Способ питания нагрузки постоянным током



Способ питания нагрузки постоянным током
Способ питания нагрузки постоянным током

 


Владельцы патента RU 2543079:

Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф Решётнева" (RU)

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания преимущественно связных космических аппаратов (КА). Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования первичного источника электроэнергии (солнечной батареи) и удельных энергетических характеристик системы электропитания КА в целом. Указанный результат достигается тем, что вначале ограничивают напряжение на шинах солнечной батареи максимально допустимым уровнем, после чего стабилизацию каждого напряжения для «n» нагрузок проводят «n» сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят на шинах солнечной батареи с ограниченным максимально допустимым уровнем напряжения. При этом напряжение на шинах солнечной батареи ограничивают на уровне, превышающем Uрт.бс, где Uрт.бс - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в начале ресурса при установившейся температуре, В, часть солнечной батареи, не превышающую по мощности минимальную суммарную мощность нагрузок, подключают непосредственно на вход «n» сериесных стабилизированных преобразователей, а ограничение напряжения на шинах солнечной батареи проводят параллельным стабилизированным преобразователем. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания преимущественно связных космических аппаратов (КА).

В настоящее время в космической технике идет процесс создания связных спутников Земли с большой выходной мощностью (10-25 кВт) и длительным (15 лет) ресурсом работы.

Эта задача, в отношении автономной системы электропитания, может быть решена только при условии повышения эффективности использования 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.

При создании системы автоматики, обеспечивающей стабильное напряжение на входах потребителей электроэнергии, необходимо решить важную задачу - это снижение потери электроэнергии на пути от источников электроэнергии до потребителей.

Известны способы питания нагрузки постоянным стабильным напряжением, описанные в "Системы электропитания космических аппаратов.- Новосибирск: ВО "Наука", 1994 г.", в частности, глава 2, п.2,5.

Известный способ предусматривает наращивание мощности автономной системы электропитания установкой дополнительных модулей с обеспечением их равномерной загрузки.

Недостатком известного способа является низкая эффективность использования источников электроэнергии.

В подавляющем большинстве случаев автономная система электропитания 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 не все потребители электроэнергии пользуются этим номиналом напряжения, следовательно, 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 (патент RU №2258292) 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, который отличается тем, что 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». Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.

Недостатком известного способа является то, что стабилизатор максимального напряжения (первой нагрузки) рассчитывается на суммарную мощность всех нагрузок, что повышает его вес и соответственно снижает удельные энергетические характеристики системы электропитания. Кроме того, в известной структуре напряжение потребления от солнечной батареи привязано к напряжению первой нагрузки и практически неизменно в процессе эксплуатации КА. Этот факт снижает эффективность использования первичного источника электроэнергии (солнечной батареи).

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования первичного источника электроэнергии (солнечной батареи) и удельных энергетических характеристик системы электропитания КА в целом.

Поставленная цель достигается тем, что при питании нагрузки постоянным током от источника ограниченной мощности, солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации «n» номиналов напряжения на «n» нагрузках и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, вначале ограничивают напряжение на шинах солнечной батареи максимально допустимым уровнем, после чего стабилизацию каждого напряжения для «n» нагрузок проводят «n» сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят на шинах солнечной батареи с ограниченным максимально допустимым уровнем напряжения. При этом напряжение на шинах солнечной батареи ограничивают на уровне, превышающем Uрт.бс, где Upт.бс - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в начале ресурса при установившейся температуре, В, часть солнечной батареи, не превышающую по мощности минимальную суммарную мощность нагрузок, подключают непосредственно на вход «n» сериесных стабилизированных преобразователей, а ограничение напряжения на шинах солнечной батареи проводят параллельным стабилизированным преобразователем.

Действительно, замена функции стабилизации напряжения максимального (первого) выходного уровня (в прототипе) на функцию ограничения напряжения позволяет существенно повысить эффективность использования солнечной батареи за счет обеспечения возможности экстремального регулирования. Снижение активных потерь (на диоде) для нерегулируемой части солнечной батареи также повышает эффективность ее использования. Кроме того, эффективность использования солнечной батареи повышает снижение активных потерь в линиях связи и сериесных стабилизированных преобразователях за счет передачи мощности при более высоком напряжении (соответственно, меньшими токами). При этом повышение рабочего напряжения солнечной батареи позволяет оптимизировать аккумуляторные батареи в рамках обеспечения их заряда без использования вольтодобавочных узлов, а эпизодичность работы ограничителя напряжения (работа в основном после прохождения КА «теневых» участков орбиты - по данным расчетов и летных измерений составляет 5-8 мин, т.е. для геостационарной орбиты суммарное время работы в этом режиме не превысит 12 часов за год), позволит существенно уменьшить его вес, что повысит удельные энергетические характеристики системы электропитания КА в целом.

На фиг.1 приведены вольтамперные характеристики (ВАХ) солнечной батареи в начале эксплуатации ВАХ1 и в конце эксплуатации ВАХ2 при установившейся температуре, а также после прохождения «теневого» участка орбиты (холодной солнечной батареи) ВАХ3 и соответствующие им характеристики мощности солнечной батареи от напряжения Р1, Р2 и Р3. Каждая ВАХ состоит из трех основных точек: это ток короткого замыкания (Iкз1, Iкз2 и Iкз3), напряжение холостого хода (Uxx1, Uxx2 и Uxx3) и напряжение в рабочей точке (Upт1, UpT2 и UpT3). Напряжение в рабочей точке соответствует точке максимальной мощности солнечной батареи.

Как видно из чертежа:

1. При напряжении на шинах солнечной батареи менее уровня ограничения напряжения (например, в точке Upт1, где Upт1 - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в начале ресурса при установившейся температуре, В), работа ограничителя напряжения не требуется. При этом возможно экстремальное регулирование снимаемой мощности солнечной батареи.

2. В случае, если напряжение солнечной батареи достигнет уровня ограничения, в работу вступит параллельный стабилизированный преобразователь. Это возможно в начале эксплуатации КА (когда реальная мощность солнечной батареи оказалась больше расчетной величины) или после охлаждения солнечной батареи из-за прохождения КА «теневого» участка орбиты (ВАХЗ).

На фиг.2 приведена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу (рассматривается схема с одной аккумуляторной батареей).

Устройство содержит солнечную батарею 1 (состоящую в данном примере из 2 секций), подключенную к нагрузке 2 (в составе 21÷2n) через ограничитель напряжения (параллельный стабилизированный преобразователь) 3 (выходные клеммы «+» и «-») и сериесные преобразователи 41÷4n, аккумуляторную батарею 5, подключенную через зарядный преобразователь 6 и через разрядный преобразователь 7 к выходу ограничителя напряжения 3

Зарядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 15, управляемого схемой управления 16.

Разрядный преобразователь 7 состоит из регулирующего ключа 17, управляемого схемой управления 18 и вольтодобавочного узла 19.

Ограничитель напряжения 3 состоит из силовой части 3/1 (в количестве двух - по числу секций солнечной батареи) в составе регулирующего ключа 8 и развязывающего диода 10 и общей схемы управления 9.

Сериесные преобразователи 41÷4n состоят из регулирующих ключей 11, управляемых схемами управления 12, входных 13 и выходных 14 фильтров.

Схемы управления преобразователями 9, 16, 18, 12 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения.

Дополнительно введена секция солнечной батареи 1/1, не превышающая по мощности минимальную суммарную мощность нагрузок, которую подключают непосредственно на вход «n» сериесных стабилизированных преобразователей (клеммы «+» и «-»).

Устройство работает следующим образом.

В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 5 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 зарядным стабилизированным преобразователем 6. Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 сериесными преобразователями 41÷4n. Ограничение напряжения солнечной батареи 1, при необходимости, осуществляется ограничителем напряжения 3.

В начале эксплуатации КА или при прохождении космического аппарата «теневого» участка орбиты, когда солнечная батарея 1 охлаждается и при выходе на освещенный участок ее вольтамперная характеристика изменяется (причем напряжение холостого хода может увеличиться практически до 200%, в зависимости от степени охлаждения солнечной батареи - длительности «теневого» участка и особенностей конструкции космического аппарата), ограничитель напряжения обеспечивает защиту системы электропитания от недопустимо высокого входного напряжения путем шунтирования солнечной батареи параллельным стабилизированным преобразователем.

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации космического аппарата на Солнце питающее напряжение на клеммы «+» и «-») подается от аккумуляторной батареи 5 через разрядный преобразователь 7.

Сериесные преобразователи 41÷4n постоянно работают в одном режиме от общего входного напряжения высокой величины. Причем преобразователь для максимального напряжения нагрузки рассчитан только на мощность этой нагрузки.

Мощность солнечной батареи используется по текущему максимальному уровню.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективности использования первичного источника электроэнергии (солнечной батареи) и удельных энергетических характеристик системы электропитания КА в целом.

1. Способ питания нагрузки постоянным током от источника ограниченной мощности, солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, аккумуляторных батарей, заключающийся в стабилизации «n» номиналов напряжения на «n» нагрузках и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, отличающийся тем, что вначале ограничивают напряжение на шинах солнечной батареи максимально допустимым уровнем, после чего стабилизацию каждого напряжения для «n» нагрузок проводят «n» сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят на шинах солнечной батареи с ограниченным максимально допустимым уровнем напряжения.

2. Способ питания нагрузки постоянным током по п.1, отличающийся тем, что напряжение на шинах солнечной батареи ограничивают на уровне, превышающем Uрт.бс, где Uрт.бс - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в начале ресурса при установившейся температуре, В.

3. Способ питания нагрузки постоянным током по п.1, отличающийся тем, что часть солнечной батареи, не превышающую по мощности минимальную суммарную мощность нагрузок, подключают непосредственно на вход «n» сериесных стабилизированных преобразователей.

4. Способ питания нагрузки постоянным током по п.1, отличающийся тем, что ограничение напряжения на шинах солнечной батареи проводят параллельным стабилизированным преобразователем.



 

Похожие патенты:

Электросамолет содержит фюзеляж, крылья, двигатели, оперение и шасси. На фюзеляже и крыльях установлены солнечные батареи, соединенные с аккумуляторами и двигателями.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей системы, увеличении его нагрузочной мощности и обеспечении максимальной бесперебойности работы при поддержании оптимальных параметров работы аккумуляторной батареи при питании потребителей постоянным током.

Изобретение относится к области электротехники. Описаны системы и способы использования различных типов аккумуляторов для выборочного аккумулирования и отдачи энергии.

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к непрерывно следящим за Солнцем солнечным установкам как с концентраторами солнечного излучения, так и с плоскими кремниевыми модулями, предназначенным для питания потребителей, например, в районах ненадежного и децентрализованного электроснабжения.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и может быть использовано для электропитания удаленных от электрических сетей объектов, например автономных метеостанций, строительных объектов, электроинструментов служб спасения и пр.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании и создании автономных энергетических установок, предназначенных для питания потребителей от фотоэлектрических солнечных батарей, эксплуатируемых длительное время при существенно изменяющихся условиях эксплуатации.

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

Изобретение относится к энергоустановкам (ЭУ) на основе батарей солнечных элементов (БСЭ) и накопителей энергии и способам их регулирования. .

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат - повышение удельных энергетических характеристик и надежности автономной системы электропитания ИСЗ. Предлагается способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи и комплекта из вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, содержащих Nакк аккумуляторов, соединенных последовательно, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, при этом разрядные преобразователи выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего число аккумуляторов Nакк в каждой аккумуляторной батарее выбирают из соотношения: Nакк≥(Uн+1)/Uакк.мин, где Nакк - число аккумуляторов в последовательной цепи каждой аккумуляторной батареи; Uн - напряжение на выходе автономной системы электропитания, В; Uакк.мин - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора, В, зарядные преобразователи выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего напряжение в рабочей точке солнечной батареи выбирают из соотношения:Uрт>Uакк.макс·Nакк+1, где Uрт - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в конце гарантированного ресурса ее работы, В; Uакк.макс - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, В, при этом рассчитанное число аккумуляторов Nакк дополнительно увеличивают исходя из соотношения: Nакк≥(Uн+1)/Uакк.мин+Nотказ, где Nотказ - число допустимого отказа аккумуляторов, а стабилизацию напряжения на нагрузке и заряд аккумуляторных батарей проводят с использованием экстремального регулирования напряжения солнечной батареи. 2 ил.

Устройство для передачи энергии автономному подводному аппарату содержит источник энергии на борту судна-носителя, кабель-трос, герметичный светодиодный излучатель высокой интенсивности, герметичную светоприемную панель. Излучатель на кабель-тросе опускают под воду и вводят в контакт со светоприемной панелью. Излучатель и светоприемная панель расположены навстречу друг к другу своими прозрачными слоями. Светоприемная панель преобразует свет в электрическую энергию, накапливаемую в аккумуляторных батареях автономного подводного аппарата. Обеспечивается надежная и экономичная передача энергии на борт подводного аппарата. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники. Автономная система электропитания содержит солнечную батарею, накопитель электроэнергии, зарядно-разрядное устройство и нагрузку, состоящую из одного или нескольких стабилизаторов напряжения с подключенными к их выходам конечными потребителями электроэнергии. Отличительной особенностью системы является использование двунаправленного преобразователя напряжения в качестве зарядно-разрядного устройства, содержащего только два ключевых элемента. Суть изобретения заключается в том, что функции зарядного и разрядного устройства выполняет двунаправленный инвертирующий преобразователь напряжения электрически симметричный, т.е. вход и выход могут меняться местами в зависимости от того, в какую сторону необходимо передавать энергию. Технический результат заключается в минимизации силовой части зарядно-разрядного устройства, реализации алгоритма отбора максимальной мощности от солнечной батареи и исключении переходных процессов в виде пропадания напряжения на выходной шине при смене его режимов работы, и сохранении энергоснабжения на выходе системы только от солнечной батареи при выходе из строя зарядно-разрядного устройства. 3 ил.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для обеспечения электропитания космических аппаратов (КА) и станций. Технический результат - использование системы терморегулирования для получения дополнительной энергии. Система энергоснабжения предназначена для применения на космических аппаратах и станциях в условиях космического пространства. В предлагаемом изобретении в существующую жидкостную систему терморегулирования, содержащую корпус, внутри которого расположен контур охлаждения и обогрева, состоящий из последовательно соединенных теплообменника с резервуаром теплоносителя, имеющего управляющий клапан, радиатора с травящим клапаном, магнитогидродинамического насоса для циркуляции теплоносителя в конуре, после теплообменника введена турбина, соединенная с электрогенератором, который через систему управления соединен с аккумуляторной батареей и нагрузкой. 1 ил.
Наверх