CC BY
56
УДК 629.7
В. С. Тарасов, А. А. Лизунов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С КОМПЛЕКСОМ АППАРАТУРЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ
Приведено моделирование динамических режимов работы системы генерирования электроэнергии с комплексом аппаратуры регулирования и контроля.
E-mail: vpk@npomash.ru
Ключевые слова: космический аппарат, система генерирования электроэнергии, аппаратура регулирования и контроля, моделирование.
Освоение и исследование космоса требуют постоянного развития и совершенствования космических аппаратов (КА) и систем, в том числе системы генерирования электроэнергии (СГЭ). Во многом выполнение полетной программы КА зависит от надежности и эффективности работы СГЭ. Один из важнейших этапов создания нового КА — его компоновка и разработка [1,2].
Система генерирования энергии с комплексом аппаратуры регулирования и контроля (АРК) представляет собой нелинейную импульсную систему, исследование которой на устойчивость и качество переходных процессов аналитическими методами представляется очень трудоемкой задачей. В связи с этим наиболее целесообразным в настоящее время методом исследования динамических режимов таких систем является метод моделирования [3].
Принципиальная электрическая схема СГЭ с комплексом АРК, работающая на импульсную активно-емкостную нагрузку в режиме разряда аккумуляторной батареи приведена на рис. 1
На рис. 1 показаны: первичный источник — солнечная батарея БС; вторичный источник — аккумуляторная батарея АБ; дроссель — L; задающий генератор — ЗГ, вольтодобавочное устройство, состоящее из мостового инвертора И3, трансформатора T1 и диодов VD1, VD2.
Дроссель L и вольтодобавочное устройство входят в состав комплекса АРК. Кроме того, в состав комплекса входят корректирующий контур, состоящий из трансформатора T2 конденсатора C и резистора R', управляющее устройство, состоящее из двух инверторов И1 и И2, один из которых (И1) включен параллельно шинам АРК, а другой — через корректирующий контур и выходной фильтр АРК СА.
Параметры этих элементов следующие: индуктивность L = 3 мкГн, k\ = 0,7 и k2 = 4 — коэффициенты трансформации трансформаторов
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема СГЭ
Т1 и Т2; С' = 2640 мкФ — конденсатор; Я' = 2,1 Ом — резистор; Са = 0,12 Ф — выходной фильтр.
Импульсная нагрузка состоит из фильтра Сн, сопротивления нагрузки ЯН и контактора £, при замыкании которого формируется постоянная составляющая тока нагрузки /н.п, сопротивления Я" и ключевого элемента УТ1, управляемого ЗГ, с помощью которых формируется импульсный ток нагрузки определенной амплитуды, частоты и длительности импульсов.
Суммарное активное сопротивление Я^ = 0,03 Ом включает в себя активное сопротивление дросселя Ь, активные сопротивления обмоток трансформатора Т1, сопротивления диодов У В1 и У В 2 и внутренние сопротивление АБ.
На рис. 1 также показаны ЯСа = 0,0001 Ом — активное сопротивление подводящих проводов цепи фильтра СА; Яс.н = 0,0005-0,002 Ом — активное сопротивление подводящих проводов цепи фильтра Сн; Ьш = 4 мкГн — индуктивность шины, соединяющей выход АРК и импульсную нагрузку; Яш = 0,001 Ом — активное сопротивление шины, соединяющей выход АРК и импульсную нагрузку; иА — напряжение на выходе АРК; ин — напряжение нагрузки; /бс и /аб — ток солнечной и аккумуляторной батарей; 1ш и 1н — ток шины и нагрузки.
Схема моделирования управляющего устройства, состоящего из двух инверторов И1 и И2, охваченных синхронизирующей связью, показана на рис. 2.
На рис. 2 также приведены характеристики инверторов И1 и И2 (а0 = 2200 Гц — номинальная частота переключения инверторов И1 и И2; и0 = 28 В — номинальное напряжение). С помощью блоков 1-6, 17, 18, 60-64 моделируются инверторы И1 и И2, а при использовании блоков 65-76, 7-16 — синхронизирующие связи между инверторами.
Рис. 2. Схема моделирования управляющего устройства СГЭ
Для моделирования силовой части СГЭ запишем следующую систему уравнений:
^б.с + 1&.б = 1';
I' = 1оА + 1ш;
1ш = 1Сн + 1н;
- О1а.б
UА — ICA RCA +
Сса1
IcA dt — иа.б — 1а.б RT — L-
dt '
и А = Ь '+ 1ш Я + ин; оЬ
ин = 1сн Ясн + [ 1сн ОЬ = 1н Ян
Моделирование силовой части СГЭ осуществлялось на основе данной системы уравнений в программной среде МаШЬаЪ. Схема моделирования представлена на рис. 3.
С помощью блока 81 задается ток первичного источника 1б с. В блоке 82 осуществляется операция 1Са = 1бс + 1аб--1ш. С помощью блока 83 задается величина, обратная емкости СА. Блок 96
осуществляет операцию интегрирования иСА = J(1Са/СаБлоком 97 задается сопротивление ЯСа. На выходе блока 84 получаем иА = 1СаЯСа + J (1Са/Сса)ОЬ. В блоке 89 осуществляется операция 1Сн = 1ш — 1н. С помощью блока 90 задается величина, обратная емкости Сн. С помощью блоков 122 и 123 задается сопротивление ЯСн.
В блоке 121 осуществляется операция иСн = [ (1Сн/СнНа выходе
Рис. 3. Схема моделирования силовой части СГЭ
блока 91 получаем: ин = /СнЯСн + у (1Сн/СС помощью блоков
57, 55, 117, 118, 15 моделируется импульсная нагрузка с определенной частотой, скважностью и амплитудой. В блоке 92 осуществляется операция иш = иА — ин — 1шЯш. С помощью блока 94 задается величина, обратная Ьш, и на выходе блока 95: 1ш = J (иш/Ьш)М. С
помощью блока 93 задается сопротивление Яш. С помощью блоков 110-116, 119, 120 моделируется работа корректирующего контура с учетом насыщения трансформатора Т2. С помощью блока 88 задается напряжение аккумуляторной батареи. Блок 98 выполняет роль инвертора И3. С помощью блока 99 задается коэффициент трансформации трансформатора Т1, а блоки 15,101,102,108 моделируют работу диодов У Б1, У Б2. На выходе блока 103 получаем величину иь = иа б + ив/д — иА — 1а.бЯ^. В блоке 104 задается величина, обратная индуктивности дросселя, а в блоке 107 осуществляется операция
интегрирования /аб = J (и^/Ь)б:Ь. С помощью блока 109 задается
сопротивление Я^. Блоки 40, 42, 43, 44 и 45 моделируют фильтр сред-
них значений, на выходе блока 44 получаем величину 1АБср за период коммутации инверторов И1 и И2.
Следует отметить, что все параметры заданы с учетом того, что система состоит из четырех одинаковых подсистем.
Соединив соответствующим образом модель управляющего устройства и модель силовой части, получим общую модель СГЭ, работающую на импульсно-емкостную нагрузку в режиме разряда АБ.
На рис. 4 приведены осциллограммы токов нагрузки, шины и одной АБ, ее напряжений на выходе АРК и нагрузки, построенные с помощью модели СГЭ, а на рис. 5 — те же осциллограммы, полученные экспериментальным путем. Большое расхождение между токами !а.бтах и 1а.бтт по результатам эксперимента и моделирования, объяс-
Рис. 4. Результаты моделирования СГЭ на ПЭВМ при 1бс = 0, 7ни = 400 А, Сн = 3 Ф, f = 80 Гц, 7 = 2
Рис. 5. Результаты экспериментальных исследований СГЭ
няется тем, что модель не учитывает неравномерности распределения токов из-за различной степени заряженности АБ в подсистемах.
На рис. 6 и 7 приведены осциллограммы токов и напряжений для режима /б.с = 200 А, /н.и = 400 А, Сн = 3 Ф, / = 80 Гц, 7 = 2. От предыдущего случая этот режим отличается тем, что /б с = 200 А. Как видно из сравнения рис. 4 и 6 (результаты моделирования на ПЭВМ) или рис. 5 и 7 (результаты экспериментальных исследований) увеличение тока /б с от нуля до 200 А приводит к увеличению пульсаций напряжения на выходе АРК и снижению пульсаций токов шины и АБ.
Рис. 6. Pезультаты моделирования СГЭ на ПЭВМ при /бс = 200 A, 1н и = 400 А, Сн = 3 Ф, f = 80 Гц, 7 = 2
На рис. 8 (результаты моделирования) и рис. 9 (результаты эксперимента) представлены осциллограммы токов и напряжений в системе при увеличении амплитуды импульсного тока нагрузки до /н и = 600 А. Из сравнения рис. 4 и 8 (см. рис. 5 и 9) видно, что увеличение возмущающего воздействия (тока нагрузки) при неизменных других параметрах системы приводит к увеличению пульсаций напряжений на выходе АРК и нагрузки и к увеличению пульсаций шины /ш. При этом также увеличиваются и средние значения токов 1ш и /аб.
Одним из способов уменьшения пульсаций напряжений и токов является увеличение емкости фильтра Сн.
Таким образом, в результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
Рис.7. Результаты экспериментальных исследований СГЭ при 1бс = 200А, Iни = 400 А, Сн = 3 Ф, f = 80 Гц, 7 = 2
1. Увеличение амплитуды импульсного тока нагрузки (возмущающего воздействия) приводит к росту пульсаций токов и напряжений.
2. Увеличение тока первичного источника на данных режимах работы СГЭ приводит к росту пульсаций на выходе АРК и к уменьшению пульсаций токов АБ.
3. При уменьшении частоты импульсной нагрузки от 120 до 40 Гц пульсации напряжений и токов несколько увеличиваются, однако резонансного пика пульсаций в диапазоне частот / = 40-50 Гц не наблюдается, что объясняется действием фильтра Сн.
Рис. 8. Pезультаты моделирования СГЭ на ПЭВМ при Iбс = 0, Iни = 600 А, Сн = 3 Ф, f = 80 Гц, 7 = 2
4. Возможными способами уменьшения пульсаций напряжений и токов в системе следует считать: увеличение емкости фильтра нагрузки Сн (Сн = 3 Ф); применение индуктивно-емкостного фильтра (Ьш — Сн-фильтра), причем пульсации напряжений и токов будут уменьшаться при увеличении Сн и Ьш, (значение Ьш подбиралось экспериментальным путем); уменьшение активного сопротивления цепи фильтра нагрузки Лс.н; комбинации вышеперечисленных способов.
В настоящее время специалистами ОАО "ВПК "НПО машиностроения" модифицирован стенд системы электропитания (С-312), на кото-
200 -
0 I------^
t, MC
£/дЖ 28,2 28,0 27,8 27,6 27,4
Г
350 300 250 200!
qT_I_I_i_i_i_^
t, мс
Рис. 9. Результаты экспериментальных исследований СГЭ при /б.с = 0, 1н.и = 600 А, Сн = 3 Ф, f = 80 Гц, y = 2
ром будут продолжены исследования нелинейности характеристик системы СГЭ малых космических аппаратов, исследованы динамические и статические характеристики устойчивости системы к воздействию импульсной нагрузки на штатных, нештатных и аварийных режимах эксплуатации.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы" (Государственный контракт № П608 от 06.08.09).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Туманов А. В., Зеленцов В. В., Щеглов Г. А. Основы компоновки бортового оборудования космических аппаратов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010.
2. С а в е н к о в В. В. Проблемные вопросы разработки приборов для высоковольтной системы электроснабжения российского сегмента Международной космической станции // Энергия. - 2000. - № 2. - С. 26-30.
3. Наказненко М. Н. Математическое моделирование электрохимических накопителей в составе системы генерирования энергоснабжения // Авиационно-космическая техника и технология. - 2009. - № 9. - С. 182-186.
Статья поступила в редакцию 27.01.2011
Андрей Аркадьевич Лизунов родился в 1953 г., окончил МВТУ им. Н.Э. Баумана в 1986 г. Канд. техн. наук, начальник расчетно-конструкторского и экспериментально-исследовательского отдела систем электропитания ОАО "ВПК "НПО машиностроения". Специалист в области систем электропитания и альтернативной энергетики.
A.A. Lizunov (b. 1953) graduated from the Bauman Moscow Higher Technical School in 1986. Ph. D. (Eng.), head of design-construction and experiment-research department for electric power supply systems of OAO "VPK "NPO mashinostroeniya". Specializes in the field of electric power supply systems and alternative power engineering.
Вячеслав Сергеевич Тарасов родился в 1985 г., окончил Московскую государственную академию водного транспорта в 2005 г. и Брестский государственный технический университет в 2008 г. Аспирант, инженер расчетно-конструкторского и экспериментально-исследовательского отдела систем электропитания ОАО "ВПК "НПО машиностроения". Специализируется в области систем электропитания и альтернативной энергетики.
V.S. Tarasov (b. 1985) graduated from the Moscow State Academy of Water Transport in 2005 and the Brest State Technical University in 2008. Post-graduate, engineer of design-construction and experiment-research department for electric power supply systems of OAO "VPK "NPO mashinostroeniya". Specializes in the field of electric power supply systems and alternative power engineering.
