Способ питания нагрузки искусственного спутника земли и автономная система электропитания для его реализации

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат заключается в повышении надежности автономной системы электропитания и эффективности использования первичного источника ограниченной мощности. Для этого заявленный способ заключается в стабилизации напряжения на нагрузке сериесным преобразователем от первичного источника электроэнергии - солнечной батареи, с выходным напряжением, близким к максимальному входному напряжению сериесного преобразователя, и разрядными преобразователями от вторичного источника электроэнергии - «n» аккумуляторных батарей, согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии посредством зарядных преобразователей и ограничении напряжения солнечной батареи на заранее установленном верхнем уровне. Кроме того, предлагается автономная система электропитания для реализации способа, содержащая солнечную батарею, подключенную к нагрузке через сериесный преобразователь, «n» аккумуляторных батарей с устройствами контроля, зарядные преобразователи, разрядные преобразователи, при этом каждый преобразователь содержит схему управления, выполненную в виде широтно-импульсного модулятора, содержащего измерительные органы напряжения нагрузки, а схемы управления зарядных преобразователей связаны с измерительными шунтами, установленными в силовых цепях соответствующих аккумуляторных батарей, и дополнительно содержат измерительные органы напряжения солнечной батареи. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Известны способы питания нагрузки постоянным, стабильным напряжением, реализуемые системами питания нагрузки постоянным током, описанными в издании «Системы электропитания космических аппаратов», Новосибирск, ВО "Наука", 1994 г.

Известные способы питания нагрузки постоянным током предусматривают стабилизацию напряжения от первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) на нагрузке стабилизированными преобразователями различного типа.

Известна автономная система электропитания, патент №2059988, содержащая солнечную батарею, подключенную к нагрузке через сериесный преобразователь, n аккумуляторных батарей со схемами защиты, подключенных через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи - к нагрузке, причем каждый преобразователь содержит схему управления, выполненную в виде широтно-импульсного модулятора, содержащего измерительные органы выходного напряжения и тока преобразователя, при этом измерительные органы выходного напряжения разрядных преобразователей подключены к их выходам через переключатели уровня стабилизации, связанные со схемами защиты аккумуляторных батарей и нагрузкой, а схемы защиты аккумуляторных батарей связаны с зарядными и разрядными преобразователями и нагрузкой.

Недостатком известных способов и автономных систем электропитания является то, что они не решают задачи повышения эффективности использования первичного источника электроэнергии (солнечной батареи).

Известен способ питания нагрузки постоянным током, описанный в авторском свидетельстве №1771037, предусматривающий выбор выходного напряжения первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) по максимально допустимому уровню входного напряжения стабилизированного преобразователя, принятый за прототип.

Недостатком известного способа является то, что при прохождении ИСЗ «теневого» участка орбиты солнечная батарея охлаждается и при выходе на освещенный участок ее вольт-амперная характеристика изменяется, причем напряжение холостого хода может увеличиться практически до 200%, в зависимости от степени охлаждения солнечной батареи (длительности теневого участка и особенностей конструкции ИСЗ).

Этот факт сводит эффективность известного способа, при значительных колебаниях температуры солнечной батареи в процессе эксплуатации ИСЗ, практически к нулю.

Известна автономная система электропитания ИСЗ, патент №2313169, которая выбрана в качестве прототипа.

Согласно известному патенту параллельно выходным шинам солнечной батареи подключат ограничитель максимального напряжения солнечной батареи, который при достижении напряжения порога срабатывания открывается и начинает пропускать через себя ток, величина которого изменяется таким образом, чтобы сумма токов через ограничитель и тока в нагрузку соответствовала точке на вольт-амперной характеристике солнечной батареи, при которой выходное напряжение солнечной батареи равно напряжению уставки ограничителя, при этом в качестве ограничителя напряжения установлен шунтовой ограничитель напряжения с широтно-импульсной модуляцией, а между входом ограничителя и входным емкостным фильтром установлен диод в прямом направлении прохождения тока солнечной батареи. Кроме того, параллельно диоду установлен коммутатор.

Недостатком известной автономной системы электропитания является наличие избыточных функционально-конструктивных элементов, а именно шунтового преобразователя, силового диода, силового коммутатора. Все эти элементы снижают удельные энергетические характеристики автономной системы электропитания ИСЗ. Кроме того, установка дополнительного силового диода в цепи первичного источника электроэнергии снижает эффективность использования последнего, а применение механических силовых коммутаторов снижает надежность автономной системы электропитания.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности автономной системы электропитания и эффективности использования первичного источника ограниченной мощности.

Поставленная задача решается тем, что ограничение напряжения солнечной батареи проводят регулированием тока заряда аккумуляторных батарей. Для этого в автономной системе электропитания схемы управления зарядных преобразователей дополнительно содержат измерительные органы напряжения солнечной батареи.

На чертеже приведена функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ для реализации заявляемого способа.

Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через сериесный преобразователь напряжения 3 и аккумуляторные батареи 4₁-4_n, подключенные через зарядные преобразователи 5₁-5_n к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 6₁-6_n - к входу выходного фильтра сериесного преобразователя напряжения 3.

При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

Параллельно аккумуляторным батареям 4₁-4_n подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7₁-7_n, связанные входом с аккумуляторными батареями 4₁-4_n для контроля напряжения, давления и температуры аккумуляторов, а выходом - с нагрузкой 2.

В силовой цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей 4₁-4_n установлены измерительные шунты 8₁-8_n.

Зарядные преобразователи 5₁-5_n состоят из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10.

При этом зарядные преобразователи 5₁-5_n не содержат традиционных вольтодобавочных узлов, что обеспечивается условием высокого напряжения солнечной батареи и существенно повышает удельные энергетические характеристики и коэффициент полезного действия зарядных преобразователей.

Разрядные преобразователи 6₁-6_n состоят из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Сериесный преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра С1 и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С.

Схемы управления: 10 зарядных преобразователей 5₁-5_n, 12 - разрядных преобразователей 6₁-6_n, 14 - сериесного преобразователя напряжения 3, выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, связанных измерительными органами с напряжением нагрузки автономной системы электропитания.

Схемы управления 10 зарядных преобразователей 5₁-5_n дополнительно связаны с измерительными шунтами 8₁-8_n в силовых цепях аккумуляторных батарей 4₁-4_n и с напряжением солнечной батареи. Измерительные органы выполнены в виде резистивных делителей напряжения: для напряжения нагрузки - на резисторах R1 и R2, а для напряжения солнечной батареи - на резисторах R3 и R4.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4₁-4_n работают в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные преобразователи 5₁-5_n. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

При этом зарядные преобразователи работают в режиме заряда стабильными токами для обеспечения заряда аккумуляторных батарей оптимальными режимами.

В случае недостатка избыточной мощности солнечной батареи для обеспечения заряда аккумуляторных батарей заданной величиной токов в дело вступает обратная связь по напряжению нагрузки автономной системы электропитания, ограничивая токи заряда из условия обеспечения стабильности напряжения нагрузки.

В случае повышения напряжения солнечной батареи до установленного верхнего уровня (выход ИСЗ из «тени») начинает работать обратная связь по напряжению солнечной батареи, устанавливая величину тока заряда (заряд всей избыточной мощностью солнечной батареи) из условия непревышения напряжения солнечной батареи установленного верхнего уровня.

Длительность работы зарядного преобразователя в режиме заряда всей избыточной мощностью, при достижении максимально допустимого напряжения солнечной батареи (и «удержания» этого значения напряжения солнечной батареи по верху путем регулирования зарядного тока), определяется временем нагрева солнечной батареи, которое по данным расчетов и летных измерений составляет 5-8 мин, т.е. для геостационарной орбиты суммарное время работы зарядного преобразователя в этом режиме не превысит 12 ч за год.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4₁-4_n через разрядные преобразователи 6₁-6_n.

Устройства контроля 7₁-7_n контролируют напряжение, давление и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 4₁-4_n и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2.

Далее бортовая ЭВМ в составе нагрузки 2 реализует алгоритм управления зарядом аккумуляторных батарей. По результатам анализа телеметрической информации алгоритм в процессе эксплуатации ИСЗ может меняться через командно-измерительную радиолинию ИСЗ.

Таким образом, питание нагрузки постоянным током от источника ограниченной мощности (солнечной батареи) будет обеспечиваться при высоком напряжении на входе стабилизированного преобразователя, что позволяет повысить эффективность использования первичного источника ограниченной мощности и надежность автономной системы электропитания.

1. Способ питания нагрузки искусственного спутника Земли, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке сериесным преобразователем от первичного источника электроэнергии - солнечной батареи, с выходным напряжением близком к максимальному входному напряжению сериесного преобразователя и разрядными преобразователями от вторичного источника электроэнергии - «n» аккумуляторных батарей, согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии посредством зарядных преобразователей и ограничении напряжения солнечной батареи на заранее установленном верхнем уровне, отличающийся тем, что ограничение напряжения солнечной батареи проводят регулированием тока заряда аккумуляторных батарей.

2. Автономная система электропитания для реализации способа по п.1, содержащая солнечную батарею, подключенную к нагрузке через сериесный преобразователь, «n» аккумуляторных батарей с устройствами контроля, подключенные через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи к нагрузке, причем каждый преобразователь содержит схему управления, выполненную в виде широтно-импульсного модулятора, содержащего измерительные органы напряжения нагрузки, кроме того, схемы управления зарядных преобразователей связаны с измерительными шунтами, установленными в силовых цепях соответствующих аккумуляторных батарей, отличающаяся тем, что схемы управления зарядных преобразователей дополнительно содержат измерительные органы напряжения солнечной батареи.