АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов.

Известны модульные структуры автономных СЭС с бескоммутационной развязкой шин источников энергии и шин питания нагрузки, в которых источники энергии подключены к нагрузке через соответствующие регуляторы [1, 2, 3]. К недостаткам таких СЭС относятся ограниченная возможность дискретного наращивания количества параллельных цепей "источник энергии - регулятор - нагрузка" для увеличения мощности СЭС и зависимость точности стабилизации напряжения на нагрузке от количества работающих источников энергии по причине наличия в СЭС длинной разветвленной кабельной сети, не охваченной отрицательными обратными связями датчиков напряжения нагрузки.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой системе является автономная система электропитания (СЭП) [4], принятая за прототип.

Автономная СЭП содержит n источников питания, подключенных к выходным выводам через соответствующие регуляторы, каждый из которых содержит блок управления регулирующим органом регулятора, вход которого через блок суммирования связан с выходами датчиков рассогласования.

В такой СЭП защита шин нагрузки от перегрузки и коротких замыканий со стороны источников энергии обычно осуществляется с помощью предохранителей в силовых цепях регулирующих органов регуляторов.

Основными недостатками прототипа являются:

1) возникновение электрической дуги в предохранителях защитного отключения при работе системы в условиях космоса и при напряжениях источников питания свыше 100 В, что снижает надежность и срок эксплуатации СЭП;

2) невозможность отключения напряжения от цепи при замене неисправного прибора или источника.

Задачей, на решение которой направлено создание заявляемой автономной системы электроснабжения, является расширение ее функциональных возможностей и повышение срока эксплуатации за счет обеспечения возможности дискретного наращивания мощности и коммутации шин для подключения источников энергии, а также повышение стабильности выходного напряжения и обеспечение устойчивости СЭС как многосвязной системы автоматического регулирования.

Поставленная задача решается тем, что в автономную систему электроснабжения, включающую n источников энергии, подключенных к соответствующим регуляторам, каждый из которых содержит связанный с источником энергии регулирующий орган, соединенный с ним через блок управления регулирующим органом сумматор и датчик напряжения нагрузки, выход каждого из которых связан с соответствующими входами сумматоров, дополнительно введен блок суммирования потоков энергии от всех регуляторов, содержащий положительную и отрицательную шины, низкочастотный фильтр и защитные устройства, при этом входы датчиков напряжения нагрузки подключены через защитные устройства и указанные шины к низкочастотному фильтру, а выходы регуляторов подключены к соответствующим разноименным шинам блока суммирования потоков энергии, выходы которого служат выходными выводами автономной системы электроснабжения. Также в автономную СЭС между одной из шин блока суммирования потоков энергии и выходом регулятора может быть введен блок электронной защиты цепи от превышения по величине и времени тока, вход которого соединен с выходом регулирующего органа соответствующего регулятора, причем каждый регулятор выполнен с ограничением по выходному (входному) току. Блок электронной защиты может содержать МДП-транзистор, датчик тока и схему управления МДП-транзистором, выход которой подключается к затвору МДП-транзистора, а ее измерительные входы соединяются с измерительными выводами датчика тока, включаемого между входом блока электронной защиты и истоком указанного транзистора, сток которого подключается ко входу схемы управления и выходу блока электронной защиты, при этом управляющий вход схемы управления используется для подачи внешнего сигнала управления.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемой автономной СЭС для n=2. Она содержит источники энергии 1, регуляторы 2, положительные выходы которых подключены через блоки электронной защиты 3 к положительной шине 4 блока суммирования потоков энергии 5.

Отрицательные выходы источников энергии 1 подключены через регуляторы 2 к отрицательной шине 6 блока суммирования потоков энергии 5.

Положительная шина 4 и отрицательная шина 6 блока суммирования потоков энергии 5 соединены с нагрузкой 7, которая подключена к выходным выводам 20, 21 автономной СЭС.

Каждый регулятор 2 содержит регулирующий орган 8, блок управления регулирующим органом 9, сумматор 10 и датчик напряжения нагрузки (датчик рассогласования) 11.

Выходы датчиков напряжения нагрузки 11 подключены к входам сумматоров 10 всех регуляторов 2, а входы через защитные устройства, например, резисторы 12, 13 - соответственно к положительной 4 и отрицательной 6 шинам в точках регулирования 17 и 18, к которым подключен низкочастотный фильтр 19.

Блок электронной защиты 3 содержит МДП-транзистор 14 с внутренним диодом, датчик тока 15 и схему управления 16 МДП-транзистором.

Автономная СЭС с блоками электронной защиты, выполненными на МДП-транзисторах, работает следующим образом. После получения разрешения на включение, регуляторы 2 формируют потоки энергии, которые через внутренние диоды МДП-транзисторов 14 поступают на шины 4 и 6 блока суммирования потоков энергии 5 и через резисторы 12, 13 - в датчики напряжения нагрузки 11. Получая отрицательную обратную связь, регуляторы 2 поддерживают стабильным напряжение на шинах 4 и 6 в точках регулирования 17 и 18.

Поскольку падения напряжения в силовых кабелях связи регуляторов 2 и силовых цепях блоков электронной защиты 3 охвачены обратной связью через датчики напряжения нагрузки 11, изменения потоков энергии от регуляторов 2 (в том числе и обратное прохождение энергии от шин 4 и 6) на стабильности выходного напряжения не сказывается.

Получив питание с катода диода МДП-транзистора 14, схема управления 16 формирует управляющий сигнал на открывание МДП-транзистора 14, который, открывшись, своим переходом сток-исток шунтирует внутренний диод МДП-транзистора 14, уменьшая потери в блоке электронной защиты 3.

При возникновении на выходе регулятора 2 перегрузки или короткого замыкания (в кабеле или в регулирующем органе регулятора 2) МДП-транзистор 14 через обратную связь с датчика тока 15 сначала ограничивает на заданном уровне ток, вытекающий с шины 4, а затем через заданное время схема управления 16 запирает МДП-транзистор, защищая таким образом силовые шины 4 и 6 от перегрузки. Поскольку регулятор 2 выполнен с ограничением по выходному (входному) току, то этот режим (при наличии короткого замыкания выхода) не приводит к большой потере мощности, и для регулятора 2 он допустим.

Таким образом, после анализа причин, вызвавших перегрузку, имеется возможность принять меры по исключению короткого замыкания в СЭС, например, для замены кабеля или регулятора 2 без нарушения функционирования СЭС, с последующим включением данного модуля в работу с помощью внешнего управления блоками электронной защиты 3.

Для исключения перегрузки по цепям обратных связей датчиков напряжения перегрузки 11 последовательно включены резисторы 12 и 13. Низкочастотный фильтр 19 в блоке суммирования потоков энергии 5 с этой же целью выполняется глубоко резервированным за счет параллельно-последовательного соединения конденсаторов; тем самым исключается перегрузка шин 4 и 6 и возможность возникновения дугового разряда.

Таким образом, предлагаемая автономная СЭС обладает высокой стабильностью напряжения у потребителя и способностью адаптироваться к изменяющимся режимам работы при сохранении основных функций СЭС и высокой надежности.

В настоящее время на предприятии ФНПЦ ЗАО НПК(О) "Энергия" предлагаемая автономная система электроснабжения внедрена в производство в составе выпускаемой продукции. Испытания и эксплуатация у потребителей подтвердили ее высокие технические характеристики.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 970346, кл. G 05 F 1/64, Н 02 Р 13/16, опубл. 05.11.82, БИ 40.

2. Авторское свидетельство СССР 1108563, кл. Н 02 J 7/34, опубл. 15.08.84, БИ 30.

3. Патент РФ 2035109, кл. Н 02 J 7/35, опубл. 10.05.95, БИ 13.

4. Патент РФ 2152069, кл. Н 02 J 7/34, опубл. 27.06.2000, БИ. 18 (прототип).