Моделирование компонентов систем электропитания космических аппаратов средствами САПР | Статья в сборнике международной научной конференции

Библиографическое описание:

Прокудин А. Н. Моделирование компонентов систем электропитания космических аппаратов средствами САПР [Текст] // Современные тенденции технических наук: материалы Междунар. науч. конф. (г. Уфа, октябрь 2011 г.). — Уфа: Лето, 2011. — С. 26-27. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/5/1091/ (дата обращения: 20.09.2018).

На современных космических аппаратах (КА) системы энергообеспечения, распределения электроэнергии, системы обеспечения качества аккумулирования с учетом более высокой надежности по сравнению с другими системами занимают по массе, объему и стоимости до 30% самого КА. Поэтому проблема создания систем электропитания (СЭП) КА имеет важное, первостепенное значение, ее решение может заметно улучшить технико-экономические показатели космического аппарата в целом.

Самым современным и эффективным способом проектирования систем электропитания можно считать построение математических и компьютерных моделей компонентов системы с использованием инструментов и методов, предоставляемых системами автоматизированного проектирования (САПР).

Построенные модели компонентов СЭП позволяют проектировать, тестировать и исследовать СЭП с различными типами структур.

Основными компонентами СЭП являются: солнечная батарея, аккумуляторная батарея, стабилизатор напряжения, зарядное и разрядное устройства, нагрузка.

Силовая структура систем электропитания КА может строиться несколькими способами, которые различаются исполнением стабилизатора напряжения (СН) солнечной батареи, подключаемого либо параллельно солнечной батарее, либо последовательно с ней [2]. На рисунке 1 представлен пример параллельной структуры СЭП.


Рисунок 1 – Параллельная структура СЭП:

СБ – солнечная батарея, ШС – шунтовой стабилизатор, ЗУ – зарядное устройство, РУ – разрядное устройство, АБ – аккумуляторная батарея, Н – нагрузка


Одной из важнейших частей СЭП КА является солнечная батарея, поэтому построение адекватной модели ее работы – необходимый и важный этап в проектировании систем электропитания. В данной работе для создания модели используются средства САПР MicroCap 9.0 [3].

Солнечные батареи занимают лидирующее положение в современной космической энергетике, успешно функционируя на большинстве КА различных типов. Солнечные батареи преобразуют энергию светового излучения в электрическую энергию. Экспериментально было установлено, что вольтамперная характеристика (ВАХ) кремниевых и арсенид галлиевых фотоэлементов достаточно хорошо описывается уравнением [1]:

(1)

где – напряжение на нагрузке;

– ток во внешней цепи;

– фототок;

– ток насыщения;

– последовательное сопротивление солнечного элемента (СЭ);

– принимает значения от 1 до 3;

– постоянная Больцмана, равная 1.38∙10-23 Дж/К;

– абсолютная температура;

– абсолютная величина заряда электрона, равная 1.6∙10-19 Кл.

Для ВАХ солнечной батареи справедливо выражение:

(2)

где – ток короткого замыкания;

a1 и a2 вычисляются по формулам:

(3)

(4)

Реализация солнечной батареи в системе Micro-Cap имеет вид, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2 – Макромодель солнечной батареи


Эта макромодель представлена в виде отдельного компонента Micro-Cap, который имеет выводы:

- PLUS – плюс;

- GND – земля;

и параметры:

- a1 – коэффициент в выражении (2);

- a2 – коэффициент в выражении (2);

- Ikz – ток короткого замыкания;

- SEANS – файл с расписанием интенсивности солнечного излучения на одном витке КА.

Основные элементы модели:

- E1 – источник напряжения, задаваемый функциональной зависимостью (NFV). Определяет вольтамперную характеристику СБ согласно выражению (1);

- H1 – таблично задаваемый источник напряжения, управляемый током (NTVofI). На выходе этого источника, в узле CUR, напряжение равно выходному току, если этот ток больше нуля и меньше тока короткого замыкания; нулю, если выходной ток меньше нуля; Ikz, если выходной ток оказался больше тока короткого замыкания;

- U1 – источник напряжения, задаваемый пользователем (User source). Параметром этого источника является текстовый файл, содержащий пары значений: отсчеты моментов времени и значения напряжений в эти моменты. Этот файл может быть создан с помощью любого текстового редактора. В источнике U1 задается коэффициент (V(KEY)), на который умножается ВАХ солнечной батареи. Таким образом можно регулировать интенсивность солнечного излучения на одном витке КА.

Принцип работы данной модели: источник напряжения E1 создает разность потенциалов на выводах компонента согласно выражению (1), которая умножается на коэффициент V(KEY).

Основная характеристика солнечной батареи – ВАХ, полученная с помощью данной модели имеет вид (Рисунок 3) (параметры a1=5, a2=35, Ikz=36).


Рисунок 3 – Вольтамперная характеристика солнечной батареи


При данных параметрах максимальная мощность СБ составляет 800 Вт, при этом оптимальное напряжение 27 В, оптимальный ток 30 А. Ток короткого замыкания 36 А, напряжение холостого хода 35.5 В.


Литература:

1. Грилихес В.А. Солнечная энергия и космические полеты [Текст] / В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. – М.: Наука, 1984. – 216 с.

2. Источники вторичного электропитания. / В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, Ю.И. Конев и др.; Под ред. Ю.И. Конева. – М.: Радио и связь, 1990. – 280 с.

3. Разевиг В.Д. Схемотехническое моделирование с помощью MicroCap 7. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 368 с.

Основные термины (генерируются автоматически): солнечная батарея, короткое замыкание, KEY, ВАХ, Ток, источник напряжения, выходной ток, Параллельная структура, аккумуляторная батарея, разрядное устройство.

Похожие статьи

Преобразовательное устройство... | Молодой ученый

В статье рассматривается преобразовательное устройство параллельно-последовательного типа для аккумуляторных батарей с микроконтроллерным управлением. За основу были взяты структуры систем энергообеспечения космических аппаратов.

Литий-ионные аккумуляторы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Итак, литий-ионные аккумуляторы — тип химического источника тока, получивший широкое распространение в современной мобильной технике. В настоящий момент производители практически полностью отказались от использования прочих типов аккумуляторных батарей в...

Системы оперативного постоянного тока для ПС 110 — 220 кВ

ток, аккумуляторная батарея, GEL, система, поддерживающий заряд, непрерывный автоматический контроль, короткое замыкание, формирование сигнала, блочная структура, аварийное освещение.

Неисправности батарей статических конденсаторов, возникающих...

Известно, что для батареи режим резонанса тока при высших гармониках порядка ниже 13 (v<13) недопустим.

Короткое замыкание — это внутреннее или внешнее замыкание между компонентами конденсатора, находящимися под напряжением.

Обзор методов оценки заряженности стартерных...

Первый метод проверки степени заряженности аккумуляторной батареи автомобиля — измерение времени разряда аккумуляторной батареи при постоянной, максимально допустимой для данного источника тока, нагрузке.

Накопители электроэнергии как средство предотвращения...

Неисправности батарей статических конденсаторов...

- Соединяем конденсаторы параллельно и закрепляем их в корпусе.

железнодорожного транспорта путём использования системы постоянного тока повышенного напряжения и накопителей энергии.

Устройство автомобильной аккумуляторной батареи.

Устройство автомобильной аккумуляторной батареи. Недостатки и преимущества конструкции аккумулятора автомобиля.

Основные термины (генерируются автоматически): батарея, автомобильный аккумулятор, короткое замыкание, энергетическая плотность, аккумулятор.

Режимы работы и замыкания в электроустановках

При трехфазном коротком замыкании токи и напряжения во всех трех фазах равны по величине не только в месте короткого замыкания, но и любой другой точке сети

Неисправности батарей статических конденсаторов, возникающих...

Надёжный аккумуляторный резерв систем железнодорожной...

С помощью РТА-М контролируются обрыв цепи заряда, короткое замыкание аккумуляторной батареи, перезаряд, сверхдопустимый разряд или перегрев аккумуляторной батареи. Также отслеживается исправность самого блока и наличие питающего напряжения.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Преобразовательное устройство... | Молодой ученый

В статье рассматривается преобразовательное устройство параллельно-последовательного типа для аккумуляторных батарей с микроконтроллерным управлением. За основу были взяты структуры систем энергообеспечения космических аппаратов.

Литий-ионные аккумуляторы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Итак, литий-ионные аккумуляторы — тип химического источника тока, получивший широкое распространение в современной мобильной технике. В настоящий момент производители практически полностью отказались от использования прочих типов аккумуляторных батарей в...

Системы оперативного постоянного тока для ПС 110 — 220 кВ

ток, аккумуляторная батарея, GEL, система, поддерживающий заряд, непрерывный автоматический контроль, короткое замыкание, формирование сигнала, блочная структура, аварийное освещение.

Неисправности батарей статических конденсаторов, возникающих...

Известно, что для батареи режим резонанса тока при высших гармониках порядка ниже 13 (v<13) недопустим.

Короткое замыкание — это внутреннее или внешнее замыкание между компонентами конденсатора, находящимися под напряжением.

Обзор методов оценки заряженности стартерных...

Первый метод проверки степени заряженности аккумуляторной батареи автомобиля — измерение времени разряда аккумуляторной батареи при постоянной, максимально допустимой для данного источника тока, нагрузке.

Накопители электроэнергии как средство предотвращения...

Неисправности батарей статических конденсаторов...

- Соединяем конденсаторы параллельно и закрепляем их в корпусе.

железнодорожного транспорта путём использования системы постоянного тока повышенного напряжения и накопителей энергии.

Устройство автомобильной аккумуляторной батареи.

Устройство автомобильной аккумуляторной батареи. Недостатки и преимущества конструкции аккумулятора автомобиля.

Основные термины (генерируются автоматически): батарея, автомобильный аккумулятор, короткое замыкание, энергетическая плотность, аккумулятор.

Режимы работы и замыкания в электроустановках

При трехфазном коротком замыкании токи и напряжения во всех трех фазах равны по величине не только в месте короткого замыкания, но и любой другой точке сети

Неисправности батарей статических конденсаторов, возникающих...

Надёжный аккумуляторный резерв систем железнодорожной...

С помощью РТА-М контролируются обрыв цепи заряда, короткое замыкание аккумуляторной батареи, перезаряд, сверхдопустимый разряд или перегрев аккумуляторной батареи. Также отслеживается исправность самого блока и наличие питающего напряжения.

Задать вопрос