автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование энергосберегающего нагрузочного комплекса для испытаний систем электропитания космических аппаратов

004618375

На правах рукописи

ш

о-

Юдинцев Антон Геннадьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО НАГРУЗОЧНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность: 05.09.03 - "Электротехнические комплексы и системы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ПЕН 7010

Томск-2010

004618375

Работа выполнена в Энергетическом институте Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Дементьев Ю. Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Иванчура В. И.

кандидат технических наук, доцент Семёнов В. Д.

Ведущая организация:

Открытое Акционерное Общество «Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск.

Защита состоится « 23 » декабря 2010 года в 15:00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.11 при ГОУ ВПО НИТПУ в ауд. 217 8 учебного корпуса НИТПУ по адресу 634050, г. Томск, ул. Усова 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО НИТПУ, по адресу: 634034, ул. Белинского 55.

Автореферат разослан « 23 » ноября 2010 г.

Учёный секретарь совета к.т.н., доцент

е^и

Ю. Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важных жизнеобеспечивающих систем космического аппарата (КА) является система электропитания (СЭП). Степень надежности СЭП должна быть максимальной, т.к. все служебные и полезные устройства КА нуждаются в бесперебойном и качественном электропитании.

Этап разработки и создания бортовой СЭП характеризуется высокой стоимостью и сложностью ввиду применения дорогих материалов и участия большого числа разработчиков различного профиля. Самым ответственным этапом создания СЭП являются наземные испытания, в ходе которых отрабатываются все возможные режимы функционирования СЭП в условиях близких к полетным. Оборудование, применяемое при этом, должно обладать не меньшей надежностью и скоростью обработки информации, отвечать современным требованиям по электромагнитной совместимости и соответствовать установленной мощности СЭП.

Среднесуточная мощность СЭП сегодня составляет 4-40 кВт, при этом характер нагрузки может быть активным, реактивным и смешанным. Очевидно, что подключение реальных устройств - солнечных и аккумуляторных батарей, бортовой полезной и служебной нагрузок в полном объёме при проведении наземных испытаний затруднено из-за их дефицитности, стоимости и громоздкости.

Решением этой проблемы является создание специализированных имитирующих комплексов, обладающих вольт-амперными характеристиками (ВАХ) реальных солнечной и аккумуляторной батарей и имитационного нагрузочного комплекса (НК), который необходим для отработки сеансного расписания нагрузок в автоматическом и ручном режимах, для формирования нагрузочных токов в динамическом и статическом режимах, а также для исследования быстродействия и надежности регуляторов СЭП, измерения выходного полного сопротивления СЭП и оценки качества стабилизации выходного напряжения. НК является испытательной системой, содержащей различные виды имитационных нагрузок: постоянная (активная) нагрузка, импульсная (скачкообразная), комплексная (активно-емкостная), переменная с синусоидальной формой тока. Кроме того, так как мощности современных СЭП КА постоянно растут (максимальная мощность может достигать 10 кВт), важной задачей при проведении длительных (несколько суток) наземных испытаний НК с СЭП КА является энергосберегающий режим, позволяющий направить зависимым инвертором нагрузочный ток, протекающий по выходным шинам СЭП в питающую трехфазную сеть, а не на активные ступени сопротивлений, как при традиционных наземных испытаниях СЭП КА, проводимых в настоящее время.

Исходя из вышеизложенного следует отметить, что разработка и создание эффективных, высоконадежных СЭП, готовых к эксплуатации в КА в

значительной мере зависит от проведенных наземных испытаний на имитационных и нагрузочных комплексах. Таким образом, разработка и теоретические исследования НК для наземных испытаний СЭП КА, а также вопросы их проектирования чрезвычайно актуальны и имеют практическую ценность.

Целью настоящей работы является разработка многофункционального энергосберегающего нагрузочного комплекса для проведения наземно-технических испытаний систем электропитания космических аппаратов.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современного схемотехнического построения СЭП КА;

2. Анализ принципов построения нагрузочных устройств для систем электропитания;

3. Разработка энергосберегающей структуры комплекса имитации нагрузки, а также функциональных устройств дополнительных модулей;

4. Составление схем замещения и математического описания основного нагрузочного канала и дополнительных модулей;

5. Получение расчётных соотношений и экспериментальные исследования электромагнитных процессов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы расчётов, с использованием классических методов расчёта электрических и магнитных цепей, метода ал-гебраизации дифференциальных уравнений, классических методов решения дифференциальных уравнений, методов численного и математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в теоретических и практических исследованиях, сущность которых состоит в следующем:

1. Разработана энергосберегающая структура нагрузочного комплекса, с автоматизированным управлением, обеспечивающая минимальные потери мощности при испытаниях СЭП КА, за счёт передачи энергии в сеть;

2. Предложен способ формирования фронтов тока, позволяющий получать заданное быстродействие нагрузочного комплекса во время переходных процессов - наброса (сброса) тока нагрузки;

3. Получены аналитические расчётные соотношения для токов и напряжений основного канала и нагрузочных блоков в отдельности, позволяющие обоснованно подойти к проектированию комплекса имитации нагрузки.

Новизна предложенных технических решений частично подтверждена патентами на полезную модель РФ «Комплекс имитации нагрузки для испытания систем электроснабжения космических аппаратов» (№50317), «Имитатор нагрузок для испытания систем электроснабжения космических аппаратов» (№75755), «Имитатор аккумуляторной батареи для испытания систем электроснабжения космических аппаратов» (№73102), «Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки» (№77730).

Практическая ценность работы:

1. Создан и внедрён энергосберегающий комплекс имитации нагрузок (КИН) для наземно-технических испытаний СЭП КА с напряжениями на выходных шинах 27,40, 100 В мощностью до 7 кВт с автоматизированным управлением и протоколированием испытаний с помощью ПЭВМ.

2. Разработаны алгоритмы наброса и сброса нагрузки системы формирования фронтов, позволяющие получать заданное быстродействие нагрузочного комплекса.

3. Разработано устройство формирования гармонической нагрузки, обеспечивающее испытание СЭП КА в широком диапазоне токов (0 20 А) и частот (20 Гц н- 150 кГц).

4. Предложены расчётные выражения для токов и напряжений основного канала и блоков нагрузочного комплекса имитации нагрузок в отдельности, позволяющие обоснованно подойти к проектированию и выбору элементной базы силовых преобразователей нагрузочного комплекса.

Основные защищаемые положения:

1. Энергосберегающая структура нагрузочного комплекса, позволяющая существенно сократить потери мощности при наземных испытаниях СЭП КА;

2. Способ формирования фронтов тока обеспечивающий заданное быстродействие системы нагрузочного комплекса во время переходных процессов -наброса (сброса) тока нагрузки;

3. Аналитические расчётные выражения для токов основного канала и нагрузочных блоков, позволяющие рационально проектировать энергосберегающие нагрузочные комплексы и проводить инженерные расчёты;

Реализация результатов работы диссертации.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда научно-исследовательских тем, а также в проектно-конструкторской деятельности НИИ Автоматики и электромеханики ТУСУР при разработке комплексов имитации нагрузок, таких как БИН-27, БИН-40, БМН-100. Разработанные и изготовленные комплексы внедрены в производственный процесс предприятия ОАО ИСС им. М. Ф. Решетнёва. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс кафедры ЭПЭО ТПУ при изучении дисциплин «Силовые преобразователи электрической энергии», «Физические основы электроники», а также использованы в дипломном проектировании студентов ТУСУР. Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие актов о внедрении.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрения на Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «СТТ», Томск, 2003-2006 гг.; VIII Всероссийской научной конференции с международным участием «Решетнёвские чтения», Красноярск, 2004 г.; Международной научно-практической конференции «Элек-

тронные средства и системы управления», Томск, 2004., научных семинарах кафедры электропривода и электрооборудования ЭНИН ТПУ.

Публикации.

По результатам выполненных исследований и теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 2 в центральных изданиях рекомендованных ВАК РФ, сделано 5 докладов, получено 4 патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 178 страницах машинописного текста; содержит 78 рисунков, 2 таблицы, список использованных источников включающих 109 наименований и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе проведен анализ схемотехнического построения СЭП КА. В целях формирования четких правильных требований к испытательным нагрузочным комплексам, постановки решаемой задачи и формулирования интегрального понятия о системе питания, как об объекте, который подвергается тщательным электротехническим испытаниям, проанализирован состав электрооборудования и каналы электропотребления СЭП КА. На основе проведенного анализа выявлены основные требования, предъявляемые к испытательным нагрузочным устройствам.

В течение последних 12 лет производства КА явно прослеживается тенденция увеличения мощности бортового электрического оборудования и требуемого срока активного существования (САС) КА (Табл. 1), что ведет к повышению требований, предъявляемых к СЭП. Требуются качественные изменения в подходах к проектированию, изготовлению и испытаниям СЭП, позволяющие успешно соответствовать предъявляемым требованиям.

Таблица 1

ТипКА Мощность СЭП [Вт| Срок активного существования САС, [лет] Начало лётных испытаний

Гонец - М 100 5 2005

Глонасс - М 1400 7 2003

Молния - ЗК 1470 5 2001

Галс 2400 5 1994

Экспресс 2400 5 1994

Экспресс - А 2540 7 2000

БЕБАТ 5300 10 2000

Экспресс - АМ 6300 12 2003

Экспресс - АМЗЗ 6770 12 2008

Экспресс - АМ44 6770 12 2009

Важным этапом создания СЭП являются наземные испытания. Очевидно, что подключение реальных устройств - солнечных батарей, аккумуляторных батарей, различной нагрузки при проведении испытаний СЭП - невозможно, ввиду отсутствия эквивалентной энергии солнечного излучения в открытом космосе и подключения всего объёма полезной нагрузки (приёмопередающих устройств, электрических машин и т.д.). Данная проблема в настоящее время решается выполнением специализированных, под конкретную СЭП КА, имитаторов солнечных и аккумуляторных батарей, а также комплексов имитации (КИН) нагрузки. Поскольку при согласовании первичного источника энергии с аккумуляторной батареей и для стабилизации напряжения на нагрузке применяются импульсные преобразователи напряжения, то независимо от конкретной структуры СЭП её энергобалансная модель может быть представлена схемой, изображенной на рис. 1.

Рис. 1. Энергобалансная модель Рис- 2- Блок-схема энергетических свя-£2П. зем испытательного комплекса.

Как следует из рис. 1 энергобалансная модель содержит солнечную батарею (СБ), энергопреобразовательное оборудование (ЭПО), согласующе-рекуперативную часть (СРС), аккумуляторную батарею (АБ), нагрузку (Н). На схеме также обозначены: - поток энергии, передаваемой от СБ непосредственно или через последовательный регулятор-стабилизатор напряжения нагрузке; \У2 - поток энергии от СБ к АБ; и'З - поток энергии от АБ к нагрузке. Энергобалансная модель отражает реальное взаимодействие основных устройств СЭП, распределение энергии между составными частями СЭП и нагрузкой, и является базовой для построения блок-схемы энергетических связей испытательного комплекса СЭП рис. 2, где КИН - комплекс имитации нагрузки, ИБС - имитатор батареи солнечной, БИАБ - блок имитации аккумуляторных батарей.

Таким образом, блок-схема представленная на рис. 2, является основой для построения нагрузочного комплекса, с автоматизированным управлением, общая схема которого представлена на рис. 3, где КПА - контрольно-

проверочная аппаратура; АСФК - автоматизированная система функционального контроля; ПЭВМ - персональный компьютер АСФК; К - контроллер; НК - нагрузочный комплекс.

Ethernet

Рис. 3. Структурная схема автоматизированного испытательного комплекса.

Для обеспечения аппаратной и программной стыковки имитационных блоков с АСФК, каждый КИН содержит контроллер промышленного образца на базе процессорной платы.

Основными задачами выполняемыми контроллером К являются: диагностический контроль, измерений и управления силовыми каналами собственных блоков имитации, обслуживание интерфейса RS-485, обеспечивающего полудуплексный прием информации и передачу команд на блоки и устройства, поддержка протокола обмена с внешней управляющей ПЭВМ с использованием интерфейса Ethernet, обслуживание как автономного (с передней панели), так и дистанционного (от ПЭВМ) режимов управления основными силовыми каналами, причем при наличии команды «Управление ЭВМ» от ПЭВМ автономное управление блокируется.

Используя специализированное программное обеспечение (ПО), задаётся программа исследования, по которой система будет работать в течение необходимого времени, с непрерывным ведением протокола результатов испытаний, управляя отдельно каждым комплексом имитации нагрузки в реальном времени, задавая необходимые режимы работы.

Автоматизация в сфере производства и испытаний СЭП КА является первостепенной задачей, обеспечивающей устранение человеческого фактора и случайных ошибок.

Согласно сформулированным требованиям к СЭП, полученным в результате анализа состава электрооборудования КА и энергообменных процессов в системе СЭП - нагрузка, сформулирован ряд основных требований предъявляемых при создании современных нагрузочных комплексов.

Комплекс имитации нагрузки должен содержать:

1. Блок имитации постоянных и плавно изменяющихся нагрузок, формирующий несколько (зависит от напряжения шины питания) ступеней постоянной нагрузки по 5 * 10 А, а также плавно изменяющуюся нагрузку 0 н- 15 А с дискретностью 1 А (грубо) и 0.01 А (точно). Должен быть предусмотрен останов регулирования плавной нагрузки в любой точке диапазона по заданному уровню регулирования.

2. Блок имитации комплексной нагрузки (подключение параллельно шине питания емкости и активного сопротивления).

3. Блок разовой коммутации тока, обеспечивающий имитацию пускового тока двигательной нагрузки.

4. Блок имитации переменной нагрузки, обеспечивающий плавное увеличение или уменьшение размаха синусоидального тока нагрузки в диапазоне частот 20 Гц -ь 150 кГц. С дискретностью изменения тока не больше 0.5 А и коэффициентом нелинейных искажений синусоидального тока нагрузки не более 5%.

5. Блок имитации скачкообразного (импульсного) изменения нагрузки.

6. Контроллер, обеспечивающий дистанционное управление от ПЭВМ всеми режимами и командами.

Таким образом, для проведения качественных наземно-технических испытаний современных СЭП КА необходимо использовать автоматизированные испытательные площадки содержащие комплексы имитации нагрузки шины питания. Ввиду большой выходной мощности СЭП, а также в результате выявленной тенденции её роста, при производстве КА нового поколения целесообразно нахождение энергосберегающего решения построения устройств имитации нагрузки. Для проведения имитации нагрузочных токов общей шины, необходимо чтобы проектируемые комплексы нагрузок содержали блоки имитации импульсной, комплексной, постоянной, гармонической и плавно изменяющейся нагрузок.

Вторая глава посвящена разработке энергосберегающего комплекса имитации нагрузок, структур и блок-схем отдельных модулей, системам управления нагрузочных каналов, способам построения импульсной нагрузки и формирователям фронтов, а также разработке необходимых алгоритмов для работы системы и отдельных её частей.

Проведение настройки и проверки работоспособности любой системы электропитания, сопровождается подключением к СЭП КА нагрузки, с целью имитации нагрузочных токов реальных СЭП. В подавляющем большинстве случаев в качестве такой нагрузки применяют систему последовательно-параллельного соединения резисторов. Основными достоинствами таких схем нагрузочных устройств является их надёжность и простота. Одним из главных недостатков является низкий КПД близкий нулю. Практически вся энергия, потребляемая от исследуемого источника питания, превращается в тепло, не совершая при этом никакой полезной работы. Более того, нагрузочные устройства такого класса, крайне затруднительно применять при мощно-

стях СЭП более 1 кВт, потому что резко возрастает их стоимость и массога-баритные показатели. Поэтому в настоящее время перспективным способом построения нагрузочных устройств является энергосберегающая структура, обеспечивающая возможность передачи потребляемой ■ энергии в промышленную сеть переменного тока, посредством топологий зависимых инверторов.

При наземных испытаниях СЭП целесообразно применить энергосберегающий способ задания нагрузочных токов, обеспечивая при этом передачу энергии в силовую трёхфазную сеть. На рис. 4 показана упрощённая структура такой топологии. Здесь КИН - комплекс имитации нагрузки, потребляет от СЭП энергию, обеспечивая постоянство и заданную точность нагрузочного тока 1н.

СЭП КА КИН

+ * и<>Щ

Рис. 4. Упрощённая блок-схема передачи энергии в сеть.

Передача энергии от источника постоянного напряжения в сеть переменного тока, предполагает наличие в структуре НК следующих устройств:

1. Внутренний канал стабилизации тока нагрузки 1„, чтобы СЭП «воспринимала» НК как двухполюсник реального устройства полезной нагрузки;

2. Устройство повышения напряжения для согласования уровней напряжений шин питания (27 В, 40 В, 100 В) с значением напряжения сети.

Блок-схема канала передачи энергии в сеть энергосберегающего НК представлена на рис. 5, где БПН - блок повышения напряжения, ФВЧ8Х , ФВЧвьк - высокочастотные помехоподавляющие фильтры на входе и выходе БПН; ФВ, ФВИ - соответственно низкочастотные фильтр входа и фильтр ведомого инвертора; ВИ - ведомый трехфазный инвертор.

Полная блок-схема комплекса имитации нагрузки для шин 27 В, 40 В и 100 В СЭП КА представлена на рис. 6, где Фвх~ фильтр входа, ПП - повышающий преобразователь, ФВых ~ фильтр выхода, МКС - модуль конвертора сброса, ФВИ - фильтр ведомого инвертора, ВИ - ведомый инвертор, БУВИ -блок управления ведомым инвертором, КН - комплексная нагрузка, ИН -импульсная нагрузка, БРК - блок разовой коммутации, СН - синусоидальная нагрузка, БУСН - блок управления синусоидальной нагрузкой, БУ - блок управления, БТр - блок трансформаторов.

—► —» —► —>

СЭП КА иош ФВЧ.Ч ФВ БПН ФВИ ФВЧ.и* ви

—► —► —» —► —*

Рис. 5. Блок-схема канала передачи энергии в сеть.

Полная блок-схема комплекса имитации нагрузки для различных шин, 27 В, 40 В, 100 В СЭП КА представлена на рис. 6.

Вых. шина СЭП

Фвх . . —N —V пп --Л, — Фвых N --V МКС —N —I/ ФВИ --N ---1/

ви

Сеть

БУВИ т етр

Рис. 6. Блок-схема разработанного энергосберегающего комплекса имитации нагрузочных токов СЭП КА.

Одним из основных требований при проектировании НК для испытаний СЭП КА является заданное время и форма фронтов нагрузочного тока. Вариантом возможного решения формирования фронтов заданной длительности и формы является блок-схема формирователя фронтов (ФФ) представленная на рис. 7.

дт

Рис. 7. Блок схема системы формирования фронтов и подключения комплексной нагрузки.

Здесь \ГГ1 - УТп - дифференциальные импульсные ключи, БУ - блок управления, БПН - блок повышения напряжения, ДТ - датчик тока. Задачей ФФ является наброс и сброс нагрузки на фиксированную величину совместно с

каналом постоянной нагрузки. Для корректного функционирования ФФ разработаны алгоритмы наброса (сброса) тока в общей шине, представленные в приложении к диссертации. При этом наброс тока по автономной или дистанционной команде (от внешней ЭВМ) выполняется включенными параллельно общей шине дифференциальными импульсными ключами УТ1 - У'Гп с фиксированной заданной нагрузкой.

1ш0

Рис. 8. Диаграмма, поясняющая способ формирования переднего фронта тока наброса.

Рис. 9. Диаграмма, поясняющая способ формирования заднего фронта тока сброса.

Форма импульса тока наброса дифференцирующего ключа характеризуется крутым передним фронтом и пилообразным спадающим задним фронтом (рис. 8), длительность которого превышает постоянную времени входного регулятора постоянного тока. Применение отрицательной обратной связи по току (ДТ) позволяет входному регулятору постоянного тока после крутого фронта наброса удержать ток постоянным и равным заданной сумме величины постоянной нагрузки и скачка тока наброса. При сбросе, наоборот, следует предварительное плавное пилообразное отпирание дифференциальных ключей до величины фиксированного тока (рис. 9). При неизменной уставке входного регулятора он вынужден поддерживать постоянным входной ток БПН, уменьшая входной ток преобразователей БПН пропорционально увеличению тока дифференцирующих ключей. К моменту полного отпирания дифференцирующих ключей, входной ток преобразователей уменьшается на величину тока открытых транзисторов системы ФФ. Затем следует резкое запирание дифференцирующих транзисторов и одновременно уменьшение уставки регулятора на величину сброса тока нагрузочного устройства. В этот 12

момент баланс уставки регулятора и входного тока преобразователей, равный суммарному току НК, позволяет удержать систему в устойчивом состоянии и чётко осуществить требуемый переход. Таким образом, ФФ осуществляет формирование заданной траектории и времени фронта тока общей шины.

Третья глава посвящена разработке математических моделей, получению расчетных аналитических выражений для токов и напряжений основного канала и дополнительных нагрузочных блоков.

Для составления математического описания системы основного канала, разработана математическая модель, опираясь на блок-схему рис. 10 и схемы каждого из блоков в отдельности.

Рис. 10. Схема замещения основного канала нагрузки.

При разработке модели приняты следующие допущения:

1. СЭП - это идеальный источник напряжения, т.е. внутренне сопротивление которого Лвн = 0.

2. Решение системы дифференциальных уравнений проведено не более чем для третьей гармоники, поэтому параметры блоков фильтров радиопомех не учитываются;

3. Значениями индуктивностей и сопротивлений межблочных соединений пренебрегаем, но учитываем параметры кабелей соединяющих КИН с СЭП КА и силовой трехфазной сетью.

4. Полупроводниковые элементы рассматриваются как идеализированные ключи.

5. Трехфазная силовая цепь есть идеальный потребитель передаваемой мощности.

Рис. 11. Схема замещения блока формирования фронта. л.

О

исш

Рис. 12. Схема замещения блока импульсной нагрузки.

Рис. 13. Схема замещения блока комплексной нагрузки.

Рис. 14. Схема замещения блока гармонической нагрузки.

На основе разработанных схем замещения (рис. 11-14) составлены математические модели основного канала нагрузки, гармонической нагрузки, системы формирователя фронтов, блока импульсной и комплексной нагрузок, позволяющие проводить исследование электромагнитных процессов.

По разработанным схемам замещения составлены системы дифференциальных уравнений, описывающие зависимости входных токов от параметров схемы нагрузочного устройства. Найдены решения в аналитическом виде для токов основного канала и вышеперечисленных блоков нагрузок, позволяющие проводить проектирование системы и составлять инженерные расчётные выражения (1-5).

Иг

ивхВИ(1)

Цкг})-

2

(о Ь„ШИТ

и2

иС.ФАМ (I)

^¿фвиТ

(1)

и,

С.ФВИ

2 2

1ехВИ(\) _ 2^вхВИ(\УвхФВИ(\) _ !вхФВИ{\)

&>гСфВИТ

а>2СфВИТ

2Г2 т 03 с ФВИ1

(2)

„г . а1щ - 2аъЛ* , - 2агЛт агт +--+-:--

си

со

¿,1-26, Л,

со

- V ^О-И1 л. V */>"' ли2ти0т г ¡1 , V ^»И.П2 4.

« = ¿У

я .«,4,с й)

+ 2

¿1,^-2=0,1,2 т\*т7

сэп + ^СЗП ^¡п й>„/) + <7СЭП Б!!! Зйу

+ Л,, БШ ш„/) + Л, эт За>„1 + 6 Д,

1-е'

^(¿к У1К 5Й1 (Оя\)+ /., 3(0П1 *

(4)

У СЭП ~ ( 1 к л=1 ^ к 12 ) V

к 1Ч?о

(5)

л-1 / Я=1

Рис. 15. Диаграммы токов импульсной нагрузки для шины 27 В, где 1 - численное решение, 2 - аналитическое решение.

С помощью полученных расчётных выражений построены диаграммы токов для различных шин (рис. 15), показывающие адекватность математических моделей. Сравнение графических зависимостей токов, полученных численным методом и с помощью аналитических выражений показывает их хорошую сходимость (± 10 %), что позволяет рекомендовать полученные аналитические выражения для практического использования.

Четвертая глава посвящена схемотехническому проектированию и экспериментальному исследованию электромагнитных процессов нагрузочного комплекса, с учётом разработанных блок-схем и алгоритмов второй главы и расчётных выражений третьей главы.

При проведении экспериментальных исследований использована разработанная схема опытного образца комплекса имитации нагрузки, представленная на рис. 16.

БВИ БФ ВИ

• УОП — УУ_ВИ — УЛИЗхЗ

Рис.16. Блок схема комплекса имитации нагрузок.

Данная схема содержит модули, при помощи которых, имитируются практически все виды нагрузок. Система управляется блоком БУ, который предусматривает задание автоматических режимов испытаний, обеспечивает диагностику состояния всех силовых модулей и состояние трехфазной сети на соответствие параметрам ГОСТа, ненорму частоты, уровень напряжения. Для обеспечения аварийного отключения от СЭП КА и от сети предусмотрены модули коммутатор и устройство ввода (УВ). С целью фильтрации низких частот использованы модули БФВх-01, БФВх-02, для фильтрации высоких частот, появляющихся в результате работы ВЧ модулей МПП и МКС, использован блок БФРП. В результате, на опытных образцах комплексов имитации нагрузок, проведены экспериментальные исследования и получены осциллограммы токов основного канала нагрузки и всех вспомогательных нагрузочных модулей, представленные на рис. 17, 18. На рис. 17 а, б - показаны осциллограммы при набросе (сбросе) тока величиной 90 А для шины 27 В, 1 - ток полученный по расчётным выражениям, 2 - ток полученный при экспериментальном исследовании. На рис. 18 а - представлена осциллограмма тока при подключении комплексной нагрузки; 1- ток расчётный, 2 - ток экспериментальный. Осциллограммы тока при импульсной нагрузке для шины 40 В показаны на рис. 18 б; 1 - ток расчётный, 2 - ток экспериментальный.

Анализ осциллограмм токов на рис. 17, 18 показывает, что расхождение между экспериментальными и расчётными осциллограммами токов составляет 5 - 7 %, что говорит об адекватности математического описания и математических моделей НК.

Ш 10П5 -30-МО«: .

а;-.*. Е и 1 ОН* И ¡с«-; аж««

ШШИК

Е&а а НРЧ?е j I. Ш

п51щ> . к 1/ 1 □ ™

;шо - рсшб

1.5__ООУ^дМу

Е&в №1 1-Т2Ч

а) б)

Рис. 17. Осциллограммы токов для шины 27 В.

■Щов 53 3/ з а 81*

АУтЗ Мах(вип П:й* Ре г ¡«<1 с.-.€¿2. 1г 1СНШ 0:€1Г 30 №

73£е>У 2. ГДУмя

, ДТГ,{8^ ;

а)

Рис. 18. Осциллограммы токов для шины 40 ,

В процессе выполнения диссертации с участием автора поставлены заказчику действующие образцы комплексов имитации нагрузок, общий вид которых, а также отдельных устройств представлены на рис. 19-22.

Рис. 21. Модуль повышающего пре-

образователя.

Основные результаты работы

По результатам проведённых в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение вопросов, связанных с созданием автоматизированных испытательных нагрузочных комплексов, обладающих энергосберегающей структурой, для проведения наземных испытаний систем электропитания космических аппаратов, можно сделать следующие выводы:

1. Для проведения качественных наземно-технических испытаний современных СЭП КА необходимо использовать автоматизированные испытательные площадки содержащие комплексы имитации нагрузки шины питания. Ввиду большой выходной мощности СЭП, а также в результате выявленной тенденции её роста, при производстве КА нового поколения целесообразно нахождение энергосберегающего решения построения устройств имитации нагрузки. Анализ каналов электропотребления СЭП показывает, что для проведения имитации нагрузочных токов общей шины, необходимо

чтобы проектируемые комплексы нагрузок содержали блоки имитации импульсной, комплексной, постоянной, гармонической и плавно изменяющейся нагрузок.

2. Разработана энергосберегающая структура комплекса имитации нагрузок для различных шин, 27 В, 40 В, 100 В СЭП КА, позволяющая получить экономию электроэнергии в пределах 60 - 70 % от его мощности.

3. Разработан модуль формирователя фронтов тока, позволяющий получить заданное время переходного процесса при сбросе-набросе нагрузочного тока 10 мкс) при любой величине имитируемого тока на основной шине.

4. Разработано устройство импульсной нагрузки, гармонической нагрузки и необходимые алгоритмы для их корректной работы. Установлено, что разработанное устройство импульсной нагрузки позволяет создавать имитацию нагрузочных токов в импульсном режиме с возможностью цифровой регулировки длительности фронта, а устройство гармонической нагрузки обеспечивает возможность проводить испытания СЭП КА в широком диапазоне частот (20 Гц - 150 кГц).

5. Разработаны математические модели основного канала нагрузки, гармонической нагрузки, системы формирователя фронтов, блока импульсной и комплексной нагрузок, позволяющие проводить исследование электромагнитных процессов, а также производить, подтверждающие адекватность, инженерные расчёты силовой части НК. С помощью полученных расчётных выражений построены диаграммы токов для различных шин, показывающие адекватность математических моделей. Сравнение графических зависимостей токов, полученных численным методом и с помощью аналитических выражений показывает их хорошую сходимость (±10%), что позволяет рекомендовать полученные аналитические выражения для практического использования.

6. Проведены экспериментальные исследования основного канала нагрузочного тока на действующем НК, получены осциллограммы наброса (сброса) тока. При сравнении графиков токов на шинах питания 27 В и 40 В, полученных на модели и снятых экспериментальным путём показывает, что расхождение между ними составляет 5-7 %, что говорит об адекватности математического описания электромагнитных процессов НК.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Патент на полезную модель 50317 РФ. Комплекс имитации нагрузки для испытания систем электроснабжения космических аппаратов / Мишин В.Н., Бубнов О.В., Пчельников В.А., Юдинцев А.Г., Дементьев Ю.Н. Бюл. №36, 2005.

2. Патент на полезную модель 75755 РФ. Имитатор нагрузок для испытания систем электроснабжения космических аппаратов / Мишин В.Н., Бубнов О.В., Пчельников В.А., Юдинцев А.Г., Иванов B.JL, Патрахина О.В. Бюл. №23, 2008.

3. Патент на полезную модель 73102 РФ. Имитатор аккумуляторной батареи для испытания систем электроснабжения космических аппаратов / Мишин В.Н., Бубнов О.В., Пчельников В.А., Юдинцев А.Г., Леонов В.В., Цебен-ко H.H., Кайсанов С.А. Бюл. №13, 2008.

4. Патент на полезную модель 77730 РФ. Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки / Мишин В.Н., Бубнов О.В., Пчельников В.А., Юдинцев А.Г. Бюл. №30, 2008.

5. Юдинцев А.Г., Дементьев Ю.Н., Бубнов О.В. Нагрузочные устройства для испытаний систем электропитания космических аппаратов // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т.307. №6,- 126 - 130.

6. Юдинцев А.Г., Дементьев Ю.Н., Рулевский В. М., Автономные источники питания для индивидуальных шахтных фонарей // Горный журнал. 2006. №4. 43-44.

7. Юдинцев А.Г., Микросхема UC3875 фирмы Unitrode в мостовом инверторе с фазовой широтно-имульсной модуляцией // Схемотехника, 2005. 16 -20.

8. Юдинцев А.Г., Бесконтактные авиационные генераторы постоянного тока и их особенности // Решетневские чтения. Сборник докладов V Всероссийской научной конференции, посвященной памяти Генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева: Красноярск 2001. 165- 166.

9. Юдинцев А.Г., Измерительный преобразователь переменного тока // Сборник докладов V Всероссийского студенческого научно-технического семинара. Энергетика: экология, надежность, безопасность. Томск: ТПУ 2003.47-49.

10. Юдинцев А.Г., Имитатор гармонической нагрузки для систем электропитания космических аппаратов // Сборник тезисов X международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «СТТ 2004» Томск: ТПУ, 2004. 277 - 278.

11. Юдинцев А.Г., Имитация гармонической нагрузки в системах электропитания космических аппаратов // Сборник трудов НИИ АЭМ «Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов» 2004 г. Выпуск 5, 121 - 123.

12. Yudintsev A.G., The review of modern switching regulators // X International Scientific and Practical Conference of students, post - graduates and young scientists "Modern Techniques and Technology" (MTT 2004), Tomsk, Tomsk Polytechnic University. 79 - 80.

13. Юдинцев А.Г., Мишин B.H., Автономный инвертор с фазовой ши-ротно-импульсной модуляцией // Труды международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», 2004, Томск. 56 -59.

14. Юдинцев А.Г., Бубнов О.В., Автоматизированный испытательный комплекс систем электропитания космических аппаратов II Труды VIII Все-

российской научной конференции с международным участием «Решетнев-ские чтения», 2004, Красноярск. 66 - 67.

15. Юдинцев А.Г., Дементьев Ю.Н., Анализ работы мостового инвертора в квазирезонансном режиме // Сборник научных трудов «Электротехнические системы и комплексы», 2005, Магнитогорск. 117 - 121.

16. Yudintsev A.G., Analysis of structuring variants of loading devices for the systems of electric supply of space aircrafts // XI International Scientific and Practical Conference of students, post - graduates and young scientists "Modern Techniques and Technology" (MTT 2005), Tomsk, Tomsk Polytechnic University. 94 -95.

17. Юдинцев А. Г., Бубнов О. В. Нагрузочные устройства для систем электропитания космических аппаратов. Электронные и электромеханические системы и устройства. Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов: Томск 2008.25-27.

18. Юдинцев А. Г., Дементьев Ю. Н. Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов // Материалы международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы», 2010, Комсомольск-на-Амуре. 142 - 146.

Личный вклад автора.

Семь работ написано автором единолично. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежит: разработка модулей конвертора, модулей конвертора сброса, модулей повышающего преобразователя в основном канале нагрузки БИН-100 [1, 2, 4], БИАБ-100 [3 ,4] (45%); систематизация вариантов выполнения СЭП КА и требований, предъявляемых к нагрузочным устройствам [11, 13] (60%); разработка системы управления при фазовой широтной импульсной модуляции мостового инвертора [8] (50%); разработка системы управления и силовой части квазирезонансного инвертора [10] (70%).

Автор приносит благодарность кандидату технических наук, заведующему отделом №14 «Энергетической электроники» НИИ АЭМ ТУ СУР Мишину Вадиму Николаевичу, сотрудникам отдела Пчельникову Виктору Алексеевичу и Бубнову Олегу Викторовичу за оказанную помощь при проектировании и создании физических моделей комплексов, а также в обсуждении результатов исследований.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ.

1.1. Современное состояние систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА).

1.2. Анализ параметров СЭП КА.

1.2.1. Состав электрооборудования КА.

1.2.2. Современные структуры СЭПТСА.

1.2.3. Анализ каналов электропотребления СЭП.

1.3. Основные требования к СЭП КА.

1.4. Испытательное оборудование СЭП КА.

1.5. Основные требования к испытательным нагрузочным устройствам.

1.6. Результаты и выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ НАГРУЗОЧНОГО КОМПЛЕКСА, И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ИМИТАЦИИ НАГРУЗОК СЭП КА.

2.1. Существующие способы построения нагрузочных устройств, создание нагрузочных токов.

2.2. Разработка системы основного канала постоянной нагрузки.

2.2.1. Построение топологии блока повышения напряжения БПН.

2.2.2. Построение структуры фильтров.

2.3. Разработка системы формирования фронтов сброса-наброса нагрузочного тока.

2.4. Разработка системы импульсной нагрузки.

2.4.1. Разработка блока комплексной нагрузки.

2.5. Разработка системы гармонической частотной нагрузки.

2.6. Результаты и выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА КОМПЛЕКСОВ ИМИТАЦИИ НАГРУЗОК.

3.1. Получение расчетных характеристик основного канала постоянной нагрузки.

3.2. Получение расчетных характеристик формирователей фронтов сброса-наброса нагрузочного тока.

3.3. Получение расчётных характеристик системы импульсной нагрузки.

3.4. Расчетные характеристики комплексной нагрузки.

3.5. Расчётные зависимости гармонической частотной нагрузки.

3.6. Результаты и выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЗОЧНОГО КОМПЛЕКСА, С ФОРМИРОВАНИЕМ РАЗРАБО

ТАННЫХ ВИДОВ НАГРУЗОЧНЫХ ТОКОВ И ФРОНТОВ.

4.1. Экспериментальное построение и исследование основного нагрузочного канала.

4.1.1. Рекомендации по разработке основного канала комплекса имитации нагрузок.

4.2. Экспериментальное исследование комплексной и импульсной нагрузок.

4.2.1. Рекомендации по разработке комплексной и импульсной нагрузок.

4.3. Экспериментальное исследование гармонической частотной нагрузки.

4.3.1. Рекомендации по разработке гармонической нагрузки.

4.4. Результаты и выводы по четвертой главе.

Актуальность темы.

Одной из важных жизнеобеспечивающих систем космического аппарата (КА) является система: электропитания (СЭП). Степень надежности •

СЭП должна быть максимальной, т.к. все служебные и полезные устройства КА нуждаются в бесперебойном и качественном электропитании.

Этап разработки и создания бортовой СЭП характеризуется высокой стоимостью и сложностью ввиду применения! дорогих материалов;; и участия большого числа разработчиков различного профиля. Самым ответственным этапом создания? СЭП являются; наземные испытания,. в ходе которых отрабатываются! все возможные- режимы функционирования СЭП в условиях близких к полетным. Оборудование, применяемое при этом, должно обладать не меньшей надежностью и скоростью обработки информации, отвечать современным требованиям по электромагнитной! совместимости и соответствовать установленной мощности СЭП.

Среднесуточная мощность СЭП сегодня . составляет 4-НО кВт, при этом характер нагрузки может быть активным, реактивным и смешанным. Очевидно^ что подключение реальных устройств — солнечных и аккумуляторных батарей, бортовой полезной и служебной нагрузок в полном объёме при? проведении наземных испытаний затруднено из-за их дефицитности, стоимости шгромоздкоетт

Решением этой проблемы является создание специализированных имитирующих комплексов, обладающих вольт-амперными характеристиками (В АХ) реальных солнечной и аккумуляторной батарей и имитационного нагрузочного комплекса (НК), который необходим для отработки се-ансного расписания нагрузок в автоматическом и ручном режимах.,; для формирования нагрузочных токов в динамическом и статическом режимах, а также для исследования быстродействия и надежности регуляторов СЭП, измерения выходного полного сопротивления-СЭП и оценки качества стабилизации выходного напряжения. ЕОС является испытательной системой, содержащей различные виды имитационных нагрузок: постоянная (активная) нагрузка, импульсная (скачкообразная), комплексная (активно-емкостная), переменная с синусоидальной формой тока. Кроме того, так как мощности современных СЭП КА постоянно растут (максимальная мощность может достигать 10 кВт), важной задачей при проведении длительных (несколько суток) наземных испытаний НК с СЭП К А является энергосберегающий режим, позволяющий направить зависимым инвертоI ром нагрузочный ток, протекающий по выходным шинам СЭП в питающую трехфазную сеть, а не на активные ступени сопротивлений, как при традиционных наземных испытаниях СЭП КА проводимых в настоящее время.

Исходя из вышеизложенного следует отметить, что разработка и создание эффективных, высоконадежных СЭП, готовых к эксплуатации в КА в значительной мере зависит от проведенных наземных испытаний на имитационных и нагрузочных комплексах. Таким образом, разработка и теоретические исследования НК для наземных испытаний СЭП КА, а также вопросы их проектирования чрезвычайно актуальны и имеют практическую ценность.

Целью настоящей работы является разработка многофункционального энергосберегающего нагрузочного комплекса для проведения наземно-технических испытаний систем электропитания космических аппаратов.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современного схемотехнического построения СЭП КА;

2. Анализ принципов построения нагрузочных устройств для систем электропитания;

3. Разработка энергосберегающей структуры комплекса имитации нагрузки, а также функциональных устройств дополнительных модулей;

4. Составление схем замещения и математического описания нагрузочного канала и дополнительных модулей;

5. Получение расчётных соотношений и экспериментальные исследование электромагнитных процессов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись, теоретические и экспериментальные методы расчётов, с использованием классических методов расчёта электрических и магнитных цепей, метода алгебраизации, дифференциальных уравнений, классических методов решения дифференциальных уравнений, методов численного и математического моделирования:

Научная новизна работы, заключается в-теоретических и практических исследованиях, сущность которых состоит в следующем:

1. Разработана энергосберегающая структура, нагрузочного комплекса, с автоматизированным управлением, обеспечивающая минимальные-потери мощности при испытаниях СЭП КА, за счёт передачи энергии в сеть;

2. Предложен способ формирования фронтов тока, позволяющий получать заданное быстродействие нагрузочного комплекса во время переходных процессов — наброса (сброса) тока нагрузки;

3. Получены аналитические расчётные соотношения! для токов и напряжений» основного канала и нагрузочных блоков в отдельности, позволяющие обоснованно подойти к проектированию комплекса имитации нагрузки.

Новизна предложенных технических решений частично подтверждена патентами на полезную модель РФ «Комплекс имитации нагрузки для испытания систем электроснабжения космических аппаратов» (№50317), «Имитатор нагрузок для испытания систем электроснабжения космических аппаратов» (№75755), «Имитатор аккумуляторной батареи для испытания систем электроснабжения космических аппаратов» (№73102), «Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки» (№77730).

Практическая ценность работы:

1. Создан и внедрён энергосберегающий комплекс имитации нагрузок (КИН) для наземно-технических. испытаний СЭП КА с напряжениями на выходных шинах 27,40; 100 В мощностью до 7 кВт с автоматизированным: управлением и протоколированием испытаний с помощью ПЭВМ.

2. Разработаны алгоритмы наброса и» сброса нагрузки системы формирования фронтов, позволяющие получать заданное быстродействие нагрузочного комплекса.

3. Разработано устройство формирования гармонической нагрузки, обеспечивающее испытание СЭП КА в широком диапазоне токов (0 ^ 20 А) и частот (20 Гц + 150 кГц).

4. Предложены расчётные выражения для токов и напряжений основного канала и блоков нагрузочного комплекса имитации нагрузок в. отдельности, позволяющие обоснованно подойти к проектированию и выбору элементной базы силовых преобразователей нагрузочного комплекса.

Основные защищаемые положения:

1. Энергосберегающая структура нагрузочного комплекса, позволяющая существенно сократить потери мощности при наземных испытаниях СЭП КА;

2. Способ формирования фронтов тока обеспечивающий заданное быстродействие системы нагрузочного комплекса во время переходных процессов — наброса (сброса) тока нагрузки;

3. Аналитические расчётные выражения для токов основного канала и нагрузочных блоков, позволяющие рационально проектировать энергосберегающие нагрузочные комплексы и проводить инженерные расчёты;

Реализация результатов работы диссертации. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении ряда научно-исследовательских тем, а таюке в проектно-конструкторской деятельности НИИ Автоматики и электромеханики ТУ СУР при разработке комплексов имитации нагрузок, таких как БИН-27, БИН-40, БИН-100. Разработанные и изготовленные комплексы внедрены в производственный процесс предприятия ОАО ИСС им. М. Ф. Решетнёва. Материалы диссертации внедрены в учебный процесс кафедры ЭПЭО ТПУ при изучении дисциплин «Силовые преобразователи электрической энергии», «Физические основы электроники», а также использованы в дипломном проектировании студентов ТУ СУР.

Подтверждением реализации результатов диссертационной работы является наличие актов о внедрении.

Апробация работы.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрения на Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «СТТ», Томск, 2003-2006 гг.; VIII Всероссийской научной конференции с международным участием «Решетнёвские чтения», Красноярск, 2004 г.; Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления», Томск, 2004., научных семинарах кафедры электропривода и электрооборудования ЭНИН ТПУ.

Публикации.

По результатам выполненных исследований и теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 2 в центральных изданиях рекомендованных ВАК РФ, сделано 5 докладов, получено 4 патента на полезную модель РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, изложенных на 178 страницах машинописного текста; содержит 78 рисунков, 2 таблицы, список использованных источников включающих 109 наименований и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведённых в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение вопросов, связанных с созданием автоматизированных испытательных нагрузочных комплексов, обладающих энергосберегающей структурой, для проведения наземных испытаний- систем электропитания космических аппаратов, можно сделать следующие выводы:

1. Для проведения качественных наземно-технических испытаний современных СЭП КА необходимо использовать автоматизированные испытательные площадки содержащие комплексы имитации нагрузки шины-питания. Ввиду большой выходной мощности СЭП, а также в результате выявленной тенденции её роста, при* производстве КА нового поколения целесообразно нахождение энергосберегающего решения построения устройств имитации нагрузки. Анализ каналов электропотребления СЭП показывает, что для проведения имитации нагрузочных токов общей шины, необходимо чтобы проектируемые комплексы нагрузок содержали блоки имитации импульсной, комплексной, постоянной, гармонической и плавно изменяющейся нагрузок.

2. Разработана энергосберегающая структура комплекса имитации нагрузок для различных шин, 27 В, 40 В, 100 В СЭП КА, позволяющая получить экономию электроэнергии в пределах 60 — 70 % от его мощности.

3. Разработан модуль формирователя фронтов тока, позволяющий получить заданное время переходного процесса при сбросе-набросе нагрузочного тока 10 мкс) при любой величине имитируемого тока на основной шине.

4. Разработано устройство импульсной нагрузки, гармонической нагрузки и необходимые алгоритмы для их корректной работы. Установлено, что разработанное устройство импульсной нагрузки позволяет создавать имитацию нагрузочных токов в импульсном режиме с возможностью цифровой регулировки длительности фронта, а устройство гармонической нагрузки обеспечивает возможность проводить испытания СЭП КА в широком диапазоне частот (20 Гц — 150 кГц).

5. Разработаны математические модели основного канала нагрузки, гармонической нагрузки, системы формирователя фронтов, блока импульсной и комплексной нагрузок, позволяющие проводить исследование электромагнитных процессов, а также производить, подтверждающие адекватность, инженерные расчёты силовой части НК. С помощью полученных расчётных выражений построены диаграммы токов для различных шин, показывающие адекватность математических моделей. Сравнение графических зависимостей токов, полученных численным методом и с помощью аналитических выражений показывает их хорошую' сходимость (±10%), что позволяет рекомендовать полученные аналитические выражения для< практического использования.

Проведены экспериментальные исследования основного канала,нагрузочного тока на действующем НК, получены осциллограммы наброса (сброса) тока. При сравнении графиков токов на шинах питания 27 В и 40 В, полученных на модели и снятых экспериментальным путём показывает, что расхождение между ними составляет 5 — 7 %, что говорит об адекватности математического описания электромагнитных процессов НК.

Автор приносит благодарность кандидату технических наук, заведующему отделом №14 «Энергетической электроники» НИИ АЭМ ТУСУР Мишину Вадиму Николаевичу, сотрудникам отдела Пчельникову Виктору Алексеевичу и Бубнову Олегу Викторовичу за оказанную помощь при проектировании и создании физических моделей комплексов, а также в обсуждении результатов исследований.

1. Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев. Системы электропитания космических аппаратов. — Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма, 1994. — 318 с.2. http://www.nasa.gov, http://wwwlrosaviakosmos.ru, http://npopm.ru.

2. А.Б. Базилевский, А.Г. Козлов, М.В. Лукьяненко, В.Г. Шелудько. Системы! спутников связи: Учебное пособие по курсу «Системы электроснабжения летательных аппаратов» для студентов приборостроительного факультета. КИКТ. — Красноярск, 1989 — 224 с.

3. Энергетические установки космических аппаратов* / С.А. Подшива-лов, Э.И. Иванов, Л.И. Муратов и др.; под общ. ред. Д.Д. Невяровского и

4. B.C. Викторова. -М.: Энергоатомиздат, 1981. 223 с.

5. Берилов А. В., Грузков Д. С., Обрадович В. А. О подходе к синтезу имитационных нагрузочных устройств. Вестник Московского энергетического института. 2007. № 3. С. 27 — 33.

6. Преобразовательная техника. Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Киев, Издательское объединение «Вища школа», 1978, 424 с.

7. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники: Учебник для техникумов. М.: Энергия, 1979. - 392 е., ил.

8. Тонкаль И.Е. и др. Баланс энергий в электрических цепях. Киев.: Наук, думка, 1992. - 312 с.

9. Тонкаль В.Е. Синтез автономных инверторов модуляционного типа. Киев, Наук. Думка, 1979 - 206 с.

10. Ю.П. Гончаров, В.В. Ермуратский, Э.И. Заика, А.Ю. Штейнберг. / Автономные инверторы. Издательство «Штиинца», 1974 г.

11. Семёнов Б. Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов» Изд. Солон-р. М.: 2001.

12. Высокочастотные транзисторные преобразователи/ Э. М. Ромаш, Ю. И: Драбович, Н. Н. Юрченко. П. Н. Шевченко. М.: Радио и связь, 1988. — 288 е.: ил.

13. Чети П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат - 1990.

14. Rachid М. Power electronics handbook. Part 1, 2, 3/ 1993.

15. B.H. Cho and B. Choi, «Analysis and design of multi-stage distributed power supply systems», INTELEC Conf. Proc., Nov. 1991.

16. Хансиоахим Блум. Схемотехника и применение мощных импульсных устройств. Изд. Додэка. 2008 г. 361 с.

17. Чаки Ф., Герман И., Ипшич И. и др. Силовая электроника: Примеры и расчеты Пер. с англ. —Москва; издательство "Энергоиздат", 1982.

18. Источники вторичного электропитания. Справочное пособие // Под ред. Конева Ю.И: / М.: Радио и связь 1983.

19. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х томах.: Пер. с англ. — 4-е изд. перераб. и доп. — М.: Мир, 1993. — 413 е.: ил.

20. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. — Москва, издательство Энергоатомиздат, 1992.— 296 с.

21. Современная теория фильтров и их проектирование. /Пер.с анг. под ред. Теплюка И.Н. М.: Мир, 1977. - 560 с.

22. R.D. Middlebrook, «Input filter considerations in design and application of switching regulators», IEEE Industry Applicat. Soc. Annu. Meeting, 1976 Record.

23. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания/ Г. С. Векслер, В. С. Недочетов, В. В. Пилинский и др. К.: Техника, 1990. - 167 с.

24. Браммер Ю.А. Импульсные и цифровые устройства: Учеб. для студентов электрорадиоприборостроительных сред: спец. учеб. заведений / Ю.А. Браммер, И.Н. Пащук — 7-е изд. перераб. и доп. -М. Высш.шк., 2003. 351 е.: ил.

25. Цыпкин Я. 3*. Теория импульсных систем. М.: Физматгиз, 1958: -724 с. " ' - ' • 28. ' Цыпкин Я. 3; Релейные автоматические системы. - Mi: Физматгиз; 1974. - 575 с.

26. С.М. Wildrick, «Stability of distributed power supply systems», Master's thesis, Virginia Polytechnic institute and State University, Blacksburg, VA, Jan. 1993.

27. Яворский Б. Mi, Детлаф А. А. Справочник по;физике: Для инженеровi и студентов вузов. М:, 1984 г., 848 стр. с илл.

28. Белов Г.А., Кузьмин С.А. Условия устойчивости и коэффициент стабилизации импульсного стабилизатора с обратными связями по току и напряжению. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио 1984. - №15. - 48-58 с.

29. Степаненко И. II. Основы теории транзисторов и транзисторных схем, изд. 3-е, перераб. и доп. М., «Энергия», 1973.

30. Зиновьев F. С. Основы силовой электроники: Учебное пособие. — Изд: 2-е, испр. и доп. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. 664 с. (Серия «Учебники 1-ТГТУ»).

31. Зиновьев Г. С. Прямые методы расчёта энергетических показателей вентильных преобразователей. — Новосибирск: НГУ, 1990. — 220 с.

32. Дмитриков В. Ф., Островский М. Я. Аналитические методы исследования автономных инверторов с использованием структурных схем и коммутационных функций. Препринт. - Киев: 1982. - 63 с. (АН УССР. №286).

33. Беркович Е. И. Анализ вентильных преобразователей с применением модуль-функции // Электричество. 1983. - № 12. - С. 21—26.

34. Бессонов Л.А*. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е, перераб.- и доп. Учебник для студентов энергетических и электротехнических вузов. М., «Высш. школа», 1973. 752 с. с ил.

35. Теоретические основы электротехники. Т. 2. Нелинейные цепи и основы теории электромагнитного-поля. Под ред. П.А. Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. —М.: Высш. шк., 1976. — 383 с.

36. Алиев- И. И. Справочник по электротехнике (4-е изд., перераб. и доп.)/Серия «Справочники». — Ростов н/Д: Феникс, 2003. — 480 е., ил.

37. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей: Нелинейные цепи: Учеб. для электротехн. спец. вузов. —2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1986. -352 с.

38. Фидлер Д.К., Найтингейл К. Машинное проектирование электронных схем. М.: Высшая школа, 1985. - 216 с.

39. Розенвассер Е. Н., Воловодов С. К. Операторные методы и колебательные процессы. М.: Наука - 1985. - 309 с.

40. Пивняк Г. Г., Худодеев Г. В. Операторный метод расчета переходных процессов в автономных инверторах в режиме прерывистого тока // Изв. вузов. Сер. электромеханика. 1979. - № 5. - С. 419-424.

41. Якубович В.А., Стражинский В.Н: Линейные дифференциальные уравнения с периодическими коэффициентами и их приложения. М.: Наука-1972.-718 с.

42. Коржавин O.A. Динамические характеристики импульсных полупроводниковых: преобразователей и стабилизаторов постоянного напряжения: / М:: Радио и Связь 1997. - 300 с.

43. Данилов JI.B. Электрические; цепи с нелинейными: R-элемептами. -М!: Связь 1974. - 136 с

44. Силовые полупроводниковые приборы / Пер. с англ., под ред. В. В: Токарева. 1-е изд. - Воронеж, 1995. —606 с.

45. Белецкий А.Ф. Теория линейных электрических цепей. М:: Радио исвязь, 1986. - 544 с.

46. Гиллемин Э.А. Синтез пассивных цепей./ Пёр. с англ. под ред. М.М. Айзинова: М:: Связь, 19701 - 720>с.

47. Расчет фильтров с учетом!потерь. Справочник. / Пер. с нем. под ред. Сильвинской K.Ä. М : Связь, 1972. - 200 с.

48. Собенин Я.А. Расчет полиномиальных фильтров. М.: Связьиздат, 1963.-207 с.

49. Альбац М.Е. Справочник по расчету фильтров и линий задержки. -М.: Госэнергоиздат, 1963. 200 с.

50. Русин Ю.С. и др. Электромагнитные элементы РЭА. Справочник. -М.: Радио и связь, 1991, 224 с.

51. Кит Сукер. Силовая электроника. Руководство разработчика. Изд. Додэка ХХГ. 2008 г. 463 с.

52. Конструирование силовых полупроводниковых преобразователей, Москва, «Энергоатомиздат», 1989 г.58^ Горбачев Г.Н1, Чаплыгин Е.Е. Промышленная:электроника: Учебник для ВУЗов / под ред. В.А. Лабунцова. — М: Энергоатомиздат; 1988. — 320с:: ил.

53. Галкин В.И. Промышленная, электроника.: Уч.пособие. — Мн.: Высш.шк., 1989г., 336с.: ил;60: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Изд. Додэка. 2000 г. 544 с.

54. Лабунцов В.А. Энергетическая электроника, Справочное пособие, Москва, «Энергоатомиздат», 1987 г.

55. Цифровые интегральные микросхемы. Справочник / М.И. Богданович, И.Н. Грель, В.А. Прохоренко, В.В. Шалимо. Мн. Беларусь, 1991. — 493с.: ил.

56. Тарабрин Б.В., Лунин Л.Ф. Интегральные микросхемы. -М. Радио и связь, 1984 г.

57. Уильяме Б. Силовая электроника. Приборы, управление, применение, справочное пособие. Москва, «Энергоатомиздат», 1993г.

58. Справочник по микроэлектронной импульсной технике .В.Н. Яков лев, В.В. Воскресенский, С.И. Мирошниченко и др. Под ред. В.Н. Яковлева. Киев, Тех. школа, 1983. - 359 е., ил.

59. Бойко И.В. и др. Схемотехника электронных систем. Цифровые устройства / Авторы: В.И. Бойко, А.Н. Гуржий, В .Я. Жуйков, и др.: — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 512с.: ил.

60. Конденсаторы. Справочник. / Под ред. Четверткою И.И. и Дьяконова М.Н. М.:: Радио и связь, 1993. - 392 с.

61. S.E. Schulz, «System interactions and design considerations for distributed power systems», Master's thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA, Jan. 1991.

62. И.Н. Сидоров, М.Ф. Биинатов, Л.Г. Шведова. Справочник: Индуктивные элементы радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и Связь, 1992 год.

63. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров. / Пер. с нем. под ред. Сле-поваН.Н. М.: Радио и связь, 1983. - 752 с.

64. Триполитов, A.B. Ермаков. Микросхемы, диоды, транзисторы. Справочник. М. Машиностроение, 1994. - 319 е., ил.

65. Щербаков В. И., Грездов Г. И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. — К.: Техшка, 1983. 213с., ил. - Библиогр.: с. 206-211.

66. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А. F. Алексенко, Е. А. Коломбет, Г. И. Стародуб. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1985. — 304 е., ил.

67. Ткаченко Ф.А. Техническая электроника / Ф.А. Ткаченко. 2-е изд. стереотип. - Мн.: Дизайн ПРО, 2002. - 368 с.

68. Булычев AJL, Галкин В.И., Прохоренко В .А. Аналоговые интегральные схемы: Справочник. 2-ое изд. перераб. и лоп. — Мн-: Беларусь, 1993. — 382с.: ил.

69. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. Учебное пособие для приборостроительных спец. ВУЗов. 2-е изд. перераб: и доп. - М. Высш.шк., 1991. — 622 е.: ил. .

70. Белецкий А.Ф. Теоретические основы электропроводной связи, М.: Связьиздат, 1959. - 390 с.

71. Ланнэ A.A. Оптимальный синтез линейных электронных схем. М::. Связь, 1978. -335 с. .

72. Пенфильд П:, и др. Энергетическая теория электрических цепей. / Пер; с англ. под ред. В.А. Говоркова. М.: Энергия, 1974.- 152 с.

73. Гехер К. Теория чувствительности и допусков электронных цепей. -М.: Сов. радио, 1973. 200 с.

74. Гарбер Е. Д., Шифрин М. Ш. Нелинейные задачи автоматического регулирования судовых энергетических установок. Л.: Судостроение -1967.-326 с.

75. Воловодов С.К., Розенвассер E.H. О применении обобщённых коэффициентов гармонической линеаризации для определения параметров авто-колебаний // Автоматика и телемеханика. №4. - С. 26-30.

76. Тодоров Г. С. Анализ основных схем инверторов в режиме непрерывного тока // Электричество. 1973. - № 4. - С. 30-35.

77. Наумов Б. Н. Теория нелинейных автоматических систем. М. : Наука - 1972. - 544 с.

78. Аль-Номан A.A. и др. Энергетические и массогабаритные характеристики LG-фильтров: Электросвязь, 1996, №12. - с. 27-29.

79. Трифонов И.И. Расчет электронных цепей с заданными частотными характеристиками. М.: Радио и связь, 1988. - 304 с.87. • Ефимчик М.К. Технические средства электронных; систем. Вводный; курс: Уч.пособие. -Мн:: Тесей, 2000L— 276 с.

80. Булычев A.JI. и др. Электронные приборы: Учеб./ А. Л. Булычев , И:М: Лямищ E.G. Тулинов: —Мш: Высш.шк., 1999: -415 с:: ил:

81. Патент на полезную модель 50317 РФ. Комплекс имитации нагрузки для испытания систем электроснабжения космических аппаратов / Мишин В.Н., Бубнов О.В., Пчельников В.А., Юдинцев А.Г., Дементьев Ю.Н. Бюл. №36, 2005.

82. Патент на полезную модель 75755 РФ. Имитатор нагрузок для испытания систем электроснабжения космических аппаратов / Мишин: В.Н., Бубнов G.B., Пчельников В.А., Юдинцев А.Г., Иванов В.Л., Патрахина О.В. Бюл. №23, 2008.

83. Патент на полезную модель 73102. РФ. Имитатор: аккумуляторной батареи для испытания систем электроснабжения космических аппаратов / Мишин В.Н., Бубнов О.В., Пчельников В.А., Юдинцев А.Г., Леонов В.В., Цебенко Н.Н., Кайсанов С.А. Бюл. №13,2008.

84. Патент на полезную модель 77730 РФ. Преобразователь напряжения с защитой от перегрузки / Мишин В.И., Бубнов O BI, Пчельников В:А., Юдинцев А.Г. Бюл. №30, 2008. •

85. Юдинцев А.Г., Дементьев Ю.Н., Бубнов О.В. Нагрузочные устройства для испытаний систем электропитания космических аппаратов // Известия Томского политехнического университета. — Томск, 2005. — №6, Т.307. — с.126-130.

86. Юдинцев А.Г., Микросхема UC3875 фирмы Unitrode в мостовом инверторе с фазовой«,широтно-имульсной модуляцией // Научно-технический журнал Схемотехника, М.:, январь 2005. с. 16-20.

87. Юдинцев А.Г., Измерительный преобразователь переменного тока // Сборник докладов V Всероссийского студенческого научно-технического семинара. Энергетика: экология, надежность, безопасность. Томск: ТПУ 2003. с. 47-49.

88. Юдинцев А.Г., Имитатор гармонической нагрузки для систем электропитания космических аппаратов // Сборник тезисов X международной • научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «СТТ 2004». с. 277-278.

89. Юдинцев A.F., Имитация гармонической нагрузки в-системах- электропитания космических аппаратов // Сборник трудов НИИ- АЭМ «Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов», выпуск 5, 2004 г. с. 121-123.

90. Юдинцев А.Г., Мишин B.H., Автономный инвертор с фазовой ши-ротно-импульсной модуляцией // Труды международной научнопрактической конференции «Электронные средства и системы управления», 2004, г. Томск, с. 56-59.

91. Юдинцев А.Г., Бубнов О.В., Автоматизированный испытательный комплекс систем электропитания космических аппаратов // Труды VIII Всероссийской научной конференции с международным участием «Ре-шетневские чтения», 2004, г. Красноярск, с. 66-67.

92. Юдинцев А.Г., Дементьев Ю.Н., Анализ работы мостового инвертора в квазирезонансном режиме // Сборник научных трудов «Электротехнические системы и комплексы», 2005, г. Магнитогорск, с. 117-121.

93. Юдинцев А.Г., Дементьев Ю.Н., Рулевский В. М., Автономные источники питания для индивидуальных шахтных фонарей. «Горный журнал». Специальный выпуск. «Цветные металлы». №4.2006. с. 43-44.

94. Юдинцев А. Г., Бубнов О. В. Нагрузочные устройства для систем электропитания космических аппаратов. Электронные и электромеханические системы и устройства. Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов. Томск 2008. с. 25-27.

95. Пожаркова И. Н. Формирование требований к выходному импедансу систем электропитания космических аппаратов // Автореферат на соискание учёной степени кандидата технических наук. — Красноярск, 2009. с. 20.