CC BY
129
УДК 629.78+621.31
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А.Д. Данилов, А.О. Тищенко
В статье анализируются различные системы электроснабжения космических аппаратов. Рассмотрены структурные схемы параллельной, параллельно-последовательной низковольтных систем. Приведена структура электроснабжения с использованием солнечной батареи с параллельным регулятором. На основе данного анализа показаны достоинства и недостатки данных систем, сделан вывод о необходимости перехода от низковольтных к высоковольтным системам, и предложена новая структура системы электроснабжения с параллельным регулятором солнечной батареи
Ключевые слова: энергоснабжение, регулятор солнечной батареи, зарядно-разрядный регулятор
определяет эффективность и срок активного и составляет значительную
Система электроснабжения (СЭС) - является одной из основных систем, обеспечивающих функционирование космический аппаратов (КА). Она во многом функционирования существования КА долю его объема.
Основной задачей при построении СЭС КА является повышение энергетических характеристик систем. К этим характеристикам относят: отдаваемую мощность, а так же удельные массогабаритные показатели, надежность и долговечность. Для решения этой задачи необходимо решить проблему согласования режимов работы солнечных батарей (СБ) и аккумуляторных батарей (АБ). Одним из подходов решения этого вопроса является
совершенствование силовой энергопреобразующей аппаратуры, осуществляющей стабилизацию напряжения и регулирование потоков электроэнергии.
Наиболее простые бортовые СЭС строятся по принципу общей силовой шины, на которую подключаются СБ, АБ и нагрузка (рис. 1). Однако, низкий К.П.Д. солнечных батарей и малый ресурс работы аккумуляторных батарей препятствует увеличению мощности СЭС.В
настоящее время при проектировании используются несколько подходов при организации СЭС: параллельно-последовательная структура, параллельная структура, структура с параллельным регулятором СБ и последовательным регулятором напряжения нагрузки. Каждая из этих структур обладает своими достоинствами и недостатками. Параллельно-последовательная структура СЭС (рис. 2) позволяет за счет наличия нестабильной шины производить экстремальное регулирование мощности СБ, при этом обеспечивая высокую стабильность напряжения у потребителя. Однако, во всех режимах работы данная СЭС передает энергию от СБ к нагрузке через два регулятора, что, несомненно, уменьшает ее надежность и запасы устойчивости. В параллельной структуре СЭС (рис. 3) имеет только стабильную шину, поэтому при максимальном отборе мощности СБ энергия к потребителю преобразуется в одном регуляторе. У данной структуры есть существенный недостаток: из-за отсутствия нестабильной шины невозможно проводить экстремальное регулирование, тем самым не позволяя выбрать рабочую точку вольт-амперной характеристики СБ с целью обеспечения максимального отбора мощности.
Рис. 1. Общая структура системы электроснабжения с общей силовой шиной
Данилов Александр Дмитриевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, е-mail: danilov-ad@yandex.ru Тищенко Артем Олегович - ВГТУ, студент, е-mail: tema199486@gmail.com
Рис. 2. СЭС с параллельно-последовательной структурой
Стабильная шина
4-4 »-►
Блок контроля
Зарядно -разрядные регуляторы
Нагрузка
АБ
Рис. 3. СЭС с параллельной структурой
Нестабильная шина
Стабильная тина
z
Стабилизатор напряжения
Зарядно-разрядные регуляторы
Блок контроля
АБ
Нагрузка
Рис. 4. СЭС с параллельным регулятором СБ с вольт-добавкой
Нестабильная шина
Рис. 5. СЭС с параллельным регулятором СБ с вольт-добавкой
В СЭС с параллельным регулятором СБ и последовательным регулятором напряжения нагрузки (рис. 4), как и в параллельной структуре, имеется стабильная и нестабильная шины. Отличием от структуры на рис. 2 является наличие параллельного регулятора СБ. Таким образом энергия к потребителю передается через регулятор СБ и стабилизатор напряжения, т.е подвергается двукратному преобразованию, что негативно влияет на тепловые режимы регуляторов. Наличие нестабильной шины, позволяет реализовать экстремальное регулирование, что позволяет увеличить К.П.Д системы.
Для устранения недостатков рассмотренных выше схем организации СЭС космических аппаратов предлагается высоковольтная система, схемотехнические особенности которой заключаются в том, что в состав параллельного регулятора СБ вводится дополнительный трансформатор и включается между разделенными надвое транзисторами и диодами, как показано на рис.5, которые совместно с имеющимися в составе регуляторе СБ диодами и транзисторами образует вольт-добавочное устройство. Наличие вольт-добавочного устройства в структуре СЭС образует нестабильную шину и, следовательно, позволяет обеспечить экстремальное регулирование СБ.
Изменением коэффициента трансформации или с помощью ШИМ-управления транзисторами, устройство может формировать напряжение вольт-добавки Шд в функции поиска экстремума мощности СБ. Для рис. 5 выполняется условие
Воронежский государственный технический университет
исб = ивд + ин При изменение №д и стабильном напряжении на нагрузке будет изменяться напряжение на СБ №б, изменяя рабочую точку на вольт-амперной характеристике, а, следовательно, и мощность. Потери в таком регуляторе СБ увеличиваются незначительно, поскольку преобразованию в вольт-добавки подвергается незначительная часть мощности СБ (—10-15 %). Статические потери на диодах выпрямителя остаются прежними, а добавляются динамические потери на транзисторах, в диодах и во введенном трансформаторе, которые не превышают 10% от мощности вольт-добавки, т.е. общие потери в регуляторе СБ увеличиваются не более чем на 1 -1,5%.
Дальнейшее совершенствование предлагаемой СЭС с параллельным регулятором СБ и вольт-добавкой является перспективным направлением в разработке и использовании высоковольтных систем энергообеспечения в космических аппаратах.
Литература
1. Тищенко, А.К. Анализ и выбор оптимальной структуры СЭС для КА нового поколения / А.К. Тищенко, Г.Д. Лившин // Энергия. - 2001. - №2 (44). -С. 21 - 30.
2. Тищенко, А.К. Особенности проектирования зарядно-разрядных устройств для аккумуляторных батарей космических аппаратов [Текст] / А.К. Тищенко, Н.С. Сухоруков // Энергия. - 2006. - №3 (61). - С. 12-16.
STUDY OF THE ENERGY-SAVING POWER SUPPLY SYSTEMS FOR SPACECRAFT
A.D. Danilov, A.O. Tishchenko
The article discusses various power supply systems of spacecraft. The analysis of structural scheme of parallel , seriesparallel low-voltage system. Shows the power system solar cell with parallel control. On the basis of this analysis shows the advantages and disadvantages of these systems. The conclusion about the need to move from low voltage to high voltage systems and proposed a new structure of the electricity system with parallel control of solar cell
Key words: electric power supply system, control solar battery, charge discharge control
