Содержание к диссертации
Введение
1. Характеристика объекта и постановка задачи исследований 11
1.1. Тенденции развития систем электропитания современных спутников связи 11
1.2. Топологические решения СЭП 14
1.3. Обоснование применения в качестве СУ конвертора с силовой цепью повышающего типа и шуитовым
принципом регулирования 23
1.4. Топологии последовательного стабилизатора с шунтовым принципом регулирования мощности СБ .26
1.5. Требования к качеству выходного напряжения современных СЭП З І
1.6. Обоснование методов синтеза и исследований, определение задач исследований 34
Выводы 40
2. Синтез и исследование быстродействующего ИСН БТ 43
2.1. Модель ИСНБТ по регулируемым составляющим процесса 43
2.2. Синтез закона управления ИСН БТ 45
2.3. Исследование характеристик ИСН БТ как системы с амплитудно-импульсной модуляцией 47
2.3.1. Влияние нагрузки на закон управления .47
2.3.2. Динамические характеристики ИСН БТ 48
2.4. Реализация закона управления в ИСН с ШИМ 50
2.4.1. Реализациия импульсного закона управления по мгновенным значениям регулируемой составляющей процесса 51
2.4.2. Реализации импульсного закона управления дискретным значениям регулируемой составляющей процесса 55
2.5. Исследование ИСН БТ с ШИМ 56
2.6. Влияние вариации параметров силовой цепи, устройства управления и первичного источника
на характеристики ИСН БТ 65
2.7. Влияние внутреннего сопротивления конденсатора фильтра на закон управления ИСН БТ 69
2.8. Обеспечения астатизма ИСН БТ по выходному напряжению 78
2.8.1. Реализация закона управления с использованием наблюдателя напряжения 78
2.8.2. Определение параметров интегратора сигнала рассогласования 82
Выводы 90
3. Многмодульный ИСН БТ 93
3.1. Реализация импульсных законов управления в многомодульном ИСН 93
3.2. Реализация управления силовым модулем многомодульного ИСН по регулируемой составляющей процесса, эквивалентного напряжению на конденсаторе выходного фильтра СМ работающего на индивидуальную нагрузку 100
3.3. Синтез и реализация закона управления МСН при питании от одной мощной секции СБ 104
3.3.1. Влияние разброса параметров силовых элементов и цепей управления на распределение тока СБ между модулями 106
3.3.2. Синтез и реализация устройства управления силовым модулем МСН из условия равномерного распределения тока СБ между модулями 112
3.4. Устойчивость электромагнитных процессов во входной цепи ИСН БТ 122
3.5. Методика проектирования МСН 127
3.5.1. Определение коэффициентов передачи цепей обратной связи 129
3.5.2. Определение числа силовых модулей в МСН 131
3.5.3. Определение индуктивности дросселя. 131
3.5.4. Определение величины емкости конденсатора Сф выходного фильтра 132
3.6. Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических результатов 136
3.6.1. Пример схемотехнической реализации ИСН БТ. Макет ИСН БТ 136
3.6.2. Схема и результаты испытаний 141
Выводы 145
Заключение 146
Список литературы
- Тенденции развития систем электропитания современных спутников связи
- Топологии последовательного стабилизатора с шунтовым принципом регулирования мощности СБ
- Модель ИСНБТ по регулируемым составляющим процесса
- Реализация импульсных законов управления в многомодульном ИСН
Введение к работе
Возрастающая потребность общества в средствах космической связи определяет неуклонное развитие и совершенствование обеспечивающих её технических средств. Спутники связи (СС) являются важнейшим элементом в системах космической связи и в значительной степени определяют их технико-экономические характеристики. В конце двадцатого века наметилась устойчивая тенденция роста числа бортовых ретрансляторов СС. Так число ретрансляторов увеличилось с 6-Я О до 50-Я 50, что потребовало увеличение мощности систем электропитания (СЭП) СС с 2-:-4 до 15+25 кВт [11]. Увеличение мощности способствует повышению напряжение на выходных шинах СЭП с 28В до 100В, что позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) элементов СЭП и уменьшить их удельные массогабаритные показатели, за счёт уменьшения потерь энергии в кабельной сети, энергопреобразующей аппаратуре СЭП и каналах энергопотребления (КЭП).
Импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН) широко применяются в СЭП СС, в частности в качестве стабилизирующего устройства, включённого между солнечной батареей (СБ) и выходными шинами СЭП. Рост выходного напряжения СЭП приводит к увеличению напряжения основного источника энергии СС. солнечной батареи. С увеличением выходного напряжения СБ появляется необходимость принятия специальных мер для обеспечения безопасных режимов эксплуатации как элементов энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА), так и самой солнечной батареи. Данные меры становятся актуальными с учётом возникновения перенапряжений на выходе СБ, в режиме «холодного солнца» (выход СС из тени) [12]. Поэтому в высоковольтных СЭП перспективным является применение ИСН безбаластного типа (ИСН БТ) с шуитовым принципом регулирования мощности, генерируемой СБ [34]. Силовая цепь такого ИСН строится на основе схемы конвертора повышающего типа. Стабилизаторы этого типа работают на токовом участке вольт-амперной характеристики (ВАХ) СБ, и тем самым обеспечивают ограничение напряжения СБ на уровне выходного напряжения СЭП. В этом режиме СБ можно рассматривать как источник тока к выходу которого подключена силовая цепь ИСН БТ. Такая структура силовой цепи ИСН БТ позволяет использовать его в режимах экстремального регулирования мощности СБ при напряжении солнечной батареи ниже выходного напряжения СЭП, что является немаловажным для СЭП СС с длительным сроком активного существования.
С увеличением мощности энергопотребления СС используется принцип блочно-модульного построения стабилизаторов СЭП [2, 24, 36] с параллельным включением силовых модулей (СМ) ИСН. Высокое требование к качеству выходного напряжения СЭП обуславливает обеспечения на заданном уровне динамических и статических характеристик ИСН с параллельным включением силовых модулей. Требование высокой надёжности к СЭП приводит к необходимости равномерного распределения тока между параллельно включёнными модулями в многомодульном импульсном стабилизаторе напряжения (МСН), а также обеспечение автономности функционирования этих модулей.
Как было отмечено выше, в настоящее время считается перспективным использование ИСН БТ в СЭП большой мощности. Однако опыта разработки и практического использования такого ИСН нет. Поэтому актуальной задачей является создание системы управления многомодульным импульсным стабилизатором напряжения с силовыми модулями, выполненными на основе ИСН БТ и методики проектирования такого стабилизатора. При этом система управления должна обеспечивать, во-первых, заданное качество выходного напряжения, во-вторых, равномерное распределение тока между силовыми модулями во всех режимах работы стабилизатора.
Решение данной задачи затрудняется тем, что закон управления для ИСН БТ, позволяющий удовлетворить возрастающие требования по качеству выходного напряжения, не известен, что не позволяет применять такие стабилизаторы в системах электропитания. Качество напряжения на выходных шинах СЭП определяется законами управления, реализованными в устройствах управления ИСН. Выходные шины СЭП являются общими для большинства разнородных потребителей электроэнергии, имеющих высокий уровень переменной составляющей потребляемого тока. Переменное токопотребление приводит к отклонениям напряжения на общих выходных шинах СЭП и взаимовлиянию потребителей, что может приводить к нарушениям их работоспособности [1]. Поэтому к быстродействию ИСН предъявляются высокие требования. Следовательно, актуальной научно-технической задачей является синтез системы управления многомодульным импульсным стабилизатором напряжения с силовыми модулями, выполненными на основе ИСН БТ, и обеспечивающей стабилизатору и СЭП требуемое качество выходного напряжения, т.е. обеспечивать минимальную длительность и амплитуду переходных процессов на выходе стабилизатора при изменении тока нагрузки и первичного источника.
Из известных подходов к синтезу законов управления ИСН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) из условия обеспечения максимального быстродействия ИСН, наилучшие результаты можно получить с использованием метода [2, 20], основанного на представлении одноканального ИСН с ШИМ адекватной моделью стабилизатора с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).
Использование указанного метода для синтеза систем с ШИМ предполагает решение, как минимум трёх задач: первое - получение амплитудно-импульсной модели силовой цепи системы (ИСН БТ) по регулируемым составляющим процесса; второе - синтез импульсных законов управления для модели с АИМ в соответствии с заданными критериями качества реальной системе с ШИМ и третье - получение условий реализации импульсных законов управления в реальной системе с ШИМ. Учитывая, что указанный метод использовался авторами для синтеза закона управления одноканальним ИСН, который имеет силовую цепь конвертора понижающего типа, то для решения задачи синтеза закона управления многомодульным ИСН БТ, кроме перечисленных выше трёх задач, необходимо выполнить и четвертую. А именно, получить условия реализации импульсных законов управления в реальной системе с ШИМ, для многомодульного ИСН с шунтовым принципом регулирования.
Кроме того, при реализации импульсных законов управления необходимо учитывать, что многомодульный ИСН БТ является, наряду с зарядным и разрядными устройствами (ЗУ, РУ), одним из компонентов СЭП СС. Помимо взаимодействия с ЗУ и РУ по силовым цепям через общие выходные шины, осуществляется взаимодействие и по цепям управления. В современных СЭП СС, при смене режимов работы используется беззонный (астатический) принцип регулирования напряжения на выходных шинах. Это обеспечивается общим для вех устройств, осуществляющих стабилизацию напряжения на выходных шинах СЭП, блоком, который содержит интегратор сигнала рассогласования. Наличие интегратора сигнала рассогласования в цепи обратной связи может ухудшить динамические характеристики стабилизатора. Значит, при реализации импульсных законов управления необходимо обеспечить астатизм стабилизатору, при сохранении его динамических характеристик.
Параллельное подключение силовых модулей к СБ при использовании «токового» участка ВАХ СБ и принципа шунтового регулирования избытка мощности СБ образуют систему с последовательным соединением СБ, ИСН БТ и нагрузкой. В этом случае СБ работает в режиме источника тока и условие равномерного распределения тока СБ между силовыми модулями определяет работоспособность данной системы, иначе возможен лавинный (один за другим) выход из строя силовых модулей и не контролируемая передача избытка мощности СБ в нагрузку. Поэтому проведение исследований режимов распределения тока СБ между силовыми модулями и синтез устройства управления, обеспечивающего равномерное распределение тока между силовыми модулями в МСН является так же актуальной задачей.
Наличие у СБ собственной емкости (от нескольких долей до единиц мкФ) обуславливает, с учетом индуктивности силовой цепи ИСН БТ, образование у стабилизатора входного LC- контура. Поскольку система СБ-ИСН БТ-нагрузка является замкнутой системой автоматического регулирования, значит появляются условия для возникновения внутренней положительной обратной связи и возникновения автоколебаний во входном LC- контуре стабилизатора. РІаличие автоколебаний влияет на работу ИСН и ухудшает качество выходного напряжения СЭП. Поэтому, не менее значимой задачей является проведение исследований процессов во входном контуре ИСН для определения условий исключения автоколебаний во входной цепи и выработки рекомендаций по выбору параметров элементов силовой цепи ИСН.
Исследованиями подобных вопросов, связанными с разработкой и производством высоковольтных СЭП. большой мощности занимаются на следующих фирмах: Alcatel (Франция), Lockheed Martin и Plughes (США) [11]. В России высоковольтные СЭП большой мощности разрабатывают и производят в ФГУП "НПО прикладной механики им. академика М.Ф.Решетнева", ФГУП "Полюс", и ФГУП "НПО Энергия". Исследованиями процессов в энергопреобразующей аппаратуре (ЭПА) занимаются в Московском и Самарском государственных авиационных университетах, Московском государственном энергетическом университете, С. Петербургском ВИКИ им. Можайского, Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, Красноярском государственном техническом университете, Сибирском государственном аэрокосмическом университете. Актуальность подтверждается и хозяйственными договорами № 20/2, №22/1 выполненными КГТУ и ГУ НИИ информатики и процессов управления, в период с 2000 по 2004 гг. при участии автора.
Тенденции развития систем электропитания современных спутников связи
В введении показана тенденция увеличения энерговооруженности СС. Объяснить сложившуюся тенденцию можно технико-экономическими причинами и необходимостью соблюдения Международно-правовых отношений.
Технико-экономические причины обусловлены ограничениями, накладываемыми на массу СС со стороны их носителей. Масса СС выводимых на геостационарную орбиту посредством ракеты-носителя «Протон» составляет 2,5 тонны. Французская ракета-носитель «Ариан -5» обладает аналогичными возможностями. Стоимость выведения СС на орбиту весьма значительна, поэтому очевидна необходимость увеличения САС спутников, вплоть до их морального старения [11,38].
Международно-правовые отношения по использованию геостационарной орбиты в целях связи строятся в соответствии с техническими правилами и процедурами, регламентирующими использование диапазонов частот и позиций на геостационарной орбите, которые вырабатываются специализированным учреждением ООН -Международным союзом электросвязи. Еще в 1961 г. Генеральная Ассамблея ООН указала, что «как только это будет практически осуществимо, связь с помощью спутников должна стать доступной всем государствам на всемирной основе, исключающей дискриминацию» [39]. Количество позиций на геостационарной орбите и, соответственно, СС ограничено из-за взаимных помех при работе спутников в общей полосе частот. Так для наиболее употребимых сдвоенных полос частот в 4/6 и 11/14 ГГц количество позиций на геостационарной орбите составляет 100—180. Реализация связи в других частотных диапазонах, выделенных для фиксированной службы возможна, но связана с определенными энергетическими и технологическими трудностями, что является дополнительным фактором, влияющим на рост числа ретрансляторов и энерговооруженности спутников [13].
Вышеназванные причины и определяют тенденцию развития СС и их СЭП. Иллюстрацией этого могут служить сведения, приведенные в таблицах 1.1, 1.2 [11]. В таблице 1.1 показан уровень разработок 85 - 90 г.г. Обобщенной характеристикой энерговооруженности этих спутников связи является средний уровень мощности СЭП в 3-5 кВт и отношение мощности к массе СС около 1-1,5 кВт/т.
Возможности платформ второго поколения, произведенных в начале XXI века, приведены в таблице 1.2. Так на платформе Alcatel Spacebus - 4000 (первый пуск в 2001 г.) мощность СЭП увеличена до 20 кВт по сравнению с 6 кВт для платформы Spacebus - 3000, а на платформе HS - 702 фирмы Hughes (первый пуск состоялся в 1999 г.) - до 13,5 кВт по сравнению с 6 - 8 кВт для платформы HS - 601 HP. У платформы А - 2100 АХХ фирмы Lockheed Martin мощность СЭП увеличена до 10 кВт вместо 3 кВт у платформы А — 2100. Максимальная мощность СЭП в 25 кВт реализована на платформе 20.20.
Обобщенной характеристикой энерговооруженности современных $ф платформ, использующихся для создания спутников связи, является уровень мощности СЭП в 10-25 кВт и отношение мощности к массе СС около 4- 7 кВт/т. Таким образом, следующее поколение тяжелых связных платформ ведущих американских и европейских фирм характеризуется увеличением энерговооруженности как минимум в 3 +- 4 раза при одновременном увеличении срока службы до 15 + 20 лет. Достижение такого скачка оказалось возможным благодаря совершенствованию и оптимизации режимов работы -4J всех компонентов СЭП [13, 39, 40]. Наиболее важным шагом по оптимизации режимов работы компонентов следует считать переход на высокое напряжение на выходе СЭП, позволивший уменьшить потери энергии в кабельной сети, энергопреобразующей аппаратуре СЭП и каналах энергопотребления, а так же снизить массу перечисленных компонентов СС.
Виды первичной энергии, используемой в СЭП СС и способы ее преобразования в электрическую приведены на рис. 1.1. По мере развития бортовой энергетики время от времени предпринимаются попытки переосмысливания приоритетов различных видов источников энергии для космического применения. Так в период бурного развития изотопных и ядерных энергоустановок шли оживленные дискуссии о преимуществе их перед солнечными батареями или динамическими системами с тепловым преобразованием солнечной энергии. Однако практика все расставляла по своим местам. Ядерные источники в виде изотопных генераторов и реакторов деления сегодня не могут конкурировать с солнечными батареями по удельно-массовым характеристикам и будут применяться, очевидно, для задач дальнего космоса [11]. Таким образом, за более чем 40-летнюю историю развития космонавтики не разработаны новые источники энергии для космических аппаратов.
За весь период развития спутников связи с 60-х годов 20-го века и по настоящее время основными источниками энергии являются солнечные фотоэлектрические генераторы - фотопреобразователи (ФЭП) на основе которых изготавливаются солнечные батареи (СБ).
Топологии последовательного стабилизатора с шунтовым принципом регулирования мощности СБ
Возможность создания мощных конверторов с широты о-импульсным режимом регулирования, обеспечивающим высокий КПД конвертора, основана на параллельном включении силовых транзисторов, что позволяет коммутировать токи до сотен ампер и создавать транзисторные устройства мощностью до десятков киловатт. Недостатками мощных конверторов являются сравнительно высокий уровень генерируемых помех, обусловленный импульсным характером процессов регулирования, ограниченные возможности миниатюризации мощности реактивных элементов сглаживающих фильтров, необходимость дублирования целиком всего устройства для обеспечения требуемой надежности.
Устранение перечисленных недостатков в значительной мере возможно при параллельном включении нескольких сравнительно маломощных конверторов. С увеличением мощности энергопотребления СС используется принцип блочно-модульного построения элементов СЭП [2, 24, 36] с параллельным включением ИСН. Импульсные стабилизаторы напряжения, обладающие способностью параллельной работы на общую нагрузку, будем называть силовыми модулями (СМ). Стабилизатор напряжения, образованный параллельным включением нескольких ИСН будем называть многомодульным импульсным стабилизатором напряжения (МСЫ).
Известны схемы параллельного включения СМ, коммутируемых с равномерным фазовым сдвигом во времени [27-КЗО, 36]. Такие схемы позволяют получить необходимую выходную мощность включением различного числа СМ, выполненных на однотипных ИСН. При этом обеспечивается равномерное распределение нагрузок по силовым элементам ИСН [24, 27, 28], уменьшается объём и масса сглаживающих фильтров за счёт увеличения результирующей частоты и уменьшения амплитуды пульсаций коммутируемого тока. Снижения амплитуды коммутируемого тока позволяет снизить уровень помех и улучшить электромагнитную совместимость ИСН с другими радиоэлектронными устройствами СС [25].
Варианты топологических решений МСН с шунтовым принципом регулирования мощности СБ напрямую зависят от конструктивных и технологических решений, принятых при проектировании СЭП в целом и СБ, в частности. Основные решения по топологии СЭП, различаемые по способу секционирования СБ приведены на рис.1.3, рис.1.4. Так при использовании в СЭП одной (или двух) не секционированной СБ топология МСН будет иметь вид показанный на рис. 1.11. При использовании параллельного секционирования СБ (СЭП рис.1.3) топология МСН показана на рис.1.12. В состав МСН (рис.1.11, рис.1.12) входят п СМ, работающих на общую нагрузку с общим выходным фильтром Сф.
Отличие представленных топологий МСН заключается в способе подключения входных цепей СМ к первичному источнику питания, что определяет возможные алгоритмы управления силовыми модулями. Для надежного функционирования МСН с топологией рис. 1.11 необходимо обеспечить равномерное распределение тока СБ между СМ. Учитывая, что СБ работает в режиме источника тока (см. рисі.8, рис.19), то в этом случае условие равномерного распределения тока СБ между силовыми модулями определяет работоспособность данной системы, иначе возможен лавинный (один за другим) выход из строя силовых модулей и не контролируемая передача избытка мощности СБ в нагрузку К достоинствам топологии рис. 1.11 можно отнести простоту резервирования за счет увеличения количества СМ. Поскольку все СМ подключаются к общей СБ мощность которой значительно превышает мощность индивидуального СМ, то отключение вышедших из строя элементов возможно с использованием плавких ставок, включаемых последовательно с силовыми элементами модулей. К недостаткам данной топологии можно отнести наличие условия равномерного распределение тока между СМ, что усложняет устройство управление СМ.
Для топологии МСН рис.1.12, при разбиении всей СБ на п секций с током короткого замыкания 1Кз каждой секции в пределах 7- 15 А используется подключение к секции СБ одного СМ. В этом случае ток 1СМ СМ ограничивается величиной тока 1Кз секции СБ и обеспечивать выравнивание токов между СМ нет необходимости. При таком построении МСН возможно использование алгоритма управления, основанного на разнесении зон стабилизации напряжения между индивидуальными СМ. Тогда, стабилизация выходного напряжения осуществляется путём работы одного из п СМ в режиме ШИМ, при этом остальные п-1 СМ находятся в состоянии включено либо отключено. Количество включенных и отключенных СМ и следовательно секций СБ зависит от текущей мощности PH(t) нагрузки.
К достоинствам топологии рис Л. 12 можно отнести простоту алгоритма управления. К недостаткам топологии рис.1.12, кроме указанных разделе 1.2, относится сложность процедуры отключения вышедших из строя силовых элементов модуля, т.к. ток секции СБ и допустимый ток 1см одинаковой величины, то использование плавких вставок невозможно. Следовательно, необходимо использовать электромеханические устройства, которые ухудшают массогабаритные характеристики СЭП.
Вариант топологии МСН при совместном использовании двух представленных ранее решений приведен на рис.1.13. В МСН рис.1.13 стабилизация выходного напряжения осуществляется ИСН, который состоит из группы параллельно работающих и подключённых к одной секции СБ СМ. Коммутация секций СБ осуществляется коммутируемым устройством (КУ), который состоит из п модулей (КМІНСМи), по количеству секций СБ. Количество включенных и отключенных КМ и следовательно секций СБ зависит от текущей мощности PH(t) нагрузки.
Подключение секций СБ к выходу СЭП может осуществляться путем непосредственной коммутации посредством коммутатора как последовательно включенным электронным ключом, так и параллельно включенным ЭК совместно с последовательно включенным диодом (рис. 1.4). Коммутация последовательным ЭК на базе МДП транзистора предпочтительнее, поскольку падение напряжения на нём меньше, чем на диоде, а сам МДП транзистор в статическом режиме практически не потребляет энергию на управление. Однако если проблема высокого напряжения СБ по каким либо причинам не решается с помощью УОН (рис. 1.10), то остаётся приемлемым вариант коммутации СБ параллельным ЭК совместно с последовательным диодом (рис. 1.18).
Модель ИСНБТ по регулируемым составляющим процесса
Силовая цепь ИСН БТ (рис.2.1) содержит регулирующий элемент 1, состоящий из управляемого электронного ключа УЭК и диода VD, дросселя L, конденсатора С. Ко входу ИСН подключена солнечная батарея СБ. Для участка вольт-амперной характеристики СБ с малым изменением тока (токовый участок) принята схема замещения, содержащая источник тока / и параллельное сопротивление КБС. решения задачи синтеза оптимального по быстродействию закона управления ИСН БТ воспользуемся подходом [2], который основан на разделении процессов ШИМ в ИСН на стационарный и процесс широтно-импульсного регулирования (ШИР) в «окрестности» стационарного режима. Такое представление процесса ШИМ позволяет воспользоваться хорошо разработанным математическим аппаратом дискретных систем с амлитудо-импульсной модуляцией (АИМ) [3].
Из общего процесса в ИСН с ШИМ выделим стационарный процесс, соответствующий неизменной длительности їрістимпульсов управления УЭК и процесс ШИР, обусловленный приращением длительности tM импульса управления на величину tMP относительно стационарной длительности tHCr- В окрестности стационарного режима, когда (2.1) tHP«r, где Т - период преобразования, ИСН с ШИМ заменется моделью с АИМ, в которой импульсы тока с амплитудой ІС.Р.А(Ї) И длительностью tMI , воздействующие со стороны регулирующего элемента на конденсатор С, заменяются эквивалентными по ампер-секундной «площади» -функциями. Процесс изменения тока Ic(t) и напряжения Uc(t) на емкости конденсатора С с разделением на регулируемую (помечена индексом «Р») и стационарную (помечена индексом «СТ») составляющие, показан на временных диаграммах (рис.2.2). При этом в качестве нагрузки ИСН БТ принят источник тока с величиной тока /№ а ток //; через резистор ИБС в диапазоне рабочих напряжений СБ (рис.2.1) принят из условия: IR «1ВС, где /дс - ток солнечной батареи, что позволяет считать: " C(z-Y) С(г-1) V J Синтез передаточной функции устройства управления Wy_A(z) системы (рис.2.4) осуществим с использованием третьего полиномиального уравнения.
Применение для синтеза закона управления третьего полиномиального уравнения [3], позволяет достичь грубости и осуществимости системы с минимальной конечной длительностью переходных процессов в условиях вариации параметров силовой цепи. Это весьма важно, особенно для ИСН с большим ресурсом работы, поскольку «грубость и осуществимость» говорит о малом влиянии на качество управления деградационных изменений параметров цепей управления, а допустимость «вариации параметров силовой цепи» предполагает сохранение минимальной конечной длительностью переходных процессов при деградационных изменениях параметров элементов силовой цепи. В свою очередь минимальная конечная длительность переходных процессов гарантирует системе бесконечную степень устойчивости (удалённость корней характерестического полинома в бесконечность).
Для анализа динамических характеристик ИСН БТ с устройством управления имеющим передаточную функцию (2.10) определим временные К(тТ) и переходные h(mT) характеристики для выходного напряжения UBhix(t) по задающему Ug(t) и возмущающему воздействиям, току нагрузки 1н(0.В разделе 2.2 показано, что нагрузка ИСН БТ не оказывает влияния на процесс регулирования. Это позволяет представить передаточную функцию непрерывной части ИСН БТ передаточной функцией его выходного фильтра (2.6). m = О, m 1.
Следовательно, переходной процесс по задающему воздействию Ug(t) имеет конечную длительность, равную одному периоду Т.
Для импульсной модели (рис.2.4) возмущение со стороны нагрузки можно представить в виде импульсного воздействия с ампер-секундной «площадью» SAfj(mT)-IAH(mT)S (t), где S\t)- S(t mT) последовательность 5 w=l функций с периодом Т. Ток нагрузки ИСН БТ является непрерывной функцией Ifift) и величина его воздействия на интервале Т определется iS /;( ) = ///(f )r, где t - текущее время между соседними интервалами тпТ и (m-l)T. При соблюдении адекватности непрерывного и импульсного воздействий выполняется условие SA1!(mT) = Sff(t ) = IAH(mT)S\t) = IH(t )T. Поскольку 5-функция представляет собой импульс единичной площади, значит адекватное импульсное воздействие со стороны нарузки определяется выражением IAJt(mT) = IH(t )T, (2.16) где In(t) - ток нагрузки; Т - коэффициент пропорциональности численно равный периоду преобразования.
Поэтому цепь, учитывающую возмущение со стороны нагрузки в импульсную модель ИСН БТ необходимо дополнить пропорциональным звеном с коэффициентом Т (рис.2.7а). Преобразуем схему рис.2.7а, перенесём через сумматор звеио Т в результате получим схему (рис.2.7,6) импульсной модели по возмущающему воздействию, исходя из которой определим передаточную функцию ИСН БТ по току нагрузки, т.е. его выходное сопротивление:
Реализация импульсных законов управления в многомодульном ИСН
С использованием математического аппарата импульсных систем автоматического управления, в данном случае третьего полиномиального уравнения синтеза, произведён синтез корректирующего устройства ИСН, как импульсной системы с АИМ. В результате получена передаточная функция корректирующего устройства в виде пропорционального звена Wy(z) = C, где С - коэффициент пропорциональности, численно равный ёмкости конденсатора выходного фильтра ИСН БТ.
С использованием модели ИСН с АИМ проведены исследования динамических свойств стабилизатора. Так переходная hz(mT) характеристика для выходного напряжения по возмущающему воздействию со стороны ёмкость конденсатора выходного фильтра ИСН, m = 0, 1, 2, 3, ... - дискретные моменты времени. Следовательно процесс стабилизации выходного напряжения при ступенчатом изменении тока нагрузки на величину ±Д/# завершается за один период Т, величина отклонения напряжения на выходе, согласно hz(mT) составляет AU В главе представлены два способа реализации в ИСИ с ШИМ синтезированного для системы с АИМ корректирующего устройства. Способ формирования входного сигнала модулятора XJsx.u(t) по мгновенным значениям напряжения на конденсаторе выходного фильтра и способ определения входного сигнала модулятора в дискретные моменты времени тТ, которые совпадают с началом тактовых импульсов модулятора.
При реализации устройства управления первым способом проведён анализ влияния пульсации напряжения конденсатора выходного фильтра на процесс формирования модулятором импульсов управления ЭК. В результате анализа получено, что при реализации закона управления, определяемого синтезированным корректирующим устройством, необходимо учитывать как стационарную, так и динамическую составляющие пульсаций выходного напряжения. Стационарная составляющая обусловлена установившимся режимом работы ИСН. Динамическая составляющая определяется характером свободных процессов в выходном фильтре стабилизатора при возмущениях со стороны нагрузки и первичного источника.
Исследования динамических характеристик ИСН БТ показали полное соответствие результатам, полученным для модели стабилизатора с АИМ.
Проведены исследования влияния на основные характеристики стабилизатора изменения параметров: силовой цепи ИСН БТ; параметров первичного источника и устройства управления. В результате установлено:
1) Для сохранения устойчивости ИСН БТ допустимая величина отклонения ЛС ёмкости конденсатора фильтра в сторону уменьшения не должна превышать 0.5 С ном, где Сном - номинальное значение ёмкости фильтра, используемое при определении Копт 2) Уменьшение величины тока первичного источника на устойчивость ИСН влияния не оказывает. Значение тока СБ имеет максимальное значение в начале САС и постепенно снижается к концу САС. Следовательно, на этапе выбора элементов устройства управления, которые определяют величину коэффициента Копт, необходимо руководствоваться максимальной величиной тока СБ, соответствующего значению в начале САС. 3) Изменение параметров устройства управления, приводящее к уменьшению Копт влияния на устойчивость ИСН БТ не оказывает. В случае увеличения Копт, допустимое отклонение ЛКопт не должно превышать величины 2К0ПТ, где величина Копт определена для номинальных значений параметров ИСН БТ. При этом необходимо учитывать допустимое снижение ёмкости фильтра, т.к. уменьшение ёмкости равнозначно увеличению Копт 4) Перечисленные выше отклонения параметров ИСН БТ приводят к незначительному ухудшению динамических характеристик стабилизатора. Так при увеличение коэффициента передачи усилителя Копт сигнала рассогласования в два раза длительность переходных процессов возрастает от одного до 2-=-3-х периодов Г преобразования.
Результаты исследований показывают, что полученный закон управления обеспечивает ИСН БТ «грубость» в условиях вариации параметров стабилизатора. Исследования динамических характеристик ИСН БТ также показали, что наличие внутреннего Re конденсатора фильтра С оказывает влияние на процесс широтно-импульсного регулирования и приводит к отклонению данного процесса от оптимального. Для исключения влияния Rc предложен способ формирования входного сигнала модулятора с использованием динамического наблюдателя напряжения конденсатора выходного фильтра. Этот способ основан на получении сигнала идн(1), соответствующего динамической составляющей напряжения Uc(t) конденсатора выходного фильтра путём интегрирования тока Ic(t) конденсатора, взятого с коэффициентом 1/С, где С - емкость конденсатора выходного фильтра. Охват динамического наблюдателя Н контуром отрицательной обратной связи (ООС), включающим интегратор сигнала рассогласования с коэффициентом Кр, обеспечивает астатизм выходного напряжения стабилизатора.
Для сохранения качества динамических характеристик стабилизатора определена допустимая величина коэффициента передачи КР интегратора сигнала рассогласования. При этом учитывалось, что в выходном сигнале интегратора присутствует составляющая напряжения пропорциональная 1/ди(і), получаемая за счёт интегрирования величины Ic(t)Rc. В итоге допустимая величина Кр определяется системой неравенств (2.100).
