CC BY
32
УДК 621.311.6:629.7.036.72 В. В. фЕДяНиН
DOI: 10.25206/1813-8225-2019-167-46-50 "
П. С. ЯЧМЕНЕВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
разработка
и ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИСТОЧНИКА
питания электродуговых
МИКРОДВИГАТЕЛЕЙ
для корректирующих
ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
В статье рассмотрен источник питания, предназначенный для электродуговых микродвигателей корректирующих двигательных установок малых космических аппаратов. Источник имеет гальваническую развязку и обеспечивает высокую энергоэффективность при согласованной нагрузке. Конструкция содержит двухтактный преобразователь со средней точкой, который охвачен цепью обратной связи по выходному току. Включенная последовательно в цепь индуктивность сглаживает пульсации тока, сформированные широтно-импульсным модулятором. Отсутствие накопительного конденсатора в выходной цепи позволило обеспечить быстрый отклик для регулировки ширины импульса в соответствии с изменениями сопротивления нагрузки. Результаты экспериментов подтвердили теоретический расчет и моделирование. В режиме стабилизации тока выходная мощность источника составила 40—120 Вт при входном напряжении 12—18 В.
Ключевые слова: широтно-импульсная модуляция, силовая электроника, электродуговой микродвигатель, двухтактный преобразователь, хаотическая ши-ротно-импульсная модуляция, дуговой разряд.
Введение. Созданные аммиачные корректиру- удельной мощности, силовая часть должна работать
ющие двигательные установки с электротермиче- на высокой частоте силовых транзисторов. Требо-
скими микродвигателями обладают удельным им- вания к маломощному источнику питания значи-
пульсом тяги до 250 с при потребляемой мощности тельно отличаются от требований к источнику пи-
до 100 Вт. Дальнейшее совершенствование аммиач- тания, предназначенному для мощных ЭДМД, тем,
ных корректирующих двигательных установок свя- что для стабильной работы необходимо достаточно
зано с созданием электродугового микродвигателя точно регулировать выходной ток и мощность. (ЭДМД) с удельным импульсом тяги более 300 с, При проектировании гальванически развязан-
при энергопотреблении до 100 Вт. ного источника питания ЭДМД важным выбором
В настоящее время разработкой ЭДМД занима- является выбор топологии. Классический подход
ются в США, Германии, Китае и т.д. [1—4]. Практи- для проектирования основывается на требуемом
чески все ЭДМД созданы для космических аппара- уровне выходной мощности, которая направлена
тов большой массы с высоким энергопотреблением на поддержание стабильной работы ЭДМД. Помимо
на ЭДМД. Проектирование ЭДМД с низкой потре- классического подхода влияют многие другие фак-
бляемой мощностью тесно связано с проектирова- торы, такие как размер, пульсации выходного на-
нием источника питания. пряжения, диапазон входного напряжения.
Управление ЭДМД малой мощности довольно Размер источника питания ЭДМД зависит глав-
широкое понятие, которое включает в себя набор ным образом от размера трансформатора и количе-
сложных функций необходимых для стабильной ра- ства используемых силовых транзисторов. боты в заданных режимах. Для достижения требу- При разработке источника питания для ЭДМД
емых характеристик необходимо тщательное иссле- были рассмотрены следующие топологии пре-
дование, разработка силовой части преобразовате- образователей: прямоходового, обратноходового
ля и системы управления. Следовательно, чтобы ис- и двухтактного со средней точкой. Приведенные
точник питания имел достаточно высокий уровень топологии источника питания ЭДМД можно клас-
Рис. 1. Имитационная модель источника питания для ЭДМД
сифицировать как однотактные или двухтактные в зависимости от использования кривой намагничивания. Если во время работы преобразователь работает в одном квадранте кривой намагничивания, топология классифицируется как однотактная, на которой основаны прямоходовой и обратноходо-вой источники питания. В противном случае, если преобразователь работает в двух квадрантах кривой намагничивания сердечника трансформатора, то топология классифицируется как двухтактная, на которой основан преобразователь со средней точкой.
Таким образом, выбранная двухтактная топология является наиболее оптимальной, позволяющая использовать сердечник трансформатора более эффективно. Из вышесказанного следует, что при разработке двухтактного преобразователя потребуется сердечник трансформатора меньшего размера по сравнению с однотактными преобразователями.
Процесс работы ЭДМД состоит из трех этапов:
1. Бесконтактное зажигание высоковольтным импульсом и установление основного устойчивого дугового разряда.
2. Поддержание разряда на заданном уровне выходного тока.
3. Прекращение работы ЭДМД.
Для обеспечения основного устойчивого дугового разряда необходимо разработать источник тока с крутопадающей вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Работа источника должна быть основана на принципе стабилизации и управления током дуги с помощью блока ШИМ и полупроводниковых транзисторов.
Известно, что режим горения дуги характеризуется силой тока I , напряжением и и длинной
дуги ^ дуги ^
дуги, а также взаимосвязью между ними. Следовательно, дуговой разряд в ЭДМД как потребитель энергии и источник питания образовывают взаимосвязанную энергетическую систему. Установлено, что напряжение дугового разряда при стабилизации зависит от расстояния между катодом и анодом и имеет линейный характер.
Теоретическая часть. Первая часть исследования была посвящена разработке имитационной модели в пакете МЛТЬЛБ приложении БшиНпк, показанная на рис. 1.
Имитационная модель состоит из силового трансформатора, двухполупериодной схемы выпрямления, пропорционально-интегрального регулятора, устройства сравнения для задания выходного тока и ШИМ-регулятора, выходного фильтра и нагрузки в виде ЭДМД. С целью упрощения имитационной модели сопротивление ЭДМД (Яд) было принято постоянным. Потому как реальная модель дуги ЭДМД достаточно сложна и должна включать физические и химические процессы, включая процессы конвекции, диффузии, ионизации и возбуждения, что является отдельной темой для исследования. Индуктивность вторичной обмотки высоковольтного трансформатора системы запуска ЭДМД учитывалась катушкой Ь .
Система запуска присутствует на опытном образце источника, но не включена в модель. Целью системы запуска является надежное включение основного дугового разряда через воздушный зазор ЭДМД. Замыкание цепи происходит путем перепрыгивания искры между катодом и соплом ЭДМД, что создает путь с низким сопротивлением для основного дугового разряда через ионизированный канал.
Чтобы получить ионизированный канал, необходимо приложить к зазору напряжение, превышающее потенциал пробоя.
Выходное напряжение источника питания электродугового двигателя определим по выражению:
и = —1-•ур • и ,
вых I 1вст вх'
и,
(1)
где w , ш2 — число витков первичной и вторичной обмотки трансформатора, у — коэффициент регулирования, поступающий на мод широтно-импульсного модулятора (ШИМ), писш — КПД источника электродугового двигателя, ивх — входное напряжение.
В режиме стафилизации ток, протекающий через дугу, пропорционален расходу рабочего тела. Источник питания электродугового двигателя гальванически развяоан и способен работать в режиме стабилизации тооа дуги [5].
Значение тока можно найти с помощью выражения:
• У • Рвс
В вых
Р„
(2)
где Яд — сопротивление оуги в установившемся режиме.
Таким образом, измфняя коэффивиент заполнения у — добиваумсл стабилизации тока дуги.
Величину ошибки по выходному току как отклонение текущего значенфе тока рт зауанного определяем по следующефу выружлнивс:
•В)фа 0еа.
ог р ог '
«5(4-
полагая, что
получим
о, = Л-п~Л-пе1 ,
И И1
У И е УЦе1 _ , _ И„ - 0 Де1 , Я ( О
-71- ф Лр--71- + в • 0 И ,
ог ог
Уп ф Уп-1 "п ФЛ°° - 0п-Я + л • В • о(в.
Gl(t) ф
G2 (а) =
М, ф 1 М, ф о
еслв ¡ШИМ(() И Уп если Шц^) < уп'
еслв ВШИММ) < -Уп асеп В1ШММ) И -Уп
(3)
ПИ-регулятор поддерживает требуемый ток дуги 1ут с помощью изменении величины коэффициент заполнения у ШИМ в oпpеделяeтcядтувхи ллаваемыми:
•
уеЛp■в(ИиЛi■|¡вB)•Ot, (4)
о
где кр, к, — коэффицфевты рртппр^грональной и интегральной сославлсющих (егулятора соответственно.
Продиффероицируем прелую и леаую ласви выражения
Экспериментальная часть. Для подтверждения правильности исследований на имитационной модели был разработан опытный образец источника питания для ЭДМД, представленный на рис. 2.
Источник питания функционирует в диапазоне от 40 до 120 Вт выходной мощности и 12—18 В входного напряжения. Для возбуждения основного дугового разряда в ЭДМД источник питания формировал импульсы высокого напряжения <5 кВ. Формирование импульсов высокого напряжения прекращалось при стабильной работе основного дугового разряда и возобновлялось при нестабильной работе.
(5)
(6)
(?)
Рис. 2. Источник питания ЭДМД
и
а
и
а
Ма ф 1
М а ф о
Окончаллльно полу—им:
Уп ф опе 1И(ЛрИл,-оо)-ВП- ¡Ср^Ви-м (8)
где уп — значфоиф ШИМ нв иелущвм повгеку у — значение ШИМ на гфедыфуе^м шагел—1; е? — ошибка по еыкодномо токф на текущимааге л; 8 — ошиСзка по выхо—ному току на предыдущем шаге п —1.
ШИМ-рекуиято— фм—ра—ионнеи меделп Д) М08РБТ1 (Оу и МСвРЕТ- (М2) описываетсУ следующими выражуни—мф [ал р-],
Треугооная фу—ма фесущей епстоты ШИ М представлена вуффукением!
0шу—(() ф ^п^та-ОВ), (9)
Ч8 9 \о Ч11 П
Рис. 3. Электродуговой микродвигатель: 1, 5 — гайка накидная; 2 — сопло; 3 — корпус; 4 — трубка (корундовая керамика); 6 — цанга; 7 — пружина; 8 — анод (торированный вольфрам); 9 — завихритель; 10 — катод (лантанированный вольфрам); 11, 13 — вставка электроизоляционная (фторопласт); 12 — трубопровод подачи рабочего тела
где — величинф ыеоущей частоты.
Поскольку амллитудп иолученоого зллчения больше единицы, нормимазуем амплитуду следующим образом:
Г ф ыео(Ищу П ■
с _ 0шяа(() ,
шка(((
(10)
Окончательно ШИ—-У—гнфл для аатепров силовых транзисторов оортфчной цепи найдем как:
Рис. 4. Разрез ЭДМД: 1 — катод; 2 — анод; 3 — завихритель; 4 — корпус; 5 — сопло; 6 — мгновенная дуга; 7 — анодное пятно
Г
Рис. 5. Пневмогидравлическая схема проведения испытаний: 1 — ЭДМД; 2 — манометр; 3 — регулятор давления; 4 — испаритель; 5 — электроклапан; 6 — фильтр; 7 — топливный бак; 8 — источник питания ЭДМД; 9 — лабораторный источник питания; 10 — вакуумная камера; 11 — корректирующая двигательная установка
11,% 80
70
60
50
40
30
1 - Эксперимент ---Моделирование / /
/ / / / / *
¿г + / /
У> / + *
40 50
60
70
80 90 100 Рвы*, Вт
Рис. 6. Зависимость эффективности источника питания от выходной мощности
Рис. 7. Зависимость эффективности источника от сопротивления ЭДМД как нагрузки
ЭДМД имел коническое сопло с диаметром критического сечения ¿=0,8 мм и диаметром среза сопла ¿с=2,0 мм (рис. 3).
Дуга образуется между катодом 1 и анодом 2. Под действием закрутки потока газа анодное пятно дуги перемещается по кромке отверстия в аноде по направлению, совпадающему с закруткой газа (рис. 4). В каждый определенный момент времени нагреву подвергается только часть анода, в месте расположения анодного пятна. Оставшаяся часть анода охлаждается истекающим газом.
На рис. 5 представлена пневмогидравлическая схема проведения испытаний источника питания. Экспериментальные исследования проводились в вакуумной камере с полезным объёмом 0,47 м3. Вакуумная система откачки создавала давление 6 Па перед включением и 60 Па при работе ЭДМД [8].
Результаты проведенных исследований. На рис. 6, 7 представлены энергетические харак-
теристики источника питания ЭДМД. Характеристики получены при разном сопротивлении ЭДМД в режиме стабилизации тока величиной I =
^ 1 дуги
= 1,5 — 2 А. Величина сопротивления устанавливалась с помощью изменения скорости потока газа и расстояния между соплом и катодом.
На рис. 8 представлена вольтамперная характеристика источника питания ЭДМД [9, 10]. Из рисунка видно, что напряжение дуги на ЭДМД уменьшается с увеличением тока и увеличивается со скоростью потока рабочего тела. В области установившегося режима работы ЭДМД наблюдаются хаотические флуктуации рабочей точки. Причиной этого служат импульсные помехи, созданные ШИМ, и нелинейность системы управления. Максимальный установленный ток в режиме короткого замыкания составил 7 А.
В результате экспериментальных исследований ЭДМД на аргоне при потребляемой мощности
О 0.5 1 1.5 2 2.5 1вых, А Рис. 8. Вольт-амперная характеристика ЭДМД
Рис. 9. Демонстрация работы ЭДМД
Рвых = 97 Вт подтверждена работоспособность путем визуализации устойчивой электрической дуги. Мгновенный столб дуги горит между острием катода и анодным пятном. За счет струи закрученного газа мгновенный столб дуги совершает кольцевое перемещение по внутренней кромке соплового отверстия анода. Происходит интенсивный местный нагрев анода в области текущего мгновенного положения анодного пятна. Поток газа частично нагревается в столбе дуги, а часть газа проходит вне столба дуги, охлаждает анод вне анодного пятна, а сам газ нагревается. Фотография демонстрации работы приведена на рис. 9.
Вывод. Прообраз источника питания ЭДМД подтверждает актуальность применения замкнутой системы управления током с быстрым откликом, которая используется для стабильной работы при малой мощности. В режиме стабилизации тока при изменяемой нагрузке источник функционирует в диапазоне мощностей от 40—120 Вт при входном напряжении 12—18 В.
Наибольшая энергоэффективность использованной топологии получена при сопротивлении нагрузки Кд = 25 Ом. Интегрированный высоковольтный преобразователь системы запуска позволил формировать импульсы высокого напряжения длительностью ^ = 10 мкс с амплитудой до 5 кВ, что обеспечивает надежный запуск ЭДМД.
Приведенный в работе прообраз источника питания ЭДМД не является законченным изделием и рассматривается как инструмент, предназначенный для экспериментальных исследований направленных на разработку надежной системы питания ЭДМД.
Библиографический список
1. Wollenhaupt B. L., Hammer A., Herdrich G. [et al.]. A Very Low Power Arcjet (VELARC) for Small Satellite Missions // 32nd Intern. Electric Propulsion Conf. (IEPC 2011), Sept. 11-15, 2011. Wiesbaden, 2011. 11 р.
2. Dropmann M., Ehresmann M., Pagan A. S. [et al.]. Low Power Arcjet Application for End of Life Satellite Servicing // Proc. 7th European Conf. on Space Debris, Apr. 18-21, 2017. Darmstadt, Germany. 2017. P. 18-21.
3. Sankovic J., Jacobson D. Performance of a Miniaturized Arcjet // 31st Joint Propulsion Conf. and Exhibit, July 10-12, 1995. California, 1995. P. 2822.
4. Tang H., Zhang X., Liu Y. [et al.]. Performance and preliminary life test of a low power hydrazine engineering design model arcjet // Aerospace Science and Technology. 2011. Vol. 15, Issue 7. P. 577-588. DOI: 10.1016/j.ast.2010.12.001.
5. Боязитов С. Ю., Вастрюков В. Ф., Деев В. Е. [и др.]. Система электропитания корректирующей двигательной установки малого космического аппарата // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 316, № 4. С. 97-101.
6. Федоров В. К., Федянин В. В., Федоров Д. В. Алгоритм формирования широтно-импульсной модуляции с несущей частотой в режиме детерминированного хаоса // Омский научный вестник. 2017. № 2 (152). С. 45 - 49.
7. Davari P. High frequency high power converters for industrial applications. Brisbane: QUT Thesis, 2013. 260 p.
8. Blinov V. N., Vavilov I. S., Fedynin V. V. [et al.]. Experimental investigations of nitrogen arcjet thruster with control unit for small spacecrafts // Journal of Physics: Conf. Series. 2019. Vol. 1210. P. 012019-1-012019-7. DOI: 10.1088/1742-6596/1210/1/012019.
9. Лисиенко В. Г., Лавров Н. Г., Близник М. Г. Моделирование сварочной и печной электрической дуги // Современные научные достижения металлургической теплотехники и их реализация в промышленности: сб. тр. конф. Екатеринбург, 2015. С. 378-386.
10. Pan W. X., Meng X., Huang H. J. [et al]. Effects of anode temperature on the arc volt-ampere characteristics and ejected plume property of a low-power supersonic plasma // Plasma Sources Science and Technology. 2011. Vol. 20 (6). P. 065006. DOI: 10.1088/0963-0252/20/6/065006.
ФЕДЯНИН Виктор Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрическая техника».
SPIN-код: 1728-1697 ORCID: 0000-0003-3126-9865 AuthorID (SCOPUS): 57194235343 ResearcherID: O-9899-2015
ЯЧМЕНЕВ Павел Сергеевич, аспирант кафедры
«Авиа- и ракетостроение».
SPIN-код: 4744-0940
ORCID: 0000-0003-3483-4321
AuthorID (SCOPUS): 57193405041
ResearcherID: P-5381-2016
Адрес для переписки: k13201@rambler.ru
Для цитирования
Федянин В. В., Ячменев П. С. Разработка и экспериментальные исследования источника питания электродуговых микродвигателей для корректирующих двигательных установок малых космических аппаратов // Омский научный вестник. 2019. № 5 (167). С. 46-50. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-16746-50.
Статья поступила в редакцию 02.07.2019 г. © В. В. Федянин, П. С. Ячменев
