Введение к работе
Актуальность проблемы. Любой космический аппарат (КА) представляет собой взаимосвязанный комплекс систем различного назначения, каждая из которых содержит специализированное электрооборудование. Взаимодействие всех систем КА в процессе функционирования (подвод энергии, отвод тепла, передача сигналов в цифровой и аналоговой форме (информационных и управляющих) и т.д.) сопряжено с работой различных блоков и устройств преобразования и распределения электроэнергии. Система электропитания (СЭП) предназначена для питания электроэнергией как служебных, так и других целевых систем КА. Служебные системы, как правило, подключены к СЭП постоянно, а целевые могут подключаться и отключаться.
Рост количества задач, решаемых КА, влечет за собой увеличение числа «потребителей» электроэнергии, и как следствие требует увеличения мощности первичных источников (ПИ) и повышения эффективности использования их энергии. В качестве ПИ на КА чаще всего используются солнечные батареи (СБ) и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП). Вольтам-перные характеристики (ВАХ) таких ПИ нелинейные и падающие.
В СЭП КА для стабилизации напряжения примеїгяютея последовательные и параллельные стабилизаторы напряжения (СН). Для устойчивой работы ТЭП необходимы стабилизаторы, которые не приводят к изменению рабочей точки на ВАХ при изменении мощности нагрузки. Поэтому в СЭП с ТЭП широко применяют шунтовые стабилизаторы напряжения (ШСН).
В связи с увеличением и усложнением задач решаемых КА, возрастает их энерговооруженность, а, следовательно, и потребляемая мощность. С увеличением выходной мощности увеличивается и мощность ШСН, при этом целесообразно применение не одного мощного ШСН, а нескольких параллельно подключенных маломощных. Параллельно подключенные маломощные ШСН в этом случае называются секциями, а стабилизатор в целом шунтовым секционным стабилизатором напряжения. Основной проблемой, возникающей при проектировании таких шунтовых секционных стабилизаторов напряжения (ШССН), является выбор законов управления секциями и определение значений внутренних параметров СН, обеспечивающих требуемые показатели качества выходного напряжения.
С увеличением мощности СЭП возникают проблемы, связанные с высокими токами в кабельной сети, такие как снижение КПД, увеличение мас-согабаритных показателей и т.д. Один из вариантов решения этой проблемы - увеличение уровня выходного напряжения. В настоящее время активно разрабатываются СЭП с выходным напряжением 100 В.
Известно, что при эксплуатации СБ подвергается глубоким температурным циклам. У доступных в настоящий момент кремниевых фотопреобразователей температурный коэффициент по напряжению составляет 0,55 %/С. С учетом возможной деградации 2% в год охлажденная СБ при оп-
тимальном напряжении на конец ресурса 105 В и ресурсе 10 лет на начальном этапе эксплуатации может генерировать напряжение 260 В, а при ресурсе 15 лет - 275 В. При таких напряжениях наличие остаточной атмосферы аппарата на этапе выведения создает, согласно закону Пашена, условия возникновения газового разряда.
Для того чтобы снизить напряжение генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации, рационально применять стабилизаторы напряжения повышающего (вольтодобавочного) типа. Поэтому исследования, направленные на изучение данного типа стабилизаторов, являются актуальными.
Работа над проблемами проектирования и синтеза СЭП для автономных объектов, в том числе КА, ведется во многих организациях. Большая работа по исследованию и проектированию мощных СЭП ведется в Сухумском физико-техническом институте, Томском ОАО "НПЦ "Полюс", НПО ПМ им. академика М.Ф. Решетнева, Сибирском государственном аэрокосмическом университете им. М.Ф. Решетнева и др. В работах Сарычева В.А., Кудряшова B.C. Соустина Б.П., Ловчикова А.Н. отражены исследования, направленные на изучение зависимостей качества выходного напряжения от параметров СЭП, предложены схемы СЭП, позволяющие существенно увеличить быстродействие СЭП в переходных процессах наблюдаемых при подключении и сбросе нагрузки, а также схемы с экстремальным регулированием источников тока, аналогов которым нет в мире и сегодня. В Сибирском федеральном университете, силами Василенко К.Н., Красно-баева Ю.В., Пожарковой И.Н. и Иванчуры В.И. разработана методика определения допустимых значений выходного импеданса СЭП из условий устойчивости системы, также разработан способ снижения требований к выходному импедансу СЭП в случае, если требуемые из соображений устойчивости значения модуля импеданса существенно ниже обеспечиваемых современным уровнем техники. Несмотря на большую работу, которая ведется исследователями и инженерами всего мира в данной области, некоторые проблемы связанные с проектированием мощных СЭП до сих пор остаются открытыми.
Влияние параметров СЭП на показатели качества напряжения на сегодняшний момент еще малоизученны, а комплексных исследований, зависимости качества напряжения от напряжения стабилизации вовсе не проводилось. Поэтому исследования, направленные на изучение зависимостей показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП, включая напряжение стабилизации, а также построение их математических моделей, которые значительно упростят и позволят автоматизировать процедуру параметрического синтеза на этапе предпроектных исследований, на сегодняшний момент представляются весьма актуальными. Актуальность данной работы, также подтверждается тем, что результаты использованы при выполнении госбюджетных НИР Б 1.6.05 «Методы моделирования и синтеза СЭС КА», 1.16.08 «Разработка методов анализа и синтеза, средств
автоматизированного проектирования СЭС КА на основе современных информационных технологий». Среди ШССН наибольшее применение в современных К А нашли СН следующих видов: многофазный ШССН (МШССН), импульсно-дискретный ШССН (ИДШССН) и ШССН с управлением по избытку тока (ШССНУИТ). Поэтому в данной работе при исследованиях, направленных на изучение зависимостей показателей качества напряжения от параметров СЭП, рассматриваются именно данные виды ШССН.
Цель диссертационной работы: разработка методических и алгоритмических средств автоматизированного синтеза СЭП КА с шунтовыми стабилизаторами напряжения оптимальных по совокупности показателей качества выходного напряжения и создание на их основе автоматизированной системы научных исследований СЭП КА.
Поставленная цель определила следующий комплекс задач, решение которых необходимо для её достижения:
Анализ и обобщение существующего опыта проектирования СЭП КА с ШСН.
Разработка методики получения экспериментальных данных с использованием системы схемотехнического моделирования.
Разработка имитационных моделей исследуемых СЭП КА.
Получение набора экспериментальных данных исследуемых СЭП КА.
Выбор математического аппарата для создания математических моделей СЭП КА.
Построение математических моделей основных зависимостей показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП КА.
Выбор целевой функции для решения задачи многокритериальной оптимизации и нахождения параметров СЭП КА, обеспечивающих оптимальное соотношение показателей качества выходного напряжения - времени регулирования, перерегулирования и относительной амплитуды пульсаций.
Проектирование и программная реализация автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) СЭП КА, автоматизирующей методику сбора экспериментальных данных, построение математических моделей, анализ зависимостей показателей качества напряжения от параметров СЭП и параметрический синтез СЭП КА.
Методы исследования: методы математического моделирования, теория искусственных нейронных сетей, моделирование с помощью программы MathCad, имитационное моделирование и интегрирование переходных процессов с помощью системы схемотехнического моделирования OrCAD 9.2, методы многокритериальной оптимизации.
Научная новизна работы состоит в следующем:
сформулирована и решена задача параметрического синтеза мощных СЭП КА, позволяющая определять параметры схемы, обеспечивающие оптимальность по совокупности показателей качества выходного напряжения;
разработаны математические модели электромагнитных процессов ряда СЭП КА, отражающие зависимость показателей качества выходного напряжения от параметров схемы;
предложена модификация системы управления ключевым элементом для стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа, обеспечивающая стабильную работу конвертера как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения, что позволяет снизить напряжение генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации и исключить возникновение газового разряда на этапе выведения и дает возможность проектировать СЭП КА с напряжением бортовой сети 100-150 В и ресурсом полезного использования 25-30 лет. Также сформулированы условия, при которых обеспечивается устойчивая работа стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа с предлагаемой системой управления.
Основные положения выносимые на защиту:
Методика синтеза СЭП КА с ШСН оптимальных по совокупности показателей качества выходного напряжения позволяет проводить исследования и параметрический синтез в автоматизированном режиме, что приводит к снижению временных затрат.
Результаты исследований электромагнитных процессов ряда существующих СЭП КА, описывающих зависимости между показателями качества выходного напряжения и параметрами схемы, которые имеют теоретическую и практическую ценность и позволяют решать основные проблемы, возникающие при проектировании подобных СЭП КА.
3.Модификация системы управления ключевым элементом стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа, обеспечивающая стабильную работу конвертера как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения, что позволяет снизить напряжение, генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации, и исключить возникновение газового разряда на этапе выведения КА на орбиту.
Практическую ценность в диссертационной работе составляют:
разработанная АСНИ, в которой реализованы алгоритмы построения
математических моделей зависимостей показателей качества выходного
напряжения от параметров СЭП, позволяющая сравнивать различные типы
СЭП и производить параметрический синтез СЭП по заданным требовани
ям к показателям качества выходного напряжения, что значительно снижа-
ет временные затраты на исследование указанных зависимостей и на решение задачи параметрического синтеза СЭП КА;
предложенная модификация системы управления дополнительными секциями импульсно-дискретного ШССН, реализованная на цифровых элементах, позволит увеличить надежность и отказоустойчивость системы, а также снизить массогабаритные показатели устройства;
рекомендации по выбору параметров моделей, позволяющие снизить вероятность возникновения проблемы сходимости методов решения дифференциальных уравнений реализованных в OrCAD 9.2.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: XI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техники и технологии», Томск, 2005; Актуальные проблемы авиации и космонавтики, Красноярск, 2005; ГХ Международная научная конференция, посвященная 45-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск, 2005; Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие», Красноярск, 2005; X Международная, научая, конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, Красноярск, 2006.
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 8 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 68 наименований. Содержание работы изложено на 120 страницах.
