Многомодульный импульсный стабилизатор напряжения при питании от источника тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Алатов, Игорь Владимирович

• Алатов, Игорь Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алатов, Игорь Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Тенденции развития систем электропитания современных спутников связи.

1.2. Топологические решения СЭП.

1.3. Обоснование применения в качестве СУ конвертора с силовой цепью повышающего типа и шунтовым принципом регулирования.

1.4. Топологии последовательного стабилизатора с шунтовым принципом регулирования мощности СБ.

1.5. Требования к качеству выходного напряжения современных СЭП.

1.6. Обоснование методов синтеза и исследований, определение задач исследований.

Выводы.

2. СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ИСН БТ.

2.1. Модель ИСНБТ по регулируемым составляющим процесса.

2.2. Синтез закона управления ИСН БТ.

2.3. Исследование характеристик ИСН БТ как системы с амплитудно-импульсной модуляцией.

2.3.1. Влияние нагрузки на закон управления.

2.3.2. Динамические характеристики ИСН БТ.

2.4. Реализация закона управления в ИСН с ШИМ.

2.4.1. Реализациия импульсного закона управления по мгновенным значениям регулируемой составляющей процесса.

2.4.2. Реализации импульсного закона управления дискретным значениям регулируемой составляющей процесса.

2.5. Исследование ИСН БТ с ШИМ.

2.6. Влияние вариации параметров силовой цепи, устройства управления и первичного источника на характеристики ИСН БТ.

2.7. Влияние внутреннего сопротивления конденсатора фильтра на закон управления ИСН БТ.

2.8. Обеспечения астатизма ИСН БТ по выходному напряжению.

2.8.1. Реализация закона управления с использованием наблюдателя напряжения.

2.8.2. Определение параметров интегратора сигнала рассогласования.

Выводы.

3. МНОГМОДУЛЬНЫЙ ИСН БТ.

3.1. Реализация импульсных законов управления в многомодульном ИСН.

3.2. Реализация управления силовым модулем многомодульного ИСН по регулируемой составляющей процесса, эквивалентного напряжению на конденсаторе выходного фильтра СМ работающего на индивидуальную нагрузку.

3.3. Синтез и реализация закона управления МСН при питании от одной мощной секции СБ.

3.3.1. Влияние разброса параметров силовых элементов и цепей управления на распределение тока СБ между модулями.

3.3.2. Синтез и реализация устройства управления силовым модулем МСН из условия равномерного распределения тока СБ между модулями.

3.4. Устойчивость электромагнитных процессов во входной цепи ИСН БТ.

3.5. Методика проектирования МСН.

3.5.1. Определение коэффициентов передачи цепей обратной связи.

3.5.2. Определение числа силовых модулей в МСН.

3.5.3. Определение индуктивности дросселя.

3.5.4. Определение величины емкости конденсатора Сф выходного фильтра.

3.6. Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических результатов.

3.6.1. Пример схемотехнической реализации ИСН БТ.

Макет ИСН БТ.

3.6.2. Схема и результаты испытаний.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многомодульный импульсный стабилизатор напряжения при питании от источника тока»

Актуальность. Возрастающая потребность общества в средствах космической связи определяет неуклонное развитие и совершенствование обеспечивающих её технических средств. Спутники связи (СС) являются важнейшим элементом в системах космической связи и в значительной степени определяют их технико-экономические характеристики. В конце двадцатого века наметилась устойчивая тенденция роста числа бортовых ретрансляторов СС. Так число ретрансляторов увеличилось с 6+10 до 50+150, что потребовало увеличение мощности систем электропитания (СЭП) СС с 2+4 до 15+25 кВт [11]. Увеличение мощности способствует повышению напряжение на выходных шинах СЭП с 28В до 100В, что позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) элементов СЭП и уменьшить их удельные массогабаритные показатели, за счёт уменьшения потерь энергии в кабельной сети, энергопреобразующей аппаратуре СЭП и каналах энергопотребления (КЭП).

Импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН) широко применяются в СЭП СС, в частности в качестве стабилизирующего устройства, включённого между солнечной батареей (СБ) и выходными шинами СЭП. Рост выходного напряжения СЭП приводит к увеличению напряжения основного источника энергии СС^ солнечной батареи. С увеличением выходного напряжения СБ появляется необходимость принятия специальных мер для обеспечения безопасных режимов эксплуатации как элементов энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА), так и самой солнечной батареи. Данные меры становятся актуальными с учётом возникновения перенапряжений на выходе СБ, в режиме «холодного солнца» (выход СС из тени) [12]. Поэтому в высоковольтных СЭП перспективным является применение ИСН безбаластного типа (ИСН БТ) с шунтовым принципом регулирования мощности, генерируемой СБ [34]. Силовая цепь такого ИСН строится на основе схемы конвертора повышающего типа. Стабилизаторы этого типа работают на токовом участке вольт-амперной характеристики (ВАХ) СБ, и тем самым обеспечивают ограничение напряжения СБ на уровне выходного напряжения СЭП. В этом режиме СБ можно рассматривать как источник тока к выходу которого подключена силовая цепь ИСН БТ. Такая структура силовой цепи ИСН БТ позволяет использовать его в режимах экстремального регулирования мощности СБ при напряжении солнечной батареи ниже выходного напряжения СЭП, что является немаловажным для СЭП СС с длительным сроком активного существования.

С увеличением мощности энергопотребления СС используется принцип блочно-модульного построения стабилизаторов СЭП [2, 24, 36] с параллельным включением силовых модулей (СМ) ИСН. Высокое требование к качеству выходного напряжения СЭП обуславливает обеспечения на заданном уровне динамических и статических характеристик ИСН с параллельным включением силовых модулей. Требование высокой надёжности к СЭП приводит к необходимости равномерного распределения тока между параллельно включёнными модулями в многомодульном импульсном стабилизаторе напряжения (МСН), а также обеспечение автономности функционирования этих модулей.

Как было отмечено выше, в настоящее время считается перспективным использование ИСН БТ в СЭП большой мощности. Однако опыта разработки и практического использования такого ИСН нет. Поэтому актуальной задачей является создание системы управления многомодульным импульсным стабилизатором напряжения с силовыми модулями, выполненными на основе ИСН БТ и методики проектирования такого стабилизатора. При этом система управления должна обеспечивать, во-первых, заданное качество выходного напряжения, во-вторых, равномерное распределение тока между силовыми модулями во всех режимах работы стабилизатора.

Решение данной задачи затрудняется тем, что закон управления для ИСН БТ, позволяющий удовлетворить возрастающие требования по качеству выходного напряжения, не известен, что не позволяет применять такие стабилизаторы в системах электропитания. Качество напряжения на выходных шинах СЭП определяется законами управления, реализованными в устройствах управления ИСН. Выходные шины СЭП являются общими для большинства разнородных потребителей электроэнергии, имеющих высокий уровень переменной составляющей потребляемого тока. Переменное токопотребление приводит к отклонениям напряжения на общих выходных шинах СЭП и взаимовлиянию потребителей, что может приводить к нарушениям их работоспособности [1]. Поэтому к быстродействию ИСН предъявляются высокие требования. Следовательно, актуальной научно-технической задачей является синтез системы управления многомодульным импульсным стабилизатором напряжения с силовыми модулями, выполненными на основе ИСН БТ, и обеспечивающей стабилизатору и СЭП требуемое качество выходного напряжения, т.е. обеспечивать минимальную длительность и амплитуду переходных процессов на выходе стабилизатора при изменении тока нагрузки и первичного источника.

Из известных подходов к синтезу законов управления ИСН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) из условия обеспечения максимального быстродействия ИСН, наилучшие результаты можно получить с использованием метода [2, 20], основанного на представлении одноканального ИСН с ШИМ адекватной моделью стабилизатора с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ).

Использование указанного метода для синтеза систем с ШИМ предполагает решение, как минимум трёх задач: первое - получение амплитудно-импульсной модели силовой цепи системы (ИСН БТ) по регулируемым составляющим процесса; второе - синтез импульсных законов управления для модели с АИМ в соответствии с заданными критериями качества реальной системе с ШИМ и третье - получение условий реализации импульсных законов управления в реальной системе с ШИМ. Учитывая, что указанный метод использовался авторами для синтеза закона управления одноканальным ИСН, который имеет силовую цепь конвертора понижающего типа, то для решения задачи синтеза закона управления многомодульным ИСН

БТ, кроме перечисленных выше трёх задач, необходимо выполнить и четвертую. А именно, получить условия реализации импульсных законов управления в реальной системе с ШИМ, для многомодульного ИСН с шунтовым принципом регулирования.

Кроме того, при реализации импульсных законов управления необходимо учитывать, что многомодульный ИСН БТ является, наряду с зарядным и разрядными устройствами (ЗУ, РУ), одним из компонентов СЭП СС. Помимо взаимодействия с ЗУ и РУ по силовым цепям через общие выходные шины, осуществляется взаимодействие и по цепям управления. В современных СЭП СС, при смене режимов работы используется беззонный (астатический) принцип регулирования напряжения на выходных шинах. Это обеспечивается общим для вех устройств, осуществляющих стабилизацию напряжения на выходных шинах СЭП, блоком, который содержит интегратор сигнала рассогласования. Наличие интегратора сигнала рассогласования в цепи обратной связи может ухудшить динамические характеристики стабилизатора. Значит, при реализации импульсных законов управления необходимо обеспечить астатизм стабилизатору, при сохранении его динамических характеристик.

Параллельное подключение силовых модулей к СБ при использовании «токового» участка ВАХ СБ и принципа шунтового регулирования избытка мощности СБ образуют систему с последовательным соединением СБ, ИСН БТ и нагрузкой. В этом случае СБ работает в режиме источника тока и условие равномерного распределения тока СБ между силовыми модулями определяет работоспособность данной системы, иначе возможен лавинный (один за другим) выход из строя силовых модулей и не контролируемая передача избытка мощности СБ в нагрузку. Поэтому проведение исследований режимов распределения тока СБ между силовыми модулями и синтез устройства управления, обеспечивающего равномерное распределение тока между силовыми модулями в МСН является так же актуальной задачей.

Наличие у СБ собственной емкости (от нескольких долей до единиц мкФ) обуславливает, с учетом индуктивности силовой цепи ИСН БТ, образование у стабилизатора входного LC- контура. Поскольку система СБ-ИСН БТ-нагрузка является замкнутой системой автоматического регулирования, значит появляются условия для возникновения внутренней положительной обратной связи и возникновения автоколебаний во входном LC- контуре стабилизатора. Наличие автоколебаний влияет на работу ИСН и ухудшает качество выходного напряжения СЭП. Поэтому, не менее значимой задачей является проведение исследований процессов во входном контуре ИСН для определения условий исключения автоколебаний во входной цепи и выработки рекомендаций по выбору параметров элементов силовой цепи ИСН.

Исследованиями подобных вопросов, связанными с разработкой и производством высоковольтных СЭП большой мощности занимаются на следующих фирмах: Alcatel (Франция), Lockheed Martin и Hughes (США) [11]. В России высоковольтные СЭП большой мощности разрабатывают и производят в ФГУП "НПО прикладной механики им. академика

М.Ф.Решетнева", ФГУП "Полюс", и ФГУП "НПО Энергия". Исследованиями процессов в энергопреобразующей аппаратуре (ЭПА) занимаются в Московском и Самарском государственных авиационных университетах, Московском государственном энергетическом университете, С. Петербургском ВИКИ им. Можайского, Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, Красноярском государственном техническом университете, Сибирском государственном аэрокосмическом университете. Актуальность подтверждается и хозяйственными договорами № 20/2, №22/1 выполненными КГТУ и ГУ НИИ информатики и процессов управления, в период с 2000 по 2004 гг. при участии автора.

Объектом исследования настоящей работы является многомодульный ИСН безбалластного типа с шунтовым принципом регулирования, перспективный для применения в энергопреобразующей аппаратуре высоковольтных систем электропитания спутников связи, и его система управления.

Предметом исследования являются качество процессов регулирования и преобразования электроэнергии в системе СБ-ИСН БТ— нагрузка.

Цель работы заключается в определении параметров силовой цепи и закона управления многомодульным ИСН БТ исходя из условий обеспечения заданного качества выходного напряжения СЭП СС на стадии проектирования.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Получена амплитудно-импульсная модель силовой цепи ИСН БТ по регулируемым составляющим процесса. Осуществлен синтез импульсного закона управления, обеспечивающего ИСН БТ минимальную длительность переходных процессов, и определены условия его реализации. Исследованы динамические характеристики быстродействующего ИСН БТ.

2. Определена степень влияния на основные характеристики стабилизатора изменений параметров силовой цепи ИСН БТ, параметров первичного источника и устройства управления.

3. Предложен способ (защищённый патентом РФ №2239225), обеспечивающий астатизм стабилизатору, при сохранении его динамических характеристик.

4. Определены условия реализации импульсных законов управления в многомодульном ИСН.

5. Проведено исследование режимов распределения тока СБ между силовыми модулями. Получена амплитудно-импульсная модель силовой цепи индивидуального модуля многомодульного ИСН по регулируемым составляющим процессов, вызывающих отклонение тока индивидуального модуля от его среднего значения. Осуществлен синтез устройства управления индивидуальным силовым модулем, обеспечивающего равномерное распределение тока между силовыми модулями многомодульного ИСН, определены условия реализации синтезированного устройства управления.

6. Проведены исследования процессов во входном контуре ИСН БТ. Определены условия исключения автоколебаний во входной цепи и на их основе выработаны рекомендаций по выбору параметров элементов силовой цепи ИСН.

7. Разработана методика проектирования МСН на основе силовых модулей ИСН БТ. Проведено сравнение теоретических и экспериментальных результатов.

Основная идея диссертации состоит в использовании и дальнейшем развитии метода, основанного на представлении в окрестности стационарного режима процесса широтно-импульсного регулирования адекватным процессом амплитудно-импульсной модуляции (АИМ). Сведение широтно-импульсного регулирования к амплитудно-импульсному позволяет применять для анализа и синтеза устройств управления ИСН с ШИМ хорошо разработанный аппарат теории систем с АИМ и получить на его основе импульсные законы управления.

Данный метод был использован при синтезе закона управления для нового типа стабилизирующего устройства, ИСН БТ. При этом одноканальному стабилизатору была обеспечена минимально возможная длительность переходных процессов, в один период преобразования. Представление ИСН БТ как системы с АИМ позволило определить, из условия заданного качества выходного напряжения законы управления многомодульным ИСН по мгновенным и дискретным значениям регулируемой составляющей процесса. Кроме того, использование указанного метода позволило синтезировать передаточную функцию устройства, обеспечивающего равномерное распределения тока между силовыми модулями многомодульного ИСН.

Методы исследования: моделирование электромагнитных процессов на ЦВМ (система сквозного схемотехнического проектирования OrCAD), использование теории импульсных систем автоматического регулирования (дискретное преобразование Лапласа, полиномиальные уравнения синтеза систем с амплитудно-импульсной модуляцией, алгебраический критерий устойчивости), использование теории линейных электрических цепей (прямые методы расчета цепей, операторные методы анализа цепей, анализ переходных процессов), физическое макетирование.

Основные результаты:

1. Показано, что законы управления многомодульным импульсным стабилизатором напряжения должны обеспечивать минимизацию взаимовлияния по силовым цепям ИСН, составляющих МСН. При этом необходимо использовать закон управления ИСН, обеспечивающий минимальную длительность процесса регулирования в индивидуальном ИСН.

2. Получена амплитудно-импульсная модель силовой цепи ИСН БТ по регулируемым составляющим процесса в окрестности стационарного режима. С использованием модели осуществлен синтез закона управления ИСН БТ, обеспечивающий длительность переходных процессов в один период преобразования. Получено, что импульсный закон управления, обеспечивающий максимальное быстродействие ИСН БТ определяется, устройством с дискретной передаточной функцией Wyy(zj в виде пропорционального звена с коэффициентом передачи КА, численно равным ёмкости конденсатора выходного фильтра. Реализацию импульсного закона необходимо осуществлять по мгновенным или дискретным значениям процесса путём введения коэффициента усиления входного сигнала модулятора Ку = Копт = КА/1БСКшш , при этом опорный сигнал модулятора, для управления по мгновенным значениям процесса, должен формироваться в функции тока нагрузки.

3. Анализ результатов исследований динамических и статических режимов ИСН БТ полученных при использовании АИМ модели по возмущающему воздействию и при использовании имитационной модели ИСН БТ как системы с ШИМ показал, что адекватность представления процессов широтно-импульсного регулирования его амплитудно-импульсной моделью соблюдается для всего рабочего диапазона 0 < tH р < Т. Результаты исследований также показывают, что полученный закон управления обеспечивает ИСН БТ «грубость» в условиях вариации параметров стабилизатора.

4. Разработан способ (защищённый патентом РФ №2239225), основанный на использовании динамического наблюдателя напряжения конденсатора выходного фильтра Сф, позволяющий исключить влияние на закон управления активного сопротивления Rc конденсатора Сф и обеспечить астатизм стабилизатору. Это позволяет использовать общий, для СЭП сигнал, пропорциональный интегралу сигнала рассогласования. Получена АИМ модель ИСН БТ с учетом интегратора сигнала рассогласования. С использованием модели показано, что допустимая величина коэффициента передачи КР интегратора сигнала рассогласования должна определяться из условия обеспечения апериодического характера переходных процессов. В этом случае динамические характеристики ИСН БТ определяются синтезированным законом управления и исключается взаимовлияние (в динамических режимах) стабилизирующих устройств СЭП по общему сигналу интегратора сигнала рассогласования.

5. С использованием АИМ модели ИСН БТ получены условия реализации синтезированного закона управления для многомодульного ИСН, при сохранении быстродействия полученного для одноканального стабилизатора. При этом показано, что можно осуществить реализацию импульсного закона управления двумя способами. Это способ управления индивидуальными ИСН по регулируемой составляющей процесса, эквивалентного напряжению конденсатора выходного фильтра ИСН работающего на индивидуальную нагрузку и способ управления по регулируемой составляющей выходного напряжения, определяемой в дискретные моменты времени тТ для всех ИСН одновременно. Кроме того, использование первого способа возможно только при питании ИСН, составляющих МСН, от индивидуальных секций СБ.

6. Исследование режимов распределения тока СБ между силовыми модулями показало, что наибольшее влияние на токораспределение оказывает несимметрия импульсных (фаза и длительность импульсов управления) режимов в МСН. Установлено, что возмущающее воздействие, вызванное несимметричностью электрических процессов в силовых цепях и цепях управления МСН, прикладывается к дросселю L силового модуля и вызывает изменение его тока. Величина этого воздействия пропорциональна выходному напряжению МСН. В результате получена амплитудно-импульсная модель силовой цепи индивидуального модуля МСН по регулируемым составляющим процессов, вызывающих отклонение тока индивидуального модуля от его среднего значения.

7. Осуществлен синтез передаточной функции устройства управления индивидуальным силовым модулем, обеспечивающей равномерное распределение тока между силовыми модулями МСН, определены условия её реализации. Получено, что равномерное распределение тока между силовыми модулями обеспечивается устройством управления, включенным в цепь отрицательной обратной связи по току индивидуального модуля, с передаточной функцией в виде пропорционального звена с коэффициентом передачи Куот численно равным индуктивности L дросселя силового модуля. Определено условие выбора величины индуктивности L дросселя силового модуля исходя из обеспечения независимости Куот от параметров активных сопротивлений силовой цепи модуля L > T(rL + гуэк +гд).

8. Определены условия исключения автоколебаний во входном LC-контуре стабилизатора, образованном индуктивностью L стабилизатора и собственной ёмкостью С солнечной батареи. Показано, что при быстродействующем управлении устойчивость обеспечивается соответствующим выбором индуктивности L дросселя.

9. Разработана методика проектирования многомодульного ИСН БТ при удовлетворении заданных показателей качества в условиях деградации параметров силовых цепей и цепей управления. Показан практический пример расчета и реализации одномодульного ИСН БТ. Создан физический макет ИСН БТ.

Научную новизну представляют:

• Амплитудно-импульсные модели силовой цепи индивидуального модуля многомодульного ИСН БТ по регулируемым составляющим процессов широтно-импульсного регулирования выходного напряжения и распределения тока между модулями, в окрестности стационарного режима, использование которых позволяет формировать импульсные законы управления в соответствии с требуемыми критериями качества.

• Условия реализации импульсных законов управления для систем с ШИМ при объединении модулей ИСН на параллельную работу.

• Амплитудно-импульсные модели ИСН БТ по возмущающему воздействию адекватно соответствующие ИСН БТ с ШИМ для всего рабочего диапазона.

Значение для теории. Показано, что для систем с широтно-импульсным регулированием, обладающих передаточной функцией непрерывной части не выше первого порядка, соблюдается адекватность представления процессов широтно-импульсного регулирования их амплитудно-импульсными моделями для всего рабочего диапазона 0 < tM р < Т, а не только в окрестности стационарного режима. Это утверждение подтверждается полным соответствием динамических и статических характеристик ИСН БТ полученных с помощью модели с АИМ, модели ИСН БТ с ШИМ, выполненной в формате PSpice и реальной системы с ШИМ. Значение для практики

Для практики проектирования интерес представляют:

• При проектировании многомодульных импульсных стабилизаторов напряжения с питанием от источника тока, использование синтезированных импульсных законов управления, позволяющих обеспечить многомодульному стабилизатору минимальную (равную одному периоду преобразования) длительность переходных процессов и равномерное распределение тока между силовыми модулями.

• Аналитические зависимости, полученные с использованием амплитудно-импульсных моделей, динамических и статических характеристик от параметров ИСН БТ. Использование которых позволяет определить степень влияния вариации параметров ИСН БТ на качество выходного напряжения, что позволяет существенно снизить сроки проектирования.

• Ограничения, накладываемые на параметры элементов силовых устройств исходя из условия обеспечения устойчивости процессов во входной цепи ИСН БТ

• Методика проектирования многомодульного ИСН БТ, позволяющая обеспечить проектируемому стабилизатору заданное качество выходного напряжения в условиях деградации параметров стабилизатора и первичного источника.

Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью результатов, полученных аналитическими методами, методами численного моделирования и физического макетирования, а также результатами испытаний опытных и серийных экземпляров СЭП спутников связи. Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Международном симпозиуме "Аэрокосмические приборные технологии", г. С. Петербург, 2002 г.

• Международной конференции "САКС 2002", г. Красноярск, 2002 г.

• Международной конференции "САКС 2004", г. Красноярск, 2004 г.

• Международной конференции "Новые инфокоммуникационные технологии" г. Новосибирск, 2003 г.

• Всероссийской конференции "Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов" г. Красноярск, 2003 г.

• Всесоюзной конференции "Системы электропитания цифровой и цифро-аналоговой аппаратуры" г. Ленинград, 1990 г.

Использование результатов диссертации. Основные научные и практические результаты использованы при разработке новых высоковольтных систем электропитания спутников связи в

ФГУП "НПО прикладной механики им. академика М.Ф.Решетнева" и в учебном процессе КГТУ.

Рекомендации по использование результатов диссертации.

Научные и практические результаты, полученные в ходе выполнения работ по диссертации целесообразно использовать при разработке новых высоковольтных систем электропитания спутников связи на предприятиях занимающихся проектированием и изготовлением спутников связи. Кроме того, полученные научные и практические результаты могут быть использованы при проектировании автономных системы электропитания постоянного тока для автоматических станций мониторинга окружающей среды, систем телеуправления удаленными объектами, выполненных на основе солнечных батарей, термоэлектрических преобразователей или других аналогичных первичных источников энергии (ИЭ).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них: 1 статья в издании по спискам ВАК; 4 - статей в межвузовских сборниках; 8 — работ опубликованы в материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций и симпозиумов; 2 -патента РФ.

Общая характеристика диссертации. Диссертация содержит основной текст на 155 е., 92 иллюстрации, список использованной литературы из 95 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Алатов, Игорь Владимирович

Основные результаты:

1. Показано, что законы управления многомодульным импульсным стабилизатором напряжения должны обеспечивать минимизацию взаимовлияния по силовым цепям ИСН, составляющих МСН. При этом необходимо использовать закон управления ИСН, обеспечивающий минимальную длительность процесса регулирования в индивидуальном ИСН.

2. Получена амплитудно-импульсная модель силовой цепи ИСН БТ по регулируемым составляющим процесса в окрестности стационарного режима, для которой дискретная передаточная функция Wh(z) непрерывной части определяется параметрами конденсатора выходного фильтра Сф и представлена интегрирующим звеном с запаздыванием на один период Т дискретизации WH(z) = 1/(Сф(г -1)), входной сигнал идеального импульсного элемента SA (t) = ~IBCtM,,, где Iвс - ток СБ; tHP - приращение длительности управляющих импульсов относительно стационарного значения tn.cr- При этом приняты допущения: tMP «Т; нагрузкой ИСН БТ является источник тока; REC = оо-внутреннее (параллельное) сопротивление СБ; Rc - 0 - активное сопротивление СФ.

3. С использованием модели осуществлен синтез закона управления ИСН БТ, обеспечивающий длительность переходных процессов в один период преобразования. Показано, что импульсный закон управления определяется устройством с дискретной передаточной функцией Wyy(z) в виде пропорционального звена с коэффициентом передачи КА, численно равным ёмкости конденсатора выходного фильтра. Реализацию импульсного закона tM ,>{mT) = —£p(mT)KА в ИСН БТ с ШИМ необходимо осуществлять по мгновенным значениям или дискретным составляющим процесса путем введения коэффициентов усиления входного сигнала модулятора Ку = Копт = КА /1;;СКшим , при этом опорный сигнал модулятора, для осуществления импульсного закона управления по мгновенным значениям процесса, должен формироваться в функции тока нагрузки.

3. Анализ результатов исследований динамических и статических режимов ИСН БТ полученных при использовании АИМ модели по возмущающему воздействию и при использовании имитационной модели ИСН БТ как системы с ШИМ показал, что адекватность представления процессов широтно-импульсного регулирования его амплитудно-импульсной моделью соблюдается для всего рабочего диапазона 0 < tH р < Т. Результаты исследований также показывают, что полученный закон управления обеспечивает ИСН БТ «грубость» в условиях вариации параметров стабилизатора.

4. Разработан способ (защищенный патентом РФ №2239225), основанный на использовании динамического наблюдателя напряжения конденсатора выходного фильтра Сф, позволяющий исключить влияние на закон управления активного сопротивления Rc конденсатора Сф и обеспечить астатизм стабилизатору. Это позволяет использовать общий, для СЭП сигнал, пропорциональный интегралу сигнала рассогласования. Получена АИМ модель ИСН БТ с учетом интегратора сигнала рассогласования. С использованием модели показано, что допустимая величина коэффициента передачи КР интегратора сигнала рассогласования должна определяться из условия обеспечения апериодического характера переходных процессов. В этом случае динамические характеристики ИСН БТ определяются синтезированным законом управления и исключается взаимовлияние (в динамических режимах) стабилизирующих устройств СЭП по общему сигналу интегратора сигнала рассогласования.

5. С использованием АИМ модели ИСН БТ получены условия реализации синтезированного закона управления для многомодульного ИСН, при сохранении быстродействия полученного для одноканального стабилизатора. При этом показано, что можно осуществить реализацию импульсного закона управления двумя способами. Это способ управления индивидуальными ИСН по регулируемой составляющей процесса, эквивалентного напряжению конденсатора выходного фильтра ИСН работающего на индивидуальную нагрузку и способ управления по регулируемой составляющей выходного напряжения, определяемой в дискретные моменты времени гаГдля всех ИСН одновременно. Кроме того, использование первого способа возможно только при питании ИСН, составляющих МСН, от индивидуальных секций СБ.

6. Исследование режимов распределения тока СБ между силовыми модулями показало, что наибольшее влияние на токораспределение оказывает несимметрия импульсных (фаза и длительность импульсов управления) режимов в МСН. Установлено, что возмущающее воздействие, вызванное несимметричностью электрических процессов в силовых цепях и цепях управления МСН, прикладывается к дросселю L силового модуля и вызывает изменение его тока.

Величина этого воздействия пропорциональна выходному напряжению МСН. В результате получена амплитудно-импульсная модель силовой цепи индивидуального модуля МСН по регулируемым составляющим процессов, вызывающих отклонение тока индивидуального модуля от его среднего значения.

7. Осуществлен синтез передаточной функции устройства управления индивидуальным силовым модулем, обеспечивающей равномерное распределение тока между силовыми модулями МСН, определены условия её реализации. Получено, что равномерное распределение тока между силовыми модулями обеспечивается устройством управления, включенным в цепь отрицательной обратной связи по току индивидуального модуля, с передаточной функцией в виде пропорционального звена с коэффициентом передачи Куот численно равным индуктивности L дросселя силового модуля. Определено условие выбора величины индуктивности L дросселя силового модуля исходя из обеспечения независимости Куот от параметров активных сопротивлений силовой цепи модуля L>T(r, +гУЭК +гд).

8. Определены условия исключения автоколебаний во входном LC-контуре стабилизатора, образованном индуктивностью L стабилизатора и собственной ёмкостью С солнечной батареи. Показано, что при быстродействующем управлении устойчивость обеспечивается соответствующим выбором индуктивности L дросселя.

9. Разработана методика проектирования многомодульного ИСН БТ при удовлетворении заданных показателей качества в условиях деградации параметров силовых цепей и цепей управления. Показан практический пример расчета и реализации одномодульного ИСН БТ. Создан физический макет ИСН БТ.

10. Проведены экспериментальные исследования ИСН БТ, определены характеристики стабилизатора. Показано, что расхождение расчетных и экспериментальных результатов не превышает 4%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе предложено решение актуальной научно-технической задачи синтеза системы управления многомодульным импульсным стабилизатором напряжения безбалластного типа с шунтовым принципом регулирования исходя из условий обеспечения минимальной длительности и амплитуды переходных процессов на выходе стабилизатора при возмущении со стороны нагрузки и вариации параметров силовых цепей, цепей управления и первичного источника. При этом учитывалось, что данный тип стабилизатора обеспечивает заданное качество электроэнергии в установившихся и переходных режимах СЭП СС и является системообразующим устройством. В частности это требование использовалось при разработке способа обеспечения астатизма стабилизатору по выходному напряжению, что позволяет применить беззонный принцип регулирования напряжения СЭП.

Положенный в основу решения метод синтеза и анализа систем с ШИМ получил дальнейшее развитие, что позволило не только решить задачи синтеза устройств управления МСН, но получить точные аналитические зависимости динамических и статических характеристик от параметров стабилизатора для всего рабочего диапазона.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алатов, Игорь Владимирович, 2005 год

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

2. Манаков А.В., Иванчура В.К, Соустин Б.П. Синтез и исследование быстродействующего импульсного стабилизатора напряжения с ШИМ. -Техническая электродинамика, 1987, №1.

3. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. М. :Физматгиз, 1963. - 968с.

4. Патент РФ №2238583. Способ управления импульсным стабилизатором / Краснобаев Ю.В., Алатов И.В., Вторушин Ю.А., Мамлин Б.Н. Опубл. 20.10.2004. бюл.№ 29.

5. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М.: Радио и связь, 1986.- 256 с.

6. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. -М.: Радио и связь, 1991. -376 с.

7. Топчеев Ю.И. Атлас для проектирования систем автоматического регулирования: Учеб. пособие для втузов. М.: Машиностроение, 1989. - 752 с.:ил.

8. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2 М.: «СОЛОН-Р», 2001.

9. Краснобаев Ю.В., Иванчура В.И., Алатов ИВ. Синтез и исследование быстродействующего безбалластного импульсного стабилизатора. // Достижения науки и техники развитию сибирских регионов: Материалы Всероссийской НПК: 4.1. Красноярск: ИПЦКГТУ, 2003 г.

10. Капель А., Салливен Д.О., Мартенар Ж.-К. Мощные системы преобразования энергии космических аппаратов // ТИИЭР. 1988. Т.76. №4.

11. Источники вторичного электропитания / С.С.Букреев и др.; Под ред. Ю.И.Конева. -М.:Радио и связь, 1983.-280 с.

12. Букреев С.С. Силовые полупроводниковые устройства: Введение в автоматизированное проектирование. -М.: Радио и связь, 1982. 256 с.

13. Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбович, Н.Н. Юрченко, П.И. Шевченко. М.: Радио и связь, 1988. -288 с.

14. Источники вторичного электропитания / С.С. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, и др.; Под ред. Ю.И. Конева: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990. 280с.

15. Грейвер Е.С. Ключевые стабилизаторы напряжения постоянного тока. М.: Связь, 1970. 152 с.

16. Многфазный импульсный стабилизатор постоянного напряжения. Юрченко А.И., Головадцкий В.А., Брагин В.П., Темляков Л.С., Картаев П.И., Колосова Г.И- ЭТВА, 1978, вып. 10, с. 107-113.

17. Высокочастотные помехи, производимые импульсными стабилизаторами напряжения. Сеньков В.И ЭТВА, 1982, вып. 13, с. 102-110.

18. Патент РФ №2239225. Способ управления импульсным стабилизатором / Краснобаев Ю.В., Алатов И.В., Вторушин Ю.А., Мамлин Б.Н., Крутскнх Е.И., Эвенов Г.Д. Опубл. 27.10.2004. бюл.№ 30.

19. Разанов Ю.И. Параллельная работа преобразователей постоянного тока //Электротехника, 1982,-№4.-с. 37-39.

20. А.С. 985773 СССР, М. Кл. G 05 F 1/56, Н 02J 1/10. Многоканальная система электропитания с равномерным токораспределением / А.И. Чернышев и др. (СССР).- №3299725/24-07; Заявл. 05.06.81; Опубл. 30.12.82, Бюл. №48.

21. Юрченко А.И. Многофазный импульсный стабилизатор постоянного напряжения на высоковольтных транзисторах ЭТВА / Под ред. Ю.И. Конева.-Ы.: Сов. Радио, 1971, вып. 9, с. 56-60.

22. Чети П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ.-М, Энергоатомиздат, 1990.-240 с.

23. Электрические процессы в многофазных импульсных преобразователях постоянного напряжения при разрывных токах дросселей / А. Ф. Кадацкий.- ЭТВА, 1985, вып. 16, с. 55-67.

24. ЪА.Краснобаев Ю.В., Алатов И.В. Шунтовой безбалластный импульсный стабилизатор. // Материалы международного форума "Новые инфокоммуникационные технологии: достижения, проблемы, перспективы", Новосибирск, 2003.

25. Определение спектрального состава высокочастотных помех в импульсных стабилизаторах напряжения / В.Д. Марков, В.В. Лукашев, В.И. Орехов- ЭТВА, 1985 вып. 16, с. 106-110.

26. Микроэлектронные электросистемы. Применения в радиоэлектронике / Ю.И. Конев, Т.Н. Гулякович, КП. Полянин и др.; Под ред. Ю.И. Конева-М.: Радио и связь, 1987 240 с.

27. Баранов JI.A. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления М.: Энергоатомиздат, 1990 - 304 с.

28. Международное космическое право/ под ред. А.С. Пирадова. М.: Межд. отн., 1985.-205 с.39 .Кантор Л.Я., Тимофеев В.В. Спутниковая связь и проблемы геостационарной орбиты. М.: Радио и связь, 1988. - 168 с.

29. Теория и расчет энергосиловых установок космических летательных аппаратов / Л.А.Квасников и др. М.: Машиностроение, 1984. - 322 с.43 .Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей / пер. с англ. М.: Энергоатомиздат , 1983. - 360 с.

30. Грилихэс В.А. Солнечные космические энергостанции.— JI.: Наука, 1986.- 181 с.45 .Васильев A.M. Ландеман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи.-М.: Сов. радио, 1981.-246 с.

31. Гулиа Н.В. Накопители энергии. М.: Наука, 1980.

32. Aviation Week and Space Technologi.1999. 5/IV. Vol. 150. № 14.

33. А9.П.А. Воронин. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение.- М.: Издательский дом Додэка-ХХ1, 2001.-384 с.

34. Стыран A.M., Носкова Е.Е., Ловчиков АН. Устойчивость импульсного стабилизатора напряжения с токовой обратной связью./ Информатика и системы управления: Межвуз. аспирантский и докторантский сб. науч. трудов. КГТУ, Красноярск, 1996. - с. 106 - 108.

35. Источники вторичного электропитания / С.С. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович, и др.; Под ред. Ю.И. Конева: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990. 280 с.

36. Грейвер Е.С. Ключевые стабилизаторы напряжения постоянного тока. М.: Связь, 1970. 152 с.

37. А.С. 985773 СССР, М. кл3. G 05F 1/56. Многоканальная система электропитания с равномерным токораспределением / А.И.Чернышев, Ю.М.Казанцев, Е.Н.Патлахов. Опубл. 07.03.84, Бюл. №12.

38. Банка В.А., Песков Л.В., Лукьянов А.В. Космические энергосистемы.-М.: Машиностроение, 1990 144 с.

39. Семенов ЮЛ. Новые Российские технологии в ракетно-космической технике последних лет/ Вестник Российской академии наук. Т.70, №8, с. 696-70.

40. Иванчура В.К, Соустин Б.П., Чубаръ А.В. Исследование многосвязной СЭП с ИПН // Электричество. 1985. - №6. - с. 69 - 71.

41. Взаимодействие динамических систем с источниками энергии / В.В. Злакоманов, Б.С. Яковлев.- М.: Энергия, 1980.- 176 с.

42. Козляев Ю.Д., Ловчиков С.П. Устойчивость импульсных источников электропитания с неустойчивой непрерывной частью // Проблемы преобразовательной техники: Тез. докл 4-й ВНТК// Киев, ин-т электродинамики АН УССР. 1987. ч.1, С. 106-108.

43. Регулирование мощности солнечной батареи в бортовых системах электропитания ИСЗ / Вестник Красноярского гос. техн. Университета поев. 65-летию проф. Б.П.Соустина: Сб. научн. трудов / Под ред. Б.П.Соустина; КГТУ, Красноярск, 1998. С. 10-16.

44. Максимов Г.Ю. Теоретические основы разработки космических аппаратов. -М.: Энергия, 1980 320 с.

45. Turner G. Electric power systems for space // Astronautic and Aeronautics. -1975. Vol. 13, №12-P. 18-29.

46. Микроэлектронные энергосистемы. Применения в радиоэлектронике / Под ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1987. - 240 с.

47. ПА.Тищенко А.К., Дуплин Н.И., Савенков В.В. Анализ устойчивости разветвленных систем электропитания постоянного тока // Электронные и электромеханические системы и устройства: Тез. докл. 26-й НТК// Томск: НПЦ "Полюс".- 2000. С. 35-37.

48. Худяков С.А. Космические энергоустановки-М.: Знание, 1984 64 с.83 .Бойд О.У. Требуемая мощность в небольшом контейнере// Аэрокосмическая техника. 1988. - №8. - С. 122 - 124.

49. Rocky D. The Systems Impact of a Concentrator Solar Array on a Jupiter Orbiter//Proc. of the 17th IECEC. 1982. - Vol. 1.-P. 170-173.

50. Wong H. The UoSAT-2 spacecraft power system // J. Inst. Electron and Radio Eng. 1987. - Vol. 57. - №3. - P. 116-122.

51. Costoque E. Solar electric propulsion spacecraft power subsystem for an Enclce comet rendervous mission // 9th Inter. Energy Convers. Eng. Conf. -1974. P. 36-42.

52. Sl.Wolfgan D. Das energiever sorgun system des roentgen satelliten ROSAT // Astronautik. 1987. 24, №3. - P. 77-78.

53. Краснобаев Ю.В., Алатов И.В. Выбор коэффициента передачи по медленной связи импульсного стабилизатора напряжения с шунтовым принципом регулирования. // Тезисы докладов международной конференции САКС 2004, Красноярск, 2004г.

54. Краснобаев Ю.В., Чубаръ А.В., Алатов И.В. Системы электропитания с экстремальным отбором мощности от секционированной солнечной батареи. // Материалы второго международного симпозиума "Аэрокосмические приборные технологии", С. Петербург, 2002г.

55. Алатов И.В. Модель солнечной батареи. // Информатика и системы управления. Межвузовский сборник научных трудов. / отв. редактор Бронов С.А. Красноярск: ГУ НИИ ИПУ КГТУ, 2003. - Вып. 9-е. 182190.

56. Конденсаторы: Справочник / И.И. Четвертков, М.Н. Дьяконов, В.И. Присняков и др.: Под ред. И.И. Четверткова, М.Н. Дьяконова М.: Радио и связь, 1993- 392 с: ил.1. НПО ПМ Ф NPO РМ

57. Председатель заместитель главного конструктора Рахматуллин А. Н.1. Члены комиссии:заместитель начальника отдела доктор технических наук, профессор1. Кудряшов B.C.;начальник лаборатории Стрижков А. М.

58. Работы проводились И.В. Алатовым по техническому заданию НПО ПМ 708.ТЗ 630/01-02 от 10.01.2002 г. в рамках договора № 22/1 от 15.01.2002 г.

59. Настоящий акт составлен комиссией в составе:1. НПО ПМ <Ф> NPO РМ

60. Заместитель главного конструктора ^^^/^^---А.Н. Рахматуллин1. S.ef.o*

61. Заместитель начальника отдела доктор / J*f , технических наук, профессор (^ОЦлУ B.C. Кудряшов(

62. Начальник лаборатории C-^/^j't^ ^ A.M. Стрижковг

63. Открытое акционерное общество

64. СИБИРСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР1. Красноярский филиал

65. Сибирский теплотехнический научно-исследовательский институт ВТИ

66. Свободный проспект, Д.66А, Красноярск,^60062 Тел. [phone], Факс [phone] E-mail: [e-mail] Website: www.sibvti.ru

67. Старший научный сотрудник ОЭЭ

68. Сериков Л.Б. Чепурная М.В.1. АКТоб использовании результатов диссертационной работы Алатова Игоря Владимировича в учебном процессе Красноярского государственноготехнического университета

69. Использование результатов диссертационной работы повышает суровень подготовки специалистов и расширяет диапазон их знаний.

70. Декан ФИПУ, д.т.н., профессор

71. Зам. зав. кафедрой САУП по учебным вопросам, к.т.н., доцент

72. Доцент кафедры САУП, к.т.н., доцент1. С.В. Ченцов —-А.В.Чубарь1. Г Ю.В. Краснобаев