CC BY
5
Key words: field substation, submersible pump, submersible electric motor, frequency converter, specific electricity consumption, voltage regulation.
Starikov Alexander Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kosorlukov Igor Andreevich candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kazantsev Alexander Andreevich, senior lecturer, kazantzev@63. ru, Russia, Samara, Samara State Technical
University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 620.92
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-398-399
РАЗРАБОТКА ГИБРИДНОГО КОМПЛЕКСА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МИКРО СПУТНИКОВ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУР
В.А. Челухин, А.В. Васильев, Е.В. Абрамсон, Пьей Зон Аунг
Приведена разработка гибридного комплекса с преобразователем энергии перепада температур «солнечная сторона - затенённая» при полёте микро спутников низких орбит. Рассмотрены преимущества использования ёмкостного преобразователя энергии перепада температур для электроснабжения микро спутников низко орбитального уровня.
Ключевые слова: гибридный комплекс, система управления, перепад температур, энергоснабжение, преобразователь энергии, микро спутник.
Сегодня важнейшей тенденцией в космической отрасли является применение микро спутниковых систем низко орбитального уровня, уменьшение массы и габаритов космических аппаратов (КА) до миниатюрных размеров [1-2]. Миниатюризация космических аппаратов имеет широкое распространение в связи с применением новых технологий при производстве бортовой аппаратуры, а также интеграцией бортовых комплексов, основанных на средствах вычислительных машин нового образца.
Спрос на космические аппараты микро и нано классов обуславливается многими преимуществами микро
спутников:
- Сравнительно низкая цена, а также небольшое время, необходимое для разработки и изготовления микро спутника.
- Низкая цена запуска космического аппарата. Ракета-носитель, даже лёгкого класса, способна вывести на орбиту несколько микро спутников.
- Для запуска применяются конверсионные баллистические ракеты, которые, в соответствии с договорами, уничтожаются путём запуска в космос с полезной нагрузкой.
- Легкие космические аппараты могут выводиться в качестве попутного груза на ракетах-носителях (РН) или в транспортных кораблях, доставляющих грузы на долговременные орбитальные станции.
- Снижение риска больших финансовых потерь при гибели микро спутника в случае аварии РН на старте или при неудачном выведении его на рабочую орбиту.
В целях реализации проекта защищённой сети Старлинк, в России планируется к 2035 запустить свыше 900 отечественных микро спутников. Такие спутники имеют малый вес и размеры, небольшое время оборота вокруг Земли (110 минут) и не требуют больших мощностей для электропитания (от 3 до 40 Вт). Сегодня эти спутники все больше применяются для разведки в интересах министерства обороны РФ.
Система электропитания микро спутников является одной из важнейших систем, и во многом именно она определяет геометрию космических аппаратов, конструкцию, массу, срок активного существования. Выход из строя системы энергоснабжения ведёт к отказу всего аппарата. На современных микро спутниках системы энергообеспечения и распределения электроэнергии с учётом более высокой надёжности по сравнению с другими системами занимают по массе, объёму и стоимости до 30% самого КА. Уровень необходимой мощности микро спутниковых систем энергоснабжения лежит в пределах 1 - 6 Вт.
Проблемы энергоснабжения микро спутниковых систем низкого орбитального уровня следующие.
Энергоснабжение микро спутниковых систем низкого орбитального уровня полётов осуществляется с помощью солнечных панелей и аккумуляторных батарей [3-4], и основным недостатком их применения является уход спутника в затенённую сторону Земли, что прерывает энергоснабжение его.
Подзарядка аккумуляторных батарей микро спутниковых систем осуществляется также с помощью солнечных панелей.
Основными недостатками использования солнечных панелей для питания микро спутников низких орбит
являются:
- прекращение работы в затенённой стороне орбиты;
- уход в тень прерывает электроснабжение, и поэтому требуется увеличение мощности аккумуляторных батарей для питания систем спутника в это время;
- увеличения мощности самих панелей почти в два раза, т.к. при входе на солнечную сторону им необходимо питать системы спутника и одновременно заряжать аккумуляторные батареи, питавшие нагрузку в теневой стороне;
- необходимость наличия систем ориентации солнечных панелей на солнце;
- плоскость и габариты солнечных панелей создают тормозящий эффект полёте спутника вследствие наличия атмосферы на низких орбитах;
- значительное падение мощности солнечных панелей при высоких температурах;
- солнечные батареи со временем деградируют под действием внешних факторов.
Для решения указанных проблем электроснабжения микро спутников предлагается использовать ёмкостный преобразователь, работающий на основе перепада температур «солнечная сторона - затенённая», поскольку такие спутники в сутки делают более 16 оборотов вокруг планеты.
Физико-технические основы работы такого преобразователя энергии на основе перепада температур сводятся к следующему [5-6]. Если зарядить конденсатор и отключить его от источника питания, то заряд на нем остаётся постоянным. Увеличивая расстояние между пластинами за счёт внешних сил, получим прибавку энергии в виде роста напряжения. Общая схема такого преобразователя ёмкостного типа показана на рис. 1 а,б.
ш
- (II А: 1
с 1
а б
Рис. 1. Схемы преобразователя ёмкостного типа при максимальной (а) и минимальной (б) внешней температуре (днём и ночью): 1 - диэлектрик, изменяющий свой линейный размер при изменении температуры; 2 - диэлектрик с большим значением диэлектрической проницаемости;
С1 - ёмкость, имеющая максимальное значение, при зарядке от напряжения возбуждения, С2 - ёмкость имеющая минимальное значение, при разрядке на нагрузку
При высокой температуре, брусок увеличивает свою длину и плотно прижимает подвижную пластину к диэлектрику, ёмкость будет максимальной. В этом состоянии конденсатор заряжается до напряжения возбуждения, рис. 1, а. При понижении температуры, брусок уменьшает свои линейные размеры и отодвигает подвижную пластину, создавая зазор между ней и диэлектриком рис. 1, б. В этом случае ёмкость устройства скачком упадёт вследствие появления воздушного зазора, а напряжение вырастает до максимума и разряжается на нагрузку. Далее процесс повторяется. Расчёт подобного источника можно выполнить по формулам для заряда и ёмкости конденсатора. После появления воздушного зазора между диэлектриком и подвижной пластиной имеем случай двухслойного конденсатора на рис. 2.
Активный диэлектрик к / 11 """"" ~™™Ж /Щ
Рис. 2. Случай двухслойного конденсатора, после появления воздушного зазора между диэлектриком
и подвижной пластиной
В этом случае всё рассчитываться по формуле последовательно соединённых ёмкостей. Если принять С[ -
как ёмкость начальная и С2 - ёмкость конечная, то общая ёмкость С будет:
С =
СС
1С2
С учётом
С + С2
Q = С1 и = С2 № , где и - напряжение зарядки, то напряжение и2на выходе будет:
и 2 =
ШсСа) = ОДСС + С2) = и [ С±+ф и {е +1)
СС2
С1С2
Мощность на выходе будет:
Р1 = /1и 2 • N
где Р1 - мощность всего устройства, ^ - ток на выходе одного цикла срабатывании, № - напряжении на выходе ёмкости после одного цикла срабатывания устройства, N - число циклов срабатывания (число оборотов спутника). С учётом числа срабатываний в единицу времени N получим для мощности:
404
р = М^сШ = ы. 1Ш£+1} с2
Видно, что мощность устройства зависит от напряжения возбуждения и^ значения ёмкости С1, величины изменения ёмкости С1/С2 числа срабатываний N в единицу времени.
Преобразование энергии двух заряженных и отключённых от источника тока пластин можно рассматривать, как изолированную систему, по отношению к которой справедлив закон сохранения энергии. В этом случае работа внешних сил равна изменению энергии системы:
А = ДW = W2 - Wl, где: Wl - энергия поля в начальном состоянии (пластины находятся на расстоянии dl); W2 - энергия поля конденсатора в конечном состоянии (пластины находятся на увеличенном расстоянии d2, между пластинами т.е. d2 > dl). Так как заряд пластин, отключённых от источника при их раздвижении не изменяется, то работа внешних сил будет равна изменению энергии системы: А = ДW = W2 - Wl - Wпв, где Wпв - потери энергии на заряд конденсатора.
Применение такого преобразователя энергии в системе электропитания микро спутника возможно в гибридном исполнении системы электропитания. Гибридная система - энергетическая система, использующая не менее двух разных технологий производства электроэнергии. В данном случае будет рассмотрен комплекс микро спутника с тремя источниками электрической энергии, рис. 3.
Шина постоянного тока
Рис. 3. Блок - схема комплекса: СП - солнечная панель, СПТ- система перепада температур, НК - накопитель, АКБ - аккумуляторная батарея, НГ - нагрузка
Такая схема комплекса снимает задачу зарядки аккумуляторных батарей с солнечных панелей при выходе из тени, и их мощность и размеры значительно сокращаются.
Математическая модель гибридного комплекса. Уравнение состояния электрической цепи соответствующих генераторов и нагрузки можно записать, используя законы Кирхгоффа и комбинированную матрицу, состоящую из элементов узловой и контурной матриц цепи.
а13 а23
ап а21 а31
а12 а22 а32
а33
ч Р1
'2 = Р2
13 Рз
В уравнении ап, ап ... апт представляют собой элементы (0, ± !) узловой матрицы. В сокращённом виде это уравнение запишется как [А] [I] = [Т].
Матрица [I] в уравнении представляет собой матрицу-столбец неизвестных токов, а матрица р7] - матрицу-столбец заданных воздействий (источников токов и источников ЭДС), соответствующих генераторов. Для определения токов ветвей необходимо решить матричное это уравнение, для чего обе части уравнения следует умножить слева на обратную матрицу [А]-1:
[а]-1 [А] [I] = [а]-1 [7] , откуда [I] = [А]-1 [7].
Исследуя это уравнение, ясно, что в реальности параметры источников энергии не являются постоянными, а зависят от целого ряда случайных факторов. Поэтому для адекватного описания энергетических процессов в рассматриваемой системе необходимо в правой части матрицы учесть вероятностный характер выходных характеристик электрогенераторов введением коэффициентов вариации (нестабильности). Матрица со случайными параметрами в этом случае примет вид:
[Рсл ]
¿1 ¿2 кп
кп+1 кп+2
Р2
Рп
Рп+1 Рп+2
_кп+ц ' Рп+д ^
где к1, к2, ... кп+д - коэффициенты вариации, характеризующие случайные изменения параметров источников энергии. Это уравнение следует переписать в виде: [А] [Ьел] = [Тел], где матрица [Тел] - матрица-столбец случайных значений токов ветвей.
Полученные выражения могут быть использованы при расчёте нагрузки комплекса.
Список литературы
1. Малые космические аппараты информационного обеспечения / Под ред. д.т.н., проф. Фатеева В.Ф. М.: Радиотехника, 2010. 320 с.
2. Малые космические аппараты информационного обеспечения / Под ред. д.т.н., проф. Фатеева В.Ф. М.: Радиотехника, 2010. 320 с.
3. Система энергоснабжения (спутниковая) [Электронный ресурс] URL: https://deru.abcdef.wiki/wiki/Energieversorgungssystem (Satellit) (дата обращения: 10.05.2023).
4. Микроспутники / Г.А. Полтавец, Д.В. Подобедов / «Земля и Вселенная», 2004. №2. С. 19-28.
5. Электротепловой преобразователь низко потенциальной энергии перепада температур. Электротехника. Вестник ТОГУ, 2014. № 4(35). С.93 - 98.
6. Абрамсон Е.В., Пьей Зон Аунг, Челухин В.А. и др., Преобразователь энергии суточного перепада температур для энергоснабжения удалённых сельскохозяйственных объектов // Электротехнологии и электрооборудование АПК. 2022.Том: 69, № 2 (47). С. 54-58.
7. К вопросу электроснабжения поселений на Марсе. Электричество, 2016, № 5. С. 45-52.
8. Челухин В. А., Абрамсон Е. В, Кружаев М.С Оценка эффективности использования перепада температур день - ночь для целей энергетики. Промышленная энергетика, №6, 2018. С. 45-49.
9. Математическое моделирование процесса получения энергии при использовании перепада температур день-ночь на основе нейронных сетей и искусственного интеллекта. «Учёные записки КнАГУ». № I-1 (41) 2020. С. 18 - 24.
10. Теоретическая оценка величины отклонения разности между минимальными максимальными значениями температуры окружающей среды. «Учёные записки КнАГУ». № I-1 (41) 2020. С. 81 - 92.
11. Абрамсон Е.В., Пьей Зон Аунг, В.А. Челухин и др. Разработка схем автономного гибридного электротехнического комплекса на основе возобновляемых источников энергии с системой перепада температур для электроснабжения удалённых сельскохозяйственных объектов // Электротехнологии и электрооборудование АПК. 2022.Том: 69, №: 4 (49), декабрь, 2022. С.93-97. (Категория К1).
12. Патент РФ № 2557066. Преобразователь энергии перепада температур с электронным управлением. БИ, 2015, № 20.
13. Патент РФ № 2564994. Низко потенциальный преобразователь энергии перепада температур с элега-зом. БИ, № 28, 2014.
14. Патент РФ № 2559290.Пьезоэлектрический первичный источник энергии перепада температур. БИ, № 22, 2015.
15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2023612776. Расчёт электрической прочности системы перепада температур / Абрамсон Е.В., Бородин В.С., Шолохов М.К., Пье З.А. Дата публикации: 07.02.2023.
16. Cheluhin V.A., Piei Zon Aung, Krujaev M.S., Abramson E.V. Development of Software for Collecting Region-Wise Values of Day-Night Temperature Drop for a Renewable Energy Source. Published in: 2019 International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). INSPEC Accession Number: 19229166. Date of Conference: 1-4 Oct. 2019. Page(s): 1 - 2. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934706.
17. Cheluhin V.A., Piei Zon Aung, Krujaev M.S., Abramson E.V. Mathematical Modeling of Power Generation from Day-Night Temperature Drop Using Neural Networks and Artificial Intelligence. Published in: 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). Date of Conference: 1-4 Oct. 2019. Page(s): 1 - 4. DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934035.
18. Cheluhin V.A., Piei Zon Aung, Krujaev M.S., Abramson E.V. Development of an algorithm for the operation of the control system of the temperature difference converter during th day. (Published in: 2019 International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon)/ Date of Conference:1-4 Oct. 2019/Date Added to IEEE Xplore:19 December 2019/INSPEC Accession Number: 19229166/Publisher: IEEE/Conference Location: Vladivostok, Russia. DOI: 10.1109/CAC.2017.8244104.
19. Cheluhin V.A. Piei Zon Aung, Krujaev M.S., Abramson E.V. Development of Software for Collecting Region-Wise Values of Day-Night Temperature Drop for Renewable Energy Source. (Published in: 2019 International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon)/ Date of Conference: 1-4 Oct. 2019/ INSPEC Accession Number: 19229166/ Date Added to IEEE Xplore: 19 December 2019/ Publisher: IEEE Conference Location: Vladivostok, Russia). DOI: 10.1109/FarEastCon.2019.8934706.
Челухин Владимир Алексеевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ),
Васильев Александр Владимирович, аспирант, [email protected], Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ),
Абрамсон Елизавета Владимировна, старший преподаватель, [email protected]. Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ),
Пьей Зон Аунг, аспирант, [email protected]. Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет (КнАГУ)
DEVELOPMENT OF A HYBRID POWER SUPPLY COMPLEX FOR MICRO SATELLITES WITH A TEMPERATURE
DIFFERENCE ENERGY CONVERTER
V.A. Chelukhin, A.V. Vasiliev, E.V. Abramson, Pyey Zon Aung 406
The development of a hybrid complex with an energy converter of the temperature range "sunny side - shaded" during the flight of micro satellites of low orbits is given. The advantages of using a capacitive temperature difference energy converter for power supply of micro satellites of low orbital level are considered.
Key words: hybrid complex, control system, temperature drop, power supply, energy converter, micro satellite.
Chelukhin Vladimir Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, Cheluhin-va@mail. ru, Russia, Komso-molsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University (KNAU),
Vasiliev Alexander Vladimirovich, postgraduate, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komso-molsk-on-Amur State University (KNAU),
Abramson Elizaveta Vladimirovna, senior lecturer, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komso-molsk-on-Amur State University (KNAU),
Pyey Zon Aung, postgraduate, [email protected], Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University (KNAU)
УДК 621.311
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-402-403
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ НА ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С РЕЗИСТИВНЫМ ЗАЗЕМЛЕНИЕМ НЕЙТРАЛИ
В.И. Бирюлин, И.В. Ворначева, Д.В. Куделина
В статье показано, что увеличение количества потребляемой электроэнергии и плотности электрических нагрузок требует внедрения в системы электроснабжения городов новых технических решений, в том числе перевода распределительных сетей на напряжение 20 кВ и применения в них режима заземления нейтрали через низкоомный резистор. Проведены расчеты длительности существования полученных в ходе компьютерного моделирования значений напряжений на заземляющих устройствах. Наиболее важные результаты: вывод о необходимости учета допустимой длительности существования напряжений на заземляющих устройствах энергетических объектов в сетях с заземлением нейтрали через низкоомный резистор при выборе уставок релейной защиты.
Ключевые слова: напряжение прикосновения, заземляющее устройство, электрическая сеть, силовой кабель, короткое замыкание, полиномы, токоведущая жила, экран кабеля
В настоящее время в системах электроснабжения крупных городов Российской Федерации существуют большие проблемы в эксплуатации и развитии распределительных электрических сетей среднего класса напряжения. В первую очередь это связано с тем, что существуют значительные трудности, связанные с отсутствием или ограничениями имеющейся мощности электрических сетей для подключения новых потребителей или же при увеличении нагрузки уже подключенных потребителей. Стоит отметить также, что в мировой энергетике широко внедряются цифровые методы сбора и обработки информации, современные элегазовые электрические аппараты, и кабельные линии, выполненные силовыми кабелями с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Также большой проблемой городских систем электроснабжения в крупных российских городах является быстрый рост как величин потребления электроэнергии, так и стремительное увеличение плотности электрических нагрузок. Следует отметить, что рост потребления электроэнергии является общемировой тенденцией [1]. Успешное решение такой проблемы вряд ли может быть выполнено на основе уже существующих городских электрических сетей, как правило, не имеющих необходимой пропускной способности для транспортировки значительных перетоков мощности. Для этого необходимо осуществить сооружение новых электрических сетей, работающих на более высоком напряжении по сравнению с ранее построенными электросетями.
За рубежом применение класса напряжения 20 кВ в распределительных электрических сетях крупных городов началось во второй половине 20 века. В нашей стране такое напряжение стало использоваться сравнительно недавно, но его внедрение позволит решить существующие проблемы, связанные с ограничениями мощности, в системах электроснабжения крупных городов. Так, в [2] указано, что создание надёжной городской системы электроснабжения в Москве может быть реализовано путем строительства опорной питающей сети 20 кВ на базе вновь вводимых ПС 220/20 кВ. В новых электрических сетях с напряжением 20 кВ начинает применяться режим с низкоом-ным заземлением нейтрали, реализация которого позволяет избежать недостатков режима работы электросетей с изолированной нейтралью [3, 4]. Применение резистивного заземления нейтрали позволяет избавиться от опасных перенапряжений, возникающих при однофазных замыканиях на землю; повышает быстродействие и селективность срабатывания релейной защиты при однофазных замыканиях на землю: увеличивает показатели надежности электроснабжения потребителей, подключенных к таким электрическим сетям.
При возникновении однофазных замыканий на землю в электрических сетях, работающих в режиме с нейтралью, заземленной через резистор, во всех исправных линиях такой сети начинают протекать токи, обусловленные емкостями этих линий, а по поврежденной линии будет проходить также и активный ток, формируемый резистором, включенным в цепь замыкания, что приводит к значительной величине данного тока, являющегося, по существу, током однофазного короткого замыкания. Далее рассмотрим режим работы электрической сети, выполненной в виде трехфазной группы из однофазных кабелей, при возникновении однофазного короткого замыкания. Поясняющая схема такой сети приведена ниже на рисунке.
407
