CC BY
83
УДК 681.5.015
А. Н. Лесных, В. А. Сарычев
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ СО СТАБИЛИЗАТОРАМИ НАПРЯЖЕНИЯ ВОЛЬТОДОБАВОЧНОГО ТИПА
Описана проблема проектирования высоковольтных систем электропитания космических аппаратов. Предлагается использовать систему электропитания со стабилизатором напряжения вольтодобавочного типа, которая позволит значительно снизить запас на деградацию солнечной батареи по оптимальному напряжению. Проведены исследования предложенной системы, выявлены ее основные недостатки и намечены пути их устранения.
В настоящее время наиболее часто в качестве источника электропитания на космических аппаратах (КА) применяются солнечные батареи (СБ). Их вольт-амперные характеристики нелинейные (рис. 1) и имеют два характерных участка: от нуля до оптимального напряжения (на этом участке СБ работает в режиме источника тока) и от оптимального напряжения до напряжения холостого хода (СБ работает в режиме источника напряжения).
и, в|
0 1кз *1, А
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики солнечных батарей
Разработано и успешно эксплуатируется достаточно много систем электропитания (СЭП) КА, которые используют СБ как в качестве источника тока, так и в качестве источника напряжения. Те и другие имеют свои достоинства и недостатки, однако существенного технического превосходства по каким-либо показателям одного варианта над другим (при выходном напряжении 27 В) на сегодняшний день не выявлено.
В связи с увеличением и усложнением задач, решаемых КА, возрастает их энерговооруженность, а, следовательно, и потребляемая мощность. С увеличением мощности СЭП возникают проблемы, связанные с высокими токами в кабельной сети, такие как снижение КПД, ухудшение массогабаритных показателей и т. д. Один из вариантов решения этой проблемы - увеличение уровня выходного напряжения. В настоящее время активно разрабатываются СЭП с выходным напряжением 100В.
Известно, что при эксплуатации СБ подвергается глубоким температурным циклам. У доступных в настоящий момент кремниевых фотопреобразователей температурный коэффициент по напряжению составляет
0,55 %/0С. С учетом возможной деградации 2% в год охлажденная СБ при оптимальном напряжении на конец ресурса 105 В и ресурсе 10 лет на начальном этапе эксплуатации может генерировать напряжение 260 В, а при ресурсе 15 лет - 275 В. При таких напряжениях наличие остаточной атмосферы аппарата на этапе выведения со-
здает, согласно закону Пашена, условия возникновения газового разряда.
При работе СБ в режиме источника напряжения можно решить эту проблему введением активных ограничителей напряжения, но это ухудшит энергомассовые характеристики СЭП. Поэтому нерационально использовать СБ на основе кремниевых фотопреобразователей с номинальным напряжением 100 В и более в режиме источника напряжения [4].
Рациональным в данной ситуации является применение стабилизаторов напряжения вольтодобавочного типа. Особенность данного типа стабилизаторов заключается в том, что выходное напряжение больше входного. Таким образом, применение стабилизаторов напряжения вольтодобавочного типа в СЭП КА позволяет снизить напряжение генерируемое СБ на начальном этапе эксплуатации.
Основная схема СЭП с повышающим стабилизатором напряжения приведена на рис. 2 (ПИ - первичный источник, L - дроссель, КЭ - ключевой элемент, VD - диод, С - конденсатор, Ra - активная нагрузка).
L VD
Рис. 2. Основная схема СЭП с повышающим стабилизатором
Коэффициент повышения зависит от коэффициента заполнения (§ ), который рассчитывается по формуле
5 = 1--°-, (1)
Т
где ^ - время, которое КЭ находится в разомкнутом состоянии, Т - период широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Система управления обеспечивает непрерывное изменение коэффициента заполнения таким образом, чтобы отклонение выходного напряжения от заданного было минимальным.
Отметим, что необходимое условие для нормального функционирования такой СЭП - напряжение на ПИ должно быть всегда меньше оптимального. Следовательно, работа такой СЭП возможна только на ветви тока. В слу-
чае если напряжение на ПИ превысит оптимальное значение, выходное напряжение станет не стабильным и будет приблизительно равно (меньше на величину падения напряжения на диоде и кабельной сети) напряжению ПИ. Для того чтобы обеспечить стабильную работу СЭП как на ветви тока, так и на ветви напряжения, необходимо параллельно с повышающим стабилизатором напряжения установить стабилизатор понижающего типа (например, шунтовой стабилизатор напряжения). При этом важно разграничить зоны управления данных стабилизаторов. В данной статье предлагается система управления структурная схема которой показана на рис. 3.
S1
S2
Цоп
ГПН2
ГПН1
Цвых
Рис. 3. Структурная схема системы управления
Данная система управления функционирует по следующему принципу. Первый генератор пилообразного напряжения (ГПН1) генерирует управляющие сигналы для ключа 51 с постоянной частотой, амплитудой и скважностью, тем самым обеспечивая повышение напряжения с заданным коэффициентом усиления. Причем когда выходное напряжение становиться больше оптимального, происходит размыкание ключа 5. Одновременно с этим сигнал управления ключом 52 становится больше нуля и происходит коммутация балластного сопротивления (рис. 4). Здесь же приведена принципиальная схема СЭП со стабилизатором вольтодобавочного типа и с обычным шунтовым стабилизатором напряжения. Исследования данной СЭП проводились на имитационной
модели, разработанной в системе схемотехнического моделирования OrCAD 9.2.
Основной характеристикой любой СЭП является качество выходного напряжения, показателями которого являются время регулирования Г , перерегулирование у и амплитуда пульсаций а. Для того чтобы управлять качеством выходного напряжения, необходимо установить зависимость между параметрами СЭП и показателями качества выходного напряжения. К параметрам СЭП (рис. 3), влияющими на показатели качества выходного напряжения, относятся емкость выходного фильтра, емкостная составляющая нагрузки, амплитуда управляющих импульсов и коэффициент заполнения.
Таким образом, цель данного исследования - установить зависимость показателей качества выходного напряжения (времени регулирования, перерегулирования, амплитуды пульсаций) от параметров СЭП (емкости выходного фильтра, емкостной составляющей нагрузки, амплитуды управляющих импульсов, коэффициента заполнения) (табл. 1).
В ходе исследования было установлено, что амплитуда управляющих импульсов практически не оказывает влияния на качество выходного напряжения, однако, если ее величина будет слишком мала, это может привести к полной неработоспособности конвертера. Поэтому для исследуемой СЭП была выбрана амплитуда управляющих импульсов 1 В. Данная амплитуда обеспечивает работу стабилизатора напряжения во всех режимах.
Таблица 1
Параметры СЭП
Параметр Значение
Мощность 2 000 Вт
Напряжение холостого хода СБ 93 В
Ток короткого замыкания СБ 36 А
В самом начале исследований мы столкнулись с проблемой, что слишком малое или слишком большое значение коэффициента заполнения также приводит к неработоспособности конвертера. Поэтому оптимальное зна-
Рис. 4. Принципиальная схема СЭП: Е - источник напряжения управляемый током (модель СБ);
RK - сопротивление кабельной сети; Lk - индуктивность кабельной сети; S1-S3 - ключевые элементы;
D - диод, Rb - балластное сопротивление; Cf - конденсатор (фильтр); RCf - активное сопротивление фильтра; Rdn - дежурная нагрузка; V2 - источник опорного напряжения; V3 и V4 - генераторы пилообразного напряжения; ИА - сопротивление нагрузки; CN - емкостная составляющая нагрузки; RC - активное сопротивление емкостной составляющей; Sn - ключевой элемент, имитирующий подключение активной нагрузки
чение данного параметра было установлено опытным путем. Для исследуемой СЭП оптимальное значение коэффициента заполнения - 0,35. Все дальнейшие исследования были выполнены с этим значением коэффициента заполнения.
Ниже приведены графики зависимостей показателей качества выходного напряжения от значений параметров СЭП (рис. 5, 6). Каждый рисунок демонстрирует зависимость показателей качества выходного напряжения от одного параметра СЭП, а другой параметр фиксируются на среднем значении интервала варьирования (табл. 2).
Таблица 2
Интервалы варьирования параметров
Параметр Интервал варьирования
Емкость выходного фильтра (фС) 0,01 - 0,06, Ф
Емкостная составляющая нагрузки (нС) 0,05 фС - 0,3 фС, Ф
600
У '
к
0
0 0, 0 Сф 0 0, 0, 06 0,08
ф
0В 10 СО
& 6
Ф
ф
0
0 0, 02 0, Сф 04 0, , Ф 06 0,08
Сф, Ф
Рис. 5. Зависимость показателей качества выходного напряжения от емкости выходного фильтра (Сф)
Основные результаты исследований можно сформулировать в тезисах.
1. Увеличение емкости выходного фильтра положительно сказывается на амплитуде пульсаций выходного
напряжения. При изменении емкости фильтра от 0,01 до 0,06 Ф амплитуда пульсаций уменьшается с 69 до 15 мВ.
Рис. 6. Зависимость показателей качества выходного напряжения от емкости выходного фильтра (Сн)
2. Увеличение емкости выходного фильтра увеличивает время регулирования. Время регулирования при этом изменяется от 131 до 489 мс.
3. Изменение емкости выходного фильтра не оказывает влияния на величину перерегулирования.
4. Емкостная составляющая нагрузки отрицательно сказывается на времени регулирования и на величине перерегулирования. При изменении емкости нагрузки от 5 до 30 % Сф время регулирования возрастает от 114 до 343 мс, а величина перерегулирования возрастает от 4,5 до 21 %. На амплитуду пульсаций данный параметр влияния не оказывает.
Сравнительный анализ полученных исследований с результатами исследований СЭП с шунтовыми секционными стабилизаторами напряжения (ШССН), описанными в [3], показал, что СЭП со стабилизатором напряжения вольтодобавочного типа «проигрывает» ШССН только по времени регулирования. В дальнейшем предполагается улучшить данный показатель путем введения в СЭП экстремального регулятора мощности СБ и системы коррекции обеспечивающей оптимальное быстродействие системы.
Описанная в статье СЭП КА со стабилизатором напряжения вольтодобавочного типа позволяет значительно снизить запас на деградацию СБ по оптимальному напряжению, что является определяющим фактором при проектировании СЭП КА с бортовым напряжением 100 В и более.
Библиографический список
1. Гордеев, К. Г. Критерии выбора схемы стабилизации напряжения солнечных батарей для систем электроснабжения космических аппаратов / К. Г. Гордеев, Ю. А. Ши-няков, А. И. Чернышев // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. XVII науч.-техн. конф. Томск : ФГУП НПЦ ПОЛЮС, 2006. С. 6-8.
2. Куцаров, С. Повышающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное / С. Куцаров [Электронный ресурс] / электрон. дан. Режим доступа: http://radioradar.net/ hand_book/documentation/preobraz.html. Загл. с экрана.
3. Лесных, А. Н. Автоматизированная система научных исследований для синтеза систем электропитания космических аппаратов / А. Н. Лесных, В. А. Сарычев // Вестник Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Ре-шетнева / под ред. проф. Г. П. Белякова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Вып.7. Красноярск, 2005. с. 48-53.
4. Поляков, С. А. Выбор режима работы солнечных батарей систем электропитания космических аппаратов/ С. А. Поляков // Электронные и электромеханические системы и устройства: тез. докл. XVII науч.-техн. конф. Томск : ФГУП НПЦ ПОЛЮС, 2006. С. 8-11.
A. N. Lesnykh, V. A. Sarychev
THE RESEARCH OF HIGH-VOLTAGE POWER SUPPLY SYSTEMS FOR SPACECRAFTS WITH BOOST CONVERTER
It is considered the problem of design of the high-voltage power supply systems for spacecrafts. It is proposed to use power supply system with boost converter that allows reducing degradation reserve ofsolar battery voltage. The proposed system was researched and the main system shortcomings were found and the ways of its elimination were set.
УЦК 630.36
E. H. Окладникова, E. В. Сугак ПЛАНИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
Рассматривается определение параметров системы технического обслуживания в зависимости от вида и назначения объекта, основной принцип назначения сроков технического обслуживания, решение задач оптимизации системы технического обслуживания по графу состояний технического объекта, использование экономикоматематических критериев для определения продолжительности работы объекта между отказами.
Эксплуатация или использование по назначению -самый длительный и ответственный период в жизненном цикле любого технического объекта, в течение которого он испытывает нагрузки различного вида и находится под воздействием внешних условий. В процессе эксплуатации проверяются технологии, методы и приемы, использовавшиеся на всех предыдущих этапах, выявляются их недостатки, проявляются скрытые дефекты конструкционных материалов, погрешности изготовления, сборки и монтажа.
Эксплуатация технической системы - непрерывный процесс, требующий планового и регулярного контроля и воздействия на объект в целом или на его составляющие и элементы, что должно обеспечивать его рабочее состояние и высокий уровень эксплуатационной надежности, который может быть обеспечен при решении двух основных задач: обеспечение нормальных режимов работы элементов и объекта в целом; прогнозирование индивидуального ресурса и назначение оптимальных регламентов эксплуатации. Решение первой задачи предусматривает разработку специальных мер, обеспечивающих снижение предельных режимов нагружения, изно-
са и старения, уменьшение динамических нагрузок. Решение второй задачи включает выбор оптимальной системы обслуживания, разработку системы контроля, диагностики, сбора и обработки информации о качестве функционирования, принятие оптимальных с точки зрения технико-экономических критериев различных этапов эксплуатации, повышение качества восстановления.
При планировании и оптимизации системы технического обслуживания и ремонта исходная информация может быть задана в виде функции вероятности безотказной работы Р(г) или отказа Q(t), плотности распределения наработки на отказ /(г) или интенсивности отказов 1(г).
В зависимости от вида и назначения объекта и вида отказов для определения параметров системы технического обслуживания используются различные методы. При рассмотрении объектов, у которых возможны только явные отказы, проводится полное восстановление работоспособности. Если в предшествующем периоде отказов не было, то обслуживание проводится через интервал времени или наработки т (рис. 1). Если до момента обслуживания был отказ, после которого работоспособ-
