CC BY
32Решетневскуе чтения. 2017
УДК 629.78.064.5
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
М. В. Нестеришин, Р. В. Козлов, А. В. Журавлев*
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: zhuravlev@iss-reshetnev.ru
Дается обоснование и определение энергетических параметров энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА) таких как коэффициент передачи мощности (КПМ) и собственное потребление. Описывается методика определения КПМ и собственного потребления ЭПА.
Ключевые слова: коэффициент полезного действия, коэффициент передачи мощности, собственное потребление, энергопреобразующая аппаратура, система электропитания космического аппарата.
SPECIFYING THE POWER PARAMETRES OF THE SPACECRAFT POWER CONDITIONING UNITS
M. V. Nesterishin, R. V. Kozlov, A. V. Zhuravlev*
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: zhuravlev@iss-reshetnev.ru
This article describes the substantiation and specification of a spacecraft electric power conditioning units (PCU) and power parameters such as the power transfer factor (PTF) and the own power consumption. PTF specification and PCU own power consumption methods are described.
Keywords: efficiency factor, power transfer factor, power conditioning units, own power consumption, spacecraft electric power system.
Традиционно применяемый, в том числе и для оценки характеристик ЭПА, параметр «КПД» определён как отношение выходной полезной мощности прибора или устройства к его входной (потребляемой) мощности. При этом значение этого параметра зависит от значений входной (выходной) мощности, а также значений напряжений/ токов. График параметра имеет существенно нелинейный вид. Использование нелинейной зависимости КПД от мощности устройства приводит как к усложнению практических инженерных расчетов, так и методики сравнительного анализа различных образцов ЭПА.
Энергетический анализ КА предполагает проведение энергетических расчетов, в соответствии с циклограммой нагрузки, в широком диапазоне нагрузок соответствующих силовых узлов. Для проведения таких расчетов линейная модель гораздо удобнее, чем подпор значений КПД для каждого силового узла при разных значениях мощности. В связи с этим предложено применить комплекс параметров «коэффициент передачи мощности узлов ЭПА (КПМ) и собственное потребление ЭПА (РСОБ)» взамен КПД ЭПА (узлов ЭПА).
Коэффициент передачи мощности силового регулятора - это отношение суммы выходной полезной мощности передаваемой в нагрузку и мощности собственного потребления регулятора к поступающей на вход силового регулятора мощностью КПМ = (РВЫХ -
- РСОБ) / РВХ.
Собственное потребление регулятора - это сумма мощности собственного потребления регулятора, которая не зависит (слабо зависит) от значения мощности нагрузки (а также входной мощности и соотношения входных и выходных напряжений), и мощности потребления схемы управления и вспомогательных устройств, обеспечивающих работу регулятора (например, ВИПов, автоматики и др.): РСОБ = РВИП + РРЕГ.
При этом значения параметров КПМ и РСОБ являются константами линейного уравнения и не зависят от значения выходной мощности. Возможность применения линейной модели ЭПА объективно обеспечивает соответствие достигаемой точности стандартному критерию инженерных расчетов, при которых ошибка расчета не превышает 3 %.
Линейная модель ЭПА строится на предположении, что потери электроэнергии в ЭПА состоят из двух частей:
- собственное потребление ЭПА, независимое от входной/выходной мощности (потребление схем контроля и управления);
- потери мощности в силовых узлах, линейно зависящие от выходной мощности узла.
Расчет КПМ и собственного потребления ЭПА проводится для основного расчётного случая энергобаланса КА - нулевого виткового (суточного) энергобаланса.
Космическое и специальное электронное приборостроение
РН100 РН27
АБ
Мощностная модель ЭПА: КСН100 - КПМ СН100; КсН27 - КПМ СН27; КЗУ - КПМ зарядного устройства; КРУ - КПМ разрядного устройства; РСОБ - собственное потребление ЭПА; РБС - мощность БС; РЗАР -мощность заряда АБ; РРАЗ - мощность разряда АБ
Результаты расчета КПМ силовых узлов и собственного потребления КАС
Параметр КСН100 КЗУ Кру КСН27 Рсоб, Вт
Значение 0,9797 0,9669 0,9790 0,9703 68,98
Стандартная ошибка ст 0,0004 0,0011 0,0010 0,0016 2,16
В данном случае ЭПА функционирует в следующих режимах:
- разряд АБ при прохождении тени Земли;
- разряд АБ из-за недостатка мощности БС;
- заряд АБ, в остальное время витка (суток).
Исходя из вышесказанного, графически мощностная модель ЭПА, на примере КАС-762, представлена на рисунке. Такая схема может быть описана линейной функцией.
На основании графической модели (см. рисунок) может быть составлено уравнение баланса мощностей:
РН100 = РБС ■ КСН100 - РЗАР ■ КСН100 / КЗУ -
- РН27 / КСН27 + РРАЗ Х КРУ - РСОБ . (1)
На основании структурной схемы рисунка необходимо составить математическое уравнение в таком виде, который позволит обработать экспериментальные данные:
У = К1 ■Х1 + К2-Х2 + Кз^Хз + К4-Х4 + Ь, (2)
где У - зависимая переменная, представляющая собой матрицу экспериментальных данных размерностью [М; 1], где N - количество измерений: Х1 - независимые переменные, формализованные как матрица экспериментальных данных размерностью [М; 4], / = 1...4; К - искомые константы линейного уравнения, I = 1...4; Ь - искомая постоянная линейного уравнения.
В каждую строку матриц [У] и [Х] должны заноситься значения зависимой и независимых переменных, которые получены экспериментально в соответствующем установленном режиме работы ЭПА.
Искомые значения КПМ узлов ЭПА и собственного потребления ЭПА могут быть вычислены после определения коэффициентов линейного уравнения путем сравнения выражений (1) и (2) следующим образом:
КСН100 = К1; КСН27 = -1 / К2;
Кзу = -К / К4; КРУ = К3; РСОБ = -Ь. (3)
В соответствии с приведенной выше методикой проведен расчет значения КПМ и собственного потребления КАС-762. Для определения КПМ основных силовых элементов КАС-762 использовались результаты измерений, полученные по результатам работы с КАС-762 в АО «НПЦ «Полюс» по исходным данным АО «ИСС».
Результаты расчета КПМ силовых узлов, собственного потребления КАС, а также значения стандартных ошибок для указанных параметров представлены в таблице.
Погрешность аппроксимации экспериментальных данных мощности нагрузки по приведенной методике не превышает ±25,5 Вт (±3с) или менее 0,54 % относительно максимального уровня мощности нагрузки.
Аналогичные результаты, ошибка аппроксимации менее 0,6 % по уровню 3 с, получены по результатам испытаний еще четырех образцов ЭПА других типов. Это подтверждает применимость линейной модели ЭПА с использованием КПМ узлов ЭПА и собственного потребления ЭПА взамен классического КПД ЭПА.
Дополнительным преимуществом применения линейной модели является наличие стандартных средств оценки статистических погрешностей, и как следствие строгое и обоснованное задание проектных запасов.
Таким образом, дано понятие коэффициента передачи мощности и собственного потребления ЭПА позволяющих производить качественное сравнение различных типов ЭПА. Представленная методика определения коэффициентов передачи мощности узлов ЭПА и собственного потребления ЭПА используется для оценки энергетических параметров ЭПА.
Авторы выражают благодарность сотрудникам АО «НПЦ «Полюс» Солдатенко В. Г. и Рачипе А. Н. за помощь в получении экспериментальных данных и за плодотворное обсуждение результатов анализа.
© Нестеришин М. В., Козлов Р. В., Журавлев А. В., 2017
