способ питания нагрузки постоянным током

Формула изобретения

1. Способ питания нагрузки постоянным током 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, отличающийся 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стабилизацию напряжения на первом уровне проводят шунтовым стабилизированным преобразователем.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что стабилизацию напряжения на первом уровне проводят короткозамкнутым стабилизированным преобразователем.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания.

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

Эта задача, в отношении автономной системы электропитания, может быть решена только при условии повышения удельных энергетических характеристик 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.

Известен способ питания нагрузки постоянным стабильным напряжением, реализуемый устройством по авт. свид. №127153.

По этому способу питание нагрузки осуществляется от солнечной и аккумуляторной батарей через сериесный и разрядный стабилизированные преобразователи, а накопление избыточной энергии солнечной батареи в аккумуляторной батарее - через зарядный стабилизированный преобразователь.

Известен способ питания нагрузки постоянным стабильным напряжением, реализуемый устройством по авт. свид. №77724.

В отличие от предыдущего, в нем используется другой принцип преобразования энергии солнечной батареи, реализованный шунтовым стабилизированным преобразователем.

В остальном эти известные способы питания нагрузки схожи.

Более подробно подобные способы (системы) питания нагрузки постоянным током описаны в "Системы электропитания космических аппаратов, Новосибирск, ВО "Наука", 1994 г." [1].

Наиболее близким техническим решением является способ питания нагрузки постоянным током, описанный в авторском свидетельстве №215364 или в [1] (см. главу 2, п.2,5), который выбран в качестве прототипа.

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, а 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.

Кроме того, в цепях источников электроэнергии находится ряд элементов, вызывающих омические потери электроэнергии. Например, в цепи первичного источника электроэнергии, солнечной батареи, имеются сопротивление кабельной линии, переходные сопротивления соединителей, переходное сопротивление токосъемника устройства поворотного. Суммарная величина падения напряжения на перечисленных элементах составляет 1,5-2,5 В, а потери электроэнергии при протекании тока (например) 100 А составят 150-250 Вт, что эквивалентно 1-2 метрам квадратным площади солнечной батареи.

Следует отметить, что потери электроэнергии имеют место и на регулирующих ключах сериесных преобразователей или на диодах короткозамкнутых преобразователей (порядка 0,4-0,6 В).

Очевидно, что потери электроэнергии прямо пропорциональны протекающему току. При увеличении напряжения в два раза (следовательно, снижении тока в два раза при равной мощности) потери уменьшатся в два раза.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования источников электроэнергии.

Поставленная цель достигается тем, что стабилизируют "n" номиналов напряжения, причем вначале стабилизируют максимальный уровень напряжения, а стабилизацию остальных (п-1) уровней напряжения проводят от первого уровня стабилизированного напряжения сериесными стабилизированными преобразователями. Кроме того, согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят только на первом уровне стабилизации напряжения, а стабилизацию напряжения на первом уровне проводят шунтовым стабилизированным преобразователем или короткозамкнутым стабилизированным преобразователем.

Действительно, стабилизация нескольких номиналов выходного напряжения позволяет уменьшить потери электроэнергии, а следовательно, повысить эффективность использования источников электроэнергии.

Это достигается посредством уменьшения электрического тока передачи электроэнергии за счет повышения уровня стабилизируемого напряжения.

Основным потребителем электроэнергии является бортовой ретранслятор ("полезная нагрузка").

При этом, вполне логично, что для обеспечения его высоких удельных характеристик (следовательно, конкурентоспособности) требуется достаточно высокое входное напряжение.

Остальные потребители электроэнергии (система ориентации, система терморегулирования, командно-измерительная система, система телеметрии и так далее) составляют 20-30% общего потребления электроэнергии. Эти потребители электроэнергии более консервативны, так как используют в своем составе унифицированные элементы, а малое потребление делает неактуальной необходимость повышения входного напряжения. Поэтому их входное напряжение более низкое, преимущественно 27 В [1].

Однако передача электроэнергии с более высокого уровня напряжения на меньший уровень осуществляется соответственно меньшими токами, что опять же снижает потери электроэнергии.

Кроме того, использование аккумуляторной батареи с зарядным и разрядным преобразователями только на первом (самом высоком) уровне стабилизации напряжения также уменьшает потери электроэнергии по тем же причинам.

Способ предусматривает использование в качестве стабилизированного преобразователя для первого уровня стабилизации напряжения три основных преобразователя: сериесный, шунтовой и короткозамкнутый, но, в принципе, может использоваться и другой тип стабилизированного преобразователя.

Выбор конкретного типа стабилизированного преобразователя проводится разработчиком автономной системы электропитания исходя из конкретных исходных данных по параметрам первичного источника ограниченной мощности, уровня используемой элементной базы и так далее.

Что касается указанных здесь основных трех типов стабилизированных преобразователей, то можно отметить следующее.

Сериесный и короткозамкнутый стабилизированные преобразователи могут работать в режиме экстремального регулирования мощности первичного источника электроэнергии, но имеют в своем составе (в прямой цепи передачи электроэнергии) элементы потери мощности (транзисторы, диоды).

Шунтовой стабилизированный преобразователь таких элементов не имеет, но не может работать в режиме экстремального регулирования первичного источника ограниченной мощности.

На чертеже приведена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу.

В данном случае рассматривается вариант, когда на первом уровне стабилизации напряжения используется шунтовой стабилизированный преобразователь, хотя принципиально здесь могут быть использованы сериесный или короткозамкнутый стабилизированные преобразователи напряжения. При этом работа автономной системы электропитания будет аналогична.

Сущность предлагаемого способа можно пояснить на устройстве, изображенном на чертеже.

Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через выходной фильтр 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 ко входу выходного фильтра, шунтовой преобразователь напряжения 7 с балластным сопротивлением R6,включенный параллельно солнечной батарее 1. Кроме того, к клеммам "+" и "-" нагрузки 2 подключено (n-1) сериесных преобразователей 8 ₁, 8₂,...8_n-1, к выходу которых подключены нагрузки 2₁, 2₁,...2_n-1.

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.

Шунтовой преобразователь напряжения 7 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14 и балластного сопротивления R6.

Сериесные преобразователи 8₁, 8₂,...8_n-1 состоят из регулирующих ключей 15, управляемых схемами управления 16 и выходных фильтров 17.

Схемы управления преобразователями 10, 12, 14, 16 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения.

Устройство работает следующим образом.

В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный стабилизированный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации на солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через фильтр 3, а стабилизация напряжения осуществляется шунтовым стабилизированным преобразователем 7.

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 высокой величины.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность использования источников электроэнергии, что повышает удельные энергетические характеристики автономной системы электропитания в целом.