Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ

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 с несколькими номиналами выходного напряжения 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, отличающийся 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

,

где Р_пи - мощность основной секции первичного источника электроэнергии;

Р_д - мощность дежурной нагрузки;

Р_зар - мощность для заряда аккумуляторных батарей;

- коэффициент полезного действия системы стабилизированных преобразователей;

k_д - 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 дополнительные, к «m», одну или несколько секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя, которые подключают через развязывающие диоды к секциям первичного источника ограниченной мощности. При этом мощность дополнительных секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя рассчитывают исходя из мощности допустимого количества отказавших секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя.

Действительно, в случае отказа любого из «m» секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя, дополнительные, к «m», секции параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя, которые подключают через развязывающие диоды к секциям первичного источника ограниченной мощности, возьмут на себя образовавшуюся нерегулируемую мощность соответствующей секции первичного источника ограниченной мощности. Однако это произойдет, если мощность дополнительных секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя будет не менее мощности допустимого количества отказавших секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя.

Суть предлагаемого способа можно пояснить на примере функциональной схемы автономной системы электропитания, изображенной на фиг.1.

Устройство содержит солнечную батарею (первичный источник ограниченной мощности) 1, состоящую из секций 1₁, 1₂,…1_m, подключенную к нагрузке 2 через диоды РД₁, РД₂,…,РД_m в цепи каждой секции соответственно и выходной фильтр 3. Аккумуляторные батареи 4/1 и 4/2 подключены через зарядные преобразователи 5/1 и 5/2 и через разрядные преобразователи 6/1 и 6/2 к входу выходного фильтра 3, при этом входы разрядных преобразователей подключены к выходу выходного фильтра 3. Параллельный стабилизированный преобразователь 7 входом подключен к выходу выходного фильтра 3, а силовым транзисторным ключом разделенным также 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 81, 82,…8_n-1, к выходу которых подключены нагрузки 2₁, 22,…2_n-1, 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.

Параллельный стабилизированный преобразователь 7 состоит из «m» единичных силовых транзисторных ключей K₁, K₂,…K_m и дополнительного ключа K_m+1, управляемых общей схемой управления 13. При этом дополнительный ключ подключен параллельно ко всем секциям 1₁, 1₂,…1_m через развязывающие диоды Д₁, Д₂,…Д_m соответственно.

Сериесные преобразователи 8₁, 8₂,…8_n-1 состоят из регулирующих ключей 14, управляемых схемами управления 15, и выходных фильтров 16.

Схемы управления преобразователями 10, 12, 13, 15 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения.

Устройство работает следующим образом.

В процессе эксплуатации питание нагрузки 2 осуществляется от солнечной батареи 1, состоящей из секций 1₁, 1₂,…1_m, «развязанных» диодами РД₁, РД₂,…РД_m (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.

Сериесные преобразователи 8₁, 8₂,…8_n-1 постоянно работают в одном режиме от стабильного напряжения первой нагрузки 2.

В случае отказа любого из «m» секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя, дополнительная, к «m», секция параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя, подключенная через развязывающие диоды к секциям первичного источника ограниченной мощности, возьмет на себя образовавшуюся нерегулируемую мощность соответствующей секции первичного источника ограниченной мощности. Это произойдет при условии, что мощность дополнительных секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя будет не менее мощности допустимого количества отказавших секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя.

Таким образом, предлагаемый способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли позволяет повысить функциональную надежность автономной системы электропитания ИСЗ.