Разработка и исследование комбинированного понижающе-повышающего преобразователя для системы электроснабжения автоматического космического аппарата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат наук Апасов Владимир Иванович

• Апасов Владимир Иванович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Апасов Владимир Иванович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1.1 Космическая платформа, обеспечение надежности КА

1.2 Структура и классификация СЭС КА

1.3 Классификация КАС СЭС КА

1.4 Схемотехника силовых преобразователей КАС СЭС КА

1.5 Применение гальванически связанных импульсных ППН в КАС СЭС КА

1.6 Унифицированный силовой модуль КАС СЭС КА

Выводы по главе

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

КОМБИНИРОВАННОГО ППН

2.1 Комбинированный ППН со стабилизацией выходного напряжения при работе

на активную нагрузку

2.2 Комбинированный ППН со стабилизацией выходного напряжения при работе

на аккумуляторную нагрузку

2.3 Алгоритм определения моментов коммутации для функционирования комбинированного ППН в одноцикловых режимах

2.4 Расчет параметров силовой части комбинированного ППН

2.5 Программная численно-аналитическая математическая модель комбинированного ППН

2.6 Расчетная точность в численно-аналитической математической модели и определения моментов коммутации

2.7 Имитационная модель комбинированного ППН в программной среде LTSpice 70 Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ

КОМБИНИРОВАННОГО ППН

3.1 Результаты имитационного моделирования работы комбинированного ППН

3.2 Результаты математического моделирования работы комбинированного ППН

3.3 Результаты бифуркационного анализа комбинированного ППН при

численно-аналитическом моделировании

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УСМ ДЛЯ СЭС

КА НА ОСНОВЕ КОМБИНИРОВАННОГО ППН

4.1 Практическая реализация УСМ для СЭС КА

4.2 Экспериментальное исследование работы УСМ

4.3 Бифуркационные процессы и аномальная работа УСМ

113

4.4 Граничный коэффициент усиления сигнала ошибки УСМ

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схемы замещения комбинированного ППН на каждом тактовом

интервале

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Список электрических соединений (Netlist) имитационной

модели комбинированного ППН в программном пакете LTSpice

Приложение В. Численно-аналитическая модель в программной среде Ма1ЬаЬ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Зависимости коэффициента пульсации и да-цикловости выходного напряжения от напряжения входа, тока нагрузки, коэффициента

усиления сигнала ошибки и емкости выходного фильтра

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты о внедрении результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование комбинированного понижающе-повышающего преобразователя для системы электроснабжения автоматического космического аппарата»

Актуальность темы

Любой космический аппарат (КА) является комплексом взаимосвязанных систем различного назначения. Система электроснабжения (СЭС) является важнейшим элементом КА, предоставляющая возможность остальным системам функционировать в штатном режиме, обеспечивая их непрерывным электропитанием требуемого качества [85]. Расширение функциональных возможностей и повышение технических характеристик космических аппаратов обуславливает постоянное совершенствование СЭС по снижению массы и габаритов при заданной мощности с одновременным сохранением или улучшением энергетических характеристик, повышению качества электроэнергии и улучшение показателей надежности при длительных сроках активного существования (САС).

В отечественных и зарубежных разработках используется широкий набор структурных схем СЭС, различающихся составом энергопреобразующей аппаратуры, способами регулирования напряжения на источниках и др. Наряду с сохранением высокой энергоэффективности все более актуальны работы по унификации СЭС, повышению их «гибкости» построения, переходу на новые источники питания, снижению сроков и стоимости создания подобных систем. Все современные СЭС строятся по модульному принципу, при этом каждой подсистеме относится свой тип модулей питания. Резерв же таких систем обеспечивается за счет применение многоканальных схем, а также введение избыточности в подсистему (наличие в каждой подсистеме дополнительных модулей). На сегодняшний день при их разработке не учитываются нелинейные свойства импульсных преобразователей, которые могут переходить в неустойчивые состояния под влиянием внешних воздействующих факторов, а также по причине неверного выбора элементов силовой части схемы и системы управления, не учитывающей деградацию их характеристик под воздействием внешних факторов.

Следовательно, актуальной научно-технической задачей является разработка унифицированного модуля СЭС КА [14, 23], обеспечивающего стабильные выходные параметры, на основе комбинированного преобразователя постоянного напряжения (ППН) и способного работать в зависимости от команд управления в различных подсистемах. Динамические и статические характеристики данного модуля должны быть рассмотрены как с классической позиции линейной динамики, так и нелинейной динамики. Решение этих задач позволит значительно сократить объем разработки и доработки КАС СЭС КА, тем самым снижая затраты и ускоряя производство готового

изделия в эксплуатацию, а также уменьшит вероятность возникновения неустойчивого состояния работы модулей во время САС.

Степень разработанности

В результате изучения технической литературы по данной тематике и проведения сравнительного анализа установлено, что исследованиями и разработкой СЭС КА в РФ и в мире занимаются такие предприятия как АО «ИСС» (г. Железногорск), АО «РКЦ «Прогресс» (г. Самара), ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (г. Химки), АО «КБ «Арсенал» (г. Санкт-Петербург), «РРК «Энергия» (г. Королев), АО «НПЦ «Полюс» (г. Томск), АО "АВЭКС" (г. Москва) и др., из зарубежных компаний наибольшего успеха в данной области достигнуты компаниями Lockheed Martin (США), Boeing (США), EADS Astrium (Германия-Италия-Франция) и др.

Применительно к вопросам расчета, проектирования и исследования импульсных преобразователей постоянного напряжения (ППН): понижающего (англ. DC-DC Buck), повышающего (англ. DC-DC Boost) и понижающе-повышающего (комбинированного) (англ. DC-DC Buck-Boost) типа свои работы проводили такие отечественные и зарубежные ученые: Г.С. Зиновьев, В.И. Мелешин, А.В. Кобзев, В.С. Моин, Ю.М. Казанцев, R. Mek, A. Kuperman, S. Malki и др.

В вопросах же исследования нелинейных динамических свойств импульсных ППН наибольших успехов достигли В.С. Баушев, А.В. Кобзев, Г.Я. Михальченко, С.Г. Михальченко, Ж.С. Жусубалиев, А.И. Андриянов, Г.А. Белов и др. Из зарубежных авторов стоит отметить работы: C.K. Tse, Z. Shuai, X. Zhang, B. Basak, S. Tian, J. Cortes и др.

Однако, несмотря на большой объем проведенных исследований, на сегодняшний день, недостаточно освещены и проработаны вопросы по определению и выбору номиналов компонентов схемы с учетом нелинейных динамических характеристик ППН, а также применению комбинированного ППН в качестве основы для построения силовых модулей КАС СЭС КА.

Количество ежегодно публикуемых работ зарубежных и отечественных ученых свидетельствует об устойчивом научном и практическом интересе к вопросам, связанных с повышением качества управления ППН, а также расширению области их практического применения.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка УСМ на основе импульсного комбинированного понижающе-повышающего ППН, с системой управления, основанной на широтно-импульсном регулировании, при длительной эксплуатации, с учетом нелинейных динамических характеристик импульсных ППН.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1. Разработана численно-аналитическая математическая модель комбинированного ППН, основанная на дифференциальных уравнениях первого порядка, учитывающая нелинейные элементы схемы при работе на активную и аккумуляторную нагрузки с пропорциональным и пропорционально-интегрирующим звеньями в цепи обратной связи системы управления, обеспечивающей работу преобразователя в режиме стабилизации выходного напряжения.

2. Разработана имитационная модель комбинированного ППН при работе на активную и аккумуляторную нагрузки с пропорциональным и пропорционально-интегрирующим звеньям в цепи обратной связи системы управления.

3. Разработаны алгоритмы получения мгновенных значений токов и напряжений на элементах схемы, оценки статических и динамических характеристик, а также построения бифуркационных диаграмм в зависимости от изменения параметров системы управления и компонентов силовой части комбинированного ППН.

4. Определены закономерности смены динамических режимов с применением теории бифуркаций;

5. Создан прототип УСМ, предназначенного для функционирования в составе КАС СЭС КА.

6. Верифицированы численно-аналитическая математическая и имитационная модели по результатам экспериментального исследования работы УСМ.

Объектом исследования диссертационной работы является энергопреобразующая аппаратура СЭС КА.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы в силовой цепи комбинированного ППН, его динамические и статические характеристики, а также поведение работы преобразователя при длительной эксплуатации.

Научная новизна работы:

1. Предложена структура построения СЭС КА с УСМ на основе комбинированного ППН, отличающаяся от аналогичных СЭС КА наличием динамического резервирования силовых модулей.

2. Разработана численно-аналитическая модель комбинированного ППН на основе дифференциальных уравнений первого порядка, учитывающая нелинейные элементы схемы с системой управления, основанной на широтно-импульсном регулировании, с пропорциональным и пропорционально-интегрирующими звеньями в цепи обратной связи.

3. Определена зависимость граничного коэффициента усиления сигнала ошибки от входного напряжения, тока нагрузки, емкости выходного фильтра для нахождения областей работы комбинированного ППН в одноцикловых режимах.

Практическая значимость:

1. Разработан УСМ со стабилизацией выходного напряжения КАС СЭС КА на основе комбинированного ППН мощностью 300 Вт и выходным током от 1 до 10 А, работающий в одноцикловых режимах, характеризующихся пульсациями выходного напряжения менее 0,5 % и перерегулированием выходного напряжения не более 3,5 %, с КПД не менее 94 % в режиме повышения и не менее 95% в режиме понижения входного напряжения;

2. Разработанная математическая численно-аналитическая модель комбинированного ППН может быть использована для оценки его статических и динамических характеристик с погрешностью не более 5 %;

3. Разработанные методики и полученные зависимости для комбинированного ППН могут быть использованы для автоматизированного проектирования УСМ для СЭС КА в зависимости от требуемой выходной мощности силовых модулей, с учетом изменения параметров схемы при длительной эксплуатации. Это позволяет повысить качество проведения граничных испытаний, а также сократить этапы настройки и отладки готового устройства.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предложенная структурная схема построения СЭС КА с УСМ на основе комбинированного ППН, позволяет обеспечить динамическое резервирование в КАС СЭС КА, снизить номенклатуру силовых модулей и уменьшить массу резервных силовых модулей более чем в два раза.

2. Разработанная численно-аналитическая математическая и имитационная модели комбинированного ППН с системой управления на основе широтно-импульсного регулирования с пропорциональным и пропорционально-интегрирующим звеньями в цепи обратной связи с активной нагрузкой позволяют проводить оценку статических и динамических характеристик преобразователя с погрешностью не более 5 %.

3. Полученные зависимости коэффициента пульсации и да-цикловости выходного напряжения в зависимости от параметров силовой части и системы управления позволяют проектировать УСМ, функционирующий в одноцикловых режимах в течение срока активного существования КА.

4. Разработанный алгоритм нахождения скважности коммутационных компонентов комбинированного ППН, позволяет определить с точностью не менее 0,1 % моменты

коммутации ключевых компонентов, обеспечивающих одноцикловый режим работы устройства.

5. Полученная эмпирически зависимость граничного коэффициента усиления сигнала ошибки от входного напряжения, тока нагрузки и емкости выходного фильтра позволяет определить границы областей оптимальной работы комбинированного ППН с точностью не менее 4,5 %.

Методология и методы исследования:

Проведенные исследования базируются на положениях общей теории электротехники, теории нелинейных электрических цепей, теории однородных дифференциальных уравнений и вычислительных методах. Основные теоретические положения проверяются путем экспериментальных исследований на макете силового модуля.

Для компьютерного численно-аналитического моделирования использован пакет Matlab. Имитационное моделирование реализовано в программе LT Spice IV.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается соответствием полученных научных результатов выводам общей теории электротехники, теории нелинейных электрических цепей. Сравнением численно-аналитического, имитационного моделирований с экспериментальными результатами.

Соответствие паспорту специальности

Диссертационная работа полностью соответствует паспорту специальности 05.09.12 - «Силовая электроника», п.1 «Разработка научных основ создания схем и устройств силовой электроники, исследование свойств и принципов функционирования элементов схем и устройств», п.2 «Теоретический анализ и экспериментальные исследования процессов преобразования (выпрямления, инвертирования, импульсного, частотного и фазочастотного регулирования и т.п.) в устройствах силовой электроники с целью улучшения их технико-экономических и эксплуатационных характеристик», п.4 «Математическое и схемотехническое моделирование преобразовательных устройств», п.5 «Разработка научных подходов, методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих адекватное отражение в моделях физической сущности электромагнитных процессов и законов функционирования устройств силовой электроники».

Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема исследований, изложенных в диссертационной работе, разработке алгоритмов и методик исследований, обобщение полученных результатов и формулировке основных выводов.

Все теоретические и практические результаты работы получены и систематизированы автором лично.

Автор выражает благодарность Михальченко С.Г. за помощь в разработке и реализации методов математического численно-аналитического моделирования комбинированного ППН.

Реализация результатов работы

Результаты работы и методики расчета внедрены в опытно-констукторские разработки предприятия АО «НПЦ «Полюс» (г. Томск) при проектировании силовых модулей КАС СЭС КА, а также внедрены в учебный процесс на факультете электронной техники ТУСУР (г. Томск).

Апробация работы

Основное содержание работы представлялось и получило положительную оценку на следующих конференциях: XI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2014 г.); всероссийской конференции «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2014 г., 2015 г., 2016 г.); XVIII, XIX и XX Международной научно-практической конференции "Решетневские чтения" (Красноярск, 2014 г., 2015 г., 2016 г.); IV Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы ракетно-космической техники" ("IV Козловские чтения"), (Самара, 2015 г.); научно-технической конференции молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства» (Томск, 2015 г., 2018 г.).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликованы 20 печатных работ, включая 6 работ в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статью, индексируемую в Scopus. Подана заявка на получение патента РФ на полезную модель. Основные публикации перечислены в конце автореферата.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа объемом 132 страницы основного текста состоит из введения, 4 глав, заключения, списка сокращений и списка используемой литературы из 152 наименований и 5 приложений. Содержит 41 таблицу и 90 рисунков.

ГЛАВА 1. СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Все большую значимость в современном мире обретают КА. Если с момента успешного запуска первого космического спутника Земли в «Большой космический клуб» на настоящий момент вошли не так много стран, то число государств, имеющих на орбите Земли собственные космические аппараты (как крупные платформы массой несколько десятков тонн, так и малые аппараты массой менее 1 кг класса CubeSat), уже достигло более 80. XXI век ознаменовался появлением частных космических фирм, занимающихся как разработкой космических аппаратов, так и постройкой собственных ракетоносителей. Наиболее ярким представителем из них является компания SpaceX (США), которая уже обладает собственным семейство ракет Falcon, транспортными кораблями Dragon и имеет устойчивый портфель заказов от НАСА. Из отечественных же частных компаний следует отметить Спутникс (ООО Спутниковые инновационные космические системы) (Сколково) и Dauria Aerospace (Москва), производящие микроспутники, а также их составляющие для Роскосмоса и других заинтересованных лиц [38].

Все это отражает наметившуюся тенденцию к более активному освоению космического пространства. При анализе данных по запускам за последние 10 лет можно наблюдать устойчивый рост в количестве запускаемых КА, где все большую долю занимают малые КА, на основании этих данных построен рисунок 1.1.

шт.

ОООООООООО'Н'Н'Н'Н'Н'Н'Н'Н

оооооооооооооооооо гчгчгчгчгчгчгчгчгчгчгчгчгчгчгчгчгчгч

Количество запусков год

Количество выводимых космических аппаратов

Рисунок 1.1 - Количество запусков РН и КА, выводимых на околоземную орбиту Из рисунка 1.1 видно, что при незначительном изменении количества запусков (как в сторону увеличения, так и уменьшения) имеется устойчивый рост количества запускаемых КА, при этом важно учитывать, что за последние 10 лет грузоподъемность, а также тип ракетоносителей практически не изменились. При этом в 2017 году по сравнению с предыдущим годом произошло уменьшение количества пусков на 44%, а

количество выводимых КА выросло на 55%, и в среднем за один пуск на орбиту выводится 5,7 КА/запуск, в то время как в 2007 году данный параметр не превышал 2 КА/запуск. При этом за последние 5 лет наблюдается ежегодный прирост запускаемых аппаратов более чем на 140% (так 15.02.2017 г. ракетой PSLV-XL одновременно выведено на орбиту 104 КА типа CubeSat). В связи с этим происходит значительное ужесточение требований заказчиков к уменьшению массогабаритных показателей космических аппаратов, одновременно с этим предъявляются требования к увеличению САС КА на орбите, с сохранением или повышением высокого уровня надежности подобной техники.

Отметим специфику работы в сфере космического машиностроения. Все, так или иначе относящиеся к этой отрасли, проходит огромное количество разнообразных проверок, анализов, испытаний и иных технологических операций, направленных на повышение надежности конечного продукта, с целью минимизации как ошибки производства, так и ошибок проектирования. Поскольку в отличие от наземной аппаратуры, в космическом пространстве практически невозможно провести ремонт, не считая единичных случаев ремонта телескопа Хаббл (пять экспедиций с 1993 г. по 2009 г.), где цена подобного ремонта значительно ниже стоимости изготовления и запуска аппарата подобного рода. Именно поэтому, существенную составляющую стоимости при изготовлении любой составляющей КА составляет не только само ее изготовление, а еще всевозможные испытания, расчеты надежности, применение сертифицированных ЭРИ, отладка и прочие операции.

Последние несколько десятилетий характеризуются началом активного применения в процессе проектирования и проведении анализа поведения сложных систем разнообразных математических и имитационных моделей, роль которых особенно возросла за счет значительного повышения вычислительных мощностей электронно-вычислительных машин (ЭВМ), позволяющих обрабатывать все больший объем данных. Использование подобных моделей позволяет значительно сократить как время проектирование систем, так и количество специальных проверок, например граничных испытаний. Поскольку уже на этапе проектирования появляется возможность прогнозирования поведения систем, как в целом, так и дискретно, в зависимости от различных факторов: времени (в микро и макро пространстве); радиационного воздействия и прочих деградирующих факторов, воздействующих на параметры компонентов схемы. В случае же выявления аномальных рабочих режимов проводится их устранение уже на этапе проектирования, а не на этапе испытаний готового изделия, что снижает «цену ошибки» инженера-разработчика, поскольку именно она является одной из самой критичных как в процессе проектирования, так и в изготовлении прибора.

Таким образом, проведение качественного и всестороннего исследования разрабатываемого устройства, не только с помощью имитационного, но и математического численно-аналитического моделирований, позволяет существенно повысить качество выпускаемого конечного продукта, снизить риски и сроки отладки (настройки) устройств (составляющие на данный момент от 6 до 12 месяцев), за счет уменьшения вероятности возникновения аномальных, недетерминированных процессов.

1.1 Космическая платформа, обеспечение надежности КА

Современный космический аппарат (КА) является сложнейшим электромеханическим устройством [85, 92]. При его проектировании и изготовлении используются самые передовые достижения науки, и техники на текущий момент времени, что в свою очередь значительно повышает как качество выпускаемой продукции, так и ее стоимость по причине уникальности технологий. Именно поэтому для снижения стоимости разработки КА применяется метод унификации, заключающийся в том, что основные мировые производители космического приборостроения используют, так называемые космические платформы.

Космическая (спутниковая) платформа - это общая унифицированная модель для построения КА, включающая в себя служебные системы аппарата (модуль служебных систем) и конструкцию модуля полезной нагрузки (модуль специальных систем - целевая аппаратура). К специальным системам относятся устройства, которые обеспечивают выполнения целевых задач КА (например, ретрансляционные, радиоприемные устройства, различная научная аппаратура и т.п.). К служебным же системам относятся те, которые обеспечивают функционирование и работоспособность КА на орбите в течение времени штатной эксплуатации [2, 85], а именно:

- система энергоснабжения (СЭС) (состоящая из солнечных батарей (СБ), аккумуляторных батарей (АБ), ядерных энергетических установок (ЯЭУ), комплексов автоматики и стабилизации (КАС), кабельной сети аппарата и пр.);

- система управления движением, ориентации и стабилизации в пространстве (оптически датчики, звездные датчики, измеритель угловых скоростей, гироскопы и др.);

- апогейный двигатель для довывода с геопереходной на геостационарную орбиту (для аппаратов, находящихся на геостационарных орбитах);

- двигатели коррекции по широте и долготе (электро-реактивные двигатели, ионные двигатели);

- системы терморегулирования (контуры терморегулирования, тепловые трубы и др.);

- бортовой комплекс управления с системой передачи служебной телеметрической информации (бортовая вычислительная машина, телеметрические датчики и др.).

Преимущества использование космических платформ заключаются в следующем:

1) снижение расходов на проектирование КА (при изготовлении серии КА, например, для систем глобального позиционирования, возможность распределения стоимости проектирования платформы между всеми аппаратами серии);

2) повышение надежности КА, за счет многократной проверки и отработки систем платформы;

3) сокращение времени изготовления КА, с возможностью гарантирования сроков изготовления.

В общем случае, все космические платформы делятся на три типа: легкие (масса до 2000 кг, мощность полезной нагрузки до 6 кВт), средние (масса до 5000 кг, мощность полезной нагрузки до 14 кВт) и тяжелые (масса более 5000 кг, мощность полезной нагрузки более 15 кВт), в таблице 1.1 приведены основные космические платформы ведущих мировых производителей КА [2, 3, 85, 97, 100, 110, 121, 138].

Таблица 1.1 Космические платформы ведущих производителей КА

Название Масса КА, Мощность Коли- Производитель Страна

космическом кг полезной чество

платформы нагрузки, обеспечивае мая СЭС, кВт изготовленных КА, шт

Spacebus 3000-5900 до 11,6 > 70 Thales Alenia Space Франция,

4000 Италия

Eurostar 3000 до 6400 6-14 > 70 EADS Astrium Франция, Гремания

Alphabus 6000-8000 12-18 > 10 EADS Astrium/ Thales Alenia Space Франция, Германия

Boeing 702 до 6000 до 18 > 30 Boeing США

Boeing 601 до 3000 2-6 > 80 Boeing США

SS/L 1300 до 8000 до 20 > 85 Space Systems/Loral США

A2100 2800-6600 1,5-15 > 40 Lockheed Martin Space Systems США

КАУР-4 2300-2600 1,7-6,8 > 30 АО ИСС Россия

Экспресс 1200-6000 3-14 > 20 АО ИСС Россия

DFH-4 до 5200 до 8 > 10 China Aerospace Science and Technology Corporation Китай

DS-2000 3800-5100 до 15 < 10 Mitsubishi Electric Япония

STAR bus до 1450 1,5-7,5 > 20 Orbital Sciences Corporation США

Продолжение таблица 1.1

Название Масса КА, Мощность Коли- Производитель Страна

космической кг полезной чество

платформы нагрузки, обеспечивае мая СЭС, Вт изготовленных КА, шт

LUXOR 1600-3000 до 4 < 10 онв Германия

(SmallGEO)

Навигатор 650-850 до 2,4 < 10 НПО им.Лавочкина Россия

Яхта 350-500 до 3,9 < 10 ГКНПЦ им.В.М. Хруничев а Россия

УКП 950-1200 до 3 < 10 РКК «Энергия» Россия

а. б.

Рисунок 1.2 - КА, построенные на платформах Boeing 601 (а.) и Boeing 702

а. б.

Рисунок 1.3 - КА, производства АО «ИСС» Экспресс АМ8 (а.)

и Глонасс-К (б.)

Таким образом, СЭС КА - это служебная система КА, предназначенная для обеспечения других служебных систем КА и специальных (целевых) систем КА энергией заданного качества во всех режимах работы, как в штатных, так и аварийных. К аварийным режимам относятся ситуации, при которых нарушается функционирование одной из составляющих системы (например, отказ одной из аккумуляторных батарей на борту КА или же отсутствие открытия одной из панелей фотоэлектрических батарей).

Один из важнейших параметров всего КА - соотношение массы полезной нагрузки КА к его общей массе. Чем выше это соотношение, тем более эффективным будет использование затрат на вывод КА на орбиту, общая масса которого определяется общей грузоподъемностью ракетоносителя. На сегодняшний день данное соотношение составляет порядка 18-19% для современных телекоммуникационных платформ (SpaceSab, Экспресс 2000) [2, 100]. В ближайшее время данное соотношение должно достигнуть уровня 25%, за счет использование электрических ионных и плазменных двигателей, переход с кремниевых (КПД ФЭП - 15,5%) на многослойные гетероструктруры GaInP/GaAs/Ge (КПД ФЭП - 28%) фотоэлектрических преобразователей при построении солнечные батарей [81], а также широкому внедрению литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИ АБ), взамен никель-водородных (НВ АБ) и никель-кадмиевых батарей (НК АБ), обладающими лучшими удельными энергетическими характеристиками [81].

Все системы КА должны иметь высокую надежность работы. Данное свойство обеспечивается несколькими подходами:

1) использованием сертифицированной элементной базы электрорадиоизделий (ЭРИ) для построения подобных систем. Данные ЭРИ должны соответствовать условиям функционирования системы (ЭРИ категории качества ОС и ОСМ, характеристики которых претерпевают минимальное изменение, как от воздействия температуры, так и от воздействия специальных факторов);

2) рациональному применению схемно-технических решений при построении систем, заключающееся в поиске оптимального соотношения между энергетическими и массогабаритными показателями (оптимальным является такое схемотехническое решение, которое при равных входных и выходных параметрах имеет наилучшее отношение масса-габарит-энергоэффективность при сохранении требуемого уровня надежности);

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Апасов Владимир Иванович, 2018 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Айзерман М.А. Об устойчивости по первому приближению разрывных систем / М.А. Айзерман, Ф.Р. Гантмахер // Прикладная математика и механика. - 1957. - №5.

2. Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» URL: https://www.iss-reshetnev.ru (дата обращения 20.02.2018).

3. Акционерное общество «Ракетно-космический центр «Прогресс» URL: https://samspace.ru (дата обращения 20.02.2018).

4. Акционерное общество «Научно-производственный центр «Полюс». URL: http://www.polus.tomsknet.ru (дата обращения: 20.02.18).

5. Акционерное общество «Авиационная электроника и коммуникационные системы». URL: http://www.avecs.ru (дата обращения: 20.02.18).

6. Акционерное общество «Конструкторское бюро «Арсенал». URL: http://www.kbarsenal.ru (дата обращения: 20.02.18).

7. Алейников О. А. Динамические свойства систем воспроизведения сигналов с многозонной импульсной модуляцией. Дисс... канд. техн. наук. - Томск, 1988.

8. Андриянов А.И. Математическое моделирование процессов нелинейной динамики в замкнутых системах автоматического управления с однополярной реверсивной модуляцией. Дисс... канд. техн. наук. - Брянск, 2004.

9. Апасов В.И. Источник питания внутренних узлов комплекса автоматики и стабилизации системы электропитания космического аппарата // Электронные и электромеханические системы и устройства, (14-15 февраля 2013 г., Томск). - 2013. -С.8-9.

10. Апасов В.И., Михальченко С.Г., Коцубинский В.П. Математическое моделирование комбинированного преобразователя напряжения со стабилизацией выходного напряжения, Доклады ТУСУРа. - 2013. - №4(30). - С.96-102.

11. Апасов В.И., Михальченко С.Г., Тановицкий Ю.Н. Аналитический способ определения моментов коммутации комбинированного преобразователя со стабилизацией выходного напряжения, обеспечивающих одноцикловый режим работы, Доклады ТУСУРа. - 2015, - № 2(36). - С.157-164.

12. Апасов В.И., Михальченко С.Г. Бифуркационный анализ комбинированного преобразователя при изменении емкости выходного фильтра, Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф. Решетнева (Вестник СибГАУ) -2015, - Том. 16 №1. - С.160-165.

13. Апасов В.И., Шурыгин Ю.А. Влияние коэффициента усиления сигнала ошибки звена обратной связи на характер работы комбинированного преобразователя, Доклады ТУСУРа. - 2016. - №3(19). - С.123-127.

14. Апасов В.И. Исследование унифицированного силового модуля на основе комбинированного преобразователя напряжения // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. акад. М.Ф.Решетнева (Вестник СибГАУ). - 2016. -Том 17 № 4. - С.916-922.

15. Апасов В.И. Выбор частоты коммутации широтно-импульсной модуляции системы управления понижающе-повышающего преобразователя напряжения // Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2014», 2014 год.- Ч.2 (5)- С. 161-164.

16. Апасов В.И., Михальченко С.Г. Математическая модель комбинированного преобразователя напряжения с двухзонной импульсной модуляцией // Материалы докладов XI Международная научно-практическая конференция Электронные средства и системы управления, Томск. - 2015. - Ч.1(2). - С. 188-193.

17. Апасов В.И. Аналитический способ определения моментов коммутации комбинированного преобразователя со стабилизацией выходного напряжения при работе в одноцикловом режиме // Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР - 2015", Томск, 2015. Ч.3 (5). - С.16-19.

18. Апасов В.И., Михальченко С.Г. Бифуркационный анализ комбинированного преобразователя при изменении емкости выходного фильтра // Материалы XVIII Международной научно-практической конференции "Решетневские чтения.2014", -Ч.2(3). - Красноярск 2014. - С.15-17.

19. Апасов В.И. Динамика работы комбинированного преобразователя со стабилизацией выходного напряжения // Электронные и электромеханические системы и устройства: XIX науч.-техн. конф. (Томск, 16-17 апр. 2015 г.) / АО «НПЦ «Полюс». -Томск, 2015. - С. 260-262.

20. Апасов В.И. Схемотехника зарядных устройств энергопреобразующей аппаратуры разработки АО "НПЦ "Полюс» // Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (IV Козловские чтения) (Самара, 14-18 сент. 2015 г.); под общ. ред. А.Н. Кирилина / СамНЦ РАН. - Самара, 2015. - С.284-286.

21. Апасов В.И. Исследование работы комбинированного преобразователя со стабилизацией входного напряжения // Материалы XIX Международной научно-

практической конференции "Решетневские чтения.2015", - Ч.1(2). - Красноярск 2015. -С.268-269.

22. Апасов В.И. Математическая модель комбинированного преобразователя на основе обыкновенных дифференциальных уравнениях // Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР - 2016", Томск, 2016. Ч.2 (6). - С. 186-188.

23. Апасов В.И. Унифицированный модуль системы электроснабжения малого космического аппарата // Материалы XX Международной научно-практической конференции "Решетневские чтения. 2016", - Ч.1 (2). - Красноярск 2016. - С.322-324.

24. Апасов В.И. Динамика комбинированного преобразователя с пропорционально-интегрирующим звеном // Электронные и электромеханические системы и устройства (12-13 апреля 2018 г., Томск). - 2018. - С.15-17.

25. Атабеков Г.И., Купалян С.Д., Тимофеев А.Б., Хухриков С.С. Теоретические основы электротехники. Нелинейные электрические цепи. Электромагнитное поле: Учебное пособие / под ред. Г.И. Атабекова. 6-е изд., стер. - СПб.Ж Изд-во «Лань», 2010. -432 с.

26. Володин В.Я. LTSpice: компьютерное моделирование электронных схем. -СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 400 с.

27. Бородин К.В., Михальченко С.Г., Михальченко Г.Я. Бифуркуации в динамике инвертирующего преобразователя напряжения // Докл. Том. Ун-та систем управления и радиоэлектроники. 2010. № 1 (21). С. 86-92.

28. Баушев В.С., Кобзев А.В., Тановицкий Ю.Н. Нормальные структуры динамических объектов // Аппаратно-программные средства автоматизации технологических процессов. Томск : Изд-во ТГУ, 1997. С. 146-152.

29. Баушев В.С., Жусубалиев Ж.Т., Михальченко С.Г. Стохастичность в динамике стабилизатора напряжения с широтно-импульсным регулированием // Электричество. 1996. №3. С. 69-75.

30. Белов Г.А. Высокочастотные тиристорно-транзисторные преобразователи постоянного напряжения. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 119 с.

31. Бородин К. В. Динамика инвертирующего полупроводникового преобразователя с коррекцией коэффициента мощности. Дисс... канд. техн. наук. - Томск, 2010.

32. Бородин К. В., Михальченко Г. Я., Михальченко С. Г., Обрусник В. П. Оценка нелинейных динамических свойств полупроводниковых преобразователей с дозированием

энергии по коэффициентам пульсаций тока и напряжения // Научный вестник НГТУ. -2012. - № 2(47). С. 79-90.

33. Гаврилов А. А., Михальченко Г. Я., Михальченко С. Г. Нелинейная динамика преобразователей с многофазной импульсной модуляцией // Доклады Томского университета систем управления и радиоэлектроники № 3(20), 2009. С. 171-178

34. Гелиг А. Х., Чурилов А. Н. Колебания и устойчивость нелинейных импульсных систем. - С-Пб.: изд-во С.-Петербургского ун-та, 1993. -268 с.

35. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. СПб. : Корона принт, 2001. 320 с.

36. Головацкий В.А., Мелешин В.И., Опадчий Ю.Ф. Комбинированный ИРН // АС СССР №452816, кл. M^G05f.

37. ГОСТ 27.002-2015 Надежность в технике. Термины и определения. - М. : Стандартинформ, 2015. - 24 с.

38. Государственная корпорация по космической деятельности (Роскосмос) URL: https://www.roscosmos.ru (дата обращения 20.02.2018).

39. Критерии выбора схем стабилизации напряжения солнечных батарей для системы электроснабжения космического аппарата / Гордеев К.Г., Шиняков Ю.А., Чернышев А.И., Эльман В.О. // Электронные и электромеханические системы и устройства: СБ. науч. тр. - Новосибирск: Наука, 2007. - С.43-48.

40. Пат. РФ №2101831, МКИ6 Н 02 J 7/35. Система электропитания с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи / Гордеев К.Г., Черданцев С.П., Шиняков Ю.А. // Изобретения. - 1998. - №1.

41. Денис-мл. Дж, Набель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М. : Мир, 1988. 440 с.

42. Емельянова Е.Ю. Бифуркации и хаотические колебания в преобразователях электрической энергии с широтно-импульсной модуляцией систем автоматизации технологических процессов : дис. канд. техн. наук. Курск, 2000. 165 с.

43. Железовский Д.Е., Апасов В.И. Непрерывная математическая модель солнечной батареи для анализа работы силовых преобразователей // Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Научная сессия ТУСУР - 2015", Томск, 2015. Ч.3 (5). - С.87-90.

44. Жуйков В. Я., Леонов А. О. Хаотические процессы в электротехнических системах. — Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1991, № 1.

45. Жуйков В. Я., Коротеев И. Е., Рябенький В. М. и др Замкнутые системы преобразования электрической энергии /.; Под ред, В. Я. Жуйкова. - Киев: Тэхника; Братислава: Альфа, 1989. - 320 с.

46. Детерминированные и хаотические режимы преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией / Ж.Т. Жусубалиев [и др.] // Изв. РАН. Энергетика. 1997. № 3. С. 157-170.

47. Жусубалиев Ж.Т. Детерминированные и хаотические режимы преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией / Ж.Т. Жусубалиев, Ю.В. Колоколов, С.В, Пинаев, В Н. Рудаков // Изв. РАН. Энергетика. - 1997. - №3. - С. 157-170.

48. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники : учеб. пособие. 2-е изд., испр. и доп. - Новосибирск : Изд. НГТУ, 2003. - 664 с.

49. Казанцев Ю.М., Кремзуков Ю.А. Автоматизированная система контроля энергопреобразующей аппаратуры системы электроснабжения космического аппарата // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т 314, № 4. - С.138-141.

50. Кипнис М.М. Хаотические явления в детерминированной одномерной широтно-импульсной системе управления //Изв. АН. Техническая кибернетика. - 1992.-№1.-С. 108-112.

51. Источники вторичного электроснабжения. Справочное пособие // Под ред. Конева Ю.И. / М.: Радио и связь, 1983.

52. Коржавин О.А. Динамические характеристики импульсных полупроводниковых преобразователей и стабилизаторов постоянного напряжения. / М. Радио и связь, 1997, 300 с.

53. Патент 2313169 РФ, H 02 J 7/35. Автономная система электропитания / Кудряшов В.С., Нестеришин М.В. // Изобретения. 2007. № 35.

54. Нелинейная динамика полупроводниковых преобразователей / А.В. Кобзев, Г.Я. Михальченко, А.И. Андриянов, С.Г. Михальченко. - Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007. - 294 с.

55. Кобзев А. В. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии - Новосибирск: Наука, 1979. 304 с.

56. Кобзев А. В., Михальченко Г. Я., Музыченко Н. М. Модуляционные источники питания РЭА. - Томск: Радио и связь, 1990. - 336 с.

57. Кобзев А.В., Михальченко Г. Я. Характеристики преобразователей параметров электрической энергии в системах с многозонной импульсной модуляцией // Электричество, 1986, №5.

58. Кобзев Г. А. Метод исследования устойчивости в целом стабилизированных преобразователей электрической энергии с широтно-импульсной модуляцией: Дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2010. - 162 с.

59. Космическое приборостроение. Научно-технические исследования и практические разработки ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» / под ред. д.т.н. А.Н. Кирилина. Самара: Изд. дом «Агни», 2011.

60. Патент 2059988 РФ, МКИ6 H02J7/35. Автономная система электропитания искусственного спутника Земли / Коротких В.В., Кудряшов В.С., Галочкин С.А., Бородич В.П., Эвинов Г.Д., Исляев Ш.Н., Эльман В.О., Поляков С.А. // Изобретения. 1996.

61. Патент № 2396666, МПК H02J7/34. Система электропитания космического аппарата / Кудряшев В.С., Эльман В.О., Нестеришин М.В., Гордеев К.Г., Гладущенко В.Н., Хартов В.В., Кочура С.Г., Солдатенко В.Г., Мельников Н.В., Козлов Р.В. // Изобретения 2010, Бюл. № 22.

62. Лапонов С.Н. Моделирование динамики системы энергообеспечения с однополярной реверсивной модуляцией потенциально опасных технологических процессов: Дис. ... канд. техн. наук. - Брянск, 2002. - 162 с.

63. Лихтенберг А., Либерман М. Регулярная и стохастическая динамика. - М.: Мир, 1984. - 528 с.

64. Ляпунов А. М. Собрание сочинений.- М.: Изд-во АН СССР, Т.1,Т. 2, 1956.

65. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергия, 1969. 424 с.

66. Михальченко Г.Я., Михальченко С.Г. Моделирование процессов катастрофической хаотизации нелинейных динамических систем // Электромеханические устройства и системы. Сб. науч. Тр. / под ред. Л.А. Потапова. Брянск : Изд-во БГТУ, 1997. С. 77-86.

67. Михальченко С.Г. Возможности численно-аналитических методов исследования динамических режимов нелинейных импульсных систем // Тез. докл. 55-й науч. конф. профессорско-преподавательского состава БГТУ. Брянск, 1999. С. 127-129.

68. Михальченко С.Г. Функционирование импульсно-модуляционных преобразователей в зонах мультистабильности // Доклады Томского университета систем управления и радиоэлектроники. - 2012. - №1(25), Часть 1. - С. 259-268.

69. Михальченко С. Г. Анализ динамических режимов функционирования модульных устройств силовой электроники // Доклады Томского университета систем управления и радиоэлектроники. - 2012. - №1(25), Часть 1. - С. 269-277.

70. Михальченко С. Г. Автоматизация анализа и синтеза импульсных преобразователей энергии с двухполярной реверсивной модуляцией. Дисс... канд. техн. наук. - Брянск, 2001.

71. Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными преобразователями энергии. М. : Техносфера, 2011. - 576 с.

72. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М. : Техносфера, 2006. - 632 с.

73. Михальченко Г.Я. Теория и применение двойной модуляции при автоматизации энергонасыщенных технологических процессов: Дис. ... докт. техн. наук. - Томск, 1993. -478 с.

74. Михальченко Г. Я., Михальченко С. Г., Обрусник В. П. Проблемы анализа динамических режимов функционирования устройств силовой электроники модульного типа // Ползуновский вестник АлтГТУ. - 2012. - №3/3. С. 112-119.

75. Михальченко Г. Я., Михальченко С. Г. Моделирование процессов катастрофической хаотизации нелинейных динамических систем. - Электромеханические устройства и системы. Сб. науч. тр. Под ред. Л. А. Потапова - Брянск: Изд. БГТУ, 1997. -С. 77-86.

76. Мэк Р. Импульсные источники питания, теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению / Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008. - 272 с.: ил.

77. Теоретические основы электротехники: в 3-х т. учебник для вузов. Том. 2. / К С. Демирчан, JI.P. Нейман, Н.В. Коровин, B.JI. Чечурин. СПб.: Питер, 2006. 576 с.

78. Неймарк Ю. И., Ланда П. С. Стохастические и хаотические колебания.-М.: Наука, 1987.-424 с.

79. Неймарк Ю. И. Динамическая система как основная модель современной науки // Автоматика и телемеханика. - 1999. - №3. - С. 196-201.

80. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электроснабжения РЭА. М.: Радио и связь, 1989.

81. ПАО «Сатурн» URL: https://satum-kuban.ru/ (дата обращения 20.02.2018).

82. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. — М.: Энергоатомиздат, 1992.296 с.

83. Розанов Ю.К. Основные этапы развития и современное состояние силовой электроники. // Электричество, 2005, № 7. С. 52-61.

84. Сердечный Д.В., Томашевский Ю.Б. Моделирование многоэлементных литий-ионных батарей в энергообеспечивающих комплексах автономных объектов / Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2017. - Том 17. - №3.- С.86-94.

85. Системы электроснабжения космических аппаратов / Б. П. Соустин [и др.] -Новосибирск : ВО «Наука». Сиб. изд. фирма, 1994. - 318 с.

86. Тановицкий Ю.Н., Кобзев Г.А., Савин Д.А., Апасов В.И. О влиянии сглаживания сигнала дифференцирующего звена регулятора широтно-импульсного стабилизатора понижающего типа на продолжительность его переходных процессов. -2015, - № 2(36). - С.165-169.

87. Титце У, Шенк. К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том I: Пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 832 с.: ил.

88. Титце У, Шенк. К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том II: Пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 942 с.: ил.

89. Фейгенбаум М. Универсальное поведение в нелинейных системах.- Успехи физических наук, 1983, т. 141, вып. 2, С. 343-374.

90. Фейгин М.И. Вынужденные колебания систем с разрывными нелинейностями. М. : Наука, 1994. 288 с.

91. Фейгин М.И. О рождении семейств субгармонических режимов в кусочно-непрерывной системе // Прикладная математика и механика. 1974. Т. 38, вып. 5. С. 810818.

92. Системы электропитания для больших платформ на геостационарной орбите / Хартов В.В., Эвенов Г.Д., Кудряшов В.С., Лукьяненко М.В. // Электронные и электромеханические системы и устройства: СБ. науч. тр. - Новосибирск: Наука, 2007. -С.7-16.

93. Цыпкин ЯЗ. Теория линейных импульсных систем. / М.: Физматгиз, 1963.

94. Чети П. Проектирование ключевых источников электроснабжения: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1990. 236 с.

95. Чернышев А. А. Разработка и исследование сглаживающих фильтров как функциональных узлов систем управления и вычислительной техники. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. / Томск. ТИАСУР, 1980.

96. Шиняков Ю.А. Энергетический анализ структурных схем систем электроснабжения автоматических космических аппаратов // Известия Томского политехнического университета. - 2006. - Т. 309. - № 8. - С. 152-155.

97. Выбор структуры систем электроснабжения низкоорбитальных космических аппаратов / Шиняков Ю.А., Гуртов А.С., Гордеев К.Г., Ивков С.В. // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2010. - № 1(21). - С. 103-113.

98. Шрайбер Д. Силовые преобразовательные устройства. Базовые схемы и классификация // Компоненты и технологии. - 2009. - № 12. С. 106 - 112.

99. Aharon I., Kuperman A., Shmilovitz D. Analysis of Dual-Carrier Modulator for Bidirections Noninverting Buck-Boost Converter // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.30, No.2, February 2015, P.840-848. (2х зонная пила ДРМ Buck-Boost, близко)

100. Airbus S.A.S. URL: http://www.airbus.com (дата обращения 20.02.2018).

101. Analog Devices URL: http://www.analog.com/en/index.html (дата обращения 20.02.2018).

102. Awrejcewicz J., Hagedorn P. Nonlinearity, Bifurcation and chaos - Theory and applications. - Croatia. - 2012. - P.344.

103. Basak B, Parui S. Exploration of bifurcation and chaos in buck converter supplied from rectifier // IEEE Transactions on power electronics, vol.25, no.6, June 2000. P. 1556-1564.

104. Chen D., Chen S. Combined bidirectional buck-boost DC-DC chopper-mode inverters with high-frequency link // IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 61, no.8, August 2014, P.3960-3968.

105. Chen J.-J., Shen P.-N., Hwang Y.-S. A high-efficiency positive buck-boost converter with mode-select circuit and feed-forward techniques // IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 28, no.9, September 2013, P.4240-4247.

106. Cortes J., Svikovic V., Alou P., Oliver J.A., Cobos J.A. Improved Transient Response of Controllers by Synchronizing the Modulator With the Load Step: Application to V2Ic // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.30, No.3, March 2015, P. 1577-1590.

107. Cortes J, Svikovic V., Alou P., Oliver J.A., Cobos J.A., Wisniewski R. Accurate Analysis of Subharmonic Oscillations of V2 and V2Ic Controls Applied to Buck Converter // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.30, No.2, February 2015, P.1005-1018.

108. Dening D. A buck-or-boost converter module with embedded inductor and fast current limit // IEEE Transactions on power electronics, vol. 26, no.12, December 2011, P.3874-3883.

109. Emadi A., Ehsani M., Miller J.M. Vehicular electric power systems - Land, sea, air, and space vehicles. - Marcel Dekker, New York .- 2004.- 504 P.

110. European Space Agency URL: https://www.esa.int/ESA (дата обращения 20.02.2018).

111. Fu M., Yin H., Zhu X., Ma C. Analysis and Tracking of Optimal Load in Wireless Power Transfer Systems // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.30, No.7, July 2015, P.3952-3963.

112. Fang C.C., Redl R. Subharmonic Instability Limits for the Peal-Current-Controlled Buck Converter With Closed Voltage Feedback Loop // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.30, No.2, February 2015, P.1085-1092.

113. Gu Y., Zhang D., Zhao Z. Input current ripple cancellation technique for boost converter using tapped inductor // IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 61, no.10, October 2014, P.5323-5333.

114. Gu Y., Zhang D. Voltage regulator buck converter with a tapped inductor for fast transient response application // IEEE Transactions on power electronics, vol. 29, no.12, December 2014, P.6249-6254.

115. Huang P.-C., Wu W.-Q., Ho H.-H., Chen K.-H. Hybrid buck-boost feedforward and reduced average inductor current techniques in fast line transient and high-efficiency buck-boost converter // IEEE Transactions on power electronics, vol. 25, no.3, March 2010, P.719-730.

116. Jia L., Liu Y.-F. Voltage-based charge balance controller suitable for both digital and analog inplementations // IEEE Transactions on power electronics, vol. 28, no.2, February 2013, P.930-944.

117. Jones D.C., Erickson R.W. A nonlinear state machine for dead zone avoidance and mitigation in a synchronous noninverting buck-boost converter // IEEE Transactions on power electronics, vol. 28, no.1, January 2012, P.467-480.

118. Kim M.-G. Proportional-Integral (PI) Comprensator Design of Duty-Cycle-Controlled Buck LED Driver // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.30, No.7, July 2015, P.3852-3859.

119. Kuperman A., Aharon I., Malki S., Kara A. Design of a semiactive battery-ultracapacitor hybrid energy source // IEEE Transactions on power electronics, vol. 28, no.2, February 2012, P.806-816.

120. Linear Technology URL: http://www.linear.com (дата обращения 20.02.2018).

121. Lockheed Martin Corporation URL: https://www.lockheedmartin.com/us.html (дата обращения 20.02.2018).

122. Lin Y.-C., Chen C.-J., Chen D., Wang B. A ripple-based constant on-time control with virtual inductor current and offset cancellation for DC power converters // IEEE Transactions on power electronics, vol. 27, no.10, October 2012, P.4300-4310.

123. Li J., Lee F.C. New modeling approach and equivalent circuit representation for current-mode control // IEEE Transactions on power electronics, vol. 25, no.5, May 2014, P.1218-1230.

124. Mikhalchenko S.G., Apasov V.I. Applying a mathematical model for determining power section ratings of a buck-boost converter // 2016 17th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM). -2016

125. Marouchos C.C. The Switching Function: Analysis of power electronic circuits // IET Circuits, devices and systems series 17, London, 2006. - 298 P.

126. Nien C.-F., Chen D., Hsiao S.-F., Kong L., Chen C.-J., Chan W.-H., Lin Y.-L. A Novel Adaptive Quasi-Constant On-Time Current-Mode Buck Converter // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.32, No.10, October 2017, P.8124-8133.

127. Patel M R. Spacecraft Power System. New York : CRC Press, 2005.

128. Qian T., Wu W., Zhu W. Effect of combined output capacitors for stability of buck converters with constant on-time control // IEEE Transactions on industrial electronics, vol. 60, no.12, December 2013, P.5585-5592.

129. Radic A., Lukic Z., Podic A., Nie R.H. Minimum-deviation digital controller IC for DC-DC switch-mode power supplies // IEEE Transactions on power electronics, vol. 28, no.9, September 2013, P.4281-4298.

130. Rodriguez M., Lopez V.M., Azcondo F.J., Sebastian J., Maksimovic D. Average inductor current sensor for digitally controlled switched-mode power supplies // IEEE Transactions on power electronics, vol. 27, no.8, August 2012, P.3795-3805.

131. Reverter F., Gassulla M. Optimal inductor Current in Boost DC/DC Converters Operating in Butst Mode Under Light-Load Conditions // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.31, No.1, January 2016, P.15-20.

132. Resterpo C., Calvente J., Romero A., Vidal-Idiarte E., Giral R. Current-mode control of a coupled-inductor buck-boost DC-DC switching converter // IEEE Transactions on power electronics, vol. 27, no.5, May 2012, P.2536-2549.

133. Shuai Z., Hu Y., Peng Y., Tu C., Shen Z.J. Dynamic Stability Analysis of Synchronverter-Dominated Microgrid Based on Bifurcation Theory // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.64, No.9, September 2017, P.7467-7476.

134. Son H.-S., Kim J.-K., Lee J.-B., Moon S.-S., Park J.-H., Lee S.-H. A New Buck-Boost Converter with low-Voltage Stress and Reduced Conducting Components // IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.64, No.9, September 2017, P.7030-7038.

135. Spacecraft power system H02J 9/06, H02J 7/35, H01M 10/46, B64G 1/44, H02J 7/00 Space Systems/Loral, Inc. 13.04.1998 09059224, 11.04.2000 6049190.

136. Syed A.E., Patra A. Saturation Generated Oscillations in Voltage-Mode Digital Control of DC-C Converters // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.31, No.6, June2016, P.4549-4564.

137. Texas Instruments URL: http://www.ti.com (дата обращения 20.02.2018).

138. The Boeing Company URL: http://www.boeing.com (дата обращения 20.02.2018).

139. Tse C.K. Flip bifurcation and chaos in three-state boost switching regulators // IEEE Transactions on Circuits and Systems - I: Fundamental Theory and Applications. vol. 41. № 1. January 1994. P. 16-23.

140. Tse C.K., Lai Y.M., Iu H.H.C. Hopf Bifurcation and Chaos in a Free-Running Current-Controlled Cuk Switching Regulator // IEEE Transactions on Circuits and Systems - I: Fundamental Theory and Applications. vol. 47. №. 4. April 2000. P. 448-457.

141. Tung C.-P., Chung H.S.-H., Yuen K.K.-F. Boost-Type power Factor Corrector With Power Semiconductor Filter for Input Current Shaping // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.32, No.11, November 2017, P.8293-8311.

142. Tian S., Lee F.C., Mattavelli P., Yan Y. Small-Signal Analysis and Optimal Design of Constant Frequency V2 Control // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.30, No.3, March 2015, P.1724-1733.

143. Wang H., Hu X., Liu Q., Zhao G., Luo D. An on-chip high-speed current sensor applied in the current mode DC-DC converter // IEEE Transactions on power electronics, vol. 29, no.9, September 2014, P.4479-4484.

144. William C.Y., Chan, Tse C. K. Study of Bifurcations in Current-Programmed DC/DC Boost Converters: From Quasi-Periodicity to Period-Doubling // IEEE Transactions on Circuits and Systems - I: Fundamental Theory and Applications. vol. 44. № 12. December 1997. P. 1129-1142.

145. Wang J., Xu J. Peak current mode bifrequency control technique for switching DC-DC converters in DCM with fast transient response and low EMI // IEEE Transactions on power electronics, vol. 27, no.4, April 2012, P.1876-1884.

146. Wu F.-Y., Chen Y.-M. Impact of PWM Duty Cycle Jitter on Switching-Mode Power Converter Efficiency // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.32, No.11, November 2017, P.8751-8762.

147. Wu H.-H., Wei C.-L., Hsu Y.-C., Darling R.B. Adaptive Peak-Inductor-Current-Controlled PFM Boost Converter With a Near-Threshold Startup Voltage and High Efficiency // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.30, No.4, April 2015, P.1956-1965.

148. Wei C.-L., Chen C.-H., Wu K.-C., Ko I-T. Design of an average-current-mode noninverting buck-boost converter with reduced switching and conduction losses // IEEE Transactions on power electronics, vol. 27, no.12, December 2012, P.4934-4943.

149. Yan Y., Lee F.C., Mattavelli P. Analysis and design of average current mode control using a describing-function-based equivalent circuit model // IEEE Transactions on power electronics, vol. 28, no.10, October 2013, P.4732-4741.

150. Yao K., Tang W., Hu W., Lyu J. A Current-Sensorless Online ESR and C Identification Method for Output Capacitor of Buck Converter // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.30, No.12, December 2015, P.6993-7005.

151. Zheng Y., Ho M., Guo J., Mak K.-L., Leung K.N. A Single-Inductor Multiple-output Auto-Buck-Boost DC-DC Converter With Autophase Allocation // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.31, No.3, March 2016, P.2296-2313.

152. Zhang X., Xu J., Bao B., Zhou G. Asynchronous-Switching Map-Based Stability Effects of Circuit Parametrs in Fixed Off-Time Controlled Buck Converter // IEEE Transactions on power Electronics, Vol.31, No.9, September 2016, P.6686-6696.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схемы замещения комбинированного ППН на каждом тактовом

интервале

Модуль А.1 Схема замещения комбинированного ППН с активной нагрузкой на интервале [(&-1)т; г^)

Рисунок А1 - Схема замещения комбинированного ППН с активной нагрузкой на

интервале [(&-1)т;

Ключи К1 и КЗ находятся в замкнутом состоянии (Хл=1, Кз=1). Выходное напряжение поддерживается за счет энергии, накопленной в выходном конденсаторе СвыХ и дросселе L (рисунок А1). Преобразователь работает в режиме повышения.

Исходя из первого и второго закона Кирхгофа, составим уравнения, для получения матриц состояний:

-и^ _ иь + 11В1 = 0,

иВХ - ¡тЯ1 - ис1 = 0,

ис 2 + с 2 КЗ = 0;

(А1)

Учитываем следующие зависимости, связывающие токи и напряжения накопителей энергии схемы (входные, выходные конденсаторы и накопительный дроссель):

С = С1 ^ с1 аг

с 2 = с 2 2

UL = 1

аг аг '

(А2)

Подставляя систему уравнений (А2) в (А1), и выражая, изменения напряжений на конденсаторах и тока через дроссель получаем:

аiL = К2 _ 1 и

аи,

С1

1

аг

К1С1

аи,

ивх ^ _"

с2

аг

с1 1

КЗС 2

К1С1

-и,

с1

(АЗ)

и

с2

Исходя из системы (АЗ) составляются матрицы состояния A и B, как коэффициенты в уравнениях при переменных iL, иС1, иС2.

= iC1 + iL

1

Модуль А.2 Схема замещения комбинированного ППН с активной нагрузкой на интервале [/Ь; ^к1)

Рисунок А2 - Схема замещения комбинированного ППН с активной нагрузкой на

интервале [/к2; /к1)

Ключ понижающего преобразователя замкнут, а ключ повышающего преобразователя разомкнут (Кр-1=1, Кз=0). Определение состояний ключей происходит в начале каждого тактового интервала. Вся энергия с входа преобразователя передается на его выход, при этом происходит накопление энергии в дросселе L, а также в выходном конденсаторе С. Силовая цепь работает в режиме понижающего преобразователя (рисунок А2).

Исходя из первого и второго закона Кирхгофа, составим уравнения, для получения матриц состояний:

- UL + ^ 2 + ис 2 = 0, ивх - imR1 - исх = 0, iR1 - С + iL , ^ - Ь2 - iR3 - 0,

(А5)

-

и

R3 .

R3

В системе уравнений (А5) третье уравнение подставляется во второе, а пятое в четвертое и учтем систему уравнений (А2). Выражаем изменения напряжений на конденсаторах и тока через дроссель, получается:

^ R2 . 1 тт 1 тт

и- т ^-т ис1+тис 2,

аи,

С1

1

а/

R1C1

иВХ - —^ +-

1

С1

аи,

С2

1

а/

С 2

R3C 2

R1C1

-иг

-и,

С1

(А6)

С2

Модуль А3. Схема замещения комбинированного ППН с активной нагрузкой на интервале [/к1; ^+1)т)

1

т

Рисунок А3 - Схема замещения комбинированного ППН с активной нагрузкой на

интервале [/к1; (k+1)т) Ключи повышающего (К3) и понижающего (К1) преобразователя разомкнуты, таким образом выходное напряжение поддерживается за счет энергии накопленной в дросселе 1 и конденсаторе выходного фильтра СВЫХ.

Исходя из первого и второго закона Кирхгофа, составим уравнения, для получения матриц состояний:

-иь + ^2 + ис2 - 0, ивх - iRlR1 - ис1 - 0,

- 'С1> ^ - к2 - iR3 - 0,

(А8)

и

lR3 - '

С 2 .

R3

В системе уравнений (А8) третье уравнение подставляется во второе, а пятое в четвертое и учтем систему уравнений (А2). Выражаем изменения напряжений на конденсаторах и тока через дроссель, получается:

аи R 2 1 г

—1 --гт +— ис 2,

а/ т 1 т с 2

аи,

С1

а/

аи,

иВХ " ™ иС1,

С2

R1C1 1

R1C1

(А9)

1

-и

С2

а/ С 2 R3C 2

Модуль А4. Схема замещения комбинированного ППН с аккумуляторной нагрузкой на интервале [(^1)т; /к2)

Рисунок А4 - Схема замещения комбинированного ППН с аккумуляторной нагрузкой на

интервале [(^1)т; /к2)

гг -

Ключи К1 и К2 - в разомкнутом состоянии. Выходное напряжение поддерживается за счет энергии, накопленной в выходном конденсаторе С и дросселе 1 (рисунок А4).

Исходя из первого и второго закона Кирхгофа, составим уравнения, для получения матриц состояний:

-Uci - Ul + ibR 2 = 0,

иВХ - iRiRl - Uci _ 0,

iR1 = iC1 + iL ;

Uc2 + ic2R3 - UАБ = 0;

(All)

Подставляя систему уравнений (A2) в (All), и выражая, изменения напряжений на конденсаторах и тока через дроссель получаем:

diL _ R2 . - l U

dU,

C1

1

dt

dU,

R1C1Ubx C1lL R1C1UC1,

U

(A12)

C 2

1

-UАБ -

1

U

C 2 =

аг К3С 2 К3С 2

Модуль А5. Схема замещения комбинированного ППН с аккумуляторной нагрузкой на интервале [гк2; г^)

Рисунок А5 - Схема замещения комбинированного ППН с аккумуляторной нагрузкой на

интервале [гк2; гк1)

Ключ понижающего преобразователя замкнут, а ключ повышающего преобразователя разомкнут (К^=1, KFз=0). Определение состояний ключей происходит в начале каждого тактового интервала. Вся энергия с входа преобразователя передается на его выход, при этом происходит накопление энергии в дросселе 1, а также в выходном конденсаторе С. Силовая цепь работает в режиме понижающего преобразователя (рисунок А5).

Исходя из первого и второго закона Кирхгофа, составим уравнения, для получения матриц состояний:

-ЦС1 - иь + 1Я 2 + Пс2 - 0, ивх - - Пс1 - 0,

- 1 +'

С1 т '1'

(А14)

-Пс2 + Паб + '^3«3 - 0, iL - '^3 + 'С 2;

В системе уравнений (А14) третье уравнение подставляется во второе, а пятое в четвертое и учтем систему уравнений (А2). Выражаем изменения напряжений на конденсаторах и тока через дроссель, получается:

а^ R 2 . 1 тт 1 г.

"й - Т'1 - 1ПС1 + 1ПС2,

аи,

С1

1

аг

аи,

R1C1 1

пвх ^

1

С1

R1C1 1

-П,

С1

(А15)

аг

С 2 _ 1 П + 1 . _,,

-С АБ "I--Ч--^ С2 ;

R3C 2 АБ С 2 1 R3C 2 с 2

Пс

Модуль А6. Схема замещения комбинированного ППН с аккумуляторной нагрузкой на интервале [/к1; kт)

Рисунок А6 - Схема замещения комбинированного ППН с аккумуляторной нагрузкой на

интервале [гк1; kт)

Исходя из первого и второго закона Кирхгофа, составим уравнения, для получения матриц состояний:

-П1 + 2 + Пс 2 - 0, и вх - 'шЯ1 - Пс1 - 0,

'С1>

-Пс 2 - и аб + '^3 К3 - 0,

(А17)

К3 = 'С 2;

В системе уравнений (А17) третье уравнение подставляется во второе, а пятое в четвертое и учтем систему уравнений (А2). Выражаем изменения напряжений на конденсаторах и тока через дроссель, получается:

аи R 2

1

аг

аи,

С1

1

ТЧ + 1ПС 2, 1

аг

аи,

С2

R1C1 1

аг

R3C 2

и ВХ -

и АБ -

-и,

R1C1 1

R3C 2

С1

(А18)

-и,

С2

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Список электрических соединений (Netlist) имитационной модели комбинированного ППН в программном пакете LTSpice

L1 N001 0_VS1 {L1} R3 Out Ushunt2 {R3} R2 0_VS4 N001 {R2}

V2 Linl 0 PULSE(0 {ulini} 0 {0.995/{fk}} 0 {0.005/{fk}} {1/{fk}}) V3 Lin2 0 PULSE({Ulin1} {uiin2} 0 {0.995/{fk}} 0 {0.005/{fk}} {1/{fk}}) A3 N005 N006 0 0 0 N008 N007 0 AND Vhigh=10 V4 N006 0 PULSE(0 10 0 in in {0.6/{fk}} {1/{fk}}) V1 N002 Ushunt1 {Uvh}

B1 Uosh_U 0 V=limit (( alp_U*(Uop-V(Out)/bet_U)), 0 ,5 ) S1 0_VS1 In Kf1 0 S_VT S3 0 0_VS4 Kf3 0 S_VT C2 Out 0 {C2}

A2 Uosh_U Lin1 0 0 0 0 N003 0 SCHMITT Vhigh=10 TD=1p Ref=0 A1 Uosh_U Lin2 0 0 0 0 N005 0 SCHMITT Vhigh=10 TD=1p Ref=0 A4 Kf1 0 0 0 0 Kf2 0 0 BUF Vhigh=1 A5 Kf3 0 0 0 0 Kf4 0 0 BUF Vhigh=1 R1 N002 In {R1} C1 In 0 {C1} R5 Ushunt2 0 {Rshunt2} R4 Ushunt1 0 {Rshunt1}

A6 Uosh_I Lin1 0 0 0 0 Kf_I 0 SCHMITT Vhigh=10 TD=1p Ref=0

B2 Uosh_I 0 V=alp_I*(Uop-V(Ushunt2)/bet_I)

A7 N003 Kf_I 0 0 0 N004 Kf1 0 AND Vhigh=1

A8 N007 Kf_I 0 0 0 N009 Kf3 0 AND Vhigh=1

R9 N004 0 10k

R10 N009 0 10k

D1 0 0_VS1 D

D2 0_VS4 Out D

R7 N008 0 10k

.model D D

.lib D:\LTspiceIV\lib\cmp\standard.dio .tran 0 450m 400m startup uic

.model S_VT SW(Ilimit=500 Ron=10m Roff=10Meg Vt=0.2 Vh=-.5 Lser=10n Vser=0)

.param Tp=20u

.param Ton_lin=0.1u

.param Trise=19.9u

.param Uvh=40

* Parametry shemy

.param R3=28

.param L1=300u

.param R2=0.05

.param C2=0.001

.param Uop=5

.param Ulin1=2.5

.param Ulin2=5

.param fk=50000

.param C1=0.001

.param R1=0.01

.param bet_U=6 .param alp_U=10 .param Rshunt1=0.005 .param Rshunt2=0.005 .param Rbuf=20k .param bet_I=0.25 .param alp_I=1

.meas TRAN resl AVG V(In)

meas TRAN res2 AVG I(Rl)

meas TRAN res3 AVG V(Out)

meas TRAN res4 AVG I(R3)

.meas TRAN res5 PARAM res3*res4/res1/res2

.step param R3 list 28.5 14.3 9.5 7.13 5.7 4.8 4.07 3.56 3.17 2.85

.backanno

.end

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Численно-аналитическая модель в программной среде MatLab

В.1 Основная программа

function []=PPPN_main

% Время начала эксперимента

fprintf(V);

fprintf(datestr(now));

fprintf(V);

t1=clock;

num_fig=1;

save param num_fig;