автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Автоматизация проектирования систем электропитания космических аппаратов с шунтовыми стабилизаторами напряжения



Сибирский государственный аэрокосмический университет

ЛЕСНЫХ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ШУНТОВЫМИ СТАБИЛИЗАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЯ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

Красноярск, 2009

003470217

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева», г. Красноярск.

Научный руководитель: кандидат технических наук

Сарычев Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Иванчура Владимир Иванович

доктор технических наук Казанцев Юрий Михайлович

Ведущая организация: ОАО «Информационные спутниковые системы» им. академика М.Ф. Решетнева

Защита состоится 18 июня 2009 года в 13 часов на заседании диссертационного совета ДС 212.023.02 при Сибирском государственном университете имени академика М.Ф. Решетнева по адресу: 660014, Красноярск, пр. им. газеты «Красноярский рабочий», 31.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.

Автореферат разослан «14» мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного сове

Лукьяненко М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Любой космический аппарат (КА) представляет собой взаимосвязанный комплекс систем различного назначения, каждая из которых содержит специализированное электрооборудование. Взаимодействие всех систем КА в процессе функционирования (подвод энергии, отвод тепла, передача сигналов в цифровой и аналоговой форме (информационных и управляющих) и т.д.) сопряжено с работой различных блоков и устройств преобразования и распределения электроэнергии. Система электропитания (СЭП) предназначена для питания электроэнергией как служебных, так и других целевых систем КА. Служебные системы, как правило, подключены к СЭП постоянно, а целевые могут подключаться и отключаться.

Рост количества задач, решаемых КА, влечет за собой увеличение числа «потребителей» электроэнергии, и как следствие требует увеличения мощности первичных источников (ПИ) и повышения эффективности использования их энергии. В качестве ПИ на КА чаще всего используются солнечные батареи (СБ) и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП). Вольтам-перные характеристики (ВАХ) таких ПИ нелинейные и падающие.

В СЭП КА для стабилизации напряжения применяются последовательные и параллельные стабилизаторы напряжения (СН). Для устойчивой работы ТЭП необходимы стабилизаторы, которые не приводят к изменению рабочей точки на ВАХ при изменении мощности нагрузки. Поэтому в СЭП с ТЭП широко применяют шунтовые стабилизаторы напряжения (ШСН).

В связи с увеличением и усложнением задач решаемых КА, возрастает их энерговооруженность, а, следовательно, и потребляемая мощность. С увеличением выходной мощности увеличивается и мощность ШСН, при этом целесообразно применение не одного мощного ШСН, а нескольких параллельно подключенных маломощных. Параллельно подключенные маломощные ШСН в этом случае называются секциями, а стабилизатор в целом шунтовым секционным стабилизатором напряжения. Основной проблемой, возникающей при проектировании таких шунтовых секционных стабилизаторов напряжения (ШССН), является выбор законов управления секциями и определение значений внутренних параметров СН, обеспечивающих требуемые показатели качества выходного напряжения.

С увеличением мощности СЭП возникают проблемы, связанные с высокими токами в кабельной сети, такие как снижение КПД, увеличение мас-согабаритных показателей и т.д. Один из вариантов решения этой проблемы - увеличение уровня выходного напряжения. В настоящее время активно разрабатываются СЭП с выходным напряжением 100 В.

Известно, что при эксплуатации СБ подвергается глубоким температурным циклам. У доступных в настоящий момент кремниевых фотопреобразователей температурный коэффициент по напряжению составляет 0,55 %/°С. С учетом возможной деградации 2% в год охлажденная СБ при оп-

■Ф

тималыюм напряжении на конец ресурса 105 В и ресурсе 10 лет на начальном этапе эксплуатации может генерировать напряжение 260 В, а при ресурсе 15 лет - 275 В. При таких напряжениях наличие остаточной атмосферы аппарата на этапе выведения создает, согласно закону Пашена, условия возникновения газового разряда.

Для того чтобы снизить напряжение генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации, рационально применять стабилизаторы напряжения повышающего (вольтодобавочного) типа. Поэтому исследования, направленные на изучение данного типа стабилизаторов, являются актуальными.

Работа над проблемами проектирования и синтеза СЭП для автономных объектов, в том числе КА, ведется во многих организациях. Большая работа по исследованию и проектированию мощных СЭП ведется в Сухумском физико-техническом институте, Томском ОАО "НПЦ "Полюс", НПО ПМ им. академика М.Ф. Решетнева, Сибирском государственном аэрокосмическом университете им. М.Ф. Решетнева и др. В работах Сарычева В.А., Кудряшова B.C. Соустина Б.П., Ловчикова А.Н. отражены исследования, направленные на изучение зависимостей качества выходного напряжения от параметров СЭП, предложены схемы СЭП, позволяющие существенно увеличить быстродействие СЭП в переходных процессах наблюдаемых при подключении и сбросе нагрузки, а также схемы с экстремальным регулированием источников тока, аналогов которым нет в мире и сегодня. В Сибирском федеральном университете, силами Василенко К.Н., Красно-баева Ю.В., Пожарковой И.Н. и Иванчуры В.И. разработана методика определения допустимых значений выходного импеданса СЭП из условий устойчивости системы, также разработан способ снижения требований к выходному импедансу СЭП в случае, если требуемые из соображений устойчивости значения модуля импеданса существенно ниже обеспечиваемых современным уровнем техники. Несмотря на большую работу, которая ведется исследователями и инженерами всего мира в данной области, некоторые проблемы связанные с проектированием мощных СЭП до сих пор остаются открытыми.

Влияние параметров СЭП на показатели качества напряжения на сегодняшний момент еще малоизученны, а комплексных исследований, зависимости качества напряжения от напряжения стабилизации вовсе не проводилось. Поэтому исследования, направленные на изучение зависимостей показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП, включая напряжение стабилизации, а также построение их математических моделей, которые значительно упростят и позволят автоматизировать процедуру параметрического синтеза на этапе предпроектных исследований, на сегодняшний момент представляются весьма актуальными. Актуальность данной работы, также подтверждается тем, что результаты использованы при выполнении госбюджетных НИР Б 1.6.05 «Методы моделирования и синтеза СЭС КА», 1.16.08 «Разработка методов анализа и синтеза, средств

автоматизированного проектирования СЭС КА на основе современных информационных технологий». Среди ШССН наибольшее применение в современных К А нашли СН следующих видов: многофазный ШССН (МШССН), импульсно-дискретный ШССН (ИДШССН) и ШССН с управлением по избытку тока (ШССИУИТ). Поэтому в данной работе при исследованиях, направленных на изучение зависимостей показателей качества напряжения от параметров СЭП, рассматриваются именно данные виды ШССН.

Цель диссертационной работы: разработка методических и алгоритмических средств автоматизированного синтеза СЭП КА с шунтовыми стабилизаторами напряжения оптимальных по совокупности показателей качества выходного напряжения и создание на их основе автоматизированной системы научных исследований СЭП КА.

Поставленная цель определила следующий комплекс задач, решение которых необходимо для её достижения:

1. Анализ и обобщение существующего опыта проектирования СЭП КА с ШСН.

2. Разработка методики получения экспериментальных данных с использованием системы схемотехнического моделирования.

3. Разработка имитационных моделей исследуемых СЭП КА.

4. Получение набора экспериментальных данных исследуемых СЭП КА.

5. Выбор математического аппарата для создания математических моделей СЭП КА.

6. Построение математических моделей основных зависимостей показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП КА.

7. Выбор целевой функции для решения задачи многокритериальной оптимизации и нахождения параметров СЭП КА, обеспечивающих оптимальное соотношение показателей качества выходного напряжения - времени регулирования, перерегулирования и относительной амплитуды пульсаций.

8. Проектирование и программная реализация автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) СЭП КА, автоматизирующей методику сбора экспериментальных данных, построение математических моделей, анализ зависимостей показателей качества напряжения от параметров СЭП и параметрический синтез СЭП КА.

Методы исследования: методы математического моделирования, теория искусственных нейронных сетей, моделирование с помощью программы Ма1ЬСас1, имитационное моделирование и интегрирование переходных процессов с помощью системы схемотехнического моделирования ОгСАБ 9.2, методы многокритериальной оптимизации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• сформулирована и решена задача параметрического синтеза мощных СЭП КА, позволяющая определять параметры схемы, обеспечивающие оптимальность по совокупности показателей качества выходного напряжения;

• разработаны математические модели электромагнитных процессов ряда СЭП КА, отражающие зависимость показателей качества выходного напряжения от параметров схемы;

• предложена модификация системы управления ключевым элементом для стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа, обеспечивающая стабильную работу конвертера как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения, что позволяет снизить напряжение генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации и исключить возникновение газового разряда на этапе выведения и дает возможность проектировать СЭП КА с напряжением бортовой сети 100-150 В и ресурсом полезного использования 25-30 лет. Также сформулированы условия, при которых обеспечивается устойчивая работа стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа с предлагаемой системой управления.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Методика синтеза СЭП КА с ШСН оптимальных по совокупности показателей качества выходного напряжения позволяет проводить исследования и параметрический синтез в автоматизированном режиме, что приводит к снижению временных затрат.

2. Результаты исследований электромагнитных процессов ряда существующих СЭП КА, описывающих зависимости между показателями качества выходного напряжения и параметрами схемы, которые имеют теоретическую и практическую ценность и позволяют решать основные проблемы, возникающие при проектировании подобных СЭП КА.

3.Модификация системы управления ключевым элементом стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа, обеспечивающая стабильную работу конвертера как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения, что позволяет снизить напряжение, генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации, и исключить возникновение газового разряда на этапе выведения КА на орбиту.

Практическую ценность в диссертационной работе составляют:

• разработанная АСНИ, в которой реализованы алгоритмы построения математических моделей зависимостей показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП, позволяющая сравнивать различные типы СЭП и производить параметрический синтез СЭП по заданным требованиям к показателям качества выходного напряжения, что значительно снижа-

ет временные затраты на исследование указанных зависимостей и на решение задачи параметрического синтеза СЭП КА;

• предложенная модификация системы управления дополнительными секциями импульсно-дискретного ШССН, реализованная на цифровых элементах, позволит увеличить надежность и отказоустойчивость системы, а также снизить массогабаритные показатели устройства;

• рекомендации по выбору параметров моделей, позволяющие снизить вероятность возникновения проблемы сходимости методов решения дифференциальных уравнений реализованных в OrCAD 9.2.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: XI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техники и технологии», Томск, 2005; Актуальные проблемы авиации и космонавтики, Красноярск, 2005; ЕХ Международная научная конференция, посвященная 45-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск, 2005; Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие», Красноярск, 2005; X Международная, научая, конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, Красноярск, 2006.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 8 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 68 наименований. Содержание работы изложено на 120 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность выполненных исследований, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены современные требования, предъявляемые к системам электропитания КА, а также сформулированы основные проблемы параметрического синтеза СЭП КА, такие как:

- отсутствие подхода к построению СЭП, которое обусловлено большим количеством вариантов структур и широчайшей номенклатурой элементов и блоков СЭП;

- отсутствие базы экспериментальных данных;

- отсутствие математических моделей существующих СЭП.

Также в первой главе произведена постановка задачи параметрического синтеза, которая состоит в выборе такого сочетания внутренних парамет-

ров СЭП, которое не только удовлетворяют требованиям ТЗ, а обеспечивает оптимальное соотношение показателей качества выходного напряжения.

К показателям качества выходного напряжения относятся следующие:

1. Время регулирования (Трег);

2. Величина перерегулирования (а);

3. Относительная (по отношению к напряжению стабилизации) амплитуда пульсаций (8);

Время регулирования удобнее выражать не в абсолютных величинах (сек.), а в периодах преобразования. Поэтому во всех дальнейших исследованиях вместо Трег будем использовать относительную величину

г Тп

Для решения задачи многокритериальной оптимизации в данном случае целесообразно использовать метод скалярной свертки. Обычно в методе скалярной свертки используют нормализованные частные критерии, приводя их к одному масштабу. Следовательно, задача параметрического синтеза СЭП КА сводится к минимизации скалярной целевой функции (1), которая представляет собой сумму квадратов нормированных показателей качества выходного напряжения..

- -- =--/ "ч2 / „ „ >2

Трег -Трег,т-

р(трег,ст,б)=к1

^тах ттп /

^ТрегШ2Х — Трег^ где к\,~к2,~к, - коэффициенты значимости показателей. Наиболее сильное влияние на показатели качества выходного напряжения оказывают следующие внутренние параметры СЭП:

1. Мощность ПИ {Рист)~,

2. Напряжение стабилизации {Ином)-,

3. Емкость выходного фильтра (Сф);

4. Емкостная составляющая нагрузки (Сн);

5. Количество секций преобразователя (Л).

На исследуемые зависимости существенное влияние также оказывает частота преобразования. Для того чтобы исключить этот параметр из анализа будем считать Сф не в абсолютных величинах, а в отношении постоянной времени фильтра к периоду преобразования, которое зависит от частоты преобразования. Поэтому во всех дальнейших исследованиях вместо Сф мы будем использовать относительную величину

Сф = —- = , где <Шш- дифференциальное сопротивление ис-

Т„ Тп

точника. А Сн будем считать в процентах от Сф, таким образом

_ Сн

Сн = —-100 %. Сф

Для решения поставленной задачи параметрического синтеза для каждой из исследуемых СЭП необходимо построить математическую модель следующего вида:

Трег=Р1{Рист,ином,Сф,Сн,ы)',

<7=(Рист, Ином, Сф,01, тУ); (2)

д =Р}[Рист,ином,Сф,Сн, и).

Для построения указанных математических моделей необходим набор экспериментальных данных вида вход-выход: {Трегх; сг1; <5,) (Ристх; 11ном1; Сф]; Сщ; ) (-) ____(3)

(Трегк; ак;8к) (Риспгк;Шомк\Сфк\Снк\Ык)

Интервалы варьирования указанных параметров приведены в таблице. Таблица 1 - Интервалы варьирования параметров СЭП

Параметр Нижняя граница Верхняя граница

Р 2000 Вт 15000 Вт

Ином 27 В 100 В

N 1 6

Сф 0.003 Ф 0.015 Ф

См 5% 20%

Все исследования проводились по переходным процессам, полученным при коммутации активно-емкостной нагрузки с мощностью 90% от мощности ПИ, т.к. такой переходной процесс является наиболее показательным и проблемным с точки зрения показателей качества выходного напряжения.

Решение задачи параметрического синтеза довольно трудоемкий процесс и требует больших временных и финансовых затрат. Имеющиеся на данный момент пакеты программ для схемотехнического моделирования позволяют моделировать процессы, происходящие в СЭП и получать экспериментальные данные с точностью достаточной для построения математических моделей описывающих зависимость показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП. Такие программы позволяют ис-

юпочить самый дорогой этап исследования СЭП - макетирование. В данной работе в качестве программы схемотехнического моделирования предлагается использовать OrCAD 9.2, т.к. на сегодняшний день OrCAD 9.2 является мощной системой схемотехнического моделирования, которая позволяет моделировать аналоговые, цифровые и смешанные схемы.

В качестве метода математического моделирования выбран аппарат искусственных нейронных сетей, который позволяет описывать сложные зависимости без привязки к структуре объекта, а также обеспечивает достаточную для решения задачи параметрического синтеза точность.

Методика синтеза СЭП КА на ЭВМ состоит из следующих этапов:

- создание имитационных моделей в модуле «Capture» из набора программ представленных в системе OrCAD 9.2;

- генерирование файлов с заданиями на моделирование с помощью модуля «Генерирование заданий на моделирование» из комплекса программ АСНИСЭПКА.

- обработка сгенерированных заданий с помощью программы Pspice Simulation Manager из комплекса программ системы OrCAD 9.2;

- обработка файлов с переходными процессами с помощью программы-обработчика «Экспериментальные данные» из комплекса программ предлагаемой АСНИ и получение набора экспериментальных данных в виде «вход-выход», где «вход» - параметры СЭП, «выход» - показатели качества выходного напряжения;

- построение математических моделей с помощью программы «Neural Network Wizard» из комплекса предлагаемой АСНИ;

- проведение сравнительного анализа и поиск параметров СЭП, которые обеспечивают оптимальное соотношение показателей качества выходного напряжения.

Во второй главе описано создание имитационных моделей исследуемых СЭП в программе схемотехнического моделирования OrCAD 9.2. Также предложен новый способ управления дополнительными секциями в ИДШССН.

Принцип работы ИДШССН

Упрощенная модель СЭП с ИДШССН представлена на рисунке 1, где ПИ - первичный источник, КЭ (i) - i-й ключевой элемент, RB(i) - i-oe балластное сопротивление, Ф - емкостной фильтр, Н - нагрузка, ШИМ - ши-ротно-импульсный модулятор, F(i) - сигнал управления i-м ключевым элементом, СУДС - система управления дополнительными секциями, ЛЗ -линия задержки, БУКЭ - блок управления ключевыми элементами.

Рисунок 1 - Упрощенная модель СЭП с ИДТТТССН

Первая секция данного стабилизатора управляется по одному из законов

Т

широтно-импульсной модуляции. Скважность у (у = —2~, где Т0 - время

Тп

открытого состояния ключа первого ключевого элемента, пропорциональная мощности выделяемой на балластном сопротивлении, является управляющим сигналом для подключения и отключения дополнительных секций.

Для того чтобы избежать ложных коммутаций дополнительных секций во время переходных процессов, условия переключения дополнительных секций должны выполняться в течение определенного времени. Это равносильно введению линий задержки на выходе СУДС. При отключении нагрузки дополнительные секции подключаются последовательно одна за другой до достижения суммарной мощностью величины, равной мощности активной нагрузки. При подключении нагрузки дополнительные секции отключаются последовательно, начиная с последней подключенной.

СУДС была реализована с помощью четырех суммирующих счетчиков (микросхема 74160). На базе этих счетчиков, с помощью каскадирования, было получено два 8-ми разрядных счетчика, способных считать до 100 (10x10).

На суммирующий вход этих счетчиков подаются импульсы с периодом равным 0,95'%)0' гДе т ~ период преобразования. Импульсы, управляющие КЭ(1), подаются на управляющий вход обоих счетчиков, тем самым, разрешая или запрещая счет какому-либо из счетчиков. Другими словами, для первого счетчика сигнал «ключ замкнут» разрешает счет, а для второго запрещает счет, и наоборот. Таким образом, при у > 0.95 на выходе переноса первого счетчика появляется импульс, информирующий о том, что необходимо подключить дополнительную секцию. А при у < 0.05 на выходе переноса другого счетчика, появляется импульс, отвечающий за отключе-

ние одной секции. Если эта информация сохраняется некоторое время, то она поступает в БУ КЭ.

БУ КЭ был реализован с помощью реверсивного счетчика (74192) и дешифратора (74141). Сигналы, отвечающие за подключение дополнительных секций, подаются на суммирующий вход реверсивного счетчика, а сигналы отключения дополнительных секций поступают на вычитающий вход. Таким образом, на выходе реверсивного счетчика в двоичном виде хранится информация о том, сколько дополнительных секций должно быть подключено в данный момент. Двоичный код поступает на вход дешифратора, а далее с помощью несложной логики, реализованной с помощью логических элементов ИЛИ, формируются управляющие сигналы для КЭО).

Линии задержки были реализованы с помощью одновибратора 74121. Сигнал включения или отключения на выходе СУДС запускает одновибра-тор. Если одновибратор запущен (на выходе 1), то импульсы, поступающие от СУДС, игнорируются.

Также в этой главе предложена система управления для СЭП со стабилизатором напряжения вольтодобавочного типа, обеспечивающая стабилизацию напряжения как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения, что позволяет значительно снизить запас на деградацию ПИ по оптимальному напряжению, что является определяющим фактором при проектировании СЭП КА с бортовым напряжением 100 В и более.

Упрощенная модель СЭП с СНВТ приведена на рисунке 6. Где ПИ — первичный источник, Ь - дроссель, КЭ - кшочевой элемент, УБ - диод, С — конденсатор, 11а - активная нагрузка.

Ь УБ

Рисунок 2 — Упрощенная модель СЭП с СНВТ

В данной работе предлагается использовать систему управления представленную на рисунке 3.

Цоп Чч-

гпн

Рисунок 3 - Структурная схема системы управления

Данная система функционирует по следующему принципу: генератор пилообразного напряжения (ГПН) генерирует управляющие импульсы с заданной частотой, амплитудой и коэффициентом заполнения. Ключ Б открыт, когда выходное напряжение меньше оптимального, и закрыт в противоположном случае. Таким образом, как только знак ошибки становится отрицательным, система управления перестает генерировать управляющие импульсы, КЭ находится в закрытом состоянии и повышения выходного напряжения не происходит. Т.к. КЭ находится в замкнутом состоянии, то происходит резкое падение напряжения на нагрузке, знак ошибки вновь становится отрицательным и система управления опять переходит в рабочее состояние. Таким образом, обеспечивается работа системы как на повышение напряжения, так и на его понижение. В отличие от предлагаемой системы управления, разработанные ранее системы обеспечивали стабильную работу только в режиме повышения напряжения.

В ходе разработки имитационной модели данной СЭП было установлено, что система чувствительна к выбору коэффициента повышения. Неправильный выбор данного параметра, может привести к полной неработоспособности конвертера. В ходе исследований было установлено, что стабильная работа системы обеспечивается при коэффициенте заполнения равном приблизительно 0,35, что обеспечивает повышение напряжения в 2.85 раза. Такой коэффициент повышения позволяет проектировать СЭП с бортовым питанием в 100-150Вис ресурсом полезного использования в 25-30 лет.

Достоверность работы имитационных моделей проверялась по графикам переходных процессов полученным в Сухумском физико-техническом институте на экспериментальных установках. Графики переходных процессов для импульсно-дискретного ШССН и ШССН с управлением по избытку тока, полученные с помощью имитационных моделей и с помощью экспериментальных установок при одинаковых значениях параметров стабилизаторов, приведены на рисунках 4-5.

Uh, В

20

27

26

25

24 ___

2 4 6 8 1С мсек.

- - экспериментальная установка

..........—.....имитационная модель

ИДШССН. Включение нагрузки 40 А. Рисунок 4 - Проверка достоверности имитационных моделей

ин, В ______

27

26

25 24

-—- - экспериментальная установка

.................. - имитационная модель

ШССНУИТ. Подключение активно-емкостной на1рузки мощностью 56 Вт и величиной емкости 1 -1(Г4 Ф

Рисунок 5 - Проверка достоверности имитационных моделей

В третьей главе представлены исследования Влияния параметров СЭП КА на характеристики качества выходного напряжения. При моделировании СЭП с высоким опорным напряжением не редко возникает проблема, связанная с нестабильной работой методов интегрирования, заложенных в пакете OrCAD 9.2. В моменты срабатывания ключей в некоторых цепях преобразователя возникают большие перепады напряжения и тока, которые иногда оказываются критичными для методов интегрирования и приводят к ошибке «Convergence problem in transient analysis» (проблема сходимости при анализе переходных процессов). Поскольку система OrCAD

14

1 2 3 4 5 6 t, мсек.

9.2 является «закрытой» и не позволяет подключать собственные модули, улучшить работу методов интегрирования нет возможности. Поэтому, чтобы увеличить вероятность сходимости стандартных методов, необходимо упростить саму схему или модели некоторых элементов.

Например, можно упростить (линеаризовать) модели первичных источников (ПИ). Однако есть несколько нюансов, которые необходимо учитывать при линеаризации моделей ПИ. Рассмотрим процедуру линеаризации моделей ПИ более подробно.

В качестве ПИ на КА чаще всего применяются солнечные батареи (СБ) и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП). Вольтамперные характеристики (ВАХ) таких ПИ нелинейные и падающие.

Уравнение ВАХ ТЭП имеет вид:

¿/(7)=---_ +

ЦТ-

О+Ф^' ~ (4)

где

В-—-——; A = U„-B; Р. - мощность кабельной сети;

и„-ир' Р ■и2

R =-*—?ом - сопротивление кабельной сети; Рпи- мощность пер-

Рпи-b-Pj

вичного источника; Uнапряжение холостого хода; 1Ю- ток короткого замыкания; UHOM- напряжение стабилизации, а- коэффициент наклона ВАХ при I = 1К3.

Эмпирическая зависимость Uхх от UH0M и Рпи имеет вид:

Ua = -9.277 + 7.819 • 10'3 - Рш +1.322 • UH0M -1.977 -10~4 • Рпи ■ UH0M --1.929-10"8-Р1И -2.064.Ю-3-U2HOM + 1.264-10"6-Рли-U2H0M

Данная эмпирическая зависимость обеспечивает одинаковое дифференциальное сопротивление при разных уровнях выходного напряжения на выбранной мощности.

Чтобы обеспечить большую вероятность сходимости метода интегрирования необходимо упростить выражение (4). Другими словами необходимо линеаризовать это выражение. Угол наклона линеаризованной ВАХ в рабочей точке должен совпадать с углом наклона реальной ВАХ. Для этого необходимо построить касательную к ВАХ в рабочей точке (6).

т-и,

та

да

Проведенные исследования показали, что при такой линеаризации выходные параметры существенно отличаются от реальных - ошибка более 30%. Поэтому в выражение (6) необходимо ввести зависимость от тока короткого замыкания (7).

та

Оценка точности выходных параметров для ВАХ рассчитанной по формуле (7) приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Оценка точности выходных параметров для линеаризованной ВАХ ТЭП

Ошибка (%)

Время регулирования (Трег) 0,4

Перерегулирование (ег) 0,02

Пульсации (б) 0,04

Из приведенной таблицы видно, что выходные параметры, вычисленные для модели ТЭП с ВАХ, рассчитанной по формуле (7), несущественно отличаются от выходных параметров модели ТЭП с ВАХ, рассчитанной по формуле (4), следовательно, в имитационных моделях для сбора экспериментального материала можно использовать модель ТЭП с ВАХ рассчитанной по формуле (7).

Уравнение ВАХ СБ выглядит следующим образом:

В- 1п

(8)

где А - 1п(1 - /); В = 1/1Х- (] -1) ;;' = —, ] - —-— параметры ПРЯМОУГОЛЬНОГО ^XX

сти; ихх~ напряжение холостого хода; /кз-ток короткого замыкания; I -ток в рабочей точке; и — напряжение в рабочей точке.

Параметры прямоугольное™ г, у ВАХ реальных СБ равны 0.7, 0.8 соответственно. Учитывая эту информацию, можно рассчитать и 1КЗ

— ',!„= — )•

" 0.8 0.7

Для того чтобы обеспечить сходимость метода решения дифференциальных уравнений, заложенного в ОгСАБ 9.2, необходимо линеаризовать выражение (8). Уравнение касательной к ВАХ СБ в рабочей точке выглядит следующим образом:

Оценка точности выходных параметров для ВАХ СБ, рассчитанной по формуле (9) приведена в таблице 3.

Таблица 3 - Оценка точности выходных параметров для линеаризованной ВАХ СБ

Ошибка (%)

Время регулирования (Г ) 5

Перерегулирование (а) 0,7

Пульсации (3) 0,02

Из приведенной таблицы видно, что выходные параметры, вычисленные для модели СБ с ВАХ, рассчитанной по формуле (9), несущественно отличаются от выходных параметров модели СБ с ВАХ, рассчитанной по формуле (8), следовательно, в имитационных моделях для сбора экспериментального материала можно использовать модель СБ с ВАХ, рассчитанной по формуле (9).

Использование линеаризованных моделей ПИ обеспечивает большую вероятность сходимости методов решения нелинейных дифференциальных уравнений и существенно сокращает время счета при относительно небольшой погрешности. Поэтому при моделировании работы СЭП КА, в случаях, когда при использовании нелинейных моделей возникает проблема сходимости, целесообразно использовать линеаризованные модели ПИ.

С помощью описанных выше имитационных моделей получены необходимые экспериментальные, на основании которых были построены нейро-сетевые модели зависимостей показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП КА с многофазным ШССН, импульсно-дискретным ШССН, ШССН с управлением дополнительными секциями по избытку тока и СН вольтодобавочного типа. С помощью этих моделей были исследо-

ваны основные зависимости показателей качества выходного напряжения, которые могут быть сформулированы в виде следующих тезисов:

- наименьшее время регулирования из всех исследованных СН обеспечивает МШССН. Применение в качестве СН ШССНУИТ увеличивает время регулирования в среднем на 3-5 %, а применение импульсно-дискретного СН увеличивает данный параметр на 10-15 %. Время регулирования в СЭП с конвертером вольтодобавочного типа, по сравнению с МШССН больше в 3-3.5 раза;

- наименьшее перерегулирование обеспечивается также МШССН. Использование ШССНУИТ увеличивает перерегулирование в среднем на 6-8 %. Величина перерегулирования в СЭП с ШССНУИТ и ИДШССН практически не отличается. Применение конвертера вольтодобавочного типа увеличивает величину данного показателя в 1,5-2 раза;

- наименьшая относительная амплитуда пульсаций обеспечивается также СЭП с МШССН. В СЭП с ИДШССН данный показатель увеличивается в среднем на 25%. Пульсации в СЭП с ШССНУИТ такие же как и в СЭП с ИДШССН. Это объясняется тем, что в установившемся режиме амплитуда пульсаций у этих стабилизаторов зависит только от мощности первой секции, которая для данных конвертеров одинаковая. Относительная амплитуда пульсаций в СЭП с СНВТ по сравнению с СЭП с МШССН больше в среднем в 2-3 раза;

- добавление одной дополнительной секции приводит к увеличению времени регулирования в среднем на 10-20 %, увеличению величины перерегулирования на 5-10 %, уменьшению относительной амплитуды пульсаций на 12-17%;

- увеличение мощности на 1 кВт в диапазоне мощностей от 2 до 10 кВт снижает время регулирования в среднем на 15-20 %, а в диапазоне от 10 до 15 кВт изменение мощности СЭП практически не оказывает влияния на быстродействие системы; увеличение мощности на 1 кВт в диапазоне мощностей от 2 до 15 кВт приводит к увеличению перерегулирования в среднем на 10-15 % и увеличению относительной амплитуды пульсаций в среднем на 9-12%;

- увеличение напряжения бортовой сети на 10 В увеличивает время регулирования в среднем на 15-20 %, уменьшает величину перерегулирования на 2-4 % и относительную амплитуду пульсаций на 12-16 %;

- увеличение емкости фильтра на 1 мФ приводит к увеличению времени регулирования в среднем на 20-30%, уменьшению величины перерегулирования на 2-5% и уменьшению относительной амплитуды пульсаций на 20-25% в диапазоне от 3 до 12 мФ, увеличение емкости выходного фильтра более 12 мФ практически не оказывает влияния на относительную амплитуду пульсаций;

- увеличение емкостной составляющей нагрузки на 5 % по отношению к емкости фильтра влечет увеличение времени регулирования и величины

перерегулирования на 20-30% и не оказывает влияния на относительную амплитуду пульсаций.

Также в данной главе определена наилучшая структура нейронной сети, построены нейросетевые модели исследуемых СЭП, точность которых позволяет использовать их в дальнейших исследованиях и для проведения параметрического синтеза СЭП КА. Экспериментальным путем была выбрана следующая структура нейронной сети: персептрон с двумя скрытыми слоями, на первом слое 25 нейронов, на втором слое 13, обеспечивающая наилучшее качество моделей. Обучение сетей проводилось с помощью алгоритма обратного распространения ошибки. В ходе исследования выяснилось, что минимальное количество опытов, необходимое для получения качественной нейросетевой модели - 625 (54, т.е. пять уровней варьирования каждого параметра).

В четвертой главе описывается структура и основные возможности АСНИ для исследования СЭП КА, в которой реализована методика выполнения предпроектных исследований СЭП КА, начиная со сбора экспериментальных данных и заканчивая параметрическим синтезом СЭП КА (выбор структуры и параметров удовлетворяющих заданным требованиям к качеству напряжения), позволяющая снизить временные затраты на создание математических моделей и решение задачи параметрического синтеза СЭП КА

Основные возможности системы:

1. Генерирование файлов с заданиями на моделирования для последующей обработки в модуле Pspice simulation manager из пакета программ схемотехнического моделирования OrCAD 9.2.

2. Получение набора экспериментальных данных в виде (входы-выходы) по совокупности файлов с переходными процессами полученными в ходе моделирования в Pspice simulation manager.

3.Построение графиков зависимостей показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП по имеющемуся набору экспериментальных данных.

4. Подготовка файлов для построения нейросетевых моделей с помощью программы Neural Network Wizard (NNW).

5. Загрузка нейросетевых моделей полученных с помощью программы NNW.

6. Визуализация нейросетевых моделей, сравнение с экспериментальными данными.

7. Оценка точности нейросетевых моделей.

8. Поиск набора СЭП КА удовлетворяющих ТЗ.

В заключений сформулированы основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложена и проверена на работоспособность модификация системы управления дополнительными секциями импульсно-дискретного шунтово-го стабилизатора напряжения реализованная на цифровых элементах. Цифровая реализация системы управления позволит повысить надежность и помехозащищенность всей системы энергоснабжения КА, а также значительно уменьшит ее массогабаритные показатели.

2. Предложена и проверена на работоспособность система управления стабилизатором напряжения вольтодобавочного типа, которая обеспечивает устойчивую работу стабилизатора как на ветви тока (в режиме повышения) так и на ветви напряжения (в режиме понижения). Такая реализация системы управления позволит значительно снизить запас на деградацию первичного источника питания по оптимальному напряжению и дает возможность проектировать СЭП мощностью 15 кВт и более с бортовым напряжением 100-150 В и сроком полезного использования 25-30 лет.

3. Проведены исследования трех типов ШССН и СН вольтодобавочного типа, установлены основные зависимости показателей качества выходного напряжения (относительного времени регулирования, перерегулирования, амплитуды пульсаций) от параметров СЭП (мощности ПИ, уровня опорного напряжения, количества секций стабилизатора, емкости выходного фильтра и емкостной составляющей нагрузки). Сделан сравнительный анализ исследованных СЭП.

4. Результаты этого анализа могут быть сформулированы в виде следующих тезисов:

- наименьшее время регулирования из всех исследованных СН обеспечивает МШССН. Применение в качестве СН ШССНУИТ увеличивает время регулирования в среднем на 3-5 %, а применение импульсно-дискретного СН увеличивает данный параметр на 10-15 %. Время регулирования в СЭП с конвертером вольтодобавочного типа, по сравнению с МШССН больше в 3 -3.5 раза;

- наименьшее перерегулирование обеспечивается также МШССН. Использование ШССНУИТ увеличивает перерегулирование в среднем на 68 %. Величина перерегулирования в СЭП с ШССНУИТ и ИДШССН практически не отличается. Применение конвертера вольтодобавочного типа увеличивает величину данного показателя в 1,5 - 2 раза;

- наименьшая относительная амплитуда пульсаций обеспечивается также СЭП с МШССН. В СЭП с ИДШССН данный показатель увеличивается в среднем на 25%. Пульсации в СЭП с ШССНУИТ такие же как и в СЭП с ИДШССН. Это объясняется тем, что в установившемся режиме амплитуда пульсаций у этих стабилизаторов зависит только от мощности первой секции, которая для данных конвертеров одинаковая. Относи-

тельная амплитуда пульсаций в СЭП с СНВТ по сравнению с СЭП с МШССН больше в среднем в 2-3 раза;

- добавление одной дополнительной секции приводит к увеличению времени регулирования в среднем на 10-20 %, увеличению величины перерегулирования на 5-10 %, уменьшению относительной амплитуды пульсаций на 12-17%;

- увеличение мощности на 1 кВт в диапазоне мощностей от 2 до 10 кВт снижает время регулирования в среднем на 15-20 %, а в диапазоне от 10 до 15 кВт изменение мощности СЭП практически не оказывает влияния на быстродействие системы; увеличение мощности на 1 кВт в диапазоне мощностей от 2 до 15 кВт приводит к увеличению перерегулирования в среднем на 10-15 % и увеличению относительной амплитуды пульсаций в среднем на 9-12%;

- увеличение напряжения бортовой сети на 10 В увеличивает время регулирования в среднем на 15-20 %, уменьшает величину перерегулирования на 2-4 % и относительную амплитуду пульсаций на 12-16 %;

- увеличение емкости фильтра на 1 мФ приводит к увеличению времени регулирования в среднем на 20-30%, уменьшению величины перерегулирования на 2-5% и уменьшению относительной амплитуды пульсаций на 20-25% в диапазоне от 3 до 12 мФ, увеличение емкости выходного фильтра более 12 мФ практически не оказывает влияния на относительную амплитуду пульсаций;

- увеличение емкостной составляющей нагрузки на 5 % по отношению к емкости фильтра влечет увеличение времени регулирования и величины перерегулирования на 20-30% и не оказывает влияния на относительную амплитуду пульсаций.

5.Построены нейросетевые модели исследованных зависимостей и определена наилучшая структура нейронной сети, которая обеспечивает достаточную для проведения параметрического синтеза СЭП точность и обладает приемлемым временем обучения.

Результатом диссертационного исследования явилась единая методика синтеза СЭП КА с помощью ЭВМ, которая позволила автоматизировать параметрический синтез для существующих параллельных СЭП. Разработанная методика была реализована в программном комплексе «АСНИ для синтеза СЭП КА». Данный программный комплекс значительно упрощает все процедуры, связанные с параметрическим синтезом СЭП, начиная со сбора экспериментальных данных и заканчивая собственно параметрическим синтезом. Экспериментальные данные добываются с помощью имитационных моделей, создаваемых в системе схемотехнического моделирования ОгСАГ) 9.2.

Основные положения и результаты диссертационной работы представлены в следующих работах автора (знаком * обозначены работы, опубликованные в издании, включенном в список изданий, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных исследований):

1. Лесных, А.Н. Моделирование импульсно-дискретного шунтового секционного стабилизатора напряжения в системе схемотехнического моделирования ОгСАЕ) 9.2 / А.Н. Лесных // XI Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии", г. Томск, 28 марта - 1 апреля 2005г. - Труды, в 2-х т. - Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2005.

2. Лесных, А.Н. Создание моделей шунтовых секционных стабилизаторов напряжения для космических аппаратов / А.Н. Лесных, Е.А. Чиркова // Актуальные проблемы авиации и космонавтики: Тез. науч.-практич. конф. студентов, аспирантов и молодых специалистов / СибГАУ. Красноярск, 2005.

3. Лесных, А.Н. Разработка моделей шунтовых стабилизаторов напряжения для синтеза систем электропитания / А.Н. Лесных, Е.А. Чиркова // Молодежь и наука - Третье тысячелетие: Сб. материалов Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - Красноярск, 2005.

4. * Лесных, А.Н. Автоматизированная система научных исследований для синтеза систем электропитания космических аппаратов / А.Н. Лесных, В.А. Сарычев // Вестник Сибирского аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева / под ред. проф. Г.П. Белякова - 2006. -Вып. 7.-С. 48-52.

5. * Лесных, А.Н. Исследование высоковольтных систем электропитания космических аппаратов со стабилизаторами напряжения вольтодобавочно-го типа /А.Н. Лесных, В.А. Сарычей // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева / под ред. проф. Т.П. Белякова. - Красноярск, 2007. - С. 121-128

6. * Лесных, А.Н. Цифровые системы управления дополнительными секциями шунтовых секционных стабилизаторов напряжения /А.Н. Лесных, В.А. Сарычев // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева / под ред. проф. Г.П. Белякова. - Красноярск, 2008. - С. 63-67.

7. Лесных, А.Н. Автоматизированная система научных исследований для изучения систем электропитания с шунтовьми секционными стабилизаторами напряжения / А.Н. Лесных // Решетневские чтения: Решетневские чтения. Материалы IX Международной научной конференции, посвященной 45-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева (10-12 ноября 2005, г. Красноярск), Красноярск, 2005.

8. Лесных, А.Н. Проблемы моделирования СЭП КА с высоким уровнем выходного напряжения / А.Н. Лесных // Решетневские чтения: материалы X междунар. Науч. конф., посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космическитх систем академика М.Ф. Решетнева (8-10 ноября, 2006./ СибГАУ. - Красноярск, 2006.

Лесных Андрей Николаевич

Автоматизация проектирования систем электропитания космических аппаратов с шунтовыми стабилизаторами напряжения

. Автореферат

Подписано к печати 12.05.2009 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печ. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ

Отпечатано в отделе копировальной и множительной техники СибГАУ 660014 г. Красноярск, пр. им. газеты «Красноярский рабочий», 31

Введение.

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ СИНТЕЗА СЭП КА.

1.1 Требования к системам электропитания.

1.2 Проблемы синтеза СЭП КА.

1.3 Постановка задачи параметрического синтеза СЭП КА.

1.4. Методика синтеза СЭП КА с помощью современных информационных технологий.

1.5 Выбор методов математического моделирования для решения задачи синтеза СЭПКА.

Выводы к главе 1.29 t

ГЛАВА 2. СОЗДАНИЕ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ.

2.1 Имитационная модель многофазного ШССН.

2.2 Создание имитационной модели импульсно-дискретного шунтового секционного стабилизатора напряжения.

2.3 Создание имитационной модели шунтового секционного стабилизатора напряжения с управлением по избытку тока.

2.4 Создание имитационной модели стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа.

2.5 Проверка достоверности имитационных моделей.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СЭП КА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ КАЧЕСТВА ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

3.1 Общие рекомендации по созданию и расчету имитационных моделей.

3.2 Исследование основных зависимостей.

3.3 Математическое моделирование.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СЭП КА.

4.1 Основные возможности системы.

4.2 Алгоритм получения экспериментальных данных.

4.3 Алгоритм построения нейросетевой модели.

4.4 Пример решения задачи параметрического синтеза СЭП КА с использованием АСНИ.

Выводы к главе 4.

Актуальность проблемы

Любой космический аппарат (КА) представляет собой взаимосвязанный комплекс систем различного назначения, каждая из которых содержит специализированное электрооборудование. Взаимодействие всех систем КА в процессе функционирования (подвод энергии, отвод тепла, передача сигналов в цифровой и аналоговой форме (информационных и управляющих), и т.д.) сопряжено с работой различных блоков и устройств преобразования и распределения электроэнергии. Система электропитания (СЭП) предназначена для питания электроэнергией как служебных, так и других целевых систем КА. Служебные системы, как правило, подключены к СЭП постоянно, а целевые могут подключаться и отключаться [2].

Рост количества задач, решаемых КА, влечет за собой увеличение числа «потребителей» электроэнергии, и как следствие требует увеличения мощности первичных источников (ПИ) и повышения эффективности использования их энергии. В качестве ПИ на КА чаще всего используются солнечные батареи (СБ) и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП). Вольтампер-ные характеристики (ВАХ) таких ПИ нелинейные и падающие [29].

В СЭП КА для стабилизации напряжения применяются последовательные и параллельные стабилизаторы напряжения (СН). Для устойчивой работы ТЭП необходимы стабилизаторы, которые не приводят к изменению рабочей точки на ВАХ при изменении мощности нагрузки. Поэтому в СЭП с ТЭП широко применяют шунтовые стабилизаторы напряжения (ШСН).

В связи с увеличением и усложнением задач решаемых КА, возрастает их энерговооруженность, а, следовательно, и потребляемая мощность. С увеличением выходной мощности увеличивается и мощность ШСН, при этом целесообразно применение не одного мощного ШСН, а нескольких параллельно подключенных маломощных. Параллельно подключенные маломощные ШСН в этом случае называются секциями, а стабилизатор в целом шун-товым секционным стабилизатором напряжения. Основной проблемой, возникающей при проектировании таких шунтовых секционных стабилизаторов напряжения (ШССН), является выбор законов управления секциями и определение значений внутренних параметров СН, обеспечивающих требуемые показатели качества выходного напряжения.

С увеличением мощности СЭП возникают проблемы, связанные с высокими токами в кабельной сети, такие как снижение КПД, увеличению мас-согабаритных показателей и т.д. Один из вариантов решения этой проблемы - увеличение уровня выходного напряжения. В настоящее время активно разрабатываются СЭП с выходным напряжением 100 В [68].

Известно, что при эксплуатации СБ подвергается глубоким температурным циклам. У доступных в настоящий момент кремниевых фотопреобразователей температурный коэффициент по напряжению составляет 0,55 %/°С. С учетом возможной деградации 2% в год охлажденная СБ при оптимальном напряжении на конец ресурса 105 В и ресурсе 10 лет на начальном этапе эксплуатации может генерировать напряжение 260 В, а при ресурсе 15 лет - 275 В. При таких напряжениях наличие остаточной атмосферы аппарата на этапе выведения создает, согласно закону Пашена, условия возникновения газового разряда [65].

Для того чтобы снизить напряжение генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации, рационально применять стабилизаторы напряжения повышающего (вольтодобавочного) типа. Поэтому исследования, направленные на изучение данного типа стабилизаторов, являются актуальными.

Работа над проблемами проектирования и синтеза СЭП для автономных объектов, в том числе КА, ведется во многих организациях. Большая работа по исследованию и проектированию мощных СЭП ведется в Сухумском физико-техническом институте, Томском ОАО "НПЦ "Полюс", НПО ПМ им. академика М.Ф. Решетнева, Сибирском государственном аэрокосмическом университете им. М.Ф. Решетнева и др. В работах Сарычева В.А., Кудряшова B.C. Соустина Б.П., Ловчикова А.Н. отражены исследования, направленные на изучения зависимостей качества выходного напряжения от параметров СЭП, предложены схемы СЭП, позволяющие существенно увеличить быстг родействие СЭП в переходных процессах, наблюдаемых при подключении и сбросе нагрузки, а также схемы с экстремальным регулированием источников тока, аналогов которых нет в мире и сегодня. В Сибирском федеральном университете, силами Василенко К.Н., Краснобаева Ю.В., Пожарковой И.Н. и Иванчуры В.И. разработана методика определения допустимых значений выходного импеданса СЭП из условий устойчивости системы, также разработан способ снижения требований к выходному импедансу СЭП в случае, если требуемые из соображений устойчивости значения модуля импеданса существенно ниже обеспечиваемых современным уровнем техники. Несмотря на большую работу, которая ведется исследователями и инженерами всего мира в данной области, некоторые проблемы, связанные с проектированием мощных СЭП, до сих пор остаются открытыми.

Влияние параметров СЭП на показатели качества напряжения на сегодняшний момент еще малоизученны, а комплексных исследований, зависимости качества напряжения от напряжения стабилизации вовсе не проводилось. Поэтому исследования, направленные на изучение зависимостей показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП, включая напряжение стабилизации, а также построение их математических моделей, которые значительно упростят и позволят автоматизировать процедуру параметрического синтеза на этапе предпроектных исследований, на сегодняшний момент представляются весьма актуальными. Актуальность данной работы, также подтверждается тем, что результаты использованы при выполнении госбюджетных НИР Б 1.6.05 «Методы моделирования и синтеза СЭС КА», 1.16.08 «Разработка методов анализа и синтеза, средств автоматизированного проектирования СЭС КА на основе современных информационных технологий». Среди ШССН наибольшее применение в современных КА нашли СН следующих видов: многофазный ШССН (МШССН), импульсно-дискретный ШССН (ИДШССН) и ШССН с управлением по избытку тока (ШССНУИТ). Поэтому в данной работе при исследованиях, направленных на изучение зависимостей показателей качества напряжения от параметров СЭП рассматриваются именно данные виды ШССН.

Цель диссертационной работы: разработка методических и алгоритмических средств автоматизированного синтеза мощных СЭП КА с шунто-выми стабилизаторами напряжения оптимальных по совокупности показателей качества выходного напряжения и создание на их основе автоматизированной системы научных исследований СЭП КА.

Поставленная цель определила следующий комплекс задач, решение которых необходимо для её достижения:

1. Анализ и обобщение существующего опыта проектирования СЭП КА с шунтовыми стабилизаторами напряжения.

2. Разработка алгоритмов получения экспериментальных данных с использованием современных информационных технологий.

3. Разработка имитационных моделей исследуемых СЭП КА.

4. Получение набора экспериментальных данных исследуемых СЭП КА.

5. Выбор математического аппарата для разработки математических моделей СЭП КА.

6. Построение математических моделей основных зависимостей показателей качества выходного напряжения от параметров СЭП КА.

7. Выбор целевой функции для решения задачи многокритериальной оптимизации и нахождения параметров СЭП КА, обеспечивающих оптимальное соотношение показателей качества выходного напряжения - времени регулирования, перерегулирования и относительной амплитуды пульсаций.

8. Проектирование и программная реализация автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) СЭП КА, автоматизирующей методику сбора экспериментальных данных, построение математических моделей, анализ зависимостей показателей качества напряжения от параметров СЭП и параметрический синтез СЭП КА.

Методы исследования: методы математического моделирования, теория искусственных нейронных сетей, моделирование с помощью программы MathCAD, имитационное моделирование и интегрирование переходных процессов с помощью системы схемотехнического моделирования OrCAD 9.2, методы многокритериальной оптимизации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• сформулирована и решена задача параметрического синтеза мощных СЭП КА, позволяющая определять параметры схемы, обеспечивающие оптимальность по совокупности показателей качества выходного напряжения;

• разработаны математические модели электромагнитных процессов ряда СЭП КА, отражающие зависимость показателей качества выходного напряжения от параметров схемы;

• предложена модификация системы управления ключевым элементом для стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа, обеспечивающая стабильную работу конвертера как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения, что позволяет снизить напряжение, генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации, и исключить возникновение газового разряда на этапе выведения и дает возможность проектировать СЭП КА с напряжением бортовой сети 100-150 В и ресурсом полезного использования 25—30 лет. Также сформулированы условия, при которых обеспечивается устойчивая работа стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа с предлагаемой системой управления.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Методика синтеза мощных СЭП КА с различными структурами оптимальных по совокупности показателей качества выходного напряжения позволяет проводить исследования и параметрический синтез в автоматизированном режиме, что приводит к снижению временных затрат.

2. Результаты исследований электромагнитных процессов ряда существующих СЭП КА, описывающих зависимости между показателями качества выходного напряжения и параметрами схемы, которые имеют теоретическую и практическую ценность и позволяют решать основные проблемы, возникающие при проектировании подобных СЭП КА.

3. Модификация системы управления ключевым элементом стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа, обеспечивающая стабильную работу конвертера как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения, что позволяет снизить напряжение, генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации и исключить возникновение газового разряда на этапе выведения КА на орбиту.

Практическую ценность в работе составляют:

• разработанная АСНИ, в которой реализованы алгоритмы построения математических моделей зависимостей показателей качества выходного напряжения от-параметров СЭП, позволяющая сравнивать различные типы СЭП и производить параметрический синтез СЭП по заданным требованиям к показателям качества выходного напряжения, что значительно снижает временные затраты на исследование указанных зависимостей и на решение задачи параметрического синтеза СЭП КА;

• предложенная модификация системы управления дополнительными секциями импульсно-дискретного ШССН, реализованная на цифровых элементах, которая позволит увеличить надежность и отказоустойчивость системы, а также снизить массогабаритные показатели устройства;

• рекомендации по выбору параметров моделей, позволяющие снизить вероятность возникновения проблемы сходимости методов решения дифференциальных уравнений реализованных в OrCAD 9.2.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях: XI Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техники и технологии», Томск, 2005; Актуальные проблемы авиации и космонавтики, Красноярск, 2005; IX Международная научная конференция, посвященная 45-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск, 2005; Всероссийская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука — третье тысячелетие», Красноярск, 2005; X международная на/ учная конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева, Красноярск, 2006.

Выводы к главе 4

Разработана АСНИ для исследования СЭП КА в которой реализована методика выполнения предпроектных исследований СЭП КА начиная со сбора экспериментальных данных и заканчивая параметрическим синтезом СЭП КА (выбор структуры и параметров удовлетворяющих заданным требованиям к качеству напряжения) позволяющая снизить временные затраты на создание математических моделей и решение задачи параметрического синтеза СЭП КА, с помощью которой выполнен параметрический синтез СЭП КА с мощностью 15 кВт, временем регулирования менее 5 мс, перерегулированием менее 10 % и относительной амплитудой пульсаций менее 1 %.

Заключение

В ходе диссертационного исследования, в системе схемотехнического моделирования OrCAD 9.2 был разработаны имитационные модели СЭП КА параллельного типа со следующими видами стабилизаторов напряжения: шунтовым секционным стабилизатором напряжения, импульсно-дискретным шунтовым стабилизатором напряжения, шунтовым стабилизатором напряжения с управлением по избытку тока и стабилизатором напряжения вольто-добавочного типа. Для импульсно-дискретного шунтового стабилизатора напряжения была предложена и проверена на работоспособность модификация системы управления дополнительными секциями стабилизатора реализованная на цифровых элементах. Цифровая реализация системы управления позволит повысить надежность и помехозащищенность всей системы энергоснабжения КА, а также значительно уменьшит ее массогабаритные показатели. Для стабилизатора напряжения вольтодобавочного типа была предложена система управления, которая обеспечивает устойчивую работу стабилизатора как на ветви тока (в режиме повышения) так и на ветви напряжения (в режиме понижения). Такая реализация системы управления позволит значительно снизить запас на деградацию первичного источника питания по оптимальному напряжения и дает возможность проектировать СЭП мощностью 15 кВт и более с бортовым напряжением 100-150 В и сроком полезного использования 25-30 лет.

Также в ходе диссертационной работы были проведены исследования всех вышеперечисленных СЭП и установлены основные зависимости показателей качества выходного напряжения (времени регулирования, перерегулирования, амплитуды пульсаций) от параметров СЭП (мощности ПИ, уровня опорного напряжения, количества секций стабилизатора, емкости выходного фильтра и емкостной составляющей нагрузки). Выявленные зависимости могут быть сформулированы в виде следующих тезисов:

- наименьшее время регулирования из всех исследованных СН обеспечивает МШССН. Применение в качестве СН ШССНУИТ увеличивает время регулирования в среднем на 3-5 %, а применение импульсно-дискретного СН увеличивает данный параметр на 10-15 %. Время регулирования в СЭП с конвертером вольтодобавочного типа, по сравнению с МШССН больше в 3-3.5 раза;

- наименьшее перерегулирование обеспечивается также МШССН. Использование ШССНУИТ увеличивает перерегулирование в среднем на 6-8 %. Величина перерегулирования в СЭП с ШССНУИТ и ИДШССН практически не отличается. Применение конвертера вольтодобавочного типа увеличивает величину данного показателя в 1,5-2 раза.

- наименьшая относительная амплитуда пульсаций обеспечивается также СЭП с МШССН. В СЭП с ИДШССН данный показатель увеличивается в среднем на 25%. Пульсации в СЭП с ШССНУИТ такие же как и в СЭП с ИДШССН. Это объясняется тем что в установившемся режиме амплитуда пульсаций у этих стабилизаторов зависит только от мощности первой секции, которая для данных конвертеров одинаковая. Относительная амплитуда пульсаций в СЭП с СНВТ по сравнению с СЭП с МШССН больше в среднем в 2-3 раза;

- добавление одной дополнительной секции приводит к увеличению времени регулирования в среднем на 10-20 %, увеличению величины перерегулирования на 5-10 %, уменьшению относительной амплитуды пульсаций на 12-17%.

- увеличение мощности на 1 кВт в диапазоне мощностей от 2 до 10 кВт снижает время регулирования в среднем на 15-20 %, а в диапазоне от 10 до 15 кВт изменение мощности СЭП практически не оказывает влияния на быстродействие системы; увеличение мощности на 1 кВт в диапазоне мощностей от 2 до 15 кВт приводит к увеличению перерегулирования в среднем на 10—15 % и увеличению относительной амплитуды пульсаций в среднем на 9-12%;

- увеличение напряжения бортовой сети на 10 В увеличивает время регулирования в среднем на 15-20 %, уменьшает величину перерегулирования на 24 % и относительную амплитуду пульсаций на 12—16 %;

- увеличение емкости фильтра на 1 мФ приводит к увеличению времени регулирования в среднем на 20-30%, уменьшению величины перерегулирования на 2-5% и уменьшению относительной амплитуды пульсаций на 20-25% в диапазоне от 3 до 12 мФ, увеличение емкости выходного фильтра более 12 мФ практически не оказывает влияния на относительную амплитуду пульсаций.

- увеличение емкостной составляющей нагрузки на 5 % по отношению к емкости фильтра влечет увеличение времени регулирования и величины перерегулирования на 20—30% и не оказывает влияния на относительную амплитуду пульсаций.

Также были построены нейросетевые модели исследованных зависимостей и определена наилучшая структура нейронной сети, которая обеспечивает достаточную для проведения параметрического синтеза СЭП точность и обладает приемлемым временем обучения.

Результатом диссертационного исследования явилась единая методика синтеза СЭП КА с помощью ЭВМ, которая позволила автоматизировать параметрический синтез для существующих параллельных СЭП. Разработанная методика была реализована в программном комплексе «АСНИ для синтеза СЭП КА». Данный программный комплекс значительно упрощает все процедуры связанные с параметрическим синтезом СЭП начиная со сбора экспериментальных данных и заканчивая собственно параметрическим синтезом. Экспериментальные данные добываются с помощью имитационных моделей создаваемых в системе схемотехнического моделирования OrCAD 9.2. Самым трудоемким этапом в процессе синтеза осталась разработка имитационных моделей, которые достоверно и с достаточной точностью имитировали бы работу исследуемой СЭП.

1. Аттетков, А.В. Методы оптимизации. Текст. / А.В. Аттетков, С.В. Галкин, B.C. Зарубин М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001.-440 с.

2. Базилевский, А.Б. Системы спутников связи Текст.: учебное пособие / А.Б. Базилевский, А.Г. Козлов, М.В. Лукьяненко, В.Г. Ше-лудько Красноярск: КИКТ, 1989.

3. Бойт, К. Цифровая электроника Текст. / К. Бойт / М., Техносфера, 2007.-471 с.

4. Боровиков, В.П. Нейронные сети. STATISTICA Neural Networks: Методология и технологии современного анализа данных Текст. / В.П. Боровиков / изд. Горячая линия — Телеком, 2008 г. — 392 с.

5. Брукинг А., Джонс П., Кокс Ф. и др. Экспертная система. Принципы работы и примеры Текст. / А. Брукинг, П. Джонс, Ф. Кокс и др.; под ред. Р. Форсайта —М.: Радио и связь, 1987.

6. Васильков, Ю.В. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании Текст. / Ю.В. Васильков, Н.Н. Василь-кова / М., Финансы и статистика, 2004 г. 256 с.

7. Виноградова, Н.А. Автоматизированные системы научных исследований. Техническое обеспечение Текст. / Н.А.Виноградова, А.А.Есюткин, Г.Ф.Филаретов / М. МЭИ. 1990. 87 с.

8. Виноградова, Н.А. Научно-методические основы построения АСНИ Текст. / Н.А.Виноградова, А.А. Есюткин, Г.Ф.Филаретов / М.-МЭИ. 1989. 84 с.

9. Головацкий, В.А. Транзисторные импульсные усилители и стабилизаторы постоянного напряжения Текст. / В.А. Головацкий — М.: «Сов. радио», 1974. с. 113-114.

10. Ю.Горбань, А.Н. Обучение нейронных сетей Текст. / А.Н. Горбань // М.: СП Параграф, 1991. 231 с.

11. Горбань, А.Н. Нейроинформатика Текст. / А.Н.Горбань, В.Л.Дунин-Барковский, А.Н.Кардин и др. / Отв. Ред. Новиков Е.А. / РАН, Сиб. Отд., Институт выч. Моделирования. Новосибирск: Наука, 1998.

12. Дейт, К. Д. Введение в системы баз данных Текст. / К.Д. Дейт / М. -Вильяме. 2006. 1328 с.

13. Дружинин, Г.В. Надежность автоматизированных систем Текст. / Изд. 3-е, перераб. и доп. / Г.А. Дружинин / М., «Энергия», 1977, 536 с.

14. Египко, В.М. Автоматизированные системы научных исследований Текст. / В.М. Египко / М. Наука. 1992. 102 с.

15. Ермаков, С.М., Математическая теория оптимального эксперимента Текст.: учебное пособие / С.М. Ермаков, А.А. Жиглявский -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. 320 с.

16. Ермуратский, П.В. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники Текст. / Учебное пособие для неэлектротехнич. спец. вузов / П.В. Ермуратский, А.А. Косякин, B.C. Листвин и др.; Под ред. А.В. Нетушила. М.: Высш. шк. 1986. 248 С.

17. Иванчура, В.И. Синтез и исследование быстродействующего ИПН с ШИМ Текст. / В.И. Иванчура, А.В. Манаков, Б.П. Соустин / Техническая электроника, 1987, с. 43 51.

18. Иванчура, В.И. Автоматизация проектирования импульсных стабилизаторов напряжения Текст. / В.И. Иванчура, А.В. Казанцев, Ю.М. Казанцев / Электротехника, 1982, №11. с. 23 - 25.

19. Иванчура, В.И. Модульные быстродействующие стабилизаторы напряжения с ШИМ Текст.: монография / В.И. Иванчура, Ю.В. Краснобаев; Федеральное агентство по образованию, Красноярск, гос. техн. ун-т Красноярск: КГТУ, 2006. - 158 с.

20. Карпенко, А.П. Аппроксимация функции предпочтений лица, принимающего решения, в задаче многокритериальной оптимизации. Методы на основе планов первого порядка. Электронный ресурс. /

21. A.П. Карпенко, В.Г. Федорук Режим доступа: http.V/technomag.cdu.ru/doc/82725.html.

22. Климов, В.В. Импульсные ключи в цифровых устройствах Текст. / 2-е изд., перераб. и доп. / В.В. Климов / М.: Радио и связь, 1989, 112 с.

23. Кожарский, Г.В. Методы автоматизированного проектирования источников вторичного электропитания Текст. / Г.В. Кожарский,

24. B.И. Орехов / М.: Радио и связь, 1985.- 184 С.

25. Краснобаев, Ю.В. Методология синтеза законов и структур устройств управления конверторами Текст. / Ю.В. Краснобаев; Изв. Вузов. Сер. Приборостроение. 2004. - Т. 47. - Вып. 4. С. 39 - 48.

26. Куландин, А.А. Энергетические системы космических аппаратов Текст. / А.А. Куландин, С.В. Тимашев, В.П. Иванов 2-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 320 с.

27. Куцаров, С. Понижающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное Текст. / С. Куцаров Радиомир, 2003, N 7.

28. Куцаров, С. Применение понижающих преобразователей Текст. / С. Куцаров Радиомир, 2003, N 10.

29. Лесных, А.Н. Автоматизированная система научных исследований для синтеза систем электропитания космических аппаратов

30. Текст. / А.Н. Лесных, В.А. Сарычев // Вестник Сибирского аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева / под ред. проф. Г.П. Белякова 2006. -Вып. 7. - С. 48-52.

31. B.А. Сарычев / Отчет о НИР. № гос. регистрации 0120.0804376. 1391. C.

32. Ф. Решетнева (10-12 ноября 2005, г. Красноярск), Красноярск,2005, с.

33. Математическое моделирование в микроэлектронике. Конспект лекций, (часть 1) Текст. / Таганрогский государственный радиотехнический университет Таганрог, 2002. 42 с.

34. Моин, B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи Текст. / B.C. Моин М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с.

35. Мышкис, А.Д. Элементы теории математических моделей Текст. / А.Д. Мышкис М.: КомКнига, 2007. - 192 с.

36. Нейронные сети математический аппарат Электронный ресурс. - BaseGroup Labs — Режим доступа: http://basegroup.ru/neural/math.htm

37. Нейросеть на 5 минут Электронный ресурс. BaseGroup Labs -Режим доступа: http://basegroup.ru/neural/fastneuralnet.htm

38. Павловский, Ю.Н. Имитационные модели и системы Текст. / Ю.Ф. Павловский М., ВЦ РАН, 2000 г., 144 с.

39. Певчев, Ю.Ф. Автоматизация физического эксперимента: Учеб. пособие Текст. / Ю.Ф. Певчев, К.Г. Финогенов / М. Энергоатом-издат, 1986. 189 с.

40. Плохотников, К.Э. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Методология и практика Текст. / К.Э. Пло-хотников / М. Едиториал УРСС, 2003. - 280 с.

41. Программное обеспечение АСНИ Текст. / Под ред. Г.А.Фомина / М.-МЭИ. 1990. 80 с.

42. Разевиг, В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0 Текст. / В.Д. Разевиг М.: «Солон», 1999.

43. Разевиг, В. Д. Система проектирования цифровых устройств OrCAD Текст. /В.Д. Разевиг-М.: «Солон-Р», 2000.

44. Разевиг, В.Д. Система P-CAD 8.5-8.7: Руководство пользователя Текст. / В.Д. Разевиг -М.: «Солон-Р», 1999.

45. Разевиг, В. Д. ORCAD 9.2 Текст. / В.Д. Разевиг М.: «Солон-Р», 1999.-281 с.

46. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов Текст. / А.Б. Сергиенко / СПб, Питер, 2006. 751 с.

47. Серёгин, Ю.Н. Методы планирования эксперимента и обработки полученных результатов Текст.: учебное пособие / Ю.Н. Серёгин Красноярск: САА, - 2000. - 115 с.

48. Советов, Б.Я. Базы данных. Теория и практика Текст. / Б. Я. Советов, В. В. Цехановский, В. Д. Чертовский М. Высшая школа. 2005. 464 с.

49. Советов, Б.Я. АСУ. Введение в специальность Текст. / Б.Я. Советов / М. Высшая школа, 1989.

50. Советов, Б.Я. Моделирование систем Текст.: учебник для вузов / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001.-343 с.

51. Соустин, Б.П. Системы электропитания космических аппаратов Текст. / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исля-ев Новосибирск: ВО «Наука», Сибирская издательская фирма, 1994.-318 с.

52. Тарасевич, Ю.Ю. Математическое и компьютерное моделирование Текст. / Ю.Ю. Тарасевич М., Едиториал УРСС, 2004 г., 152 с.

53. Четти, П. Проектирование ключевых источников электропитания Текст. / П. Четти / М., Энергатомиздат, 1990, 240 с.

54. Штойер, Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения. Текст. / Р. Штойер — М.: Радио и связь, 1992. -504 С.

55. Штрапенин Г. Интегральные стабилизаторы с малым падением напряжения фирмы National Semiconductor Текст. / Г. Штрапенин -Компоненты и технологии. 2004. № 7. С. 58-61.

56. Хайкин, С. Нейронные сети. Полный курс. Второе издание. Текст. / С. Хайкин / изд. Вильяме, 2006 г. 1104 с.

57. SAADAT, Н. Power System Analysis, Н. SAADAT Текст. / Tata McGraw-Hill, 2002.

58. Panda S. Improving power system transient stability with an off-centre location of shunt facts devices Электронный ресурс. / S. Panda, N. Patel Режим доступа: http://iris.elf.stuba.sk/JEEEC/data/pdf/6106-8.pdf

59. Yim-Shu Lee David K.W. Cheng. A new approuch to the modeling of converters for SPICE simulation Текст. IEEE Transaction on power electronics. Vol. 7, №4, 1992. pp. 741-753.

60. Kuehny, J.A. New phase technology boosts dc/dc Текст. / J.A. Kue-hny, M. Manson. // Electronic Engineering Times. A CMP Publication. August 14, 1995.