-1
Сериесные преобразователи 8, 8,…8 постоянно работают в одном режиме от стабильного напряжения высокой величины.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить удельные энергетические характеристики автономной системы электропитания ИСЗ.