автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Управление токораспределением в многомодульных системах электроснабжения космических аппаратов

6 од

8 |)Д:Н Iе'"

Государственный Комитет РФ по высшему образованию Сибирская Дэрокосиическая Академия

Ча правей рукопись.

НОСКОВЛ Елена Евгеньезна

УПРАВЛЕНИЕ ТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ В МНОГОМОДУЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

05.13.01 - Управление в технических системах

АВТОРЕФЕРАТ' диссертг-'ии на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 1995

Работа выполнена на кафедре систем автоматического управления Сибирской Аэрокосмической Академии

Научный руководитель - доктор технических наук,

Ловчиков А.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

Иваичура В.И., кандидат технических наук, Ерощенков В.А.

Ведущая организация - Научно-производственное

объединение прикладной механики

Защита состоится 199^г. в ^ час, на

заседании специализированного Совета К064.46.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Сибирской Аэрокосмической Акрчемии по адресу: 660014. Красноярск, проспект имени газеты "Красноярский рабочий". 31.

Ваш отзыв, заверенный печатью, просьба высыпать по адресу: 660014, Красноярск, а/я 486. ученому секретарю специализированного Совета Ильину В.А.

Автореферат разослан " ^^^Р1995г.

Ученый секретарь

специализированного Совета

д.т.н., профессор __Илыш В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В последние десятилетия успехи ракетной техники, кибернетики, радиоэлектроники расширили возможности исследования космического пространства. Изучение околоземного и дальнего космического пространства, формирование систем спутниковой связи для решения задач телевещания, радиовещания, стационар-нон радиосвязи приводят к необходимости увеличения срока эксплуатации космических комплексов и их основ.. - космических аппаратоз. Это требует развития и совершенствования космических аппаратов (КА) различного назначения.

Особое внимание при отои уделяется системам электроснабжения (СЗС) космических аппаратов, средствам их исследования и проектирования. ГЭС определяет ресурс работы КА. его основные эксплуатационные характеристики, занимает по массе, объему и стоимости до 30% самого КА. Поэтому проблема создания высокоэффективных систем электроснабжения КА имеет важное значение и ее решение может заме.ло улучшить технико-экономические показателя космического аппарата в целом.

Основными тенденциями развита., современных СЭС являются разработка схемных и конструктивных решений, оптимизированных по критерию длительности фу.кционнрования КА и увеличению мощности системы электроснабжения. Возросшие треб^чания к качеству выходного напряжения СЭС, уменьшению ее уассогабаритпых показателей, эффективности использования источников и накопителей энергии привели к необходимостг применения регулирующих ч преобразовательных устройств, к которым присоединяются все энергопотребители. Совершенствование структур! СЭи введением регулирующих устройств существенно улучает технические характеристики, но приводит ¡с усложнению схемы построения. Одновременное удовлетворение требований увеличения мощности и надежности СЭС КА достигается за счет параллельного подключения маломощных источников к энергопотребителям. Первичные источники параллельно подключенные через преобразовательные устройства к знергопотребителям называются модулями. а СЭС в целом многомодульной системой электроснабжения.

Основной проблемой, возникающей при проектировании многомодульных ГЭС. является обеспечение равномерной загрузки модулей и выбор законов управления модулями с обеспечением заданных показателей качества выходного напряжения. При этом необходимо решать задачи обеспечения надежности и качес.ва разработок, снижение их

стоимости ч времени, что связано с разработкой методов и алгоритма нсследов'чий и "ооектирования многомодульных СЭС, которые могут использоваться при изменении проектных и целевых условий.

К jrne задачи данной проблемы уже pi ..сны в той или иной степени. В работах Конева Ю.И.. Букреева С.С.. Головацкого В.*., Довбыш В.Д.. Кадацкого А. И., Любчеикэ Ю.М., Олейннк !!. И.. Юрченко Д. И. достаточно полно освещены вопросы et^дания и исследования мощных многофазных преобразователей напряжения с последовательным регулирующем элемент м. ¿.опросам исследования СЭС. построенных на основе параллел-чо соединенных модулей, посвящены работы Чернышева А.. . Исляева Ш.Н., Соустина Б. П.. йванчуры В.И.. Казчнцева Ю.М.. Казанцева A.B. Рассмотрению устойчивости и синтеза, анализу переходных и установившихся процессов в импульсном стабилизаторе напряжений посвящены научные разр- Чотки Мелешна В. П.. Опадчего Ю.Ф., Соустина Б.П.. Иванчуры В.И.. Ловчикова А.Н., Казанцева A.B., Mai. нова A.B., Кобзева А.В , Баушева B.C.. Михальченко Г.Я.

Несмотря на большой опыт в эке.шуатации и проектировании КА, решении '.опросов проектирования, изготовления а испытанмЯ систем электроснабжения, вопроси обеспечения заданных динамических свойств .»ри проектировании СЭС, построенных по модульному принципу. 'остаются малоизученными и решаются экспериментальной отладкой, что отнимает много времени и требует высокой квалификации настройщиков. В связи с этим задачи анализа инамики многомодульных СЭС КА. разработки методики ее синтеча, разработки средств автоматизации .роцесса проектирования многомодул! шх СЭС являются акт1.льнши.

Цель работы: исследование многомодульных систем электроснабжения кмичских аг "аратов и разработка методики их синтеза для обеспечения высоких статичесмх и динамических показателей систе-ю.' н._ основе методов математического моделирования и систем автоматизированного проектирования.

Для достижения поставленной цели необходим решить следующие задачи: разработать математические модели модуля для анализа и синтеза на разных sталах проектиров?чия СЭС: исследовать влиг те изменения арамотов модуля "а токораспределение между модулями СЭС: разработать алгоритм исследований электромагнитных процессов с применение 1 с лтг t автоматизированного проектирования (САПГ). позволяют проводить .исследования многомодульной СЭС с различны-

ни законами управления: разработать методики синтеза мноюмодуль-ной СЭС и автоматизированных исследований с применением САПР.

Методы исследования: методы теории электрических цепей, теории автоматического управления, математического моделирования, моделирования с помощью САПР.

Научная новизна состоит в следующем: разработаны математические основы анализа и синтеза многомодульной СЭС с последовательным импульсным преобразователем как квазинепрерывной нелинейной системы, позволяющие решать задачи создания СЭС с заданными статическими и динамическими характеристиками: разработан алгоритм определения устойчивости многомодульной СЭС. сформулированы условия отсутствия многочастотных колебаний выходного напряжения: разработаны методы исследования электромагнитных процессов многомодульных СЭС по мгновенным значениям на.основе программ автоматизированного проектирования, позволяющие существенно сократить затраты машинного времени при расчете установившихся и переходных процессов в многомодульных СЭС: показаны зависимости показателей качества , выходного напряжения и "токораспределения между модулями СЭС при различных законах управления модулями в функции параметров схемы управления СЭС: разработаны алгоритмы автоматлзирован-кого проектирования многомодульных СЭ.С КА с применение)? пакетов программ моделирова"ия, позволяющие существенно сократить затраты на исследования и создание СЭС. -

Практическую ценность диссертационной работы составляют: совокупность математических моделей и алгоритмов, позволяющих получить единый подход к исследованию и проектированию многомодульных СЭС на различных этапах проектирования: методика определения условий возникновения гшогочастотных колебаний-выходного напряжения СЭС; схемотехнические решения построения модуля СЭС. обладающего высокими покозателями качества выходного напряжения и методика синтеза модуля СЭС: методика применения программы схемотехнического моделирования Р5р1се при проектировании многомодульной СЭС.

На защиту выносится:

1. Математическое описание процессов в многомодульных системах электроснабжения космических апп; ратов которое позволяет решать зада^« проектирования, исследования, синтеза, с различной степенью детализации на разных этапах проектирования.

2. Условия возникновения многочастотных колебаний выходного

напряжешь е многомодульных СЭС и способы их устранения.

3. Зави имость неравномерности токораспределения между модулями СЗС от технологического разброса параметороз модуля и усло-иие выравнивания токов между модулями при одноконтурном управлении.

4. Результаты исследований электромагнитных процессов в многомодульной СЭС с многоконтурным управлением с различными законами управления з виде зависимостей от параметров схемы управления.

5. Разработанная методика построения моделей и выбора режимов работы при ' ^пользовании программы моделирования PSpice. которые существенно уменьшают затраты машинного времени при заданной точности расчетов на исследование и проектирование СЭС.

Практическая реализация Полученные в диссертации результаты использовались при выполнении научно-исследовательских работ в области создания систем электроснабжения повышенной мощности в НПО прикладной ..еханики. Научны" результаты диссертации включены ь программы учебных курсов "Автоматизированное проектирование систем правления летательных аппаратов", "Системы автоматизированного проектирования систем автоматического управления" специальности 21.07, читаемых на кафедре системы автоматического управления Сибирской аэрокосмической академии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на третьем Российско-китайском семинаре по аэрокосмической технике, состоявшемся в Сибирской Аэрокосмической Академии в 1994 г ¡ду: на второй научно-практической конференции "Проблемы информатизации города", Красноярск. 1993г.; на региональной конференции "Прогрессивные материалы, технологии, конструкции". К{ чсноя^к. С.'\. 19-/5г.; на краевой межвузовской конференции "Студент, цивилизация, прогресс, человечество". Красноярск. CAA. 1945г.: на заседании кафедры систем автоматического управления Сибирской Аэрокосмическ^й Академии.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 3 статьях, выпущено два научно-технических отчета.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения. 4 глав, заключо.ля и приложения. Работа содержит 130 страниц машинописного текста. 63 рисунка, список литературы 64 наименования

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность результатов исследований.

В первой главе рассмотрены особенности построения многомодульных систем электроснабжения космических аппаратов, существующих методов исследования, анализа и синтеза, сформулированы задачи исследования.

Анализ различных режимов работы многомодульной СЭС. в ко.о-рой солнечная батарея используется как первичный источник, а аккумуляторная батарея как накопитель энергии, показал, что наиболее значительной является проблема обеспечения равномерн *й загрузки модулей при их работе в режиме разряда аккумуляторных батарей (рис.1). Равномерная загрузка модулей необходима для достижения максимального ресурса работа всей СЭС. На основе этого поставлены задачи, которые необходимо решить для исследования характеристик, многомодульной СЭС в "режиме рагчзяда АБ. В этом случае один модуль системы содержит аккумуляторную батарею с индивидуальны!-! разрядным устройством (рис.2). В рассматриваемой схеме в качестве регулятора разряда используется импульсный стабилизатор постоянного напряжения (ИСН) понижающего'типа, который с целью повышения коэффициента полезного действия строится по схеме с ши-ротно-импульсной модуляцией.

Сложность решения поставленных задач исследования многомодульной СЭС заключается в высокой размерности уравнений состояния. существенно нелинейном характере протекающих процессов в системе, непостоянством.ее структуры. Отмечено, что несмотря на существование большого количества работ, посвященных параллельной работе первичных источников не полностью исследовано влияние технологического разброса параметров элементов СЭС на распределение тока, нет оценки влияния различных законов управления на статические и динамические показатели системы.

Показано, что качественное решение поставленных задач возможно с применением математического мпелнрования процессов в СЭС, а анализ особенностей моделирования показал, что для исследования СЭС в установившихся режимах достаточно приближенных моделей. При решении задач синтеза необходимо нспользгтать модели.

' 1 1 ' 1

iJ.MiiAd.i ни {i

'fl.i.'Uf пф cj)

'o(l.l,.>itOfl.I,.)A ;ЮНГ'к.<Ь:иг| -'p,.xliM,i'9 Ki-uido.i.i'.ir MN\.SN<; - fIV

i oik!

; IV ''i i'.di.i'd . > (V11 ж • j ( !

и .}(;,) "i\. > I'.'MiflA.l.M \(I.i.)

»

■позволяющие применять частотные нетиды. для проведения исследований переходных процессов необходимо привести математическое описание. предполагающее расчет электромагнитных проц :соз в СЭС по мгновенным з"1чениям с помощью программ моделирования.

Лпя исследования многомодульной СЭС был выбран пакет прог рамм схемотехнического моделирования РБр1се 5.1 на основании функциональных возможностей и быстродействия, которые являются стандартом для программ, моделирующих аналоговые и цифровые устройства. Применение пакета прикладных программ РБр1се длп автоматизированного проектирования многомодульных СЭС КА позволило : томатизировать трудоемкие и рутинные расчетные работы, применять методы многовариантного проектирования, реализовать системный подход к проектированию СЭС, сократить время проектирования и повысить качество разработок.

Во второй главе разработана Математическая модель многомодульной ''СЭС для анализа установившихся процессов, определено влияние изменения параметров эламентов СЭС на токораспределение между модулями с помощью пакета программ Р&р1се.в Модуль СЭС представлен схемой замещения, изображенной на рис.3.

В основе исследования установившихся процессов лежит представление СЭС с широтно-импульсным преобразователем как -квазинепрерывной системы автоматического регулирования. МатематнчеЬкое описание осуществляется по средним значениям за период коммутации. Систем дифференциальных уравнений, описывающая процессы в СЭС по средним значениям переменных имеет вид

С,иС1 (П = 1,.Ц) - 1г(Щ(П .

1И1, (!.) Е - Г„ I, (С) - и, (О

С, иС1 (Пгс, - и, (С) - иС1 (О

Сгис2 ( Ь) = 1г(и - 1М(С)

1,Л„П) - 1„и) - и,„(1)Ун . .

ЬПр1м(1) » иг'г.) - 1ии)г„р - и,и(Ь)

Сгисг (С)гс-г = и2.(С) - \]сг{Ц "

Ыг.Ц - и, (1 Г,

ЧЬ—1=>

• К о

О î-

-(П]—

70;

Т„

у(1) ■-- — - относительная длительность с крытого

Т ключа К (рнс.З), тн время замыкания ::люча. Т - период коммутации.

Значение определяется с узтом инерционности ключа т из равенства

та+т) = к(иоп - и2(1})

где 5: - коэффициент передачи киротно-гошульоного модулятора (1ШШ).

Система уравнений (3) получека при допущении, что и! (и н 1г Ш за период коммутации изменяются незначительно. Математическое описание процессов в одном модуле СЭС (1) используется при анализе „становившихся процессов и устойчивости многомодульной системы электроснабжения. Полученная математическая модель СЭС является нелинейной квазниепрерывной моделью. Нелинейность объясняется наличием в системе дифференциальных уравнений произведения координат и ограничением диапазона изменения 0 < \(Г.) < 1.

Исследования установившихся процессов в многомодульной СЭС проводились для определения причин и оценки технологического разброса параметров элементов модуля на распределение тока нагрузки между модулями СЭС. Из исследований проведенных ранее известно. что наибольшее влияние на процессы токораспределения 8 установившемся режиме оказывают опорное напряжение Ш011). напряжение источника питания н коэффициент передачи ШИМ. Для уменьшения разности между токами модулей, возникающей из-за изменения иоп, при построении системы необходимо использовать схему у. рав-ления с одним общим ШИК Для всех модулей, либо обеспечн~ь идентичность источников опорного напряжения при использовании схемы управления с ШИМ в каждом модуле.

На модели (1!, реалнзе анной с помощью программы PSpi.ce были проведены статистические испытания по методу Монте-Карло при относительном разбросе параметров равном 20%. котори позволили получить количественные оценки влияния технологического разброса параметров элементов СЭГ. на распределение тока между модулями.

13 результате проведенных исследований для чегырехмодульнон СЭС общей мощностью 4к0т получены следующие результаты:

при изменении коэффициента к на ±20% максимальной отклонение

токов модулей от среднего составляет

угеличение среднего значения коэффициента к на ios: уменьшает разбаланс токов на 7«:

изменение сопротивления,соединительных прооодов па »202 приводит к ; 1збгдапсу токов относительно среднего î25"S;

увеличение среднего сопротивления на 20" уменьшает разброс токов на 2%;

изменение напряжент источников модулей на 120% дает отклонение токов от среднего ±39:4 (при этом ток больше б модули с боль.тан нлпряя£"нем источника):

при изменении активного сопротивления обмотки дросссли па ■л'!/ максимальное отклонение токов модулей от среднего тока составляет

ир;: H3!;sKCKiii> irrimtiorc сопротивления источник?, питания на .'.;:0£ максимальное отклонение токоь модулей от среднего составляет t2.1%.

Исход;; из результатов можно сделать выоод, что наибольшее влияние на распределение тока нагрузки оказывает изменение к. напряжение источников модулей и сопротивление соединительных проводов. При требовании к разбалансу выходных токов модулей в многомодульной СЭС относительно среднего значения 10% необходимо задавать ограничение на изменение активного сопротивления прозодов. коэффициента передачи ШИМ относительно номинальных значениях в пределах 5%.

3 треть ой главе разработан алгоритм исследования устойчивости многомодульной СЭС КА на основе кзазинепрерывной модели системы. получена нелинейная модель СЭС с учетом временного запаздывания и определены условия устойчивости. Определено влияние параметров корректирующего контура на устойчивость системы.

Взаимодействие параллельно соединенных модулей к нагрузки представлено структурной схемой рис.4. Передаточная функция разомкнутой многомодульной СЗС имеет вид

W <Р) - Z„ (P)YM (Р) (?)

где 2ц(Р) - выходное сопротивление параллельно соединенных модулей:

У„ (Р) - проводимость системы каналов электроттребленИЯ.

Устойчивость системы определяется по логарифмическим частотным характеристикам разомкнутой системы на основе чаиболер часто применяемого в практике критерия Найквмста с помощью графических срчгств nporpa!.y.ii! PSpice.

'.¡сслпдоваиие частотны;; характеристик СЗС поззоляет сделать ншод. что при определенных значениях параметров в системе возможно нозникновсиис автоколебаний и всегда найдется такое сочетание значений параметров СЭС. например при изменении нагрузки, напряжении источника питания, технологическом разбросе при которых система будет неустойчивой. Поэтому возникает необходимость нсследопать и выделить области уступчивой работы системы.

Ллчлкз логарифмических <ЯЛХ) и фазо-частотиых (ФЧХ) характеристик • j,.,) iрi-. изменении числа параллельно работающих модулей •т.- i ;r> то'-л.-.тмет. что при наращивании wviofi !1гХ выходного ..олригик/.«!»)/; нлиаллсльно соединенных модулей нея"зтся з пределах 10%, а остается неизменной. -ледоватслыю, устойчивость многоног-льной СЭС определяется устойчивостью каждого модуля. Это утверждение справедливо при рассмотрении нагрузки как двухполюсника с активно-емкостным г "»противлением.

Принимая ги достаточно малым, что совместимо с практическими требованиями малого внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи, предназначенной для работы в составе СЭС КА, схему модуля (оис.З) можно представить в виде структурной схемы рис 5. Для более точной оценки устойчивости СЗС' в структурную схему ("рис.5) введены источник пульсаций, который учитывает широтно-импульсный характер регулирования и является источников вынужденных колебаний, и нелинейность F(X). имитирующая работу импульсного кл^ча и компаратора, а также звено чистого запаздывания i передаточной

Функцией е . учитывающее инерционность ключа. С учетом этого передаточная функция разомкнутого модуля запишется

рт

IVp(P) W(P)Woc(P)F(X)e (3)

Передаточная функция линейной части модуля в..од фильтра -выход фильтра с учетом параметров нагрузки с разомкнутой цепью обратной связи (ОС) по напряжению, без учета индуктмноста <L„P) и активного сопротивления (гпр) проводов между выходом модуля и нагрузкой согласно (1) имеет вид

1,

CTpVk i \ ¡i 11,, м

I i

Ii

'ill in (' ),—ч 4

i i Л ; j __i L

V, ; i))-

-00«-

W ( О )

'J ( р p + n

"•ç ' ' С 2 1 + 1 -

a, P'

где Kc =

+ a, P + R.«

Зн + ri

Я,. -

LC

s _

СгГС2

Сг "j RH

Анализ й синтез системы осуществляется методом гармонической линеаризации. Сначала проводится расчет параметров вынужденных колебаний системы с использованием коэффициентов гармоклческой линеаризации нелинейности Г(Х). Уравнение для определения вынужденных колебаний имеет вид

>; + F(x) -\'!ос (P) -e"pt -V/(P) - WeeCP)-UJn - fauH (t). где fou„(t) = s1ni^-t,. Решение (5) ищется' в виде

(Г)

X - х„ + х„

где Хц = ХА+Х0; Х0 - постоянная'составляющая; Хд - А, • I ■ переменная составляющая, , характеризующая автоколебания: Х„=а2 -Мгщог • ^Ф,) - переменная составляющая,"характеризующая* вынужденные колебания и сие~чме: ы, - собственная частота: ц^я'! - аынужденная частота. " .,

Лг определяется -из выражения ° - .

IQiJi^J'l2

(6)

! " -тЗш., 1г

1<Щ<%) -1':ос (х,) • (г,(Аг. "„ > * (Дг. хк;; |

На основании решения (0) определяется зависимость

Г0 ( А,,. х„ )-" 'I>(Х„) ' '

для заданной нелинейностиПХ). которая в дальнейшем используется при определении автоколебательного режима и решения уравнения для постоянных составляющих. Для этео линеаризуем функции смещения ФО'«) в пределах рабочего редина системы . , •

+

Ф(Х„) = Ф° + Кн-Хд

где

Кн - —

ах„ х„-х°

Величина нелинейного коэффициента Кн зависит от соотношения всех параметров системы.

Уравнение для определения автоколебательного режима примет

вид :

-рх

й(Р)-(ХА<-Х„) + К(Р)-е •М0С(Р)-Ф(ХН) = Мос(Р)-иоп-0(Р) (7)

По уравнению (7) определяется условие возшгновения двухчас-тотных колебаний в системе, которое имеет вид

Ь + С2 Г] гс2

= - . («)

К-тК" - С2 (г^Гсг+КнкГсг )

Система переходит на двухчастотные плебания только в том случае, если величина сопротивления нагрузки становится равна некоторому пороговому значению, определяемому формулой (8). Выражение (8) справедливо для одного канала энергопотребления (КЭШ, при подключении системы КЭП состоящей из ш каналов выражение (8) запишется в виде

ш ктКн - Сг (г1+гсг+Кнкгсг)

I ун1---(9)

1 •= 1 Ь + С2 Г! гС2

где УН1 - проводимость 1-го КЭП.

Выражения (8) и (9) справедливы для активной нагрузки. Однако рассматриваемая методика может быть легко распространена на любой вид нагрузки. При рассмотрении активно-емкостной нарузки без учета активного сопротивления конденсаторов выражение (9) запишется в виде о"

- . кШ - Сгг, . 2 X СН1 = ---

Где Сн1- ёмкость 1-го КЭП.

Проведенные исследования показывают, что при работе нескор-

ректированного модуля в составе многомодульной СЭС возрастает вероятность возникновения автоколебаний в модуле и со всей гчстеме в целом. В связи с этим очевиден вывод о необходимости введения в модуль корректирующих устройств (КУ). Предложено введение параллельного корректирующего устройства с передаточной функцией

1

ику1 (Р) = --(И)

Т„Р * 1

Структурная схема модуля системы с параллельным звеном коррекции представлена на рис.6. Для обеспечения заданных показателей переходных процесс ов параметры корректирующего контура выбираются исходя из соотношения

Т

— = 0.5 + 0.7

ТФ

где Тк - постоянная времени корректирующеГ цепочки: Тф - постоянная времени выходного фильтра модуля.

Для обеспечения требуемого качества управления модульными ИСН предложено также КУ с передаточной функцией инерционно-форсирующего звена

Т. •Р + 1

= гт—; - (12)

т2-р + 1

Структурная схема модуля системы с КУ в .¡епи обратной связи приведена на рис.7. Передаточная функция модуля с разомкнутой цепью обратной связи по напряжению при введении параллельного КУ определгтея

Р(Х)еР\с(Р)й(Р)

«р1 (Р)-----.

1 - W(P)Wкyl (Р)

а при введе :ии КУ в цепь обратной связи определится в виде Т17Р + 1

-рт

Ирг (Р) - Р(Х)е Мос (Р)И(Р)ику2 (Р)

рис. 6

Гнин(0~Х

И<&* F(X)

-р. г if

WJp)«

w( р)

vyp)'

pile:. 7

В результате '«следований многомодульной СЭС гю квазинепре-ривной к"дели, по нелинейной модели, расчетов переходных процессов по мгновенным значениям установлено, что оптимальные параметры коррекции, при которых система будет устойчивой независимо от изменений значений параметоз элементов модулей, определяются ра-епством Т, -- пТ2. где п = 5-10. Для приближенных расчетов можно пользоваться выражением

2 - Ь-С2

т, -т2 - ---

и, • к

Четвертая глава посвящена исследованию электромагнитных про--цессов а многомодульной системе электроснабжения. Разработана полная модель СЭС на входном языке программы PSpi.ce для расчета электромагнитнмх процессов. Исследовано влияние введения контуров регулирования по току на показатели качег -ва электропитания.

Эквивалентная схема полной пдели многомодульной системы электроснабжения на входном языке программы PSpi.ce включает м^х-ромодели модулей, подключенных параллельно к общей нагрузке. Нагрузка задается активным сопротивлением и емкостью С„ с учетом активного сопротивления индуктивности соединительных проводов нагрузки. Подключение нагрузки моделируется ключом, управляемым напряжением. Частота коммутации нагрузки много меньше частоты работы импульсного ключа. При моделировании .были использованы встроенные математические модели типовых компонентов аналоивых устройств, имеющиеся в программе Р3р1се. Параметры элементов управляющей части макромодели модуля определены исходя из широт-но-импульсного характера регулирования работы кх^ча.

Исследования электрома! литных процессов в многомодульных СЭС с помощью пакета PSpl.ce подтвердили выводы, полученные при использовании квазинепрерывной и нелинейной моделей.

Основными задачами, которые ставились при работе с полной моделью системы, были исследование влияния корректирующего устройства на электромагнитные процессы 3- и 5-модульных СЭС, влияния законов управления и введения обратных связей по току на такие показатели качества выходного напряжения, как ограничение на

отклонение выходного напряжения в установившемся режиме - статическая ошибка (е). перерегулирование (б) и время регулирования (Тр) в динамическом режиме. Расчеты проводились при максимальном разбросе коэффициента передачи ШИК и активного сопротивления соединительных прсьодов мехрч выходом модуля и нагрузкой составляющем 20%. допустимой статической ошибке - 1%. Задержка датчика тока принята равной ЮОмкс в соответствии с показателями существующих в настоящее время промышленных датчиков тока.

При использовании многоконтурных схем управления в системе автоматического управления будут работать несколько контуров регулирования по напряжении и току, которые осуществляют стабилизацию напряжения и равномерное токовыравнивание. При этом каждый контур управления должен обеспечивать необходимое качество процессов регулирования.

При исследовании СЭС были рассмотрены следующие виды обратных связей (ОС) по току:

1 - местная ОС по входн у,у току модуля:

2 - местная ОС по выходному току модуля:

3 - местная ОС по току дросселя:

í - общая ОС по отклонению выходного тока модуля от среднего. равного 1,,/М (где М - число параллельно включенных модулей, 1н-ток нагрузки);

5 - общая ОС по отклонению тока дросселя от среднего:

6 - общая ОС по отклонению выходного тока ведомого модуля от выходного то г ведущего модуля:

7 - общая ОС по отклонению тока дросселя ведомого модуля от тока дросселя ведущего модуля.

Критериями зибора того или иного закона управления являются точность и быстродействие чногоконту^ной схемы управления.

В результате исследований переходных процессов в пятимодуль-ной СЭС гокно сделать следующие выводы:

- введение общей ОС по отклонению тока от среднего, равного 1„/М. а также схема с ведущим модулем увеличивают время регулирования в 4 раза по сравнению с временем регулирования при введении местных ОС;

- статическая ошибка в схемах с местными токовыравнйвающими обратными связями в 1.5-2 раза больше по сравнению со схемами с

общими ОС по току:

- с увеличением коэффициента обратной свяг I 1 от С ОС! до 0.004 в случаях введения ОС ^чда 2-5 максимальный разброс тсков уменьшается до в схемах с КУ в цепи ОС по напряжению и до 0.5% в схемах с параллельным КУ. следов?~ельно, введение общих токовч-равннвающнх связей не улучшает распред тенне тока модулей по сравнению с сведением местных Ол но снижает статическую ош„йку;

- с введением общей ОС по отклонению выходного тока ведомого модуля от выходного тока ведущего максимальный разброс токов увеличивается в 5 раз по сравнению с введенном общей обратк^й связи по отклонению выходного тока от сздиего:

- расчете по ргиЛросу токов для 3- и 5-модульных ОЗС совпадают с точностью хО-15%:

- щ I уменьшении числа модулей в 2 раза разброс токов при тех же условиях уменьшается в 2 раза:

- при введении местной 0о по входному току модуля система имее- наихудшие характеристики;

- введение обратных связей гт току дросселя (местных и общих) при 0-0.004 уменьшае • на 0.5% разброс токов в с..-;мс с параллельным КУ и увеличивает на 0.5% в схеме с КУ в цепи ОС по напряжению;

- введение параллельного корректирующего устройства, по сравнению с введением корректирующег устрой, .ба в цепь ОС по напряжению, приводит к уменьшении разброда токов и статической ошибки в 2 раза, с увеличению б и Трег в 1.5-2 раза.

В главе также рассмотрены особенное!а применения пакета Р3р1се при моделировании -ногомодульных СЭС с импульсными преобразователями. приведены рекомендации по установке параметров режимов р 1боты программы, обеспечивающих расчет процессов.

Основные резу.г таты работч

1. Разработана квази^епрерывная модель сист; ш электроснабжения. которая позволяет провод}, .ь исследования установившихся процессов в ^^нoгoмoдvлы(ыx СЭС на базе пакета программ Р3р1се и снижает трудоемкость и вреь.., анализа влияния технологического разброс^ параметров элементов СЭС на токора'-чределение.

2. При требован:^ к разбалансу выходных -»-оков модулей в гаи, -

гшодульш .1 СЭС относительно среднего значения 10% необходимо задавать ограничение на изменение активного сопротивления соединительных проводов между выходом модуля и нагрузкой, коэффициента передачи ШИМ относительно номинальных значении в пределах 5% при ограничен.:н на изменение остальных параметров элементов модуля в пределах 20%.

3. Предложена методика оценки устойчивости многомодульной системы на основе квазингпрерывной модели с помощью графических средств программы РБрЗхе. При наращивании модулей в многомодульной СЭС ЛАХ мен. ;тся в пределах 5-10%, а ФЧХ остается неизменной, устойчивость всей СЭС определяется устойчивостью каждого модуля.

4. Разработана нелинейная модель системы, которая позволяет исследовать устойчивость СЭС : учетом ее нелинейных свойств, определить условия возникновения двухчастотных колебаний с большой разницей частот.

5. Ваеденио в каждом модуле параллельного корректирующего устройства, как и введение последовательного корректирующего устройства цепь обратной связи повышает запасы устойчивости многомодульной СЭС. При введении коррекции в цепь обратной связи запасы устойчивости увеличиваются, если в передаточной функции инер-цнонно-форсирующего звена корректирующего устройства постоянная времени числителя в 5 10 раз больше постоянной времени знаменателя.

6. Введение местной ОС по входному току модуля ухудшает динамические характеристики системы.

7. Введение общей ОС по среднему току модуля, а также схема с ведущим модулем увеличивают время регулирование в 4 раза по сравнению со схемой С^С. в которой все модули работают автономно с местными ОС по току.

8. Статическая ошибка в схемах без общих токовыравни ающнх обратных связей в 1.5-2 раза больше по сраыению со статической ошибкой в схемах с общими ОС и увеличивается с возрастанием коэффициента передачи по току.

9. С увеличением коэффициента ОС по току от 0.001 до 0.004 во всех случаях разброс токов модней уменьшается в 2-3 р^за. (Кроме случая введения ОС по входному току).

10. Введение общей ОС по отклонению выходного тока ведомого модуля от выходного тока ведущего приводит к увеличению макси-

мального разброса токов в 5 раз, по сравнению с введение., общей обратной связи но отклонению выходного тока от среднего, следовательно, прн введении общих ОС предпочтительнее вверить ОС по отклонению тока модуля от среднего.

11. При • роектировашш многомодульных СЭС для обеспече. ня устойчивости, равномерного токораспределения. высокой статической точности в схему каждого модуля необходимо вводить параллельное корректирующее устройство и местную обратную связь по выходному току с коэффициентом ß=0.004, так как при этом обеспсчипаются высокие статические и- динамические показатели системы: б»1 5%, Тр=60мкс. £с0.9%. максимальное отклонение тока от среднего составляет 0.33».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Носкова Е.Е.. Ловчиков А.Н. Модульные системы электроснабжения. - Материалы 3 Российска-Г ггайского. семинара по .т.рокос-мической технике. Красноярск: CAA.' 1994г. С. 52-53.

2. Hoskóva Е,Е., Lovchicov А.Н. Multiple-module spacecraft power supply system. Материалы 3 Российско-Китайско;J семинара по аэрокосмической технике. Красноярск: CAA, 1994г.. С. 68. *

3. Носкова Е.Е., Ловчиков-А.Н. Применение пакета PSplse для анализа устойчивости импульсного преобразователя напряжения. -Тезисы докладов втдрой научно-практической конференции "Проблемы информатизации города". Красноярск, 1995г. С.114-115.

Подписано^ печать 21.09.95. • Усл. печ. листов 1. Тираж 50 эк-.' Заказ 10/.

Отпечатано на ротапринте КГТУ 660074. Красноярск, ул. Корейского", 26.