RU2548664C2 - Method of load feeding by direct current in autonomous electric power supply system of man-made satellite - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: one or several sections of parallel short-circuited stabilised converter, additional to m sections, are envisaged; they are connected through isolating diodes to sections of the primary source of limited power. At that power of additional sections of the parallel short-circuited stabilised converter is calculated on the basis of power for permitted number of failed sections of the parallel short-circuited stabilised converter.

EFFECT: improved functional reliability of autonomous power supply system of AES.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания (СЭП) искусственных спутников Земли (ИСЗ).The invention relates to the electrical industry and can be used to create autonomous power systems (BOT) of artificial Earth satellites (AES).

Известны способы питания нагрузки постоянным током в автономных системах электропитания ИСЗ описанные в монографии «Системы электропитания космических аппаратов, Новосибирск, ВО "Наука", 1994 г. [1]».Known methods for supplying DC load in autonomous satellite power supply systems described in the monograph "Power supply systems for spacecraft, Novosibirsk, VO" Nauka ", 1994 [1]".

Известные способы и автономные системы электропитания ИСЗ предусматривают стабилизацию напряжения от первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) на нагрузке стабилизированными преобразователями различного типа.Known methods and autonomous satellite power supply systems provide for voltage stabilization from a primary source of limited power (solar battery) at the load with stabilized converters of various types.

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).There is a known method of supplying a load with direct current, which involves increasing the capacity of an autonomous power supply system by installing additional modules to ensure their uniform loading (see [1] chapter 2, Fig. 2.14).

Однако такой подход (унифицированных модулей) применительно к космической технике неэффективен, так как неизбежно ведет к снижению удельных энергетических характеристик системы в целом.However, this approach (of unified modules) in relation to space technology is inefficient, as it inevitably leads to a decrease in the specific energy characteristics of the system as a whole.

Наиболее близким техническим решением является «Способ питания нагрузки постоянным током» - см. патент RU №2392718 от 17 ноября 2008 г., который выбран в качестве прототипа.The closest technical solution is the "Method of supplying the load with direct current" - see patent RU No. 2392718 of November 17, 2008, which is selected as a prototype.

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 соотношенияThe known method consists in powering the load with direct current with several ratings of the output voltage from a primary source of limited power, for example a solar battery, and a secondary source of electricity, such as a battery, which consists in stabilizing the voltage at the load and coordinating the operation of the primary and secondary sources of electricity, and first stabilize voltage at a load having a maximum output voltage by means of a parallel stabilized voltage a converter containing a control circuit with a pulse-width modulator, and the voltage stabilization of the remaining loads is carried out from the power supply buses of the first load with series stabilized converters, while the coordination of the primary and secondary power sources is carried out only at the first voltage stabilization level, characterized in that the primary power source They are divided into permanently switched on main and switched additional sections, while the power of the main section of the primary source chnika power selected by the power load based on duty ratio

$$P_{пи}\ge (P_{д}-P_{зар})\cdot k_{д}/{\eta }^{\prime }$$

, $$P_{P\mathrm{and}}\ge (P_d-P_{s\mathrm{but}R})\cdot k_d/{\eta }^{\prime }$$

,

где Р_пи - мощность основной секции первичного источника электроэнергии;where R _pi is the power of the main section of the primary source of electricity;

Р_д - мощность дежурной нагрузки;R _d - power standby load;

Р_зар - мощность для заряда аккумуляторных батарей;R _zar - power for charging batteries;

$${\eta }^{\prime }$$

- коэффициент полезного действия системы стабилизированных преобразователей; $${\eta }^{\prime }$$

- the efficiency of the system of stabilized converters;

k_д - коэффициент, учитывающий деградацию мощности первичного источника электроэнергии в течение ресурса,k _d - coefficient taking into account the degradation of the power of the primary source of electricity during the resource,

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.and additional sections of the primary electric power source with a power of each section not exceeding the power of the main section of the primary electric power source are connected if the power of the main section is insufficient, and the power of the parallel stabilized converter is calculated based on the power of the main section of the primary electric power source.

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.The known method allows to achieve high specific energy characteristics of an autonomous satellite power supply system, however, the issues of ensuring functional reliability in a known manner are not solved. So, failure of the switches or automation of switching additional sections of the primary source of electricity will lead to a loss of the total power of the primary source of electricity or to overvoltage on the load buses. Both that and another can put AES out of order.

Задачей заявляемого изобретения является повышение функциональной надежности автономной системы электропитания ИСЗ.The task of the invention is to increase the functional reliability of an autonomous satellite power supply system.

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.The problem is achieved in that in the method of supplying the load with direct current in the autonomous power supply system of an artificial Earth satellite from a primary source of limited power, such as a solar battery, and a secondary source of electricity, such as a battery, which consists in stabilizing the "n" load voltage ratings and matching work primary and secondary sources of electricity, and first stabilize the voltage at the load having the maximum input voltage I am using a parallel short-circuited stabilized converter containing a power transistor switch and a control circuit with a pulse-width modulator, and voltage stabilization of the remaining loads is carried out from the power supply buses of the first load with series-stabilized converters, while the coordination of the primary and secondary power sources is carried out only at the first stabilization level voltage, in addition, the primary source of limited power is divided into "m" sections, stabilize individually through the “m” sections of the parallel short-circuited stabilized converter, provide additional, to “m”, one or more sections of the parallel short-circuited stabilized converter, which are connected via decoupling diodes to sections of the primary source of limited power. The power of the additional sections of the parallel short-circuited stabilized converter is calculated based on the power of the allowable number of failed sections of the parallel short-circuited stabilized converter.

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.Indeed, in the event of failure of any of the "m" sections of the parallel short-circuited stabilized converter, the additional, to "m" sections of the parallel short-circuited stabilized converter, which are connected via decoupling diodes to sections of the primary source of limited power, will take on the resulting unregulated power of the corresponding section of the primary limited power source. However, this will happen if the power of the additional sections of the parallel short-circuited stabilized converter is not less than the power of the allowable number of failed sections of the parallel short-circuited stabilized converter.

Суть предлагаемого способа можно пояснить на примере функциональной схемы автономной системы электропитания, изображенной на фиг.1.The essence of the proposed method can be illustrated by the example of a functional diagram of an autonomous power supply system depicted in figure 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.The device contains a solar battery (primary source of limited power) 1, consisting of sections 1 ₁ , 1 ₂ , ... 1 _m , connected to load 2 through diodes RD ₁ , RD ₂ , ..., RD _m in the circuit of each section, respectively, and an output filter 3 The batteries 4/1 and 4/2 are connected through charging converters 5/1 and 5/2 and through discharge converters 6/1 and 6/2 to the input of the output filter 3, while the inputs of the discharge converters are connected to the output of the output filter 3. Parallel stabilized Converter 7 input connected to the output of the output ltra 3 and power transistor as the split key «m» single power transistor switches, connected to each respective section of the primary source of limited power. In addition, (n-1) serial converters 81, 82, ... 8 _n-1 are connected to the terminals “+” and “-” of load 2 _, the outputs of which are connected to loads 2 ₁ , 22, ... 2 _n-1 , where n - the number of voltage ratings in an autonomous power supply system.

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.The charging converter consists of a control key 9, controlled by a control circuit 10, a boost booster made on a transformer Tr, transistors T1 and T2, a rectifier on diodes D1 and D2.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.Bit Converter 6 consists of a control key 11, controlled by a control circuit 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.The parallel stabilized converter 7 consists of “m” unit power transistor switches K ₁ , K ₂ , ... K _m and an additional key K _{m + 1} controlled by a common control circuit 13. Moreover, the additional key is connected in parallel to all sections 1 ₁ , 1 ₂ , ... 1 _m through decoupling diodes D ₁ , D ₂ , ... D _m respectively.

Сериесные преобразователи 8₁, 8₂,…8_n-1 состоят из регулирующих ключей 14, управляемых схемами управления 15, и выходных фильтров 16.Serial converters 8 ₁ , 8 ₂ , ... 8 _n-1 consist of control keys 14, controlled by control circuits 15, and output filters 16.

Схемы управления преобразователями 10, 12, 13, 15 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения.The control circuits of the converters 10, 12, 13, 15 are made in the form of pulse-width modulators, the input connected to the stabilized voltage buses.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.During operation, the load 2 is powered by a solar battery 1, which consists of sections 1 ₁ , 1 ₂ , ... 1 _m , “isolated” by diodes RD ₁ , RD ₂ , ... RD _m (in the circuit of each section, respectively), through an output filter 3 At the same time, all sections are constantly connected to load 2 and are not switched. The voltage stabilization on the load 2 is carried out by a parallel squirrel-cage stabilized converter 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.The battery 4 operates primarily in storage mode and periodically recharges from the solar battery 1 through a stabilized charging transducer 5. When passing shadow portions of the orbit, or when the orientation is disturbed, load 2 is powered by the battery 4 through the discharge transducer 6.

Сериесные преобразователи 8₁, 8₂,…8_n-1 постоянно работают в одном режиме от стабильного напряжения первой нагрузки 2.Serial converters 8 ₁ , 8 ₂ , ... 8 _n-1 constantly operate in the same mode from the stable voltage of the first load 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.In the event of failure of any of the “m” sections of the parallel short-circuited stabilized converter, the additional section of the parallel short-circuited stabilized converter connected to the “m” section and connected via decoupling diodes to the sections of the primary source of limited power will take over the unregulated power of the corresponding section of the primary source of limited power . This will happen under the condition that the power of the additional sections of the parallel short-circuited stabilized converter will be not less than the power of the allowable number of failed sections of the parallel short-circuited stabilized converter.

Таким образом, предлагаемый способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли позволяет повысить функциональную надежность автономной системы электропитания ИСЗ.Thus, the proposed method of supplying the load with direct current in an autonomous power supply system of an artificial Earth satellite allows to increase the functional reliability of an autonomous satellite power supply system.

Claims (2)

1. Способ 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, заключающийся 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, отличающийся тем, что предусматривают дополнительные, к «m», одну или несколько секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя, которые подключают через развязывающие диоды к секциям первичного источника ограниченной мощности.1. The method of supplying a direct current load to an autonomous power supply system of an artificial Earth satellite from a primary source of limited power, such as a solar battery, and a secondary power source, such as a battery, which consists in stabilizing the "n" load voltage ratings and matching the operation of the primary and secondary power sources and, first, stabilize the voltage at the load having the maximum input voltage by means of a parallel short-circuit of a stabilized converter containing a power transistor switch and a control circuit with a pulse-width modulator, and voltage stabilization of the remaining loads is carried out from the power supply buses of the first load with series stabilized converters, while the coordination of the primary and secondary power sources is carried out only at the first voltage stabilization level, except Moreover, the primary source of limited power is divided into “m” sections, individually stabilized by “m” sections pa parallel short-circuited stabilized converter, characterized in that provide additional, to "m", one or more sections of a parallel short-circuited stabilized converter, which is connected through decoupling diodes to sections of the primary source of limited power. 2. Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли по п.1, отличающийся тем, что мощность дополнительных секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя рассчитывают исходя из мощности допустимого количества отказавших секций параллельного короткозамкнутого стабилизированного преобразователя. 2. The method of supplying a direct current load to an autonomous power supply system of an artificial Earth satellite according to claim 1, characterized in that the power of the additional sections of the parallel short-circuited stabilized converter is calculated based on the power of the allowable number of failed sections of the parallel short-circuited stabilized converter.