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 Uвых. 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 Uвых 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.
При изменении напряжения на нагрузке RН 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 Uвых уменьшает отрицательный потенциал точки 2. К точкам 1 и 2подключены, 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":
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.
- 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.
;
;
.
