Zaria | Alimentations électriques1. Structure généraleLe rôle du Système d'Alimentation Électrique SES (Система Электроснабжения) de Zaria est de générer, de stocker et de distribuer de la puissance électrique aux autres systèmes du module, ainsi qu'aux autres modules de la Station Spatiale Internationale. Le segment américain de la station (USOS) dispose d'un système électrique centralisé, mais ce n'est pas le cas du segment russe. Zaria et Zvezda ont en effet chacun leur propre réseau électrique, avec tout le nécessaire pour la production, le stockage et la distribution. Zaria a été le premier élément de la station à avoir été mis en orbite, suivi de peu par Zvezda. Jusqu'au vol STS-97 (4A) de décembre 2000, le segment américain ne disposait pas de moyens de production d'énergie, et il dépendait exclusivement du segment russe. 
Fig.
1 : Schéma de principe du système électrique de
Zaria. La production d'électricité est assurée par les deux panneaux solaires. L'énergie est ensuite consommée par les systèmes utilisateurs de Zaria. Ce qui n'est pas utilisé est stocké dans des batteries au travers de boîtiers de charge appelés ZRU. De plus, Zaria est capable de fournir de l'énergie au segment américain grâce aux boîtiers RACU, et il peut également en recevoir grâce aux ARCU. L'élément central du réseau électrique de Zaria est le bus 28V, auquel sont connectés les batteries, les panneaux solaires, les ARCU, les RACU, et bien sûr les utilisateurs. Le bus est équipé d'un filtre fortement capacitif de 0,6F. 2. Les batteriesL'énergie produite par les panneaux solaires lors des phases éclairées de l'orbite est stockée dans des batteries AB (Аккумуляторная Батарея), afin de pouvoir être utilisée lors des phases non éclairées. Le module Zaria compte six ensembles batteries, appelés Blocs 800A et numérotés A71 à A76. Chaque bloc contient vingt-deux batteries Nickel-Cadmium (Ni-Cd), qui ont une capacité de 90A.h en début de vie, et de 60A.h après deux années d'utilisation. 
Fig. 2 : L'un des six ensembles batteries avec les éléments de sa ZRU. 
Fig. 3 : L'arrière d'un Bloc 800A, avec la ventilation. Chaque Bloc 800A est équipé d'une unité de charge/décharge appelée ZRU (Зарядное Устройство). La ZRU gère le fonctionnement des batteries et mesure un total de 49 paramètres, son rôle in fine étant d'améliorer la durée de vie des batteries. Une ZRU est constituée de cinq éléments : le PTAB-2, le BUPT-2 et trois MIRT-3. Après la mise sur orbite de Zaria, le 20 novembre 1998, plusieurs batteries ne fonctionnaient pas correctement, et ont dû être remplacées lors de la mission STS-101. 2.1. Le convertisseur de courant PTAB-2Le PTAB-2 (Преобразователя Тока Аккумуляторной Батарей) est l'élément central de la ZRU. C'est par lui que transite le courant entre le bus 28V et le Bloc 800A. Il est constitué en réalité de deux convertisseurs DC/DC : l'un pour la charge des batteries, l'autre pour la décharge. 2.2. Le contrôleur BUPT-2Le BUPT-2 (Блок Управления Преобразователем Тока) est l'élément qui contrôle le PTAB-2. C'est lui qui décide, en fonction de la tension de commande et des données des MIRT, l'intensité qui entre ou qui sort des batteries par le PTAB-2. Il envoie également au sol par télémesure l'état de charge des batteries. En fonction de la demande en puissance des utilisateurs, il choisit automatiquement entre le régime de charge et le régime de décharge. 2.3. Les intégrateurs de courant MIRT-3Chaque ZRU est munie de trois intégrateurs de courant MIRT-3 (Микроэлектроный Интегратор Разрядно-зарядных Токов), développés par la RKK Energuia. En mesurant l'intensité qui entre dans les batteries lors de la charge, ils en déduisent par intégration leur état de charge. 
Fig. 4 : Un lot de MIRT-3. Ils fonctionnent pour des valeurs de la charge comprises entre 0 et 60A.h. Ils sont au nombre de trois pour une question de redondance, et la règle des 2/3 est appliquée (la perte d'un seul MIRT ne remet pas en cause le fonctionnement global).
Les six Blocs 800A et les éléments de leurs ZRU sont situés côte à côte sous les panneaux 103 à 111 du plancher de Zaria, comme présenté sur la figure 7. On notera que le SES peut fonctionner correctement avec seulement trois des six Blocs 800A. Après la mise en orbite de Zaria, en novembre 1998, les batteries ont montré d'importants problèmes de fonctionnement, dont l'origine a été localisée sur les MIRT-3. Les dix-huit exemplaires ont donc été démontés et remplacés le 31 mai 1999, lors de la mission STS-96. 
Fig. 5 : Plan du plancher de Zaria. 
Fig. 6 : Susan HELMS travaille sur un Bloc 800A, mai 2000. 3. Interface avec le segment américainLes segments américain et russe peuvent s'échanger de la puissance électrique grâce à des convertisseurs qui font l'interface entre les deux. Au début de l'assemblage de la station, seul le segment russe disposait de panneaux solaires, et il fallait donc envoyer de la puissance au segment américain. Ensuite, la tendance s'est fortement inversée, les Américains ayant mis en place une très grande superficie de panneaux solaires. 3.1. Les RACULe module Zaria dispose de deux convertisseurs RACU (Russian to American Converter Unit), numérotés 5 et 6, qui permettent d'élever la tension du bus 28V jusqu'à 124Vdc, afin de pouvoir alimenter le réseau électrique secondaire américain. Les deux RACU alimentent les bus N1RS1 et N1RS2 du module Unity. Si nécessaire, un cavalier (« RACU-to-LAB ») peut être mis en place par les cosmonautes afin d'alimenter directement les bus LA1B ou LA2B du module Destiny. L'un des RACU est situé sous les panneaux 102 et 103 (plancher), l'autre est sous le panneau 203 (paroi bâbord). 3.2. Les ARCUA l'inverse, le segment américain fournit de l'énergie au segment russe par l'intermédiaire de six convertisseurs ARCU (American to Russian Converter Unit) situés dans le module Zaria. Le bus Z13B de l'élément Z1 alimente les ARCU n°1 et 2, tandis que le bus Z14B alimente les ARCU n°3 et 4. Les deux derniers ARCU ont été rajoutés en avril 2011. La tension d'entrée des ARCU est comprise entre 110Vdc et 130Vdc, et ils ne peuvent donc être alimentés que par le réseau secondaire du segment américain. Ils sont capables de faire transiter jusqu'à 1,3kW, leur tension de sortie étant fixée à 28Vdc pour être compatible avec le réseau russe. Les ARCU sont régulés en modulation de largeur d'impulsion (MLI), en mode tension ou en mode courant (cf. § « Fonctionnement normal »). 4. Fonctionnement normalLe schéma de la figure 8 donne un bon récapitulatif de l'architecture du système électrique de Zaria. On y voit le bus central (28V), où sont connectés :
- les deux panneaux solaires, par l'intermédiaire des six convertisseurs RT-50 (un par segment), 
Fig. 7 : Schéma général du système électrique de Zaria. Trois de ces MIRT servent à mesurer la charge totale du bus 28V (entre 0 et 1200A.h), les trois autres mesurent la charge des panneaux solaires (entre 0 et 1800A.h). Quand ces intégrateurs arrivent à leur valeur maximale, ils recommencent à intégrer à partir de zéro. 4.1. Dans la phase éclairée de l'orbiteles panneaux solaires produisent de l'énergie et alimentent à la fois les utilisateurs et les batteries. Si leur production n'est pas suffisante, les PTAB-2 demanderont moins de puissance, afin d'en laisser un maximum pour les utilisateurs. Si la production des panneaux solaires n'est pas suffisante pour alimenter les utilisateurs et les batteries simultanément, les ARCU vont se mettre en marche (en mode tension) pour compenser le manque. Si les ARCU ne sont toujours pas suffisants, les PTAB-2 vont limiter la charge des batteries pour privilégier l'alimentation des utilisateurs. 4.2. Dans la phase non éclairée de l'orbiteQuand les panneaux solaires ne sont plus éclairés, les utilisateurs sont alimentés prioritairement par les ARCU. Si ceux-ci ne sont pas suffisants, les PTAB-2 passent en mode décharge, les six Blocs 800A se répartissant la charge équitablement. Dans ce cas de figure, les ARCU sont régulés en mode courant. Bibliographie
- International Space Station Familiarization, NASA TD9702A, 31 juillet 1998. Dernière mise à jour : 16 janvier 2012 |
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