CC BY
0
УДК 621.31
КОРРЕКЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗРЯДНОГО УСТРОЙСТВА ПО НАПРЯЖЕНИЮ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
А. А. Дружинин, А. В. Пучков
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: Alex-Druzh@mail.ru
Динамические свойства разрядного устройства аккумуляторной батареи, представляющего собой вольтодобавочный импульсный источник питания, зависят от напряжения аккумуляторной батареи. В данной работе проанализировано, как изменяются динамические свойства разрядного устройства от величины напряжения аккумуляторной батареи, и предложен метод избавления от этой зависимости.
Ключевые слова: импульсный преобразователь, разрядное устройство, корректирующее звено, система управления.
THE CORRECTION OF DYNAMIC PROPERTIES OF THE DISCHARGE UNIT
BY A VOLTAGE OF THE BATTERY
A. A. Druzhinin, A. V. Puchkov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: Alex-Druzh@mail.ru
The dynamic properties of the discharge unit (switched-mode power supply) depend on the voltage of the battery. In this work, we have analyzed how dynamic properties change from the battery's voltage and have offered the method of getting away from that dependence.
Keywords: Switched-mode power supply, discharge unit, correction factor, control system.
Бортовое оборудование, устанавливаемое на автоматические космические аппараты (АКА), непрерывно модернизируется, усложняется, а также улучшаются его характеристики. Вместе с этим повышаются требования к качеству электропитания, обеспечивающего работу бортовой аппаратуры. За обеспечение электроэнергией заданного уровня и качества на АКА отвечает система электропитания (СЭП). СЭП на солнечном участке орбиты формирует шину электропитания, используя энергию генерируемую батареями солнечными (БС), а на теневом участке АКА использует энергию аккумуляторных батарей (АБ) [1].
С целью поддержания напряжения шины электропитания АКА на постоянном уровне, а также для того чтобы обеспечить выполнение требований к динамическим характеристикам (требования к переходным процессам, выходному импедансу) при питании от АБ используются разрядные устройства (РУ) АБ. Для формирования шины питания на сегодняшний день в качестве РУ наиболее распространены импульсные преобразователи вольтодобавочного типа, такие как boost-converter [2]. Малосигнальная модель и передаточные функции (ПФ) преобразователя описаны и хорошо известны [3].
Секция «Автоматика и электроника»
( 5 ) =
С - ивш3 • (С- Я - 5 + 2)
С - Я - иаЬ2 + ивыг2 - С -1 - 5 + иот2 - С2 -1 - Я - 52
^ ( 5 ) =
1 5 ЦоыГ2 -1 Я - иаЬ ~ 5 - иаЬ2 - Я
2 - иоЫ
1 + 5 -
Я - С 2
- ПФ тока дросселя по коэффициенту заполнения сигнала управления транзистором (Э), WuI(s) - ПФ выходного напряжения по току дросселя. С - емкость конденсатора выходного фильтра, Ь - индуктивность дросселя, Я - сопротивление нагрузки.
Из ПФ объекта управления видно, что динамические свойства РУ зависят от напряжения АБ. Во время нахождения АКА в тени, напряжение АБ изменяется в широких пределах, что приводит к изменению динамических свойств РУ, в частности, к изменению параметров переходного процесса, и как следствие, к необходимости увеличения ёмкости выходного фильтра, что в свою очередь ведет к увеличению массы энергопреобразующей аппаратуры и снижению удельных характеристик. Функциональная схема системы управления РУ АБ представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Функциональная схема системы управления РУ АБ
Система управления РУ АБ представляет собой двухконтурную систему автоматического регулирования, содержащую внутренний контур управления по среднему току дросселя и контур управления по выходному напряжению, задающий уставку внутреннему токовому контуру. Регулятор контура напряжения, как правило, настраивается на наибольшее напряжение АБ.
Было проведено исследование динамических свойств обоих контуров управления для рабочих точек с различными напряжениями АБ методом Логарифмических амплитудно-фазовых частотных характеристик, в результате чего были сделаны следующие заключения:
- несмотря на то, что от напряжения АБ зависят постоянные времени нулей и полюсов ПФ ^^го^), изменение напряжения АБ не приводит к значительным изменениям частот среза и запасов по фазе контура управления по среднему току.
- ПФ WUI(s) содержит пропорциональное звено, коэффициент которого прямо пропорционален напряжению АБ, в результате чего с изменением напряжения АБ изменяется и частота среза, и запасы по фазе контура управления по напряжению шины.
Из полученных результатов следует, что для того, чтобы избавиться от зависимости динамических свойств РУ АБ от напряжения АБ необходимо последовательно с регулятором контура напряжения ввести корректирующее звено, на рисунке 1 оно выделено пунктиром. Коэффициент передачи этого звена равен отношению пропорционального компенсирующего коэффициента к напряжению АБ: К = Ксотр / иАв.
Было проведено моделирование в среде Matlab Simulink вольтодобавочного преобразователя (boost converter) с дополнительным звеном коррекции и без него. Моделирование проводилось для напряжений 62 В и 94 В. Для оценки динамических свойств выполнялось ступенчатое изменение нагрузки с 200 до 800 Вт, и с 800 до 200 Вт. Результат представлен на рисунке 2.
Рис. 2. а) - моделирование переходных процессов в преобразователе; в) - без дополнительного звена коррекции; б), г) - с дополнительным звеном коррекции
Моделирование подтвердило, что предложенный метод компенсации зависимости динамических свойств РУ АБ от текущего напряжения АБ эффективен, и позволяет получать одинаковые параметры переходных процессов во всём диапазоне изменений напряжения АБ.
Библиографические ссылки
1. Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев. - Новосибирск: ВО «Наука», 1994. - 318 с.
2. Batarseh Issa, Harb Ahmad. Power Electronics. Springer International Publishing, 2018 - 677
P.
3. Tuevo Sunito, Tuomas Messo. Joonas Puukko. Power Electronic Converters: Dynamics and Control in Conventional and Renewable Energy Applications. Wiley, 2017 - 707 p.
© Дружинин А. А, Пучков А. В, 2021
