CC BY
17Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 621.314.1:001.891.573
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
В. И. Апасов
Акционерное общество «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634041, г. Томск, просп. Кирова, 56в. E-mail: [email protected]
Проведено исследование работы комбинированного преобразователя со стабилизацией входного напряжения, способного действовать в качестве как понижающего, так и повышающего. Рассмотрено поведение преобразователя с позиций линейной и нелинейной динамики. Выполнено бифуркационное исследование работы в зависимости от параметров схемы и системы управления. Получен математический аппарат, позволяющий определять значения моментов коммутации, обеспечивающих одноцикловый режим действия. Промоделирован режим ограничения выходного тока.
Ключевые слова: математическое моделирование, комбинированный преобразователь, бифуркационный анализ, моменты коммутации, токоограничение.
STUDY OF THE COMBINED CONVERTER WITH STABILIZATION INPUT VOLTAGE
V. I. Apasov
Stock Company "Scientific&Industrial Centre "Polyus" 56v, Kirova Av., Tomsk, 634041, Russian Federation. E-mail: [email protected]
The study focuses on the combined transducer capable of operating as both a buck and boost. It researches behavior of the inverter from the position of the linear and nonlinear dynamics of work. The research also demonstrates achieved bifurcation study, depending on the parameters of the circuit and the control system. The mathematical apparatus is obtained; it allows to determine the value of switching time, providing single-cycle mode. The research simulates mode current limit.
Keywords: mathematical modeling, combined converter, bifurcation analysis, the time of switching, current limit.
Система электропитания космического аппарата щих работу устройства в наиболее оптимальных (од-
представляет собой совокупность первичных и вто- ноцикловых) режимах.
ричных источников, электронных и электротехниче- На структурной схеме преобразователя (см. рису-
ских устройств, предназначенных для обеспечения нок) приняты следующие обозначения: СБ - солнеч-
бортовых потребителей электрической энергией за- ная батарея; АБ - аккумуляторная батарея; К1...К4 -
данного качества в штатных режимах [1]. В настоя- силовые коммутационные элементы; RL - сопротив-
щее время при проектировании систем электропита- ление обмоток дросселя; L - индуктивность дросселя;
ния космических аппаратов имеется тенденция уни- свых - емкость выходного фильтра; в - коэффициент
фикации силовых модулей к°торые строятся на осно- передачи звена обратной связи; UоШ - сигнал ошибки;
ве импульсных преобразователей напряжения. Так, цу - управляющее напряжение; а - коэффициент уси-
использование комбинированного преобразователя ления пропорционального звена; ^(X, t), ^2(X, t) -
при построении зарядного устройства позволяет коммутационные функции для управления ключами;
обеспечить наиболее эффективный отбор энергии от УС - управляющая система.
фотоэлектрической батареи. Применение же полно- Математическая модель комбинированного пре-
стъю ущшииемых гюлущювддатмьк ключей сни- образователя строится на основе системы дифферен-
жает динамические потери. циальных уравнений с переменными матрицами
При проектировании силовых преобразователей состояний А и В для каждого из возможных состоя-
для разработчика важным аспектом является макси- ний схемы, зависящими от коммутационных функ-
ций К(4):
мально полное изучение их работы с позиции как линейной, так и нелинейной динамики. Динамика замкнутых систем автоматического регулирования ключе- (X вого типа, как и исследуемый преобразователь, опи- С ~ ^Кр + ^^ сывается нелинейными уравнениями кусочно-
непрерывного типа [2]. Также в ходе разработки уст- где X - вектор переменных состояний.
ройства важно провести его бифуркационное иссле- В свою очередь, X = {¡ь, ПЪх, ивЫх }, где ¡ь - ток в
дование, которое позволяет определить границы до- дросселе; ПЪх - напряжение на входном конденсаторе;
пустимых значений параметров схемы, обеспечиваю- ивь1х - напряжение на выходном конденсаторе.
Космическое и специальное электронное приборостроение
Структурная схема комбинированного преобразователя со стабилизацией входного напряжения
Математическая модель комбинированного преобразователя со стабилизацией выходного напряжения рассмотрена ранее [3-5], показана ее применимость для решения задач по поиску да-цикловых режимов работы преобразователя и описан алгоритм системы управления подобной схемы.
На основании предыдущих исследований получена математическая модель комбинированного преобразователя со стабилизацией входного напряжения и ограничения выходного тока, позволяющая проводить исследование устойчивости работы преобразователя:
X(k+1) т = e
= e A1(T-zk1T) (e A2(zk1T-zk2т) (eA3(zk2т)
(eA3( Zk 2T)(X k + A3-1B3) -
-A3-1B3 + A2-1B2) - A2-1B2 + A1-1B1) - A1-1B1,
(2)
где Х(к + 1)т - вектор переменных состояний в конце тактового интервала; Хк - вектор переменных состояний в начале тактового интервала; т - период интервала; 2к1, 1к2 - моменты коммутации первой и второй группы ключей.
Также на основе формулы (2) был получен математический аппарат, позволяющий определить моменты коммутации ключевых компонентов, обеспечивающих одноцикловый режим работы преобразователя.
Таким образом, математическая модель комбинированного преобразователя со стабилизацией входного напряжения и ограничения выходного тока дает возможность определить диапазоны допустимых значений номиналов элементов модулей, разрабатываемых для систем электропитания на основе подобной схемы, и обеспечить работу устройства в оптимальном режиме. В свою очередь, это снижает затраты на этапах проектирования и отладки устройств подобного рода, а также повышает их надежность благодаря обеспечению его работы в оптимальных режимах с учетом постепенной деградации элементов.
Библиографические ссылки
1. Системы электропитания космических аппаратов / Б. П. Соустин [и др.]. Новосибирск : ВО «Наука». Сиб. изд. фирма, 1994. 318 с.
2. Нелинейная динамика полупроводниковых преобразователей / А. В. Кобзев [и др.]. Томск : Том. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2007. 224 с.
3. Апасов В. И., Михальченко С. Г., Коцубин-ский В. П. Математическое моделирование комбинированного преобразователя напряжения со стабилизацией выходного напряжения // Докл. ТУСУР. 2013. № 4(30). С. 96-102.
4. Апасов В. И., Михальченко С. Г., Тановицкий Ю. Н. Аналитический способ определения моментов коммутации комбинированного преобразователя со стабилизацией выходного напряжения, обеспечивающих од-ноцикловый режим работы // Докл. ТУСУР. 2015. № 2(36). С. 157-164.
5. Апасов В. И., Михальченко С. Г. Бифуркационный анализ комбинированного преобразователя при изменении емкости выходного фильтра // Решетнев-ские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф. : в 3 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 2. С. 15-17.
References
1. Systemy elektropitaniya kosmicheskih apparatov [Systems of power supplies of space vehicles] / Sous-tin B. P. [etc.], Novosibirsk: IN "Science". The Siberian book-publishing firm, 1994. 318 p.
2. Nelinyanaya dinamica poluprovodnikovyh preobrazoveteley [Nonlinear dynamics of semi-conductor converters] / A. V. Kobzev, [and others], Tomsk: Tomsk state university of control systems and radioelectronics, 2007. 224 p.
3. Apasov V. I., Mihalchenko S. G., Kotsubinsky V. P. [Matematicheskoe modelling of the combined converter of pressure with stabilisation of output voltage]. Doklady TUSUR. 2013. no. 4 (30). p. 96-102. (In Russ.).
4. Apasov V. I., Mikhalchenko S. G., Tanovitckiy Y. N. [Analytical method for determining the switching time of the combined converter with output voltage, providing single-cycle mode] Doklady TUSUR. 2015, no. 2 (36). p. 157-164. (In Russ.).
5. Apasov V. I., Mikhalchenko S. G. [Bifurcuation analysis of tfe combined converter at change of capacity of the output filter]. Materialy XVIII Mezdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XVIII Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2014, p. 15-17. (In Russ.)
© Апасов В. И., 2015
