Введение к работе
Актуальность темы
Любой космический аппарат (КА) является комплексом взаимосвязанных
систем различного назначения. Система электроснабжения (СЭС) является
важнейшей составляющей КА, предоставляющей возможность остальным
системам функционировать в заданных режимах, обеспечивая их непрерывным
электропитанием требуемого качества. Расширение функциональных
возможностей и повышение технических характеристик КА обуславливает постоянное совершенствование СЭС по снижению массы и габаритов при заданной мощности с одновременным сохранением или улучшением энергетических характеристик, показателей надежности, повышению качества энергопитания в широком диапазоне условий эксплуатации при длительных сроках активного существования.
Наряду с сохранением высокой энергоэффективности все более актуальны работы по унификации СЭС, повышению их гибкости, построения в зависимости от требуемой выходной мощности, снижению сроков и стоимости создания подобных систем. Все современные СЭС строятся по модульному принципу, при этом каждой подсистеме относится свой тип силовых модулей. Резерв таких систем зачастую обеспечивается за счет введения в них избыточных дополнительных модулей.
Следовательно, актуальной научно-технической задачей является
разработка унифицированного силового модуля (УСМ) СЭС КА,
обеспечивающего стабильные выходные параметры, на основе
комбинированного понижающе-повышающего преобразователя постоянного напряжения (ППН) и способного работать в зависимости от команд управления в различных подсистемах. Динамические и статические характеристики данного модуля должны быть рассмотрены с учетом нелинейных динамических характеристик импульсных ППН. Решение этих задач позволит значительно сократить объем разработки и доработки комплексов автоматики и
стабилизации (КАС) СЭС КА, а также уменьшит вероятность возникновения недетерминированных процессов во время штатной эксплуатации.
Степень разработанности
В результате изучения технической литературы по данной тематике и
проведения сравнительного анализа установлено, что исследованиями и
разработкой СЭС КА в РФ и в мире занимаются такие предприятия как
АО «ИСС» (г. Железногорск), АО «РКЦ «Прогресс» (г. Самара), ФГУП «НПО
им. С.А. Лавочкина» (г. Химки), АО «КБ «Арсенал» (г. Санкт-Петербург),
ПАО «РРК «Энергия» (г. Королев), АО «НПЦ «Полюс» (г. Томск),
АО «АВЭКС» (г. Москва) и др., из зарубежных компаний наибольшего успеха в данной области достигнуты компаниями Lockheed Martin (США), Boeing (США), EADS Astrium (Германия-Франция) и др.
Применительно к вопросам расчета, проектирования и исследования импульсных преобразователей постоянного напряжения (ППН): понижающего (англ. DC-DC Buck), повышающего (англ. DC-DC Boost) и понижающе-повышающего (комбинированного) (англ. DC-DC Buck-Boost) типа свои работы проводили такие отечественные и зарубежные ученые: Г.С. Зиновьев, В.М. Мелешин, А.В. Кобзев, В.С. Моин, Ю.М. Казанцев, R. Mek, A. Kuperman, S. Malki и др.
В вопросах же исследования нелинейных динамических свойств импульсных ППН наибольших успехов достигли В.С. Баушев, А.В. Кобзев, Г.Я. Михальченко, С.Г. Михальченко, Ж.С. Жусубалиев, А.И. Андриянов, Г.А. Белов, М.И. Фейгин, М. Фейгенбаум и др. Из зарубежных авторов стоит отметить работы: C.K. Tse, Z. Shuai, X. Zhang, B. Basak, S. Tian, J. Cortes и др.
Однако, несмотря на большой объем проведенных исследований на сегодняшний день, недостаточно освещены и проработаны вопросы по определению и выбору номиналов компонентов схемы с учетом нелинейных динамических характеристик ППН, а также применению комбинированного ППН в качестве основы для построения силовых модулей КАС СЭС КА.
Количество ежегодно публикуемых работ зарубежных и отечественных ученых свидетельствует об устойчивом научном и практическом интересе к вопросам, связанных с повышением качества управления ППН, а также расширению области их практического применения.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка УСМ на основе комбинированного понижающе-повышающего ППН, с системой управления, основанной на широтно-импульсном регулировании, при длительной эксплуатации, с учетом нелинейных динамических характеристик импульсных ППН.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:
-
Разработана численно-аналитическая математическая модель комбинированного ППН, основанная на дифференциальных уравнениях первого порядка, учитывающая нелинейные элементы схемы при работе на активную и аккумуляторную нагрузки с пропорциональным и пропорционально-интегрирующим звеньями в цепи обратной связи системы управления, обеспечивающей работу преобразователя в режиме стабилизации выходного напряжения.
-
Разработана имитационная модель комбинированного ППН при работе на активную и аккумуляторную нагрузки с пропорциональным и пропорционально-интегрирующим звеньям в цепи обратной связи системы управления.
-
Разработаны алгоритмы получения мгновенных значений токов и напряжений на элементах схемы, оценки статических и динамических характеристик, а также построения бифуркационных диаграмм в зависимости от изменения параметров системы управления и компонентов силовой части комбинированного ППН.
-
Определены закономерности смены динамических режимов с применением теории бифуркаций;
-
Создан прототип УСМ, предназначенного для функционирования в составе КАС СЭС КА.
-
Верифицированы численно-аналитическая математическая и имитационная модели по результатам экспериментального исследования работы УСМ.
Объектом исследования диссертационной работы является
энергопреобразующая аппаратура СЭС КА.
Предметом исследования являются электромагнитные процессы в силовой цепи комбинированного ППН, его динамические и статические характеристики, а также поведение работы преобразователя при длительной эксплуатации.
Научная новизна работы:
-
Предложена структура построения СЭС КА с УСМ на основе комбинированного ППН, отличающаяся от аналогичных СЭС КА наличием динамического резервирования силовых модулей.
-
Разработана численно-аналитическая модель комбинированного ППН на основе дифференциальных уравнений первого порядка, учитывающая нелинейные элементы схемы с системой управления, основанной на широтно-импульсном регулировании, с пропорциональным и пропорционально-интегрирующими звеньями в цепи обратной связи.
-
Определена зависимость граничного коэффициента усиления сигнала ошибки от входного напряжения, тока нагрузки, емкости выходного фильтра для нахождения областей работы комбинированного ППН в одноцикловых режимах.
Практическая значимость:
1. Разработан УСМ со стабилизацией выходного напряжения
КАС СЭС КА на основе комбинированного ППН мощностью 300 Вт с выходным током от 1 до 10 А, работающий в одноцикловых режимах, характеризующихся пульсациями выходного напряжения менее 0,5 % и перерегулированием выходного напряжения не более чем на 3,5 %, с КПД не
менее 94 % в режиме повышения и не менее 95 % в режиме понижения входного напряжения;
-
Разработанная математическая численно-аналитическая модель комбинированного ППН может быть использована для оценки его статических и динамических характеристик с погрешностью не более 5 %;
-
Разработанные методики и полученные зависимости для анализа комбинированного ППН могут быть использованы для автоматизированного проектирования УСМ СЭС КА в зависимости от требуемой выходной мощности силовых модулей, с учетом изменения параметров схемы при длительной эксплуатации. Это позволяет повысить качество проведения граничных испытаний, а также сократить этапы настройки и отладки готового устройства.
Положения, выносимые на защиту:
-
Предложенная структурная схема построения СЭС КА с УСМ на основе комбинированного ППН, позволяет обеспечить динамическое резервирование в КАС СЭС КА, снизить номенклатуру силовых модулей и уменьшить массу резервных силовых модулей более чем в два раза.
-
Разработанная численно-аналитическая математическая и имитационная модели комбинированного ППН с системой управления на основе широтно-импульсного регулирования с пропорциональным и пропорционально-интегрирующим звеньями в цепи обратной связи с активной нагрузкой позволяют проводить оценку статических и динамических характеристик преобразователя с погрешностью не более 5 %.
-
Полученные зависимости коэффициента пульсации и m-цикловости выходного напряжения в зависимости от параметров силовой части и системы управления позволяют проектировать УСМ, функционирующий в одноцикловых режимах в течение срока активного существования КА.
-
Разработанный алгоритм нахождения скважности коммутационных компонентов комбинированного ППН, позволяет определить с точностью не
менее 0,1 % моменты коммутации ключевых компонентов, обеспечивающих одноцикловый режим работы устройства.
5. Полученная эмпирически зависимость граничного коэффициента усиления сигнала ошибки от входного напряжения, тока нагрузки и емкости выходного фильтра позволяет определить границы областей оптимальной работы комбинированного ППН с точностью не менее 4,5 %.
Методология и методы исследования:
Проведенные исследования базируются на положениях общей теории
электротехники, теории нелинейных электрических цепей, теории однородных
дифференциальных уравнений и вычислительных методах. Основные
теоретические положения проверяются путем экспериментальных
исследований на макете силового модуля. Для компьютерного численно-аналитического моделирования использован пакет Matlab. Имитационное моделирование реализовано в программе LT Spice IV.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и
рекомендаций подтверждается соответствием полученных научных
результатов выводам общей теории электротехники, теории нелинейных электрических цепей. Сравнением численно-аналитического, имитационного моделирований с экспериментальными результатами.
Соответствие паспорту специальности
Диссертационная работа полностью соответствует паспорту
специальности 05.09.12 – «Силовая электроника», п.1 «Разработка научных
основ создания схем и устройств силовой электроники, исследование свойств и
принципов функционирования элементов схем и устройств»,
п.2 «Теоретический анализ и экспериментальные исследования процессов
преобразования в устройствах силовой электроники с целью улучшения их
технико-экономических и эксплуатационных характеристик»,
п.4 «Математическое и схемотехническое моделирование преобразовательных устройств», п.5 «Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих адекватное отражение в моделях физической
сущности электромагнитных процессов и законов функционирования устройств силовой электроники».
Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема исследований, изложенных в диссертационной работе, разработке алгоритмов и методик исследований, обобщение полученных результатов и формулировке основных выводов. Все теоретические и практические результаты работы получены и систематизированы автором лично.
Автор выражает благодарность Михальченко С.Г. за помощь в разработке
и реализации методов математического численно-аналитического
моделирования комбинированного ППН.
Реализация результатов работы
Результаты работы и методики расчета внедрены в опытно-констукторские разработки предприятия АО «НПЦ «Полюс» (г. Томск) при проектировании силовых модулей КАС СЭС КА, а также внедрены в учебный процесс на факультете электронной техники ТУСУР (г. Томск).
Апробация работы
Основное содержание работы представлялось и получило положительную оценку на следующих конференциях: XI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2014 г.); всероссийской конференции «Научная сессия ТУСУР» (Томск,
-
г., 2015 г., 2016 г.); XVIII, XIX и XX Международной научно-практической конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2014 г.,
-
г., 2016 г.); IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» («IV Козловские чтения»), (Самара, 2015 г.); научно-технической конференции молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 2015 г., 2018 г.).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликованы 20 печатных работ, включая 6 работ в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК
РФ, 1 статью, индексируемую в Scopus. Получен патент РФ на полезную модель. Основные публикации перечислены в конце автореферата.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертационная работа объемом 132 страницы основного текста состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и списка используемой литературы из 152 наименований и 5 приложений. Содержит 41 таблицу и 90 рисунков.