Общие требования, предъявляемые к преобразователям

На практике широко применяются как стабилизированные источники на­пряже­ния, так и источники тока. Довольно часто на выходе преобразователя необ­ходимо поддерживать постоянную мощность при изменении нагрузки или других воздей­ствиях. Стабилизированные преобразователи могут выполняться с одним или не­сколькими выходами (многоканальными).

К стабилизированным преобразователям напряжения предъявляется ряд требований, важнейшими из которых являются следующие.

1. Входное напряжение (напряжение входной сети) и ее допуск.

2. Частота сети и ее допуск.

3. Выходное напряжение и его допуск.

4. Выходная частота (для инверторов), ее допуск.

5. Диапазон изменения тока нагрузки.

6. Амплитуда пульсаций напряжения на выходе (для преобразователей с выхо­дом на постоянном токе).

7. Коэффициент искажения синусоидальности напряжения (коэффици­ент гар­моник) (для инверторов).

8. Переходные процессы.

9. Диапазон температуры окружающей среды.

10.. Коэффициент полезного действия.

11. Объем, масса преобразователя.
12. Время непрерывной работы.
13. Стоимость.

К основным возмущающим воздействиям, если речь идет о стабилизации вы­ходного напряжения или тока, относятся колебания входного напряжения (сети) и сопротивления нагрузки. Помимо них существенную роль играют колеба­ния тем­пературы окружающей среды, изменяющие температуру компонентов.

Выходное напряжение можно рассматривать как функцию трех независимых переменных: входного напряжения, тока нагрузки и температуры. Тогда можно вести три коэффициента, характеризующие работу преобразователя:

– коэффициент, характеризующий изменение выходного напряжения при изменении входного, при этом ток нагрузки и температура не изменяются

;

– коэффициент, характеризующий изменение выходного напряжения при измене­нии тока нагрузки при этом входное напряжение и температура не изменяются

;

– коэффициент, характеризующий изменение выходного напряжения при измене­нии температуры (входное напряжение и ток нагрузки не изменяются)

.

Компенсационные стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием представляют собой систему автоматического ре­гулирования, в которой с заданной степенью точности поддержи­вается выходное напряжение U_вых. Стабилизатор содержит регу­лирующий элемент РЭ, схему сравнения СС и усилитель У в цепи обратной связи (рисунок 11. 9).

Рисунок 11. 9 – Структурная схема стабилизатора.

Входное напряжение через регу­лирующий элемент поступает на выход стабилизатора. Стабили­зация выходного напряжения происходит за счет измене­ния падения напряжения на РЭ. Падение напряжения на РЭ уменьшается при снижении выходного напряжения U_вых и возрастает при его увеличении. В устройстве сравнения происходит алгебраиче­ское суммирование выходного напряжения и стабильного опорного на­пряжения, после чего сигнал ошибки поступает в усилитель, кото­рый этот сигнал усиливает и подает на РЭ. В реальных схемах усилитель может отсутствовать или входить в состав устройства сравнения.

В простейшем стабилизаторе (рисунок 11.10) функцию РЭ выполня­ет транзистор VТ1, транзистор VТ2, ре­зисторы R2... R5 в стабили­трон VT1 входят в состав устройства сравнения и усилителя.

Рисунок 11. 10 – Электрическая схема транзисторного компенсационного стабилизатора

При измене­нии напряжения на нагрузке R_Н изменяется напряжение в диагонали моста, образованного резисто­рами R2... R5 к стабили­троном VT1, причем увеличение напряжения на нагрузке повыша­ет отрица­тельный потенциал точки 2 по отношению к точке 1. Уменьшение выходного напряжения U_вых уменьшает отрицатель­ный потенциал точки 2. К точкам 1 и 2 подключены, соответственно, эмиттер и база транзистора VТ2. В первом случае при увели­чении отрицательного потенциала базы по отноше­нию к потенциалу эмиттера, который определяется напряжением стабилитрона VT1, увеличивается ток коллектора транзистора VТ2 и уменьша­ется отрицательный потенциал базы транзистора VТ1 от­носитель­но его эмиттера.

Сопротивление перехода эмиттер — коллектор транзистора VТ1 увеличива­ется, падение напряжения на нем так­же увеличивается, вследствие, чего напряжение на нагрузке воз­вращается в исходное состояние. Требуемое значение выходного напряжения устанавливается пере­менным резистором R4. Ко­эффициент стабилизации зависит от параметров и режимов ра­боты приме­няемых элементов, от изменения тока нагрузки и вход­ного напряжения. Изменение входного напря­жения оказывает су­щественное влияние на работу усилителя, а следовательно, и на стабилизацию вы­ходного напряжения. При снижении входного на­пряжения режим работы транзистора VТ2 усилителя меняется так, что регулирующий транзистор VТ1 начинает закрываться, увеличивая тем самым неста­бильность выходного напряжения. Устранить влияние нестабильности напряжения питания усилителя на работу стабилизатора можно либо применением дополни­тельного стабилизированного источника питания, либо введени­ем стабилизирующих цепей. На практике второй путь нашел бо­лее широкое применение.

В заключение отметим, что для компенсационных стабилизаторов непрерывного действия харак­терны следующие свойства: высокие надежность и быстродействие; малое выходное сопротив­ле­ние; способность к подавлению пульсации входного напряжения; отсутствие электромагнитных помех и пульсации напряжения.

Компенсационные непрерывные стабилизаторы целесообразна I применять, когда мощность на­грузки невелика и требуется высо­кая стабильность напряжения при суммарном воздействии дестаби­лизирующих факторов, а также при близких значениях напря­жений источника и нагрузки.

12. Системы электропитания космических аппара­тов

12.1. Потребители энергии на борту космических аппара­тов

Энергетическая установка является одной из важнейших бортовых систем космических аппара­тов (КА), от которой во многом зависит конструкционное ис­полнение аппарата, габаритные размеры, масса и срок активного существования. Выход из строя энергоустановки влечет за собой выход из строя всего аппарата.

На рисунке 12.1 показаны панели солнечных батарей на транспортном ко­рабле снабжения "Союз-ТМ".

Масса бортовой энергетической установки отечественных КА находится в пределах 8...25 % от массы объекта, а для американских космических аппаратов эта величина колеблется от 9 до 44 % и составляет в среднем около 25 %.

По мере расширения круга задач, решаемых в космическом простран­стве с по­мощью КА, возрастает требуемая, мощность бортовых энергоустановок (рис. 15.1). Так, если на первом искусственный спутник земли (ИСЗ), запущенном орбиту в 1957 г, мощность системы энергопитания (СЭП) составляла около 40 Вт, а на американском КК "Джемини GT-IV, выве­денном на орбиту в 1965 г., мощность энергоустановки РУ) составляла около 1 кВт, то на орбитальной станции "Спейслэб" (1983 г.) эта мощность составляла 6 кВт.

Рисунок 12.1 – Транспортный корабль снабжения "Сони-ТМ":

1 – стыковочный агрегат: 2 – панели солнечных батарей; 3 – приборно-агре­гатный отсек; 4 - спускаемый аппарат; 5 - орбитальный отсек

На рисунок 12.2 показаны солнечные батареи ИСЗ "Молния". СЭП - бортовая система КА, обеспечивающая электроэнергией его аппа­ратуру и оборудование. В СЭП обычно входят первичный и вторичный ис­точники электрической энергии, автоматика системы энергопитания, заряд­ные и преобразующие устройства.

Области рационального применения различные СЭП представлены на ри­сунке 12.2.

Рисунок 12.2 – Энергетически потребности КА:

1- ракеты-носители; 2 - межпланетные КА; 3- лунные и космические станции; 4 - ИСЗ; 5 - лунные КА

В качестве первичных источников могут применяться различные генера­торы электроэнергии -солнечные батареи, химические источники тока (гальва­нические элементы, аккумуляторы, топливные элементы), изотопные генера­торы, автономные реакторы-электрогенераторы, а также энергетические уста­новки различных типов- изотопные энергетические установки, солнечные энер­гетические установки, ядерные энергетические установки и др. В энергетиче­скую установку помимо (генератора) электрической энергии входят вспомога­тельные системы, обеспечивающие его работу, например, система терморегу­лирования топливных элементов, система ориентации концентратора солнечной энергии и т.д. Возможно применение комбинированных схем СЭП, например, с солнечными батареями и электрохимической установкой.

Автоматика системы энергопитания - это совокупность устройств для ав­томатического управления работой системы энергопитания КА и контроля ее параметров. Обычно автоматика осуществляет поддержание параметров системы (напряжения, температуры, давления и т.д.) в заданном диапазоне переключе­ния, связанные с изменением режима работы источников электроэнергии, или их агрегатов (например, переход с так называемых основных источников электро­энергии на резервные и обратно); распознавание отказов и аварийную защиту источников электроэнергии; токовую защиту агрегатов системы энергопита­ния; контроль параметров системы с выдачей информации в радиотелеметри­че­скую систему и на пульт космонавтов. В ряде случаев возможен переход с автома­тического управления системой наручное (с пульта космонавтов или с Земли по командной радиолинии) и обратно.

Рисунок 12.3 – ИСЗ "Молния":

1-передний отсек; 2- подвижные панели. солнечных батарей; 3 - радиоантенна; 4 - излучатель; 5 - приборно-агрегатный отсек; 6 - баллоны с гелием; 7 - двигатель коррекции; 8 - датчики солнца; 9 - не­подвижные панели солнечных батарей собственного источника

В автоматику входят:

- датчиковая аппаратура (чувствительные элементы, сигнализаторы);

- электронные блоки, обеспечивающие усиление, преобразование и обра­ботку сигналов и команд;

- блоки электросиловой коммутации и исполнительные органы (кла­паны, регуляторы и т.д.).

Бортовая аппаратура современных КА обычно работает на постоянном токе напряжением 28 или 12 В. Аппаратура, работающая на переменном токе, получает питание через преобразователи, которые преобразуют постоянный ток в переменный. Наибольшее распростране­ние получили статические полупро­водниковые преобразователи. Зарядные устройства обеспечивают заряд вто­ричных источников электрической энергии (аккумуляторных батарей) от пер­вичных.

Кроме обеспечения бортовой аппаратуры электроэнергией СЭП могут вы­полнять дополнительные функции, например, СЭП КК "Аполлон" с энергоус­тановкой на основе водородно-кислородных топливных элементов предна­значена также для обеспечения экипажа КК водой.

СЭП можно разделить на два основных типа:

1) СЭП, масса которых существенно зависит от времени работы (СЭП элек­тро - химическими источниками тока одноразового действия, с батареями гальванических элементов или аккумуляторными батареями одноразового дей­ствия) с электрохимическими энергетическими установками, с электромашин­ными энергетическими установками открытого цикла и др. Обычно такие СЭП применяются на КА со сроком службы от нескольких часов до 2 месяцев);

2) СЭП, масса которых не зависит от времени их работы (СЭП с СБ, с солнеч­ными энергетическими установками, с изотопными генераторами с изотоп­ными энергетическими установками на основе долгоживущих изотопов, с ядер­ными и изотопными электромашинными энергетически­ми установками; такие СЭП применяют на КА со сроком службы от нескольких месяцев до несколь­ких лет).

Наиболее распространены СЭП с СБ, применяемые на большинстве КА, на­пример "Эксплорер", "Молния", "Электрон", "Рейнджер", "Венера", "Марс", "Ма­ринер", "Скайлэб", "Союз", "Салют", "Мир" и на международной космической станции.