Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Анализ СЭС космического аппарата и ее подсистем 15
1.1. Описание объекта исследования - системы электроснабжения космического аппарата 15
1.2. Описание СЭП современных КА 16>
1.2.1. Топологии современных СЭП 17
1.2.2. Критерии сравнения СЭП 19
1.2.3. Анализ динамических и частотных характеристик СЭП при различных законах управления ИСН. 21
1.3. Описание КЭП современных КА 26
1.3.1. Классификация КЭП 26
1.3.2. Основные типы потребителей КЭП современных КА 31
1.3.3. Исследование динамических характеристик ВИП 34
1.4. Постановка задачи 44
1.4.1. Актуальность создания методики определения допустимых значений выходного импеданса СЭП. 44
1.4.2. Исследование СЭС как линейной динамической системы 47
Выводы по первой главе 54
Глава 2 . Методы получения частотных характеристик входного импеданса КЭП 55
2.1. Разработка экспериментального метода определения частотных характеристик входного импеданса КЭП : 57
2.1.1. Физический эксперимент 57
Способы введения в систему гармонического воздействия 57
Способы измерения выходных координат КЭП 58
Описание измерительных установок для определения входного импеданса КЭП 60
2.1.2. Имитационное моделирование 63
Описание технологии моделирования в среде OrCAD 63
Особенности определения ЧХ входного импеданса КЭП с использованием OrCAD 64
Адекватность моделей, используемых при анализе процессов в КЭП
76
Анализ процессов в физическом макете КЭП и его упрощенной модели 77
Анализ процессов в упрощенной и полной моделях КЭП 79
2.2. Оценка влияния параметров и топологии КЭП на вид частотных характеристик входного импеданса системы КЭП 80
2.2.1. Исследование частотных характеристик входного импеданса КЭП 81
2.2.2. Анализ экспериментальных ЧХ входного импеданса КЭП 89
2.3. Методика определения частотных характеристик системы КЭП в условиях ограниченной информации о каналах 91
Выводы по второй главе 104
Глава 3 . Формирование требований к выходному импедансу СЭП 105
3.1. Формирование требований к выходному импедансу СЭП по известным частотным характеристикам системы КЭП 105
3.1.1. Определение допустимых значений выходного импеданса СЭП при работе на заданную группу КЭП 105
3.1.2. Определение допустимых значений выходного импеданса СЭП при всех возможных комбинациях одновременно включенных КЭП ... 112
3.1.3. Методика формирования требований к выходному импедансу СЭП на ранних этапах проектирования 122
3.1.4. Описание работы программы расчета границ возможных значений ЧХ выходного импеданса СЭП 124
3.2. Алгоритм оценки устойчивости СЭС 128
3.3. Разработка мер по увеличению модуля входного импеданса системы КЭП с целью ослабления требований к модулю выходного импеданса СЭП 131
Выводы по третьей главе 136
Заключение 138
Список использованной литературы 140
Приложение а 148
- Описание объекта исследования - системы электроснабжения космического аппарата
- Физический эксперимент
- Определение допустимых значений выходного импеданса СЭП при всех возможных комбинациях одновременно включенных КЭП
- Разработка мер по увеличению модуля входного импеданса системы КЭП с целью ослабления требований к модулю выходного импеданса СЭП
Введение к работе
Современные требования к выходному импедансу систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА) значительно жестче требований, предъявляемых к СЭП 70-х, 80-х годов прошлого века.
Наличие у КЭП с ВИЛ отрицательного входного импеданса [2] создает предпосылки для потери устойчивости системы электроснабжения» (СЭС), состоящей из СЭП и совокупности КЭП. Явления автоколебаний выходного напряжения СЭП выявляются как на стадии испытаний, так и на стадии опытной эксплуатации КА. Устранение автоколебаний выходного напряжения СЭП осуществляется путем доработки энергопреобразующей аппаратуры, направленной на снижение выходного импеданса СЭП, а так же за счет повышения входного импеданса КЭП путем умощнения входных фильтров каналов. Все это приводит к увеличению сроков и затрат на проектирование КА и увеличению их массы [3].
Современные требования к срокам и стоимости проектирования предопределяют исключение или минимизацию этапа доработки энергопреобразующей аппаратуры. Для чего необходимо точное определение допустимых значений выходного импеданса СЭП уже на раннем этапе проектирования КА. Следование стандарту питания Европейского космического агентства (ESA) [4] или нормам предприятия, которые регламентируют уровень \ZC3n(j(u)\ только в зависимости от номинального выходного напряжения СЭП и мощности системы КЭП, но не учитывают реактивные параметры и специфику нагрузок системы электропитания конкретного космического аппарата, а также сеансное расписание коммутации КЭП, приводит к тому, что требования для ряда систем являются завышенными, что увеличивает трудозатраты при проектировании соответствующей системы, для других — занижены, последствием чего может стать рост длительности этапа отработки или выход системы из строя в процессе эксплуатации.
В работах В.В.Златоманова и Б.С.Яковлева [5-6] описан способ определения допустимых значений выходного импеданса СЭП по известным значениям входного импеданса системы КЭП, исходя из условия обеспечения заданных запасов устойчивости по амплитуде и фазе СЭС. Однако на раннем этапе проектирования СЭП зачастую- невозможно получить входной импеданс ZKDn(jco) КЭП аналитически или построить его частотные характеристики экспериментально, так как сами каналы также находятся в стадии разработки или доработки.
Таким образом, актуальным является решение задачи создания методики определения допустимых значений выходного импеданса СЭП из условий устойчивости СЭС при ограниченной информации о каналах электропотребления. Также целесообразно разработать способ снижения требований к выходному импедансу СЭП в случае, если задаваемые, из соображений устойчивости, значения его модуля существенно меньше обеспечиваемых современным уровнем развития техники. Решение этих задач позволит значительно сократить объем доработки энергопреобразующей аппаратуры СЭП после этапа комплексных испытаний СЭС или совсем исключить его, тем самым снижая затраты и ускоряя ввод изделия в эксплуатацию. Разработка и производство СЭП ведется следующими фирмами: Alcatel (Франция), Lockheed Martin и Hughes (США). В России СЭП разрабатывают и производят в ОАО "Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф: Решетнева" (г. Железногорск), НПЦ "Полюс" (г. Томск) и ОАО "НПО Энергия" (г. Самара) и на ряде других предприятий.
Исследованиями процессов в энергопреобразующей аппаратуре занимаются в Московском и Самарском государственных авиационных университетах, Московском государственном энергетическом университете, С. Петербургском ВИКИ им. Можайского, Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, Сибирском федеральном университете, Сибирском государственном аэрокосмическом университете.
Актуальность подтверждается и хозяйственными договорами №( 20/2, №22/1 выполняемыми в ГУ НИИ информатики и процессов управления КГТУ в период с 2000-по 2006 гг. при участии автора.
Объектом исследования настоящей работы является система электроснабжения (СЭС) космического аппарата и ее подсистемы: система электропитания (СЭП) и система каналов электропотребления (КЭП).
Предметом исследования является взаимное влияние автономной системы электропитания и системы каналов электропотребления.
Цель работы состоит в разработке методики формирования требований к выходному импедансу СЭП на ранних этапах проектирования по ограниченным данным о каналах электропотребления из условия обеспечения устойчивости СЭС. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1 .Анализ влияния мощности нагрузки, параметров ВИП, кабельной сети, входного фильтра, а также топологии КЭП на амплитудную и фазовую частотные характеристики входного импеданса КЭП для определения достаточной информации о частотной характеристике входного импеданса КЭП. 2.Разработка методики определения частотных характеристик входного импеданса системы КЭП по ограниченным данным о каналах.
3.Разработка методики формирования требований к выходному импедансу СЭП по известным частотным характеристикам входного импеданса системы КЭП из условия устойчивой работы СЭП как на заданную группу КЭП, так и при всех возможных комбинациях одновременно функционирующих КЭП.
4.Оценка устойчивости разработанной СЭС при возможных изменениях сеансного расписания.
5.Разработка решений по снижению результирующего входного импеданса системы однотипных КЭП с целью ослабления требований к уровню модуля выходного импеданса СЭП или для обеспечения устойчивости СЭС в случае использования СЭП, имеющей высокий модуль выходного импеданса.
Основной идеей диссертации является разработка методики формирования требований к частотным характеристикам выходного импеданса СЭП с учетом всех возможных комбинаций одновременно включенных КЭП и при наличии ограниченной информации о каналах электропотребления на ранних этапах проектирования.
Методы исследования: моделирование электромагнитных процессов на ЦВМ с использованием системы схемотехнического проектирования OrCAD, использование теории линейных непрерывных систем автоматического управления (логарифмические частотные характеристики, частотные критерии устойчивости), использование теории линейных электрических цепей (прямые методы расчета цепей переменного тока, операторные методы анализа цепей), физическое макетирование.
Основные результаты:
1 .Установлено, что входной импеданс отдельного КЭП определяется мощностью нагрузки, параметрами входной цепи КЭП, наличием или отсутствием ВИП. Это позволяет минимальной и достаточной информацией для определения ЧХ входного импеданса КЭП с ВИЛ считать: мощность нагрузки Рн, индуктивность LKC и активное сопротивление гкс кабельной сети, емкость СВФ и внутреннее активное сопротивление гВФ конденсатора входного фильтра ВИЛ.
2.Разработана методика, позволяющая определить входной импеданс отдельных КЭП произвольной структуры и системы каналов электропотребления по ограниченным данным о каналах, таких как мощность нагрузки, параметры входной цепи КЭП, тип нагрузки.
3.Определены выражения для нахождения допустимых значений частотных характеристик выходного импеданса Zcon (ую) СЭП при работе на заданную группу КЭП из условия устойчивости СЭС, как замкнутой динамической системы, линейной и непрерывной по макропроцессам. Разработана методика формирования требований к выходному импедансу СЭП из условия устойчивой работы СЭС при всех возможных комбинациях одновременно функционирующих КЭП, применение которой позволяет определить допустимые значения модуля и фазы выходного импеданса СЭП при изменяющемся в результате коммутаций каналов результирующем входном импедансе системы параллельно включенных КЭП.
4.Разработан алгоритм оценки устойчивости СЭС с известными частотными характеристиками импедансов СЭП и КЭП с учетом сеансного расписания коммутации КЭП.
5.Предложен способ увеличения модуля результирующего входного импеданса системы параллельно включенных однотипных КЭП основанный на разнесении резонансных частот отдельных подсистем КЭП - кабельная сеть и позволяющий повысить допустимые значения модуля выходного импеданса СЭП.
Научную новизну представляют:
• Аналитическое выражение, позволяющее определить по ограниченным данным входной импеданс канала электропотребления с вторичным источником питания. • Выражения для определения допустимых значений частотных-характеристик выходного импеданса СЭП из условия устойчивости СЭС при изменяющемся согласно сеансному расписанию результирующем входном импедансе системы КЭП.
Значение для теории заключается в расширении области применения известного метода формирования требований к выходному импедансу СЭП по входному импедансу системы КЭП для случая проектирования СЭП при неполной информации о каналах электропотребления. При этом показано, что минимальной и достаточной информацией для определения частотных характеристик входного, импеданса КЭП с ВИЛ являются: мощность нагрузки, индуктивность и активное сопротивление кабельной сети, емкость, и внутреннее активное сопротивление конденсатора входного фильтра ВИП.
Значение для практики. Для практики проектирования интерес представляют:
•Имитационные модели КЭП различного типа, синтезированные в среде1 OrCAD; использование которых позволяет автоматизировать исследование электромагнитных процессов в КЭП.
•Методика задания обоснованных требований-к выходному импедансу СЭП и автоматизация расчета его допустимых значений за счет использования программно реализованного алгоритма вычисления границ зон изменения модуля и фазы входного импеданса системы КЭП в различных режимах работы.
•Способ увеличения модуля результирующего входного импеданса системы КЭП, включающей в себя однотипные каналы, с целью повышения допустимых значений модуля выходного импеданса СЭП.
•Программно реализованный алгоритм оценки устойчивости СЭС во всех заданных режимах сеансного расписания.
Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов, полученных аналитическими методами, методами численного моделирования и физического макетирования, а также результатами, испытаний опытных и серийных экземпляров СЭП КА.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
• Международной научно-практической конференции "САКС-2004", г. Красноярск, 2004 г.
• Всероссийской с международным участием конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 2005 г.
• Международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2005 г.
• Международной научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск, 2006 г.
• Всероссийской научно-технической конференции «Молодежь и наука:-начало XXI века», г. Красноярск, 2006 г.
Использование результатов диссертации. Основные научные и практические результаты- использованы при- разработке СЭП космических аппаратов в ОАО "Информационные спутниковые системы имени академика М.Ф. Решетнева" ив учебном процессе СФУ.
Рекомендации по использованию результатов диссертации. Научные и практические результаты, полученные в ходе выполнения работ по диссертации, целесообразно использовать при разработке новых систем электропитания на предприятиях, занимающихся проектированием и изготовлением космических аппаратов, а также при проектировании автономных систем электропитания постоянного тока для автоматических станций мониторинга окружающей среды, систем телеуправления удаленными объектами, выполненных на основе солнечных батарей, термоэлектрических преобразователей или других аналогичных первичных источников энергии. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, из них: статей в рецензируемых изданиях по списку ВАК - 1; статей в центральных изданиях - 1; статей в сборниках - 3; статей в официально зарегистрированных ВАК электронных изданиях - 1; трудов в материалах всероссийских и международных конференций - 4.
Общая характеристика диссертации. Диссертация содержит основной текст на 147 с, 69 иллюстраций, 8 таблиц, список использованной литературы из 74 наименований.
Описание объекта исследования - системы электроснабжения космического аппарата
Система электроснабжения (СЭС) космического аппарата имеет разветвленную силовую цепь (СЦ), в которой непосредственно осуществляется преобразование и регулирование электроэнергии. Силовая цепь включает источники и накопители энергии, энергопреобразующую аппаратуру, согласующие фильтры и нагрузки. Основным источником электроэнергии космических аппаратов (КА) в настоящее время являются солнечные фотоэлектрические генераторы - фотопреобразователи (ФЭП) на основе которых изготавливаются солнечные батареи (БС). Кроме генерирующих устройств СЭС космического аппарата имеет накопители энергии - в основном аккумуляторные батареи (АБ) [1]. Использование БС и АБ в системе электроснабжения обуславливает создание сети постоянного тока. В целях уменьшения, массогабаритных показателей солнечные и аккумуляторные батареи через энергопреобразующую аппаратуру (ЭПА) (регулирующие и стабилизирующие устройства) подключаются на общие шины бесперебойного питания, к которым присоединяются все каналы электропотребления Для формализации и упрощения описания СЭС представляется в виде взаимодействующих подсистем. Подсистема - это часть, вычленяемая из G3G по функциональному назначению топологии СЩ и алгоритму функционирования СЦ.
В дальнейшем СЭС космического аппарата представляется;в;видедвухч взаимодействующих подсистем, соединенных общими, шинами. По ходу потока электроэнергии СЭС от первичных источников питания до общих шин названа системой электропитания, а нагрузка, подключенная : к общим; шинам (выходным шинам системы электропитания), - системой каналов электропотребления (КЭП).
Система электропитания (СЭП) обеспечивает генерирование, аккумулирование,, преобразование электроэнергии от одного уровня напряжения к другому с ее стабилизацией. Каналы, электропотребления делят по выполняемым-, функциям/ на аппаратуру двух видов:: служебную обеспечивающую работоспособность КА; а также: контроль его состояния и управления-в полете;, и специальную,.к. которой;относится аппаратура связи.
Через выходные.шины-СЭП связывает все1 бортовые системы в единый: комплекс электрооборудования, в; котором каждая из систем? оказывает, влияние на другие: Большинство КЭШ оказываются: критичными, к помехам в цепях питания, возникающим в результате преобразованиями регулирования? электроэнергии; подключения (отключения) отдельных КЭП к выходным шинам СЭП, выполнения на борту рабочих команд. Это обуславливает применение в ЭПА системы, электропитания регулирующих и стабилизирующих устройств, а также использование в КЭП вторичных источников питания (ВИЛ), обеспечивающих требуемую стабильность напряжения на нагрузке.
СЭП состоит из солнечной батареи; аккумуляторной батарея w энергопреобразующей аппаратуры (рис. 1U).. Солнечные батареи являются основным источником: электроэнергии КА ш предназначены для преобразованияісолнечнойїзнергии в; электрическую на освещенных участках орбиты. Аккумуляторные батареи являются вторичным источником электрической энергии, предназначенным для преобразования химической энергии в электрическую на теневых участках орбиты и в моменты времени, когда мощность нагрузки превышает мощность БС, а также для накопления электрической энергии при наличии избытка мощности БС. Поскольку назначением системы электропитания КА является обеспечение потребителей электроэнергией определенного качества, помимо источников и накопителей энергии в состав СЭП входит энергопреобразующая аппаратура (ЭПА). Энергопреобразующая аппаратура СЭП создается на основе импульсных стабилизаторов напряжения (ИСН), посредством которых обеспечивается передача энергии от БС и АБ на выход СЭП с одновременной стабилизацией выходного напряжения. Качество выходного напряжения, системы электропитания и алгоритм ее функционирования определяются законами управления, реализованными в ИСН.
Масса и габариты СЭП, а в значительной мере и- КА, определяются характеристиками БС и АБ. Масса этих компонентов СЭП составляет 8(Н85% от массы всей СЭП. Одним из путей совершенствования СЭП, позволяющих повысить ее удельные энергетические характеристики, является правильный выбор источников и накопителей- энергии, учитывающий их ресурсные и энергетические характеристики [1, 7-9]. Кроме повышения удельных энергетических характеристик БС и АБ, разработчики СЭП уделяют большое внимание повышению КПД энергопреобразующей аппаратуры, поскольку повышение КПД ЭПА па N% позволяет, в первом приближении, уменьшить массу источников и накопителей энергии так же на №/о[Щ.
Для наиболее полного использования энергии, генерируемой БС и запасаемой АБ, применяются различные топологии СЭП и алгоритмы функционирования ЭПА. Выбор топологии СЭП зависит от ряда факторов: мощности и принятого выходного напряжения СЭП, диаграммы электропотребления, сеансного расписания КЭП, орбиты КА, удельных энергетических характеристик источников и накопителей энергии [11-13].
В наиболее общем плане все топологические решения СЭП космических аппаратов можно подразделить (рис. 1.2) на СЭП с параллельно включенными БС, АБ и нагрузкой (буферные СЭП) и СЭП с централизованным стабилизатором выходного напряжения (ЦСН). СЭП с ЦСН подразделены по типу стабилизатора, подключенного к БС [14].
Физический эксперимент
При определении входного импеданса КЭП с помощью частотных методов следует учитывать их трудоемкость. Для автоматизации процесса измерения ЧХ систем автоматического управления с использованием имитационного моделирования или физического эксперимента разработаны различные алгоритмы и устройства. Способы введения в систему гармонического воздействия Одним из самых простых способов введения в систему гармонического воздействия является включение последовательно источнику постоянного напряжения Еген, поступающего на вход КЭП, источника переменного напряжения Е„ (рис. 2.2) [50]. Так как динамические свойства КЭП не зависят от динамики СЭП [51-52], при экспериментальном определении входного импеданса КЭП может использоваться любой источник питания постоянного тока Еген, обеспечивающий требуемую для нормальной работы
КЭП мощность. Данное обстоятельство упрощает экспериментальные исследования и позволяет проводить их как в эксплуатационных, так в лабораторных условиях. Схема введения в Рисунок 2.3 - Схема введения в систему гармонического воздействия систему гармонического воздействия источником переменного напряжения управляемой нагрузкой Также гармонические колебания могут вводиться путем присоединения к КЭП управляемой нагрузки (УН) (рис.2.3) [53], сопротивление которой изменяется по гармоническому закону, в результате чего, при достаточной амплитуде колебаний сопротивления УН в канале электропотребления установятся колебания всех координат той же частоты. В качестве УН может быть принято активное сопротивление, управляемое по гармоническому закону, например мощный транзисторный каскад или несколько каскадов, соединенных параллельно, и управляемых генератором низкой частоты (ГНЧ). Способы измерения выходных координат КЭП Для измерения входного тока в схему (рис. 2.2) может добавляться датчик тока ДТ [50]. При амплитуде Езад = 1 В ток, протекающий через ДТ, численно равен входной проводимости в сименсах. По полученной входной проводимости, определяется входной импеданс КЭП на заданной частоте. Другим способом получения сигнала, пропорционального входному току КЭП, является включение последовательно КЭП (рис. 2.4) шунта, с клемм которого можно снимать сигнал, пропорциональный току [5]. В случае использования шунта амплитуда и фаза импеданса ZKon(j&) могут быть определены с помощью только вольтметров (рис. 2.4), измеряющих действующие значения входного напряжения Uex, напряжения на шунте Ulu и напряжения на КЭП UKOn. Схема подключения вольтметров для определения амплитуды и фазы ZK3n (ja) Согласно (2.1), отношение действующего значения напряжения на КЭП июп, измеряемого вольтметром V2, к действующему значению входного тока КЭП, определяемого как / =- - (Um - соответствует
Фаза импеданса ZK3IJ(j(u) на заданной частоте, согласно (2.2), определяется как угол между вектором напряжения на КЭП Vкоп и вектором его входного тока 1вхКЭП. Поскольку напряжение Ош на шунте связано с входным током І кзп КЭП постоянным коэффициентом Яш, их направления совпадают (рис. 2.5, а), следовательно, фаза ZK3n(jm) может быть определена как угол между векторами Окэп и 1УШ. Для комплексов напряжений в схеме, представленной на рис. 2.4, можно составить уравнение U sx кэп + &ш которому соответствует векторная диаграмма (рис. 2.5, а), включающая векторы 1 , Ош, Окэп, 0 ; искомый угол обозначен tyzK3n Путем параллельного переноса вектора Ош данная диаграмма может быть преобразована в векторный треугольник (рис. 2.5, б), длины сторон которого равны \Oex\ = Uex, \ОКЭп\- кэп \&ш\ ш и соответствуют показаниям вольтметров VI, V2, V3. По свойству вертикальных и смежных углов [54] pZr =180 -а, где а - один из углов треугольника (рис. 2.5, в), который может быть определен по известным длинам его сторон на основании теоремы косинусов. Согласно теореме косинусов [55], косинус угла а между сторонами треугольника Uкэп и Uш определяется выражением:
Описание измерительных установок для определения входного импеданса КЭП Для проведения измерений необходимы осциллограф и спектральный анализатор. Поскольку, при коммутациях ИПН в КЭП генерируется весьма высокий уровень шумов, возникает необходимость в использовании узкополосного следящего вольтметра. Даже при малом изменении коэффициента заполнения импульсов на какой-то постоянной частоте fm входного воздействия выходной сигнал будет содержать следующие частотные составляющие: fm, 2fm, 3/m, . . .; fnp, 2fnp, 3fnp, . . .; (fnp-fj\ (fnP + fm) и т-п- Узкополосный вольтметр необходим, чтобы отличать реакцию на тестовый сигнал от коммутационных шумов РШН. Такие вольтметры существуют, но лучше использовать приборы, совмещающие в себе функции генератора и узкополосного вольтметра, автоматически настраивающегося на частоту генератора, например спектральные анализаторы серии HP 70000 фирмы Hewlett-Packard [56-57]. С их помощью можно измерять не только значения U и 1вхКЭП в децибелах и получать их отношение — = \ кэп\ но и определять угол сдвига фазы сигнала tlex относительно I fon- Однако, в любом случае, измерения, проводимые данным способом, осуществляются вручную и обычно занимают длительное время. На рис. 2.6 приведена схема измерительной установки, обеспечивающей более точные и быстрые измерения по сравнению с описанной выше. Все измерения осуществляются с помощью схемных анализаторов. Оба сигнала Uex и 1вхКЭП измеряются одновременно. Поскольку измерение осуществляется в децибелах, коэффициент усиления можно определить непосредственно, вычитая сигнал А из сигнала В, что осуществляется автоматически. Имеется также фазоизмеритель, определяющий угол сдвига фаз двух сигналов. Выходы измерителей подключаются к двухкоординатному графопостроителю, и, изменяя частоту тестового сигнала в интересующем диапазоне, можно быстро получить графики изменения коэффициента усиления и фазы от частоты.
Определение допустимых значений выходного импеданса СЭП при всех возможных комбинациях одновременно включенных КЭП
Определение допустимых значений ЧХ выходного импеданса СЭП по выражениям (3.8), (3.9) производятся, исходя из предположения, что СЭП работает на группу КЭП. На практике происходят постоянные коммутации каналов электропотребления, вследствие чего изменяется результирующий входной импеданс КЭП, а, следовательно, и условия устойчивости (3.8), (3.9). Хотя, в общем случае, уменьшение ZK3nJjo) и ведет к ухудшению условий устойчивости, однако это не означает, что случай с максимальным числом одновременно работающих КЭП является наиболее критичным по устойчивости.
Может оказаться, что при некотором промежуточном числе одновременно включенных каналов условия устойчивости ухудшаются. Например, на рис. 3.2 - 3.3 приведены АЧХ результирующего входного импеданса системы КЭП, полученные для системы, которая состоит из трех одновременно включенных однотипных КЭП, имеющих одинаковый входной импеданс ZK3ni(j(o) = ZK3n2(jG)) = ZKDn3(j(u) (рис. 3.2) и системы, состоящей из такого же числа различных КЭП, входные импедансы которых не равны ZK3nl(j(o) ZK3n2(j(o) ZKDn2(j(u) (рис. 3.2).
Как говорилось в разделе 2.2, минимум АЧХ входного импеданса КЭП соответствует резонансной частоте входной цепи канала электропотребления. Очевидно, что у системы однотипных каналов, резонансные частоты которых равны, минимальное значение результирующего входного импеданса \ZK3Il3(j(o)\ будет меньше, чем у каналов с разной fрез (рис. 3.3).
Следовательно, при прочих равных условиях СЭС, система КЭП которой состоит из некоторого числа каналов с равными или близкими друг другу резонансными частотами, будет иметь меньшие запасы устойчивости по амплитуде, чем система с таким же или большим числом каналов, но с различными / .
Как показано в разделе 1.3, запасы устойчивости СЭС также снижаются при высокой мощности системы КЭП, а также при доле ВИП-нагрузки, значительно превышающей долю каналов электропотребления с активной нагрузкой.
Следовательно, назначение требований к ЧХ выходного импеданса СЭП должно производиться с учетом режимов работы его со всеми возможными (или, по крайней мере, главными) промежуточными группами КЭП. Для этого, в первую очередь, необходимо провести анализ возможных функциональных состояний потребителей энергии. По результатам анализа составляется сеансное расписание, представляющее собой таблицу (табл. 3.1) элементы которой характеризуют функциональное состояние (включен - «1», выключен- «О») каждого из N КЭП в режиме к. Для каждого столбца сеансного расписания по выражению (2.16) необходимо рассчитать результирующий входной импеданс, используя входные импедансы КЭП, подключенных к выходным шинам системы электропитания в данном режиме, которые вычисляются в.соответствии с выражениями (2.15), (2.17), (2.18) в зависимости от типа нагрузки КЭП.
Для задания требований к выходному импедансу СЭП не могут быть использованы частотные характеристики импеданса \ZK3IJ:)(j( )\ системы КЭП только одного из режимов, даже наиболее «тяжелого» в плане устойчивости (того, на котором \ ЮПэ( j(a)\ имеет наименьшую величину), поскольку граница устойчивости, построенная для этого периода, может не удовлетворять условиям (3.8), (3.9) в другом режиме работы. На рис. 3.4 представлены АЧХ входного импеданса системы КЭП, работающей в режимах «1» и «2». Система КЭП режиме «2» имеет минимальный входной импеданс больший, чем система с режиме «1» \2юпэг(J)\min \ZK3nJj)\mm, при этом /рез?/рез2.
Система в каждом из режимов задает свою область расположения логарифмических частотных характеристик СЭП, удовлетворяющих условию устойчивости СЭС (3.8). Система электроснабжения, модуль выходного импеданса СЭП которой определен для режима «1», может оказаться неустойчивой в режиме «2». Действительно, если требования к выходному импедансу СЭП сформированы из условия устойчивости СЭС в режиме «1», то в диапазоне частот от со, до со2 выходной импеданс СЭП может попадать в зону
Разработка мер по увеличению модуля входного импеданса системы КЭП с целью ослабления требований к модулю выходного импеданса СЭП
В том случае, если требования к значению модуля импеданса \ZC3n( j(t)\ СЭП сформулированные согласно (3.17) или (3.19) превышают уровень, обеспечиваемый техникой в настоящее время, то с целью их ослабления могут быть применены меры по повышению модуля входного импеданса КЭП, разработанные на основании полученных зависимостей уровня \ZK3n(j )\ на НЧ, СЧ и ВЧ от соответствующих параметров канала (рис. 2.47). Очевидно, что наиболее жесткие требования к \ZC3IJ(j(u)\ предъявляются в окрестности резонансной частоты входной цепи КЭП f рез, где \ZK3n (j(o)\ - минимален. В состав,СЭС зачастую входят соединенные параллельно однотипные КЭП. В случае одинаковых параметров входной цепи эти каналы будут иметь одинаковую резонансную частоту. При равных или близких друг другу резонансных частотах каналов минимальное значение результирующего входного импеданса \ZK3nэ(j(&)\ будет ниже (рис. 3.2), чем у каналов с разной / (рис. 3.3). У современных космических аппаратов число однотипных КЭП-ретрансляторов, которые имеют близкие параметры кабельной сети и входного фильтра ВИЛ, может доходить до 100 и более [1]. С целью ослабления требований к модулю выходного импеданса СЭП \Zcon(j( )\ необходимо разработать меры по увеличению результирующего входного импеданса системы, состоящей из однотипных КЭП. Величина \ZKon(j )\ , как говорилось в разделе 2.2, определяется в основном сопротивлением кабельной сети гкс. Увеличение \ZKDn(j(u)\ может быть достигнуто увеличением сопротивления КС, что, однако, недопустимо из-за снижения энергетических характеристик СЭС.
Повысить эквивалентное сопротивление системы однотипных КЭП можно разнесением резонансных частот отдельных подсистем КЭП-КС. Согласно (2.8), резонансная частота зависит от емкости входного фильтра ВИИ и индуктивности кабельной сети, и изменить ее можно задавая различные СВФ и LKC. КЭП является изделием, поставляемым для СЭС. Поскольку, входной фильтр является составным элементом ВИЛ, и его параметры устанавливаются производителем, то величина емкости входного фильтра СВФ не может быть скорректирована разработчиками СЭП и КА. Следовательно, для повышения уровня модуля- входного импеданса-совокупности КЭП необходимо варьировать индуктивность кабельных сетей отдельных, каналов, f которых равны или? близки. Реализовать это можно
введением дополнительной-индуктивности в кабельную сеть канала. Однако в этом,случае увеличивается масса КЭП и всей СЭС в целому Кроме того, на индуктивность и сопротивление кабельной сети накладываются ограничения со стороны стандарта питания- ESA. Согласно этому стандарту, сопротивление кабельной сети (прямые и обратные провода) от выходных шин СЭП до нагрузки должно быть меньше чем где U - номинальное напряжение шины (В), Р - максимальная мощность на нагрузке (Вт). Суммарная индуктивность кабельной сети разводки питания к нагрузкам (прямые и обратные провода) от выходных шин СЭП до нагрузки должна быть меньше чем заданных мощности и входного напряжения КЭП; LKCmm - минимально возможную индуктивность КС, величина которой обусловлена наименьшим расстоянием на которое КЭП можно приблизить к системе электропитания, т.е. минимально возможной длиной питающей-линии.
Пусть к выходным шинам СЭП может быть одновременно подключено N однотипных каналов, т.е. КЭП с одинаковыми параметрами входной цепи. Индуктивность первого КЭП зададим равной LKCl - LKC тт, индуктивность N-ro КЭП: LKCN =LKCmax. Согласно выражению (2.8), резонансная частота обратно пропорциональна индуктивности, LKC КС, т.е. КЭП с индуктивностью кабельной сети LKCl = LKCmin при прочих равных параметрах будет иметь максимальную резонансную частоту fpe3l = fpe3 тах, а КЭП с ьксы=1кстах " минимальную резонансную частоту: /резХ=/резжт- Для уменьшения минимального значения результирующего входного импеданса данной системы N КЭП необходимо разнести- резонансные частоты каналов КЭП2, КЭП3... КЗЩ.і в диапазоне от fpe3mm до fpe3_max. Вычислим резонансную частоту і-го КЭП при разнесении резонансных частот на равные приведены ЛАЧХ результирующего входного импеданса системы, состоящей из N=100 однотипных КЭП при равных резонансных частотах - \ZK3nM(j(u)\ и равноудаленных резонансных частотах \ КЗПэ2(jm)\. Принципиальная схема и параметры отдельного КЭП (за
Резонансная частота и индуктивность КС і-го КЭП определяются по выражениям, соответственно, (3.23) и (3.24). Минимальное значение результирующего входного импеданса системы КЭП при равных резонансных частотах - 20lg\ZK3n3l(jco)\ . =51.5дБ, при равноудаленных резонансных частотах - 20lg\ZKDn32(j u)\ . =47.1 дБ, т.е в результате разнесения резонансных частот отдельных КЭП при прочих равных условиях требования с выходному импедансу СЭП в окрестности 20 lg\ZKDIJ J j)\min в k-м режиме ослабляются на 4.4 дБ. При компактном расположении КЭП изменение индуктивности LKC возможно путем использования питающей сети с разнесенными проводами. В этом случае, индуктивность питающей сети КЭП, а, следовательно, и f рез меняются, согласно (3.25), в зависимости от расстояния d между осями 135 проводов. При увеличении d в к раз индуктивность питающей сети получает приращение на единицу длины линии AL = lnkTu. (3.26) Таким образом, с целью увеличения допустимых значений модуля выходного импеданса СЭП могут быть применены меры по повышению результирующего модуля входного импеданса системы КЭП. Это достигается разнесением однотипных КЭП по резонансной частоте, что предлагается реализовывать путем использования кабельных сети различной длины, либо питающей сети с разнесенными проводами. Разнесение резонансных частот у отдельных подсистем КЭП позволяет снизить требования (3.17), (3.19) к выходному импедансу СЭП, и соответственно упростить разработку энергопреобразующей аппаратуры СЭП.
