автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Имитатор батареи солнечной для наземной отработки и испытаний систем электропитания космических аппаратов на основе импульсных преобразователей

005005701 \

КРЕМЗУКОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИМИТАТОР БАТАРЕИ СОЛНЕЧНОЙ ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ И ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.12 - силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Томск-2011

005005701

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте автоматики и электромеханики Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники

Научный руководитель: кандидат технических наук,

Мишин Вадим Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Семиглазов Анатолий Михайлович (ТУ СУР)

кандидат технических наук, Гордеев Константин Георгиевич (НПЦ "Полюс")

Ведущая организация: ОАО «ИНФОРМАЦИОННЫЕ

СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ имени академика М.Ф. Решетнева» (г. Железногорск).

Защита состоится «27» декабря 2011 года в 15:15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.03 в ауд. 203 главного корпуса Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу 634050, г. Томск, пр. Ленина 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, по адресу: 634034, ул. Вершинина 74.

Автореферат разослан «23 » ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Р.В. Мещеряков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современный космический аппарат (КА), представляет собой взаимосвязанный комплекс систем различного назначения, каждая из которых требует специфического электрооборудования. Учитывая, что это электрооборудование работает в тяжелых условиях космического пространства, к нему предъявляются весьма жесткие требования по надежности и эффективности. Поэтому на всех стадиях изготовления КА от разработки отдельных блоков и узлов до запуска па орбиту, большое значение придается наземным испытаниям, что в свою очередь требует комплекса испытательной аппаратуры.

Одной из основных систем любого космического аппарата является система электропитания (СЭП), любые сбои в работе, которой приводят к нарушению других систем, а при ее отказе к завершению срока активного существования (САС).

Как правило, в состав СЭП большинства КА входят три основных элемента:

- первичный источник энергии (солнечная батарея);

- вторичный источник энергии (аккумуляторная батарея)

- комплекс автоматики, стабилизации и защиты (КАС).

Использование солнечной батареи (СБ) в качестве первичного источника

энергии СЭП КА в наземных условиях требует использования специальных стендовых устройств (мощных осветителей, систем термостабилизации и др.) для обеспечения заданных условий освещенности и температуры, что экономически нецелесообразно и технически трудно осуществимо.

Учитывая вышеперечисленные трудности, для исследования, экспериментальной отработки и испытания СЭП КА, в которых первичным источником является СБ, используются имитаторы солнечных батарей (ИБС). Данные устройства питаются от промышленной сети, и воспроизводят на своих выходных шинах статические и динамические характеристики СБ.

Значительный вклад в теоретические исследования и разработку ИБС внесли отечественные ученые: А.Н. Амельченко, К.В. Безручко, Н.М. Бордина, Г.М. Гринберг, C.B. Губин, В.А. Летин, Е.А Мизрах, В.Н. Мишин, В.М. Петунин и другие.

ИБС должны удовлетворять ряду требований, основными из них являются соответствие выходного импеданса ИБС импедансу реальной СБ, т.е. статическая и динамическая характеристики ИБС и СБ должны максимально соответствовать друг другу. Кроме того ИБС должен иметь возможность имитировать работу СБ спутника находящегося на любом типе рабочей орбиты (геостационарная, круговая и др.), иметь возможность имитации режимов "вход в тень" и "выход из тени" с изменением длительности данных режимов.

Для исключения влияния человеческого фактора и различного рода ошибок при испытаниях СЭП КА ИБС должен быть автоматизирован, т.е.

ь

используя специализированную программу для тестирования и отладки, иметь возможность задавать программу исследования, по которой ИБС будет работать в течение необходимого времени, с непрерывным ведением протокола результатов испытаний и постоянным контролем аварийных ситуаций.

Таким образом разработка и создание ИБС обеспечивающего работу со всеми структурами СЭП КА актуальна и имеет практическую ценность.

Цель работы - решение задачи создания имитатора солнечной батареи на основе импульсных преобразователей, позволяющего проводить исследование, экспериментальную отработку и испытание любых структур СЭП КА в которых в качестве первичного источника энергии используется солнечная батарея.

Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования:

1. Обзор состояния современных СЭП КА.

2. Анализ характеристик СБ с целью формулирования требований к параметрам импульсных преобразователей имитатора солнечной батареи.

3. Анализ способов аппроксимации статической вольт - амперной характеристики СБ.

4. Анализ вариантов и выбор структуры силовой цепи ИБС, реализующего комбинированную статическую ВАХ.

5. Анализ статических и динамических характеристик ИБС.

6. Разработка алгоритмов и программы тестирования и отладки для управления ИБС.

7. Разработка силовой части ИБС на основе импульсных преобразователей и обобщение опыта практической реализации ИБС.

Методы исследования базируются на общих положениях теории электрических цепей, теории алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем и методов математического моделирования. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях и промышленных образцах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в результатах теоретических и практических исследований, сущность которых состоит в следующем:

1. Разработана многофункциональная четырех элементная структура ИБС на основе трех импульсных преобразователей (двух источников напряжения и источника тока) и устройства сопряжения (состоящего из последовательного сопротивления Яп, шунтирующего сопротивления и нелинейного элемента) для формирования внешней ВАХ. Структура позволяет работать с любым типом стабилизатора СЭП КА (СИ или ШС) в широком диапазоне регулирования по всем основным параметрам ВАХ солнечной батареи:

- напряжение холостого хода, 11Хх\

- ток короткого замыкания, ¡ю\

- наклон ВАХ на участке напряжения, задаваемый последовательным сопротивлением Кц",

- наклон ВАХ на участке тока, задаваемый шунтирующим сопротивлением 1/Ящ;

- напряжение сопрягающего участка, задаваемое нелинейным элементом

и„э,

-ток сопрягающего участка, задаваемый нелинейным элементом 1Нэ-

2. Получены аналитические выражения, позволяющие определять параметры ВАХ кремневой СБ (Яп, Ни/, иНэ, ¡нэ) при известных значениях напряжения холостого хода 11 хх и тока короткого замыкания 1К3.

3. Смоделированы переходные процессы ИБС при изменении нагрузки от холостого хода до короткого замыкания и наоборот.

4. Получены аналитические выражения для определения пульсаций выходного тока и напряжения ИБС.

Практическая ценность работы.

1. Разработан имитатор солнечной батареи на основе импульсных преобразователей, позволяющий проводить исследование, экспериментальную отработку и испытание всех известных структур СЭП КА для всех типов орбит.

2. Разработан ИБС имеет широкие диапазоны регулирования по всем основным параметрам ВАХ СБ {11хх, Кш, ^нэ, ¡нэ), что позволяет расширить область исследования и настройки СЭП.

3. Разработан имитационный комплекс ИБС, позволяющий производить автоматизированный функциональный контроль, исследования и испытания СЭП КА, как на этапе проектирования при настройке и отладке при комплексных предполетных испытаниях всего аппарата при сопровождении дублирующего аппарата на все время срока активной работы на орбите.

Основные защищаемые положения (тезисы).

1. Принципы построения четырех элементной структуры ИБС на основе трех импульсных преобразователей (двух источников напряжения и источника тока) и устройства сопряжения (состоящего из Нп, Яш и нелинейного элемента) для формирования внешней ВАХ.

2. Четырех элементная структура ИБС на основе импульсных преобразователей, позволяющая работать с любым типом стабилизатора СЭП КА (СН или ШС), реализующая комбинированную аппроксимацию ВАХ СБ и позволяющая реализовать широкие диапазоны регулирования по всем основным параметрам ВАХ СБ (11 Хх, ¡кз, Кп, Кш, V11Э, 1НЭ).

3. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований.

4. Алгоритмы и программа тестирования и отладки для управления силовой части ИБС в процессе испытаний СЭП КА.

Личный вклад.

1. Энергетический анализ трех и четырех элементных структур ИБС на основе импульсных преобразователей.

2. Исследование статических и динамических характеристик ИБС.

3. Разработка и отладка основных блоков ИБС.

4. Разработка алгоритмов и программы тестирования и отладки для управления ИБС в процессе испытаний СЭП КА.

Реализация результатов диссертации работы.

Основные научные и практические результаты использованы в:

- НИР в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме "Разработка и создание автоматизированной контрольно-испытательной аппаратуры на основе имитаторов солнечных и аккумуляторных батарей для испытаний бортовых систем электропитания и космических аппаратов в целом на всех стадиях отработки";

- рамках хоз. договоров № 142/МРМи_РЭА/06 и №142/ИБС200/08 между ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева» (г. Железногорск) и НИИ АЭМ ТУСУР (г. Томск).

Разработанный имитатор солнечной батареи на основе импульсных преобразователей (ИБС-300/25), внедрен на предприятии ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева».

Апробация результатов работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», Томск, 2004; VIII всероссийской научной конференции с международным участием «Решетневские чтения», Красноярск, 2004; третьей международной научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Томск, 2005; XI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «СТТ 2005», Томск; всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», Железногорск, 2008; международной конференции «Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности», Москва, 2008; всероссийской научно-техническая конференции молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2008; VIII международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009», Москва, 2009; XIII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», Алушта, 2010; VI Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления, Томск, 2010; XII всемирный электротехнический конгресс - «ВЭЛК 2011 », Москва 2011; 12-я международная научно-практическая конференция «Современные информационные и электронные технологии», Украина, г. Одесса; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Электропитание-20П", Москва; отчеты о НИР в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме "Разработка и

создание автоматизированной контрольно-испытательной аппаратуры на основе имитаторов солнечных и аккумуляторных батарей для испытаний бортовых систем электропитания и космических аппаратов в целом на всех стадиях отработки" (этапы I - 4).

Публикации результатов работы.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 19 печатных работах, в том числе 4 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых журналах. Основные технические решения выдвинутые и обоснованные в работе защищены 5 патентами па полезную модель Российской Федерации.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 164 листах основного текста, который включает 6 таблиц и 106 рисунков. Список литературы включает 159 наименований на 19 страницах. В приложении приводится акт о внедрении результатов диссертационной работы на предприятии ОАО «Информационные спутниковые системы им. М.Ф. Решетнева» и протоколы испытаний опытного образца ИБС-300/25 "Экспресс".

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной диссертационной работы, сформулирована цель работы, основные задачи, научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится обзор современных систем электропитания космических аппаратов и перспективы их развития. Обоснована необходимость использования имитаторов солнечных батарей на базе статических преобразователей в качестве первичного источника энергии для исследований и испытаний различных структур СЭП КА. Произведена классификация имитаторов солнечных батарей по способам аппроксимации воспроизводимой статической вольт - амперной характеристики. Рассматривается ряд технических реализаций ИБС. Определены основные требования, предъявляемые к имитаторам солнечных батарей.

!®Т

6 5 6 7 10 12 12 СЛС'.лег

Показано что к основным тенденциям в развитии СЭП КА следует отнести (рис. 1):

- увеличение мощности бортового электрооборудования космического аппарата;

- увеличение срока активного существования КА;

- улучшение массогабаритных характеристик СЭП;

- использование автоматизированных испытательных комплексов или их отдельных частей на всех стадиях от разработки КА до предстартовых испытаний;

- переход к использованию новых перспективных типов СБ и АБ;

- повышение уровня напряжения, в частности переход бортового питания КА с 27 В и 40 В на номинальное напряжение 100 В;

- унификация и построение СЭП по блочно - модульному принципу.

На рис. 2 приведены структуры СЭП КА получившие наибольшее распространение.

При использовании последовательной структуры на выходе СБ устанавливается емкостной фильтр, емкость которого суммируется с собственной емкостью СБ. СБ в этом случае работает в режиме эквивалентного источника напряжения, а именно от напряжения максимального (оптимального) отбора мощности до напряжения холостого хода "ветвь напряжения".

о

В параллельной структуре входной фильтр СФвх отсутствует. Роль элемента для запаса энергии выполняет дроссель Ь. В связи с этим масса дросселя соизмерима с массой входного фильтра последовательной СЭП. СБ в этом случае работает в режиме эквивалентного источника тока, а именно от нуля до напряжения максимального отбора мощности "ветвь тока".

В обеих структурах возможно организовать экстремальный регулятор мощности, позволяющий работать в оптимальной рабочей точке ВАХ СБ, который может адаптироваться к изменению ее ВАХ в процессе эксплуатации.

При разработке и наземных испытаниях КА проверяются как отдельные электрические системы, так и весь комплекс электрооборудования в нормальных и аварийных режимах. В этом случае использование в качестве первичного источника энергии солнечных батарей невозможно, т.к. часть солнечного излучения при прохождении через атмосферу земли поглощается. Поэтому ВАХ СБ, работающей на земле и СБ работающей в космосе, будут различны.

В настоящие время на всех стадиях разработки, создания и испытания СЭП КА, в которых первичным источником является солнечная батарея, используются имитаторы солнечных батарей. Данные устройства питаются от промышленной сети и воспроизводят на своих выходных шинах статические (энергетические) и динамические (частотные) характеристики СБ. Существующие на сегодняшний день ИБС можно классифицировать по типу аппроксимации воспроизводимой статической вольт - амперной характеристики (рис. 3).

На основании проведенного анализа построения СЭП КА, рассмотрения требований предъявляемых к ним, были сформулированы основные требования к характеристикам, которым должен отвечать ИБС.

Сделаны выводы о недостатках схем ИБС в зависимости от способа аппроксимации ВАХ. Предложена структурная схема ИБС, реализующая комбинированную ВАХ (прямой линией и экспонентой), силовая часть которой практически полностью совпадает с эквивалентной схемой реальной СБ.

Вторая глава посвящена исследованию характеристик солнечных батарей с целью определения исходных данных для ИБС. Приведен

сравнительный анализ результатов аппроксимации. Выработаны основные требования к статическим и динамическим характеристикам ИБС.

Солнечные батареи современных космических аппаратов состоят из десятков и сотен тысяч отдельных фотопреобразователей (солнечных элементов), соединенных параллельно - последовательно с целью обеспечения требуемых от СБ значений тока и напряжения. Вследствие этого в данной главе ставится задача, исследования статических и динамических характеристик солнечных элементов. Также описываются статические и динамические модели СБ и СЭ и методы аппроксимации статической модели СЭ.

Произведена классификация ИБС по способу аппроксимации воспроизводимой статической вольт - амперной характеристики (рис. 4).

Модель СЭ можно описать аналитически, либо множеством экспериментально снятых точек вольт-амперной характеристики. Эти множества точек можно экстраполировать для условий работы солнечного элемента (температура, освещенность и др.), для которых отсутствуют экспериментальные данные. Модели с распределенными параметрами, не пригодны для практического анализа работы СЭ, т.к. параметры СЭ изменяются с изменением температуры, освещенности, деградации, что затрудняет измерение параметров во всех диапазонах представляющих интерес. Модели с сосредоточенными параметрами нашли наибольшее распространение в инженерных расчетах. Отмечено, что при проектировании ИБС необходимо учитывать эквивалентную схему СЭ как для переменного тока, так и для постоянного (рис. 5, рис 6).

Представленная эквивалентная схема солнечного элемента безынерционна и описывается уравнением:

Ц

-а-

\7 мо

Рис. 5. Эквивалентная схема солнечного элемента для постоянного тока. 1щ ~ фототок или ток короткого замыкания СЭ; 1И - ток нагрузки; Яп -последовательное сопротивление СЭ; Яш - шунтирующие сопротивление.

Поскольку входящие в СЭП КА регуляторы и стабилизаторы являются импульсными устройствами, то их динамические характеристики зависят от импедансных частотных характеристик СБ.

Эквивалентная схема солнечного элемента при малой величине переменного сигнала, т.е. р-п-переход находится под воздействием электрического напряжения (рис. 6):

и = и„ + ¿7, схр(/си/) (2)

1/,<ио

т"

-с=э-

Рис.6. Эквивалентная схема солнечного элемента при малой величине переменного сигнала. Сд - диффузионная емкость; Св -барьерная емкость; О. - частотная проводимость.

Произведено сравнение аппроксимации экспериментально снятых характеристик двух модулей СЭ прямой линией и экспонентой и двумя прямыми линиями и экспонентой (рис. 7, рис. 8). Аппроксимация ВАХ прямой линией и экспонентой представляет собой ВАХ разбитую на два участка, каждый из которых описывается своей функцией:

„т,\ а-и + Ь Л<и<В

/(С/)%-</.(е'"-1) в<и<в (3)

Аппроксимация ВАХ двумя прями линиями и экспонентой представлена в виде:

а-и+Ь А <и < В

/({/)= с-4-(е"'-1) В<и<С (4)

а-и + Ь С<и<й

Анализ полученных значений показал:

- аппроксимация первым методом (прямой линией и экспонентой) дает меньшую среднею относительную погрешность, по сравнению со вторым методом (двумя прямыми линиями и экспонентой);

-аппроксимация первым методом дает более точный результат на участке напряжения (отрезок СО);

- наибольшая погрешность при аппроксимации ВАХ СЭ как первым, так и вторым методом имеет место на участке напряжения в конце ВАХ СЭ.

1Л

Рис. 7.

Экспериментальные ВАХ модулей кремневых солнечных элементов. 1 - ВАХ модуля №1,2 -ВАХ модуля №2.

О I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13 [4 15 16 и, В

• 1 2 3 4 5 6

| 9 10 Ц 12 13 14 Ь 16 П. В О I 1 1 * * Ь 7 * 9 10 И 12 I» >♦ И 16 13, В

а) б)

Рис. 8. Аппроксимация ВАХ модуля СЭ.

а - аппроксимация прямой линией и экспонентой;

б - аппроксимация двумя прямыми линиями и экспонентой.

Аппроксимация вторым методом более предпочтительна по энергетическому критерию (см. главу 3).

На основе анализа статических характеристик солнечных элементов, солнечных батарей и анализа вариантов построения ИБС сформулированы требования к статическим характеристикам ИБС:

1. ВАХ, воспроизводимая ИБС должна быть максимально адекватна к ВАХ солнечной батареи. Среди рассмотренных ВАХ этому требованию удовлетворяют ВАХ, изображенные на рис.2.17.

2. ИБС при формировании статических ВАХ должен иметь возможность регулировки:

- напряжения холостого хода;

- тока короткого замыкания;

(11 аи

- наклона на участке тока — и напряжения —;

сШ (И

- нелинейного участка ВАХ.

3. Для испытаний граничных режимов работы СЭП КА, ВАХ ИБС должна иметь более широкие диапазоны регулирования по всем основным параметрам ВАХ солнечной батареи, чем у имитируемой солнечной батареи.

4. Для имитации всех типов орбит КА, ИБС должен иметь возможность имитировать режимы «Вход в тень», «Тень», «Выход из тени» и «Солнце».

На основании частотной модели солнечного элемента сформулированы требования к динамическим характеристикам ИБС:

1. ИБС должен имитировать суммарную эквивалентную емкость солнечной батареи (барьерную и диффузионную);

2. Значение выходной емкости не должно превышать эквивалентную емкость СБ;

3. Полное выходное сопротивление (модуль комплексного сопротивления) гВЬ1Х ИБС должно быть прогнозируемо и иметь возможность расчета.

ИеричЯ модуль Второй моду»

Перзыйждох» Второй модуль

Рис. 9. Сравнительная погрешность аппроксимации ВАХ модулей СЭ прямой линией и зкспонентой

В третьей главе рассмотрены варианты построения ИБС на основе импульсных преобразователей. Произволен энергетический анализ трехэлементных структур ИБС состоящих из двух источников напряжения и источника тока и устройства сопряжения состоящего из Кц, 11щ и нелинейного элемента. Исследуются динамические режимы работы ИБС как в режиме малого сигнала, так и в режиме сброс — наброс нагрузки. На примере трехэлементной структуры ИБС, имеющей наименьшие потери, создана

четырех элементная структура ИБС имеющая лучшие энергетические характеристики. Выведены аналитические выражения для определения пульсаций выходного напряжения и тока ИБС.

Анализ экспериментальных ВАХ модулей кремневых солнечных элементов (рис. 7) выявил следующие зависимости:

1оп « (0,85 -4- 0,9)!ю

иоп «(0,8 + 0,9)С/„. (5)

Исходя из приведенных уравнений определены максимальные значения сопротивления Лп определяющего наклон ВАХ на участке напряжения и сопротивления определяющего наклон ВАХ токового участка (рис. 17).

"члх К] I /

ш 'ОРТ 'КЗ

= —= и™ - = (6) '"«л- Л/ / - / I

ш ' КЗ 'ОРТ 'КЗ

Энергетический анализ трехэлементных структурных схем реализующих аппроксимацию статической ВАХ СБ прямой линией и экспонентой (рис. 11, рис. 12) показал, что наиболее предпочтительной по энергетического критерию является структурная схема изображенная на рис. 10а. Данная схема имеет наименьшие суммарные потери на элементах Ля, и НЭ {1!Хх =ЗООВ, =25 А). Схема имеет максимальные потери в режиме холостого хода. Они равны /' = 0,081;;,.,./,.,. Потери в НЭ в этом режиме составляют 19% от суммарных потерь схемы. В режиме ОРТ потери составляют Р = 0,015ихх1ю, или 9% от суммарных потерь схемы.

На основании трех элементной структурной схемы изображенной на рис. 10а предложена четырех элементная структурная схема реализующая аппроксимацию статической ВАХ СБ двумя прямыми линиями и экспонентой (рис. 12).

Установлено что добавление источника напряжения и0цэ уменьшают потери на НЭ до значения Р = 0,01бип1ю т.е. в 5 раз. Итого суммарные потери схемы в режиме холостого хода уменьшаются в 1,15 раза.

Выведены аналитические выражения для расчета комплексного сопротивления структурных схем ИБС (рис. 10) в режиме воздействия малой величины переменного сигнала. Произведено сравнение комплексного сопротивления ИБС и СБ на каждом участке их статической ВАХ (участок тока, нелинейный участок, участок напряжения).

Установлено, что вблизи точки короткого замыкания (участок тока) полное сопротивление СБ определяется в основном величиной шунтирующего сопротивления (рис. 6), т.е. комплексное сопротивление 2,св солнечной батареи определяется суммарной емкостью солнечной батареи Сев и величиной Яш- Данному требованию наиболее удовлетворяют схемы а) и в) рис. 10. В

схеме б) к величине шунтирующего сопротивления К,,, добавляется величина последовательного сопротивления /<,.-, но это не оказывает большого влияния т.к. величина

Ряс. 10. Варианты структурных схем ИБС

Вблизи точки холостого хода (участок напряжения) частотное сопротивление солнечной батареи Я (величина обратная частотной проводимости) становится небольшим и поэтому, полное сопротивление солнечной батареи определяется в основном величиной последовательного сопротивления Яп. В рассматриваемых схемах наибольшее влияние на комплексное сопротивление оказывает последовательное сопротивление Яп в схеме б) рис. 10. Вблизи оптимальной рабочей точки (участок нелинейного элемента) на полное сопротивление солнечной батареи оказывает влияния как последовательное сопротивление Ип так и шунтирующие Яш. Частотное сопротивление Л, становится соизмеримым с последовательным сопротивлением Нц.

Произведено сравнение результатов моделирования ИБС и СБ в режиме сброс - наброс нагрузки (рис. 13).

Смоделировано влияние паразитных параметров монтажа на работу ИБС в режиме сброс - наброс нагрузки. Установлено влияние паразитной индуктивности в цепи последовательного сопротивления Ип на переходный процесс из режима короткого замыкания в режим холостого хода и влияние паразитной индуктивности в выходной цепи ИБС на переходный процесс из режима холостого хода в режим короткого замыкания.

Рис. 11. Мощность рассеиваемая на элементах Яп, Яш и НЭ в относительных единицах и в процентах от суммарных потерь схемы

Рис. 12. Структурная схема ИБС реализующая аппроксимацию статической ВАХ СБ двумя прямыми линиями и экспонентой

Получены аналитические выражения для расчета амплитуды пульсации выходного напряжения на нагрузке при заданной амплитуде пульсаций выходного тока стабилизатора тока. Участок напряжения:

_[/„-(/„+А1н)]яп+и, + Аинэ+и

+ Л(Л

1+-

к,„

—V„

(7)

где: 1КЗ - ток источника тока; /# - ток нагрузки; ин - напряжение нагрузки; И и, Ящ - резисторы задания наклонов участков ВАХ; 1/0 - расчетная величина источника напряжения; 11цз ~ заданное падение напряжения на нелинейном элементе; (Д/л - падение напряжения на высокочастотном отсекающем диоде; А 1ц— амплитуда пульсации тока нагрузки. Участок тока:

± Ди„ = Я„,[/„ -(/„ ±М„ )]-и„ (8)

Очевидно, что уровень пульсации напряжения на выходе ИБС при нелинейном сопряжении участков ВАХ, на рабочей точке нагрузки близкой к

точке максимального отбора мощности (оптимальной рабочей точке) будет лежать между уровнем пульсации на участке напряжения и уровнем на участке тока.

и. «В I, Л

1000 800 600 400 200 Сброс \j / Маброс 2.5 2

j Ад ........ jU л

j v У 0,5 1 \иу

U.MB 5 10 15 20 25 а) 30 35 40 45 t, МКС 1. А 5 ю 15 20 25 30 35 40 45 б)

1000

г ■" : > 2,5

800 ;.....(•: 2 .....„4.....;.. .........;........] .......

1

400 Ml д ; I '

200 0,5 | ; ( ! /

5 10 15 20 25 30 35 40 45 t, МКС 5 10 15 20 25 30 35 40 45

U, мВ в) ], А г)

J 000

; \ ■

800 2 Л

| ! д

200 0,5 j : j ] 1 V * .............г....................

10 15 20 25 30 35 40 45

Д)

10 15 20 25 30 35 40 45

Рис. 13 Осциллограммы "сброса" (из КЗ в XX) и "наброса" (из XX в КЗ) нагрузки при:

а) U(t) при минимальных значениях Сд, СЕ, G. ;

б) I(t) при минимальных значениях Сд, Сц, G_;

в) U(t) при максимальных значениях Сд, Сц, G. :

г) Ift) при максимальных значениях Сд, Сц, G_;

д) U(t) при нелинейных значениях Сд, Сц, G :

е) I(t) при нелинейных значениях Сд, СБ, О

В четвертой главе содержатся сведения о практической реализации имитатора солнечной батареи ИБС-300/25, который способен воспроизводить основные технические характеристики солнечной батареи в процессе проведения автономных и комплексных испытаний энергопреобразующей аппаратуры, в котором использованы основные научные результаты

Параметр Значение

Диапазон регулирования напряжения холостого хода, иХх 20 - 300 В

Дискретность регулирования напряжения холостого хода, О'хх 1 В

Диапазон регулирования тока короткого замыкания, 0 - 25 А

Дискретность регулирования тока короткого замыкания, 0,01 А

Диапазон регулирования наклона ВАХ на участке напряжения (Нп = (Ш/(1Г) 0-12,7 В/А

Дискретность регулирования наклона ВАХ на участке напряжения 0,1 В/А

Диапазон регулирования наклона ВАХ на участке тока (1/1<ш = (Н/сШ) 0-0,031 А/В

Дискретность регулирования наклона ВАХ на участке тока 0,001 А/В

Выходная мощность в нелинейном режиме, в точке максимального отбора мощности (ОРТ) не менее 2600 Вт

диссертации. Произведен комплекс экспериментальных исследований по получению зависимостей выходного импеданса ИБС.

Таблица 1

Рис. 14. Имитатор солнечной батареи ИБС-300/25

Разработан имитатор солнечной батареи на основе импульсных преобразователе, который способен воспроизводить основные технические характеристики солнечной батареи в процессе проведения автономных и комплексных испытаний энергопреобразушщей аппаратуры (рис. 14). ИБС-300/25 обеспечивает формирование двух типов ВАХ (рис. 17):

а) Кусочно — линейная ВАХ, образованная в координатах (Vних, ¡пых) состоящая из токового участка и участка напряжения (линейная ВАХ);

б) ВАХ, с нелинейным сопряжением участков тока и напряжения, (нелинейная ВАХ).

Основные характеристики ИБС приведены в таблице 1. Структурная схема ИБС-300/25 приведена на рисунке 15.

Устройство работает следующим образом. Питающая сеть через защитный автомат и фильтр радиопомех устройства ввода поступает на входной выпрямитель, выпрямленным напряжением 500 В которого запитаны три модуля конвертора, представляющих собой трехфазный высокочастотный

преобразователь (транзисторный мостовой инвертор и выпрямитель). Эквивалентная частота пульсаций на выходном блоке фильтра конвертора равна 312,5 кГц.

—и-

з:

•1:"..!

гт

т С...

'Г"

0>"

х~г

и

Рис.15. Структурная схема ИБС-300/25 УВ - устройство ввода, ВВх - выпрямитель входной, МК - модуль конвертора, БФК -блок фильтра конвертора, МСТ - модуль стабилизатора тока, БДр - блок дросселей, УКК -устройство коммутации конденсаторов, БД - блок диодный, УК - устройство коммутации, БР - блок резисторов, БФ - блок фильтра, БЭН - блок нелинейного элемента, БУ - блок управления, МР - модуль разрядный, БФНЭ - блок фильтра нелинейного элемента, МРио - модуль разрядный и0, МРИонэ - модуль разрядный и0нэ> М3и0 - модуль зарядный и0> М:Шонэ - модуль зарядный ионэ-

С выхода блока фильтра конвертора стабилизированное напряжение равное ик = Ихх + 50 В с ограничениями 255 В < £/Л < 350 В питает три модуля стабилизатора тока ¡кз, образующих широтно-модулированный трехфазный преобразователь понижающего типа. Эквивалентная частота пульсации тока, как продукт работы модулей стабилизатора тока, в шине 1кз составляет 156,25 кГц. С целью увеличения фильтрации тока на выходе включены два силовых дросселя, расположенные в блоках дросселей.

Выход модулей стабилизаторов тока через устройство коммутации конденсаторов, развязывающий диод блока диодного и устройство коммутации подключен к нагрузке имитатора. Кроме этого, к выходу модулей стабилизаторов тока через блок резисторов и блок фильтра подсоединен блок нелинейного элемента.

Независимо от нагрузки, которая может изменяться от короткого замыкания до холостого хода, выходной ток модулей стабилизаторов тока

равен току ¡¡а, предустановленному из блока управления. Изменение тока нагрузки приводит только к параметрическому перераспределению токов между блоком нелинейного элемента, шунтирующим резистором и собственно нагрузкой.

С целью снижения рассеиваемой мощности при формировании ВАХ ИБС и обеспечения возможности плавного регулирования напряжения при уставке

должно быть постоянным, однако реально его наклон определяется дифференциальным сопротивлением прямосмещенных диодов блока нелинейного элемента. С целью исключения этой ошибки и возможности формирования ВАХ с нелинейным (участок нелинейного элемента) сопряжением отрезков прямых линий (участок тока и участок напряжения), параллельно последовательному соединению блока нелинейного элемента и блока фильтра нелинейного элемента большой емкости, стабилизацию и регулирование напряжения которого осуществляют модуль разрядный 1}онэ и модуль зарядный и0иэ, отрабатывающие наброс и сброс нагрузки ИБС соответственно:

Кроме того, данная цепь обеспечивает безопасный режим работы диодов блока нелинейного элемента, «откачивая» из него излишки тока. Величина напряжения » 0,9 В учитывает падение напряжения на отсекающем диоде блока фильтра нелинейного элемента.

С целью снижения взаимовлияния и упрощения борьбы с помехами все импульсные преобразователи ИБС имеют единую синхронизацию.

Сигналы синхронизации формируются с помощью программируемой логической интегральной микросхемы ПЛИС (рис. 16). ПЛИС формирует на своих выходах сигналы синхронизации 312,5 кГц и 156,25 кГц, которые через магистральные усилители уходят в соответствующие устройства управления модулей конвертора и модулей стабилизатора тока.

Следующей задачей ПЛИС формирование импульсов управления силовыми ключами для зарядных (М3и0 и МЗионэ) и разрядных (МРи0 и МРи0НЭ) модулей ИБС (рис. 16).

ИБС-300/25 осуществляет самоконтроль основных электрических параметров и обеспечивает отсутствие аварийных ситуаций при несанкционированном пропадании напряжения питающей сети.

ИБС-300/25 контролирует следующие параметры питающей сети на соответствие нормам ГОСТ 13109-97.

Выход данных параметров за пределы допуска сопровождается сигнализацией на дисплее блока управления, а также передачей сообщений во внешнюю ПЭВМ.

Кп = 0, выходное напряжение на интервале токов

иою =1/в+Д17яэ-(/<

(9)

L

Рис. 17. Типы ВАХ ИБС-300/25

Участок кж Л___ Уч; сюк Ь э

1 2 4 3 г, ьЛ 9 \ Участок ^напряжения \

-1- .0 в -т---------- —— иоиз-56ЛЗ \ С) —,----------*--не-

ш I» К> 49 5» № ~я 3(1 1'н. в

Пи

Рис. 18. Пример графическою построения ВАХ ИБС в режиме «солнце»

В соответствии с предложенной структурной схемой (рис. 12) разработан алгоритм графического построения ВАХ ИБС в режиме «солнце» (рис. 18, рис. 19).

^Начало

1) Определение исходных данных ихх. Ьз. Кп. 1 Иш. динэ, ДГнэ )

_г"

2) Чтение массива данных для исходных

жаченпй ДШэ(н). .Ун'Кп). п=9

^ ;

3) Вычисление координат гочкп В{ШДв)

Х-

и»=ив=11хз|(1+Кп/Кш>ДияЯк'Шп-и*га №га=1 В

1в=(Кш1кч-11о) Кш

■1) Построение прямой на участке тока, соединив точку А{0;Ьсз} сВ{ивЛв}

" Ж "

Г Я) Вычисление координат точек нелинейного чистка

I

I 1н=1кз-иоТ1ш-Дин:<11|

____Ж___

иип(1и-1н«пШ»»-дит(п)+и»1>|;)/( 1+Яп Иш)

—ИШк______г

(!) Построение кртгвой нелинейного участка соединив точки 1-9 с помощью кубической интерполяции

II

7) Построение прямой на участке напряженно соединив течку С{1М?) с К{ихх0}

Рис. 19. Алгоритм графического построения ВАХ ИБС в режиме «солнце»

i ! зоо | - я | ! а ос | yew | ю | 16 т

| Режим работы; Режим аерехоа.а т i им' ' / ' 11

РлЬоЧ*» Up. t> 1 i>. A PI-'- Ы

0 0 0.0 0.0 Г,SAX ,

i 0*00 . 0.00 0.00

—II— «I •• ""*"**. j

Iiiic.-:ww?$-<ii Окно диагиос1мки

Гоякцп' ' «»й

% ! в-

¡Ill II

|ЯИМИ£1 Й 8Й SBг * ♦ '•ч "'

Вияp4'ieNo»«iwx гк «'> "•>.» | 09. С.

tawM*» М* Гр^-ЛьвЛ/, fwiwww^ j

Г«™*- I • I •>' i ■■<«

— и.' i - : I ' 2 1

, J, l^» I .J

r—-m n -t. : ¡4- «- i <•

\ : ■

:: j Ml i I >■■1" """""i ',Г'

Рис. 20. Программа тестирования и отладки ИБС-300/25

■ 16 Д та

-Ви1

— F^ogl

1000 F.FM

кию гаээээ

РЭД2

1000 1000О 10QC00

б)

1СС0О 10000

Рис. 21. Зависимости полного выходного сопротивления ИБС-300/25: 1 - расчетная, 2 -экспериментальная зависимости, а) участок тока, б) участок нелинейного элемента, в) участок напряжения.

ИБС-300/25 работает под управлением встроенного промышленного компьютера стандарта РС/104, который управляет входящими в состав устройства контроллерами низкого уровня по интерфейсу RS-485 и обеспечивает связь с PC по Ethernet интерфейсу.

Программа тестирования и отладки ИБС-300/25 позволяет работать как под управлением оператора и программы тестирования и отладки поставляемой в комплекте, так и в составе автоматизированного комплекса под управлением программы испытаний, с непрерывным ведением протокола результатов испытания (рис. 20).

Произведено сравнение экспериментальной и расчетной зависимостей полного выходного сопротивления ИБС от частоты (рис. 21), которое показало, что расчетные зависимости хорошо коррелируются с экспериментальными значениями. Сопоставление результатов показало, что максимальное расхождение экспериментальной и расчетной зависимости полного выходного сопротивления составляет: участок тока - 22%; участок напряжения - 19%; участок нелинейного элемента - 21%. Абсолютное значение погрешности составляет от 1,5 до 2,2 Ом.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В работе получены следующие результаты:

1. Анализ современного состояния систем электропитания космических аппаратов подтвердил актуальность настоящей работы. Рассмотрены основные структуры систем электропитания космических аппаратов. Обоснована необходимость использовать имитаторы солнечных батарей при наземных испытаниях СЭП КА в качестве первичного источника энергии.

2. Проведено сравнение основных принципов реализации имитаторов солнечных батарей и классификация имитаторов по способу аппроксимации воспроизводимой статической вольт - амперной характеристики

3. Для построения имитаторов СБ проведена классификация моделей солнечных элементов. Сделан выбор адекватной модели солнечного элемента, как нелинейной цепи. Рассмотрены аппроксимирующие функции для формирования характеристик нелинейных элементов. Сравнительный анализ результатов погрешности аппроксимации показал, что аппроксимация ВАХ солнечного элемента прямой линией и экспонентой дает меньшую среднею относительную погрешность (0,92-1,29%), по сравнению с аппроксимацией двумя прямыми линиями и экспонентой (1,73-1,95%).

4. Выработаны основные требования к статическим и динамическим характеристикам имитатора солнечной батареи:

— ВАХ, воспроизводимая ИБС должна быть максимально адекватна к ВАХ СБ.

- ИБС при формировании статических ВАХ должен иметь возможность регулировки:

- напряжения холостого хода;

- тока короткого замыкания;

- наклона на участке тока и напряжения —;

- нелинейного участка ВЛХ.

- для испытаний граничных режимов работы СЭП КА ВАХ ИБС должна иметь более широкие диапазоны регулирования по всем основным параметрам ВАХ солнечной батареи, чем у имитируемой солнечной батареи.

- для имитации всех типов орбит КА ИБС должен иметь возможность имитировать режимы «Вход в тень», «Тень», «Выход из тени» и «Солнце».

- ИБС должен имитировать суммарную эквивалентную емкость солнечной батареи (барьерную и диффузионную).

- значение выходной емкости не должно превышать эквивалентную емкость СБ.

- полное выходное сопротивление (модуль комплексного сопротивления) 7еш ИБС должно быть прогнозируемо и иметь возможность расчета.

5. Произведен энергетический анализ трех элементных структур ИБС на основе двух импульсных преобразователей (источника напряжения и источника тока) и устройства сопряжения (состоящего из Rn, Яш и нелинейного элемента) и определена структура ИБС, имеющая наименьшие потери.

6. На базе трех элементной структуры ИБС, имеющей наименьшие потери создана четырех элементная структура ИБС на основе трех импульсных преобразователей (двух источников напряжения и источника тока) и устройства сопряжения, имеющая более высокие энергетические показатели и более гибкие возможности регулировки ВАХ.

7. При непосредственном участии автора разработаны 4 ИБС, техническая документация передана в производство. К настоящему времени на основе предложенных схем изготовлено более 30 ИБС, на базе которых организованы рабочие места испытаний объектов, создаваемых ОАО ИСС по заказам Министерства обороны РФ.

Автор благодарит сотрудников НИИ АЭМ ТУСУР заведующего 14 отд., к.т.н. Мишина В.Н., к.т.н. Ткаченко A.A., с.н.с. Пчельникова В.А., а так же д.т.н. Казанцева Ю.М. и д.т.н. Шинякова Ю.А., к.т.н. Целебровского И.В. за практическую помощь в решении задач, возникавших при работе над диссертацией.

ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Патент на полезную модель 50014 РФ. Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи / Мишин В.Н., Кремзуков Ю.А. Бюл. №34, 2005.

2. Патент на полезную модель 52522 РФ. Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи / Мишин В.Н., Кремзуков Ю.А. Бюл. №9,2006.

3. Патент на полезную модель 77695 РФ. Устройство имитации вольтамперной характеристики солнечной батареи / Мишин В.Н., Пчельников В.А., Бубнов О.В., Кремзуков Ю.А., Кайсанов С.А. Бюл. №30, 2008.

4. Патент на полезную модель 97007 РФ. Устройство для имитации секционированной солнечной батареи с общей шиной / Мишин В.Н., Пчельников В.А., Кремзуков Ю.А., Михайлов A.B., Миргородский С.К., Иконописцев И.А., Бюл. № 23,2010.

5. Патент на полезную модель 90589 РФ. Автоматизированный комплекс наземного контроля и испытаний систем электроснабжения космических аппаратов / Мишин В.Н., Ракитин Г.А., Пчельников В.А., Кремзуков Ю.А., Миргородский С.К., Рулевсхий В.М., Цветков М.Н., Иванов ВЛ. Бюл. № 1,2010.

6. Кремзуков Ю.А. Исследование динамических характеристик имитатора солнечной батареи ИБС-300/25. Известия Томского политехнического университета // Журнал Известия Томского политехнического университета. - 2008. - Т. 312. - № 4. Энергетика - С. 131135.

7. Казанцев Ю.А., Кремзуков Ю.А. Автоматизированная система контроля энергопреобразующей аппаратуры СЭП КА. Известия Томского политехнического университета // Журнал Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314. - № 4. Энергетика - С. 138141.

8. Кремзуков Ю.А., Рулевский В.М., Шиняков Ю.А., Цветков М.Н. Автоматизированная система контроля энергопреобразующей аппаратуры систем электропитания космических аппаратов // Доклады ТУСУР, - № 2(22), 2010.-С. 274-280.

9. Юдинцев А.Г., Рулевский В.М., Шиняков Ю.А., Кремзуков Ю.А. Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов // Доклады ТУСУР, - 2011. - (в печати).

10. Кремзуков Ю.А. Имитатор солнечной батареи ИБС 75/110 // Труды международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления». Томск. - 2004,- С.21.

11. Кремзуков Ю.А., Мишин В.Н. Имитатор солнечной батареи на базе источника напряжения с безынерционным ограничением тока // Сборник трудов НИИ АЭМ «Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов». Томск. - 2004. -№5. — С.71-73.

12. Кремзуков Ю.А., Мишин В.Н. Имитатор солнечной батареи // Труды VIII всероссийской научной конференции с международным участием «Решетневские чтения». Красноярск. - 2004. - С.73-74.

13. Кремзуков Ю.А. Исследование динамических характеристик имитатора солнечной батареи реализованного на источнике напряжения с безынерционным ограничением тока // Труды третьей международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления». Томск.- 2005,- С.111-112.

14. Кремзуков Ю.А., Кайсанов C.B. Сравнительный анализ потерь элементов структурных схем имитатора солнечной батареи на базе источника напряжения с безынерционным ограничением тока // XI международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «СТТ 2005». Томск. - 2005. - С. 304-305.

15. Мишин В. Н., Кремзуков Ю.А. Принципы построения ИБС на базе источника питания с безынерционным ограничением тока // Материалы всероссийская научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева». Железногорск, Красноярский кр. - 2008. - С.91.

16. Кремзуков Ю.А. Имитатор солнечной батареи // Материалы всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства». Томск. - 2008. -С.234.

17. Мишин В.Н., Пчельников В.А., Ракитин Г.А., Рулевский В.М., Кремзуков Ю.А. Автоматизированная система контроля энергопреобразующей аппаратуры СЭП КА. Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности. Материалы международной конференции. Под ред. Е.И. Артамонова. М.: Институт проблем управления РАН. Москва — 2008. — С. 106.

18. Мишин В.Н., Пчельников В.А., Ракитин Г.А., Ткаченко A.A., Кремзуков Ю.А., Цветков М.Н. Автоматизированная система контроля энергопреобразующей аппаратуры системы электропитания космического аппарата // Труды 8-й международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009». Москва. - 2009. - С. 111.

19. Кремзуков Ю.А. Рулевский В.М. Цветков М.Н. Автоматизированная система контроля энергопреобразующей аппаратуры СЭП КА // Материалы ХШ международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты». Алушта. — 2010.

20. Кремзуков Ю.А. Автоматизированный имитатор солнечной батареи // VI Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления». Томск. - С.24—26.

21. Кремзуков Ю.А., Ткаченко A.A., Федоров A.B., Целебровский Ю.А., Шурыгин Ю.А., Зайченко Т.Н. Методы и средства моделирования в исследованиях систем электропитания космических аппаратов // Материалы XXXVII междунар. Конф. «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе (IT+SE'10)», майская сессия, Ялта-Гурзуф, 2010 // Открытое образование. Приложение. - 2010. - С. 304 - 306.

22. Мишин В.Н., Пчельников В.А., Ткаченко A.A., Кремзуков Ю.А., Рулевский В.М., Квашнин А.Ю., Цветков М.Н. // Материалы всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Электропитание-2011», Москва. -2011. -№ 4. - С. 11-15.

23. Шурыгин Ю.А., Кремзуков Ю.А., Мишин В.Н., Ткаченко A.A., Федоров A.B., Целебровский И.В., Зайченко Т.Н. Моделирование технологических процессов и устройств при разработке имитационного оборудования для наземных испытаний систем электропитания космических аппаратов // Материалы 12-й международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии», Украина, Одесса. - 2011. - С. 19-24.

24. Мишин В.Н. Кремзуков Ю.А. Автоматизированная система контроля энергопреобразующей аппаратуры СЭП КА // Материалы XII всемирного электротехнического конгресса - «ВЭЛК 2011», Москва. - 2011. -(в печати).

Подписано к печати 21.11.2011. Тираж 100 экз. Кол-во стр. 28. Заказ №55-11 Бумага офсетная. Формат А-5. Печать RISO Отпечатано в типографии ООО «РауШ мбх» Лицензия Серия ПД № 12-0092 от 03.05.2001г. 634034, г. Томск, ул. Усова 7, ком. 046 тел. (3822) 56-44-54

61 12-5/875

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

ИМИТАТОР БАТАРЕИ СОЛНЕЧНОЙ ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ И ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Кремзуков Юрий Александрович

Научный руководитель:

кандидат технических наук

Мишин В.Н.

Томск —2011

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................4

Глава 1. Системы электропитания космических аппаратов..................14

1.1. Современное состояние систем электропитания

космических аппаратов.............................................................14

1.2. Состав и параметры системы электропитания

космического аппарата............................................................16

1.3. Имитаторы солнечных батарей на базе статических

преобразователей....................................................................21

Результаты и выводы по главе 1................................................31

Глава 2. Анализ характеристик солнечных батарей............................32

2.1. Модели солнечных элементов..............................................32

2.1.1. Солнечные батареи.........................................................33

2.1.2. Основное уравнение солнечного элемента............................33

2.1.3. Модели ВАХ фотопреобразователей.................................36

2.1.4. Линеаризованная модель солнечного элемента, в

частотной области..................................................................41

2.2. Выбор линеаризованной модели солнечной батареи, в частотной области......................................................................:.........47

2.3. Выбор статической ВАХ модели солнечного элемента и

метода аппроксимации ВАХ солнечного элемента............................50

2.4. Требования к статическим и динамическим

характеристикам имитатора солнечной батареи.............................68

Результаты и выводы по главе 2................................................69

Глава 3. Анализ ИБС на основе импульсных преобразователей............70

3.1. Статические характеристики ИБС.........................................70

3.2. Энергетический анализ.трех элементных структур ИБС.............80

3.3. Энергетический анализ четырех элементной структуры ИБС.......86

3.4. Динамические характеристики трех элементных структур ИБС....91

3.5. Моделирования ИБС..........................................................98

3.6. Пульсации выходного напряжения и тока короткого

замыкания ИБС....................................................................111

Результаты и выводы по главе 3...............................................114

Глава 4. Практическая реализация имитатора солнечной

батареи ЙБС-300/25......................................................................115

4.1. Основные характеристики и описание работы силовой части..................................................................................115

4.2. Управление и контроль ИБС в процессе испытаний системы электропитания космического.................................................128

4.3. Экспериментальное исследование.......................................134

Результаты и выводы по главе 4...............................................142

Заключение................................................................................143

Список литературы.....................................................................146

Приложение А (АКТ о внедрении результатов кандидатской

диссертационной работы).............................................................165

Приложение Б (Протокол межведомственных испытаний имитатора

солнечной батареи ИБС-300/25 зав №1)...........................................168

Приложение В (Технический отчет по результатам стыковочных испытаний имитатора солнечной батареи ИБС-300/25 с СЭП КА 11Ф647М).......................................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Изучение и освоение космического пространства требует развития и совершенствования космических аппаратов различного назначения. Среди разновидностей космических аппаратов наибольшие практическое значение получили автоматические непилотируемые космические аппараты. Их используют, в телевидении, системах связи, при изучении природных ресурсов и погодных условий Земли, исследованиях дальнего космоса и т.д. [6, 91, 100].

Современный космический аппарат, представляет собой взаимосвязанный комплекс систем различного назначения, каждая из которых требует специфического электрооборудования. Учитывая, что это электрооборудование работает в тяжелых условиях космического пространства, к нему предъявляются весьма жесткие требования по надежности и эффективности.

' Одной из основных систем любого космического аппарата является система электропитания (СЭП), любые сбои в работе, которой приводят к нарушению других систем, а при ее отказе к завершению срока активного существования [6,100].

В состав большинства СЭП КА входят три основных элемента [6]:

- первичный источник энергии (солнечная батарея);

- вторичный источник энергии (аккумуляторная батарея);

- комплекс автоматики, стабилизации и защиты: зарядно-разрядный модуль, стабилизатор напряжения, устройства контроля и автоматики.

На заре освоения космического пространства, исследования и наземные испытания космических аппаратов проводили в основном методом физического моделирования. Суть метода заключается в полном воспроизводстве внешнего воздействия. Космический аппарат

помещался в термобарокамеру, а облучение солнечной батареи имитировалось имитатором солнечного излучения [17, 34, 62, 155, 156].

По мере накопления опыта, многократного увеличения размера и сложности космических аппаратов стало очевидным, что полная физическая имитация требует слишком больших затрат. К примеру, испытание солнечной батареи в наземных условиях требует использования специальных стендовых устройств (мощных осветителей, систем термостабилизации и др.) для обеспечения заданных условий освещенности и температуры, что экономически нецелесообразно и технически трудно осуществимо. Поэтому наряду с физическим моделированием стали развиваться другие направления. Например, метод полунатурного моделирования, при котором отдельные компоненты системы электропитания заменялись эквивалентом (имитатором), позволяющим в первом приближении воспроизвести характеристики устройства в реальном масштабе времени при существенно меньших затратах [6, 55, 62, 90, 91, 100].

В последние годы наметилась тенденция еще большего увеличения мощности бортового электрооборудования увеличение времени функционирования космического аппарата соответственно величине его стоимости. Поэтому для повышения надежности работы СЭП КА на орбите резко возросли требования к предполетным (наземным) испытаниям, как отдельных блоков, так и КА в целом. На всех этапах исследований, экспериментальных отработок и испытаний требуется специализированное оборудование, обладающие высокой надежностью, многофункциональностью, отвечающие современным требованиям [6, 91]. Все блоки имитации и собственно СЭП должны работать в едином комплексе, имитируя в реальном времени возможные режимы работы. Например, заряд аккумуляторной батареи и осуществление питания от солнечных батарей в то время, когда спутник

находится на «солнечной стороне», осуществление питания бортовых систем только от аккумуляторных батарей - спутник «в тени» и т.д.

В самом общем виде процесс испытания и исследования СЭП КА с помощью имитационного моделирования может быть представлен в следующем виде (рис. 1).

Задание режима моделирования

Формирование управляющих команд

Формирование электрических величин

Выдача результатов измерения

▲

Измерение электрических величин

Тести руемы й образец

Рис. 1. Процесс испытания и исследования СЭП КА Вариант автоматизированной системы контроля

энергопреобразующей аппаратуры космического аппарата (АКС ЭПА)

ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева» (г. Железногорск), представлен на рис. 2 [37, 43 -51, 64, 65, 75-87].

Рис. 2. Автоматизированная система контроля энергопреобразующей

аппаратуры КА

Использование автоматизированной системы контроля энергопреобразующей аппаратуры КА позволит расширить область исследования и настройки системы электропитания, повысив надежность, а сам имитатор солнечной батареи явится составным блоком автоматизированного испытательного комплекса.

Несмотря на многолетнюю предысторию практической реализации имитаторов солнечных батарей, задачи улучшения выходных характеристик, расширения функциональных возможностей, в том числе возможность работы в составе автоматизированной системы контроля энергопреобразующей аппаратуры КА по-прежнему остаются актуальными. Особо следует отметить возможность работы ИБС на СЭП КА любых структур, что предопределяет перспективность реализации параметрического ИБС на основе импульсных преобразователей(§ 1.2, § 1.3).

Цель работы - решение задачи создания имитатора солнечной батареи на основе импульсных преобразователей, позволяющего проводить исследование, экспериментальную отработку и испытание любых структур СЭП КА, в которых в качестве первичного источника энергии используется солнечная батарея.

Для реализации поставленной цели определены следующие направления исследования:

1. Обзор состояния современных СЭП КА.

2. Анализ характеристик СБ с целью формулирования требований к параметрам импульсных преобразователей имитатора солнечной батареи.

3. Анализ способов аппроксимации статической вольт - амперной характеристики СБ.

4. Анализ вариантов и выбор структуры силовой цепи ИБС, реализующего комбинированную статическую ВАХ.

4 5. Анализ статических и динамических характеристик ИБС.

6. Разработка алгоритмов и программы тестирования и отладки для управления ИБС.

7. Разработка силовой части ИБС на основе импульсных преобразователей и обобщение опыта практической реализации ИБС.

Методы исследования базируются на общих положениях теории электрических цепей, теории алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем и методов математического моделирования. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях и промышленных образцах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в результатах теоретических и практических исследований, сущность которых состоит в следующем:

1. Разработана многофункциональная четырех элементная структура ИБС на основе трех импульсных преобразователей (двух источников напряжения и источника тока) и устройства сопряжения (состоящего из последовательного сопротивления Яп, шунтирующего сопротивления Яш и нелинейного элемента) для формирования внешней ВАХ. Структура позволяет работать с любым типом стабилизатора СЭП КА (СН или ШС) в широком диапазоне регулирования по всем основным параметрам ВАХ солнечной батареи:

— напряжение холостого хода, 11Хх,

— ток короткого замыкания, 1Кз\

— наклон ВАХ на участке напряжения, задаваемый последовательным сопротивлением

— наклон ВАХ на участке тока, задаваемый шунтирующим сопротивлением 1/Яш;

— напряжение сопрягающего участка, задаваемое нелинейным элементом 11нэ\

ток сопрягающего участка, задаваемый нелинейным элементом

1нэ-

2. Получены аналитические выражения, позволяющие определять параметры ВАХ кремневой СБ (Яп, 11Нэ, 1'нэ) при известных значениях напряжения холостого хода 11хх и тока короткого замыкания 1кз- ''

3. Смоделированы переходные процессы ИБС при изменении нагрузки от холостого хода до короткого замыкания и наоборот.

4. Получены аналитические выражения для определения пульсаций выходного тока и напряжения ИБС.

Практическая ценность работы.

1. Разработан имитатор солнечной батареи на основе импульсных преобразователей, позволяющий проводить исследование, экспериментальную отработку и испытание всех известных структур СЭП КА для всех типов орбит.

2. Разработан ИБС имеет широкие диапазоны регулирования по всем основным параметрам В АХ СБ (IIхх, 1кз> иНэ, 1нэ)> что позволяет расширить область исследования и настройки СЭП.

3. Разработан имитационный комплекс ИБС, позволяющий производить автоматизированный функциональный контроль, исследования и испытания СЭП КА, как на этапе проектирования при настройке и отладке при комплексных предполетных испытаниях всего аппарата при сопровождении дублирующего аппарата на все время срока активной работы на орбите.

Основные защищаемые положения (тезисы).

1. Принципы построения четырех элементной структуры ИБС на основе трех импульсных преобразователей (двух источников напряжения и источника тока) и устройства сопряжения (состоящего из Лп, Яш И нелинейного элемента) для формирования внешней В АХ.

2. Четырех элементная структура ИБС на основе импульсных преобразователей, позволяющая работать с любым типом стабилизатора СЭП КА (СН или ШС), реализующая комбинированную аппроксимацию В АХ СБ и позволяющая реализовать широкие диапазоны регулирования по всем основным параметрам ВАХ СБ (11хх, 1кз, К-ш, инэ, 1НЭ).

3. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований.

4. Алгоритмы и программа тестирования й отладки для управления силовой части ИБС в процессе испытаний СЭП КА.

Личный вклад.

1. Энергетический анализ четырех элементных структур ИБС на основе импульсных преобразователей.

2. Исследование статических и динамических характеристик ИБС.

3. Разработка и отладка основных блоков ИБС.

4. Разработка алгоритмов и программы тестирования и отладки для управления силовой части ИБС в процессе испытаний СЭП КА.

Реализация результатов диссертации работы.

Основные научные и практические результаты использованы в:

— НИР в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме "Разработка и создание автоматизированной контрольно-испытательной аппаратуры на основе имитаторов солнечных и аккумуляторных батарей для испытаний бортовых систем электропитания и космических аппаратов в целом на всех стадиях отработки";

- рамках хоз. договора № 142/МРМи_РЭА/06 и №142/ИБС200/08 между ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева» (г. Железногорск) и НИИ АЭМ ТУ СУР (г. 'I омск).

Разработанный имитатор солнечной батареи на основе импульсных преобразователей (ИБС-300/25), внедрен на предприятии ОАО «ИСС им. М.Ф. Решетнева».

Апробация результатов работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», Томск, 2004; VIII всероссийской научной конференции с международным участием «Решетневские чтения», Красноярск, 2004; третьей международной

научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Томск, 2005; XI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «СТТ 2005», Томск; всероссийской научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», Железногорск, 2008; международной конференции «Перспективы использования новых технологий и научно-технических решений в ракетно-космической и авиационной промышленности», Москва, 2008; всероссийской научно-техническая конференции молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2008; VIII международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009», Москва, 2009; XIII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты», Алушта, 2010; VI Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», Томск, 2010; XII всемирном электротехническом конгрессе - «ВЭЛК 2011», Москва 2011; 20-й международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии», Украина, г. Одесса; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Электропитание-2011", Москва; отчетах о НИР в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по теме "Разработка и создание автоматизированной контрольно-испытательной аппаратуры на основе имитаторов солнечных и аккумуляторных батарей для испытаний бортовых систем электропитания и космических аппаратов в целом на всех стадиях отработки" (этапы 1-4).

Публикации результатов работы.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 19 печатных работах, в том числе 4 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых журналах. Основные технические решения, выдвинутые и обоснованные в работе, защищены 5 патентами на полезную модель Российской Федерации.

Список основных печатных работ приведен в автореферате.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 164 листах основного текста, который включает 6 таблиц и 106 рисунка. Список литературы включает 159 наименований на 19 страницах. В приложении приводится акт о внедрении результатов диссертационной работы на предприятии ОАО «Информационные спутниковые системы им. М.Ф. Решетнев�