×
29.06.2019
219.017.a1c6

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к электротехнике, к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА), с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей (СБ), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей (АБ). Способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею, подключенную к нагрузке через стабилизатор напряжения сериесного или короткозамкнутого типа, причем нагрузка в своем составе содержит сеансную и дежурную составляющие, в том числе систему ориентации с управляющими гироскопическими устройствами и бортовую ЭВМ, «n» аккумуляторных батарей, связанных однополярными шинами с общей шиной солнечной батареей и нагрузки, а шинами противоположной полярности - с соответствующими «n» зарядными и «n» разрядными устройствами, имеющими обратные связи по напряжению нагрузки, заключающийся в стабилизации выходного напряжения автономной системой электроснабжения, путем управления стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы электроснабжения. Технический результат - повышение качества выходного напряжения - достигается тем, что управление работой управляющих гироскопических устройств реализуют исходя из условия непревышения их мощности рекуперации P текущей мощности нагрузки P: P
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА), с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей (СБ), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей (АБ).

Известен способ управления автономной системой электроснабжения (патент РФ №2059988, H02J 7/35), содержащей солнечную батарею (СБ), стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батареей и нагрузкой, «n» аккумуляторных батарей и по «n» (по числу АБ) зарядных и разрядных устройств, а также для каждой АБ - устройства контроля степени заряженности.

В известной СЭС осуществляется непрерывное управление стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного (напряжение СБ) и выходного (напряжения нагрузки) напряжений СЭС. При этом зарядные устройства обеспечивают заряд АБ, а стабилизатор напряжения и разрядное устройство обеспечивают питание потребителей.

Цепи непрерывного управления (обратной связи) зарядного устройства подключены к шине СБ и шине нагрузки, а цепи непрерывного управления стабилизатора напряжения и разрядного устройства подключены к шине нагрузки.

В зависимости от степени заряженности (или разряженности) АБ производится блокировка или разрешение работы зарядного устройства и разрядного устройства.

Такое управление обеспечивает длительную автономную работу СЭС. Однако известный способ не обеспечивает защиту от отрицательного влияния гироскопических устройств системы ориентации КА на качество выходного напряжения СЭС. Отрицательное влияние гироскопических устройств проявляется в том, что при их торможении рекуперируется мощность на шины нагрузки СЭС, и, если эта мощность превышает текущую мощность нагрузки, на шинах нагрузки может возникнуть нерасчетное повышенное напряжение.

Следует отметить, что при использовании шунтового стабилизатора напряжения, когда шины солнечной батареи и нагрузки общие (без учета выходного фильтра), вся избыточная мощность будет сброшена на балластное сопротивление и возникновение перенапряжения на шинах нагрузки исключено, а вот при работе сериесного или короткозамкнутого стабилизатора напряжения возникновение перенапряжений на шинах нагрузки реально.

Известен способ управления автономной системой электроснабжения (патент РФ №2168828, H02J 7/36), содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батарей и нагрузкой, и по n зарядных и разрядных устройств, заключающийся в управлении стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы, контроле степени заряженности и разряженности аккумуляторных батарей, блокировки работы соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этой блокировки при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, блокировки работы соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этой блокировки при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи.

Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.

В то же время известный способ, как и предыдущий, также не обеспечивает защиту от отрицательного влияния работы гироскопических устройств системы ориентации КА на качество выходного напряжения СЭС.

Задачей заявляемого изобретения является повышение качества выходного напряжения СЭС в процессе эксплуатации КА.

Поставленная задача решается тем, что при управлении автономной системой электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею, подключенную к нагрузке через стабилизатор напряжения сериесного или короткозамкнутого типа, причем нагрузка в своем составе содержит сеансную и дежурную составляющие, в том числе систему ориентации с управляющими гироскопическими устройствами и бортовую ЭВМ, «n» аккумуляторных батарей, связанных однополярными шинами с общей шиной солнечной батареи и нагрузки, а шинами противоположной полярности - с соответствующими «n» зарядными и «n» разрядными устройствами, имеющими обратные связи по напряжению нагрузки, заключающийся в стабилизации выходного напряжения автономной системой электроснабжения, путем управления стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы электроснабжения, управление работой управляющих гироскопических устройств реализуют исходя из условия непревышения их мощности рекуперации Pрек текущей мощности нагрузки Pн: Pрек<Pн. Кроме того, при применении короткозамкнутого стабилизатора напряжения дополнительно контролируют заранее установленный минимальный уровень измеряемого тока нагрузки и при снижении тока нагрузки ниже заранее установленного минимального уровня снимают блокировку, при ее наличии, на работу зарядных устройств на время до последующего восстановления измеряемого тока нагрузки выше установленного минимального уровня или включение режима торможения управляющих гироскопических устройств сопровождают снятием блокировки, при ее наличии, на работу зарядных устройств с последующим восстановлением исходного состояния по завершении режима торможения.

Действительно, токи рекуперации имеют направление протекания, противоположное току нагрузки, и соответственно уменьшают контролируемую величину тока нагрузки, при этом если мощность рекуперации превысит текущую мощность нагрузки, то развязывающий силовой диод короткозамкнутого стабилизатора напряжения (или силовой транзистор сериесного стабилизатора) будет заперт более высоким напряжением нагрузки, ограниченным сверху только вольт-амперной характеристикой источника рекуперируемой мощности (гироскопического устройства). Появление на нагрузке несанкционированного повышенного напряжения может привести к сбоям в работе бортовой аппаратуры КА и к возникновению неисправностей.

Для короткозамкнутого стабилизатора напряжения, в случае работы зарядного устройства, резерв мощности для компенсации мощности рекуперации увеличивается на величину мощности, потребляемой зарядным устройством на заряд аккумуляторной батареи. При этом если зарядное устройство рассчитано на заряд всей избыточной мощностью солнечной батареи, то указанный резерв практически не ограничен, иначе он ограничен максимальным зарядным током, что в основном вполне достаточно для решения задачи по компенсации мощности рекуперации. Однако зарядное устройство в определенные моменты может быть отключено: при полном заряде аккумуляторной батареи или при отсутствии мощности солнечной батареи (теневой участок орбиты), когда нагрузка питается от аккумуляторной батареи через разрядное устройство. Обе перечисленные причины блокировки работы зарядного устройства (если управление зарядным устройством реализовано через бортовую ЭВМ) могут быть при необходимости сняты простыми программными средствами. При этом мощность рекуперации, превышающая текущую мощность нагрузки, будет направлена на заряд аккумуляторной батареи и напряжение на нагрузке останется стабильным.

Мощность рекуперации гироскопических устройств при эксплуатации КА составляет в среднем от 20 Вт до 200 Вт. При этом длительность рекуперации (длительность торможения гироскопических устройств при штатной эксплуатации КА) не превышает 2 минут. В пересчете на 27 В (наиболее распространенный номинал выходного напряжения СЭС КА) это составит от 1,85 А до 7,4 А. Если принять минимальную дежурную нагрузку КА 5 А, то оставшийся для заряда аккумуляторной батареи ток 2,4 А (максимальная величина) за время 2 минуты соответствует энергоемкости 2,4·1/30=0,08 А·ч, а с учетом того, что зарядное напряжение аккумуляторной батареи более чем в полтора раза выше выходного напряжения СЭС КА - порядка 0,05 А·ч. Причем это без учета КПД зарядного устройства и самой аккумуляторной батареи по зарядному току, что еще более снизит указанную энергоемкость, а при использовании в СЭС нескольких аккумуляторных батарей распределится между ними.

Учитывая, что величина энергоемкости рекуперации, которая может быть использована на заряд аккумуляторных батарей, незначительна, возможность их перезаряда этой энергоемкостью исключена, тем более, что ограничение штатного заряда аккумуляторной батареи всегда предусматривает определенный технологический запас.

На фиг.1 приведена функциональная схема автономной системы электроснабжения КА для реализации заявляемого способа (в рассматриваемом примере используется короткозамкнутый стабилизатор напряжения и, для простоты, описана СЭС с одной аккумуляторной батареей).

Автономная система электроснабжения КА содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через короткозамкнутый стабилизатор напряжения 3 (развязывающий силовой диод 3-1) и выходной фильтр 4, аккумуляторную батарею 6, подключенную через зарядное устройство 5 к выходу короткозамкнутого стабилизатора напряжения 3, а через разрядное устройство 7 к входу выходного фильтра 4.

При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию (на схеме не показано). Кроме того, в цепи питания нагрузки 2 установлен токовый измерительный шунт 2-1 для измерения потребляемого тока.

Зарядное устройство 5 состоит из регулирующего ключа 5-4, управляемого схемой управления 5-3, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 5-5, транзисторах 5-1 и выпрямителя на диодах 5-2.

Разрядное устройство 7 состоит из регулирующего ключа 7-2, управляемого схемой управления 7-1.

Короткозамкнутый стабилизатор напряжения 3 состоит из развязывающего силового диода 3-1, регулирующего ключа 3-2, управляемого схемой управления 3-3.

Схемы управления: 5-3 зарядного устройства 5, 7-1 - разрядного устройства 7, 3-3 - короткозамкнутого стабилизатора напряжения 3, выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения (нагрузки 2).

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 6 работает в основном в режиме хранения с дозарядами от солнечной батареи 1 через зарядные устройства 5. При этом зарядное устройство 5 работает в режиме заряда всей избыточной мощностью солнечной батареи 1 с ограничением по предельному току. При полном заряде аккумуляторной батареи 6 работа зарядного устройства запрещается.

Такой режим работы позволяет содержать аккумуляторную батарею 6 в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

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

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 6 через разрядное устройство 7.

В процессе эксплуатации КА проводят работы с системой ориентации по корректировке пространственного положения КА, что связано, в том числе, с торможением гироскопических устройств. При этом обеспечивают, по результатам анализа информации о величине тока нагрузки, условие непревышения мощности (тока) рекуперации текущей мощности (току) нагрузки. Измерение тока нагрузки проводят посредством токового измерительного шунта 2-1. При этом появляющийся ток рекуперации имеет противоположное току нагрузки направление и снижает его измеряемое значение.

В случае снижения измеряемого тока нагрузки ниже установленного минимального уровня по заранее заложенной в бортовую ЭВМ программе формируется снятие блокировки на работу зарядного устройства 5 (при наличии таковой в текущем состоянии работы зарядного устройства). Снятие блокировки на работу зарядного устройства может быть проведено также по программе или по команде с Земли через командно-измерительную радиолинию при выполнении работ, связанных с торможением гироскопических устройств. После повышения измеряемого тока нагрузки до величины, превышающей минимальное его значение, блокировку работы зарядного устройства восстанавливают (если в предшествующем состоянии она имела место). Более простой вариант заключается в том, что включение режима торможения гироскопических устройств сопровождают снятием блокировки, при ее наличии, на работу зарядных устройств с последующим восстановлением исходного состояния по завершении режима торможения.

Таким образом, заявляемый способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата позволяет устранить отрицательное влияние рекуперации в режиме торможения гироскопических устройств системы ориентации КА на выходное напряжение СЭС, что повышает качество выходного напряжения СЭС в процессе эксплуатации КА.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 80.
27.02.2013
№216.012.2cb5

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника земли

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476972
Дата охранного документа: 27.02.2013
10.04.2013
№216.012.32c2

Способ изготовления космического аппарата

Изобретение относится к сборке и испытаниям бортовых систем космического аппарата (КА), преимущественно системы электропитания телекоммуникационного КА. Последняя содержит солнечные и аккумуляторные батареи, а также стабилизированный преобразователь напряжения (СПН) для согласования работы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478537
Дата охранного документа: 10.04.2013
20.04.2013
№216.012.3805

Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов с подключенными к ним через коммутаторы балансировочными резисторами

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479894
Дата охранного документа: 20.04.2013
20.06.2013
№216.012.4e58

Способ эксплуатации герметичной никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника земли

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации герметичных никель-водородных аккумуляторных батарей, преимущественно в автономных системах электропитания ИСЗ. Техническим результатом изобретения является повышение функциональной надежности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485638
Дата охранного документа: 20.06.2013
27.06.2013
№216.012.5231

Способ эксплуатации комплекта никель-водородных аккумуляторных батарей в системе электропитания геостационарного космического аппарата

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в системах электропитания космических аппаратов (КА), функционирующих на геостационарной орбите. Техническим результатом изобретения является...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002486634
Дата охранного документа: 27.06.2013
27.07.2013
№216.012.5b10

Способ электропитания космического аппарата

Заявляемое изобретение относится к области космической энергетики, конкретнее к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). Техническим результатом является повышение удельных энергетических характеристик системы электропитания КА. Предлагается способ электропитания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488933
Дата охранного документа: 27.07.2013
20.10.2013
№216.012.7741

Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при наземной эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей, например, в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ). Технический результат - повышение надежности и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002496189
Дата охранного документа: 20.10.2013
20.10.2013
№216.012.7742

Способ подготовки литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в составе искусственного спутника земли

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при подготовке литий-ионных аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе искусственных спутников Земли (ИСЗ). Техническим результатом является повышение функциональной надежности и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002496190
Дата охранного документа: 20.10.2013
27.10.2013
№216.012.7934

Способ изготовления космического аппарата

Изобретение относится к космической технике. Способ изготовления космического аппарата включает сборку космического аппарата, содержащего систему электропитания с солнечными батареями, аккумуляторными батареями и стабилизированным преобразователем напряжения, подготовку источников...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002496690
Дата охранного документа: 27.10.2013
27.12.2013
№216.012.922b

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника земли

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат заключается в повышении удельных характеристик автономной системы электропитания ИСЗ. Для этого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002503112
Дата охранного документа: 27.12.2013
+ добавить свой РИД