CC BY
50
УДК 681.333(088.8)
Е. А. Мизрах, А. С. Сидоров
ИССЛЕДОВАНИЕ ИМИТАТОРА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ НЕПРЕРЫВНЫМ УСИЛИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ
Рассмотрены результаты моделирования имитатора солнечных батарей с параллельным непрерывным усилителем мощности.
В настоящее время увеличение мощности солнечных батарей (СБ) космического аппарата (КА) идет по пути повышения напряжения холостого хода. По этой причине при разработке имитаторов [1], воспроизводящих динамические характеристики СБ, возникают трудности с ограничением мощности рассеивания непрерывных регуляторов. Авторами исследован новый способ ограничения мощности, рассеиваемой регулирующими элементами (РЭ) непрерывного усилителя мощности (НУМ), и предложено использовать НУМ с включением параллельно нагрузке непрерывных регулирующих элементов (НРЭ) и стабилизировать ток, протекающий через НРЭ.
Для проведения вычислительного эксперимента в пакете МгсгоСАР 7.1 были разработаны имитационные модели подсистем и схемы имитатора СБ с НУМ параллельного типа (рис. 1). В схеме моделирования используются следующие PSpice модели элементов: операционный усилитель К544УД2А (Х1-Х4), биполярные транзисторы ВС307А (УТ2, УТ3-УТ11, УТ13, УГ15), ВС107В (УГ1, УГ12, УТ14, УТ16), полевой транзистор ^Р250 (УТ17).
Имитатор СБ с НУМ параллельного типа состоит из измерителя тока (ИТ1) нагрузки, выходной сигнал которого поступает на прямой вход усилителя напряжения (УН1). На инвертирующий вход УН1 с выхода функционального преобразователя (ФП) поступает эталонное на-
пряжение иэ, определяющее вольтамперную характеристику имитатора. ФП состоит из источника опорного тока (ИОТ), резистивной матрицы, транзисторных ключей и преобразователя тока в напряжение (ПТН). С выхода УН1 сигнал подается на корректирующее устройство (КУ1), которое обеспечивает устойчивость непрерывного стабилизатора тока, образованного УН 1, КУ1, НУМ и ИТ 1. Питание схемы производится от идеального источника тока (ИИТ). Измеритель тока ИТ2 служит для контроля состояния НУМ. Индуктивности Ы1 и Ы2 имитируют паразитную индуктивность соединительных проводов и повышают точность моделирования динамических характеристик имитатора СБ.
В соответствии с разработанной авторами методикой [2] были рассчитаны корректирующие устройства: КУ1, обеспечивающее устойчивость стабилизатора тока и имитатора в целом, и КУ2, которое обеспечивает воспроизведение имитатором требуемого адмитанса (полной внутренней проводимости) СБ.
В процессе моделирования имитатора СБ непрерывного типа были получены следующие характеристики:
- ВАХ ИСБ и приведенная погрешность воспроизведения ВАХ (рис. 2);
- графики мощности;
- адмитансные частотные характеристики (АдЧХ) и погрешности их воспроизведения;
- переходные процессы при коммутации нагрузки в широком диапазоне (от режима короткого замыкания до холостого хода).
Оценка точности воспроизведения имитатором требуемой ВАХ производится по величине приведенной ошибки 5при по напряжению 5при = Аи / и%х, где Аи(Г) -абсолютная ошибка воспроизведения (разность между заданным и действительным значениями напряжения при данном токе Г нагрузки); и - напряжение холостого хода.
ния (УН2 и УН3), корректирующего устройства (КУ3), генератора пилообразного напряжения (ГПН), источника питания (ИП), ключа (КЛ) и фильтра (Ф).
Рис. 2. ВАХ ИСБ непрерывного типа и погрешность ее воспроизведения: а - ВАХ имитируемой СБ и имитатора СБ; б - приведенная ошибка по напряжению 8при
График ошибки отображает, что максимальная погрешность воспроизведения ВАХ имеет место в режиме короткого замыкания и не превышает 2 %, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к имитаторам СБ.
Погрешность воспроизведения АдЧХ имитатора СБ (рис. 3) непрерывного типа найдена по выражению
§( Г) = ^БС (/) - ГИБС (/)
^С ( /)
100%.
Относительная ошибка §(/) не превышает 4,6 %, что обеспечивает заданную точность воспроизведения АдЧХ СБ.
В ИСБ параллельного типа максимальная рассеиваемая мощность соответствует области холостого хода и достигает весьма существенной величины (рис. 4).
В режиме холостого хода регулирующий элемент рассеивает всю мощность источника питания (рис. 5).
Для ограничения мощности, рассеиваемой на непрерывном регулирующем элементе при широкодиапазонном регулировании нагрузки, авторами предложено ввести импульсный источник питания, осуществляющий стабилизацию тока через НРЭ.
Импульсный стабилизатор тока (ИСТ) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) состоит из следующих основных устройств (рис. 6): источника опорного напряжения (ИОН), измерителя тока (ИТ2), усилителей напряже-
Рис. 3. АдЧХ ИСБ непрерывного типа в двух точках ВАХ и погрешности их воспроизведения: а - АдЧХ ИСБ в двух точках ВАХ (51В, 71В); б - ошибка воспроизведения АдЧХ ИСБ
N | \ \ \
1 \ /
..... / ....— / ч / \ / \
Рис. 4. Графики мощностей имитатора СБ: 1 - мощность, рассеиваемая РЭ НУМ; 2 - полезная мощность; 3 -потребляемая мощность
В схеме моделирования ИСТ (рис. 6) напряжение с выхода ИОН сравнивается с усиленным напряжением ИТ2, что приводит к стабилизации тока 1НРЭ через НРЭ. Мощность, рассеиваемая НРЭ, РНРЭ = ин ■ 1НРЭ и линейно возрастает (рис. 7) с увеличением напряжения на нагрузке.
Величина I выбирается такой величины, чтобы обеспечить приемлемую мощность рассеивания НРЭ.
Расчет параметров корректирующего устройства КУ3 произведен в предположении, что полюса передаточной функции разомкнутого контура ИСТ определяются параметрами LC-фильтра, а инерция остальных устройств ИСТ пренебрежительно мала.
В процессе моделирования ИСБ с параллельным включением импульсного и непрерывного усилителей мощности были получены следующие характеристики:
- графики мощности;
- ВАХ ИСБ и погрешность ее воспроизведения;
- АдЧХ в двух точках ВАХ и погрешности их воспроизведения;
- переходные процессы при коммутации нагрузки в широком диапазоне.
Стабилизация тока через НРЭ увеличивает максимальную погрешность до 2,1 % (рис. 8), что несколько больше чем в случае ИСБ непрерывного типа, но отвечает предъявляемым к имитатору требованиям.
Ошибка воспроизведения АдЧХ не превышает 5 % (рис. 9), что практически совпадает с погрешностью ИСБ непрерывного типа.
Анализируя графики переходных процессов в отдельных подсистемах ИСБ при широкодиапазонной коммутации нагрузки и со стабилизацией тока через регулирующий элемент 1НРЭ = 6А (рис. 10), можно сделать следующие выводы:
- введение ИСТ увеличивает длительность фронта нарастания напряжения на нагрузке при переходе из режима короткого замыкания в режим холостого хода, так
Ток нагрузки
как НУМ входит в режим насыщения и длительность переходного процесса определяется быстродействием ИСТ;
- необходимо применять технические решения, увеличивающие быстродействия ИСТ при коммутации нагрузки в широком диапазоне;
- в переходном режиме мощность рассеивания НРЭ в среднем не превышает максимальной мощности рассеивания НРЭ в статическом режиме, кратковременная импульсная перегрузка не страшна НРЭ.
В целом по результатам моделирования схемы ИСБ с ИСТ можно сделать следующие выводы:
- введение ИСТ позволяет существенно ограничить мощность, рассеиваемую на регулирующем элементе.
- введение ИСТ не ухудшает точность воспроизведения имитатором вольтамперных характеристик и адми-тансных частотных характеристик СБ.
- рассмотренную схему построения ИСБ целесообразно применять в случаях, когда напряжение холостого численно превышает ток короткого замыкания, то есть
IК
при выполнении условия ^
КЗ
< 1
I 120
н
& 60
50
40
-^30
£20
10
0
16.000т Время, С Напряжение на нагрузке
16.000т Время; С 24.000т
Ток через непрерывный регулирующий элемент
16.000т Время, С Мощность, рассеиваемая на РЭ
щ 6 000 £ 4 000
І 2 000 С-
3 0
16.000т Время, С
Рис. 5. Графики переходных процессов при широкодиапазонной коммутации нагрузки
Рис. 6. Схема моделирования имитатора СБ с импульсным стабилизатором тока
Библиографический список
1. Мизрах, Е. А. Моделирование имитатора солнечных батарей с каскадным включением импульсного и непре-рытного усилителей мощности / Е. А. Мизрах, А. С. Сидоров // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университет имени академика М. Ф. Решетнева / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Вып. 1 (14). Красноярск, 2007.
2. Мизрах, Е. А. О синтезе адмитансных частотных характеристик имитатора солнечной батареи / Е. А. Мизрах,
А. С. Сидоров, Р. В. Балакирев // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Вып. 2 (9). Красноярск, 2006.
3 * Л \
г У '•‘‘'г \ , \ % і •• \
л ** \ \ 1 •- 1 ". 1 ■ \
/ У.' 1
ЗО «I 50 Напряжение, В
Рис. 7. Графики мощностей в ИСБ с ИСТ:
1 - мощность, рассеивания НРЭ; 2 - полезная мощность; 3 - потребляемая мощность
Рис. 8. Характеристики ИСБ параллельного типа со стабилизацией тока через НРЭ: а - ВАХ имитируемой СБ и имитатора СБ;
б - приведенная ошибка по напряжению 5
при
Рис. 9. Частотные характеристики ИСБ параллельного типа со стабилизацией тока через НРЭ: а - АдЧХ ИСБ в двух точках ВАХ (51В, 71В); б - ошибка воспроизведения АдЧХ ИСБ
Ток нагрузки
^ .. £ 200. ~ Н 100,-
16.000т Время, С 24.000т Напряжение на нагрузке
т Время, С Ток через РЭ
&
16.000т Время, С 24.000т
Ток через ИСТ
16.000т Время, С 24.000т Мощность, рассеиваемая на РЭ
\—
Рис. 10. Графики переходных процессов при широкодиапазонной коммутации нагрузки
E. A. Mizrakh, A. S. Sidorov
THE ANALYSIS OF PHOTOVOLTAIC ARRAY SIMULATOR WITH CASCADE PARALLEL CONTINUOUS POWER AMPLIFIERS
The results of analysis ofphotovoltaic array simulator with parallel continuous power amplifiers are presented.
УДК 629.783.051
В. Н. Школьный
ОПТИМИЗАЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ПОДСИСТЕМ СБОРА ИНФОРМАЦИИ БОРТОВОГО КОМПЛЕКСА УПРАВЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОББЕДИНЕНИЯ ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА М. Ф. РЕШЕТНЕВА
Рассмотрено построение интегрированной подсистемы сбора информации для внешнего и внутреннего контура управления перспективных космических аппаратов (КА) Научно-производственного объединения прикладной механики имени академика М. Ф. Решетнева (НПО ПМ). Проанализированы технические требования, позволяющие оптимизировать информационный обмен. Рассмотрена возможность достижения уровня достоверно-
сти информации, достаточного для принятия решения темы сбора информации.
Бортовые и наземные системы управления при правильном проектировании образуют единую распределенную в пространстве систему с параллельными асинхронными процессами.
Увеличение числа функций и, следовательно, сложности и стоимости бортовой части целесообразно только при снижении требований к наземным системам управления и достижении положительного технического и экономического эффекта.
На КА, эксплуатируемых в настоящее время, традиционно применяются две системы сбора информации: бортовая информационно-телеметрическая система, основной задачей которой является сбор и передача информации во внешний (наземный) контур управления, и подсистема сбора управляющей информации бортового цифрового вычислительного комплекса (БЦВК) для использования во внутреннем (автономном) контуре управления.
Для вновь разрабатываемых НПО ПМ КА с целью уменьшения нагрузки на наземный комплекс управления (НКУ) ставятся задачи дальнейшего повышения автономности КА, снижения объема передаваемой информации при оптимизации построения бортовых средств управления, в частности создания интегрированной системы сбора и обработки информации на борту, принятия решений на борту и т. д.
Анализ современных тенденций развития бортовых информационно-телеметрических систем и подсистем сбора информации (ПСИ) для бортовых управляющих вычислительных комплексов, реально сложившегося функционального использования телеметрической и управляющей информации, тенденции сходимости схемотехнических решений, применяемой элементной базы высокой степени интеграции, унификации датчиково-
Приведен пример построения интегрированной подсис-
преобразующей аппаратуры, требований минимизации массогабаритных и энергетических затрат позволяет сделать вывод о необходимости применения единой интегрированной подсистемы сбора информации для внешнего и внутреннего контура управления КА.
Исходя из условий применений интегрированной ПСИ, расширения ее функциональных возможностей сформулированы дополнительные технические требования, позволяющие оптимизировать информационный обмен как во внутреннем, так и во внешнем контурах управления космическим аппаратом:
1. Интегрированная ПСИ должна обеспечивать сбор информации со всех типов датчиков, используемых как во внутреннем, так и во внешнем контуре управления:
- определение состояния двухуровневых телеметрических (ТМ) датчиков;
- 8-разрядная оцифровка показаний температурных ТМ датчиков;
- 8-разрядная оцифровка показаний однополярных аналоговых ТМ датчиков;
- 12-разрядная оцифровка показаний двухполярных аналоговых ТМ датчиков.
2. Информационно-логическое сопряжение с бортовой аппаратурой: прием и запоминание импульсных сигналов, 16-разрядных, 32-разрядных слов, 512-разрядных массивов, числоимпульсных кодов.
3. Формирование ТМ структуры интерфейса «бортземля».
4. Допусковый контроль ТМ датчиков.
5. Запоминание результатов измерения и результатов допускового контроля.
6. Прием и исполнение команд управления.
7. Сопряжение интерфейсов с командно-измерительной системой (КИС) и БЦВМ.
