Сравнительный анализ нагрузочных устройств с рекуперацией в сеть постоянного Тока1[2] Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.3.34

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ В СЕТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА1

А. С. Федченко, Д. К. Лобанов, Р. В. Балакирев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: alek.fedchenko@gmail.com

Рассматриваются структуры нагрузочных устройств комбинированного типа для испытаний энергосистем космических аппаратов с индуктивным и емкостным входом, проведён анализ входных импедансов при различных структурах устройств.

Ключевые слова: нагрузочное устройство, системы электропитания, импульсный преобразователь.

ANALYSIS OF DC RECOVERY TYPE ELECTRONIC LOADS

A. S. Fedchenko, D. K. Lobanov, R. V. Balakirev

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: slhmmr@gmail.com

Structures of DC recovery type electronic loads for spacecraft power supply system testing with inductive and capacitive inputs is considered, analysis of input impedances of various structures is presented.

Keywords: electronic load, power supply systems, switched-mode converter.

Для испытаний энергосистем космических аппаратов (КА) используются наземные испытательные комплексы, предназначенные для имитации различных режимов работы энергосистем КА. Обеспечение необходимых нагрузочных характеристик обеспечивается нагрузочным устройством комбинированного типа (НУК), который представляет собой последовательно включенные непрерывный стабилизатор тока (НСТ) и импульсный стабилизатор тока (ИСТ). Для повышения КПД за счёт уменьшения тепловых потерь, используется схема подключения, в которой выход ИСТ подключается параллельно с выходом входного выпрямителя-стабилизатора [1].

Исследование импульсных преобразователей в составе комплекса для испытания аккумуляторных батарей, обладающих структурой, схожей с НУК, [2] выявило ряд отличительных особенностей ИСТ на основе повышающих и понижающих преобразователей [3]:

- различия в мощностях элементов входного и выходного фильтра ввиду наличия пульсаций по входному току (повышающий преобразователь) или по входному напряжению (понижающий преобразователь);

- различная технология создания силового трансформатора.

Для анализа различных топологий ИСТ были созданы линеаризованные математические модели повышающего и понижающего преобразователей, позволяющих сделать вывод о различных динамических характеристиках ИСТ, в частности - характере входного адмиттанса (рис. 1).

На основе линеаризованных математических моделей можно произвести анализ чувствительности адмиттансно-частотной характеристики (АдЧХ) от параметров преобразователя. Повышающий и понижающий ИСТ выполнен по мостовой схеме, в основой которого является силовой трансформатор мощностью порядка 1,5 кВт. В связи этим, наибольший интерес при проектировании НУК представляет коэффициент трансформации, влияние которого на АдЧХ показано на рис. 2.

1 Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0082).

Секция «Автоматика и электроника»

лисэп($)

-Н^}

гп(з} -:;-

ли,

МШ

ДиЫ

б

Рис. 1. Линеаризованные функциональные схемы для режима малых приращений

импульсных преобразователей: а - повышающего типа; б - понижающего типа. ДиСЭП(5) - входное напряжение НУК; ДиС(8) - напряжение на выходном конденсаторе; А1рек(8) - ток рекуперации; Д1Ь(в) (Д1ИСТ^)) - входной ток НУК; Д2СЭП^) - внутренний импеданс испытываемой системы электропитания; Д2п(б) - импеданс проводов; Д2с(б) -адмиттанс выпрямителя-стабилизатора; - сопротивление дросселя; иИП* - постоянная

составляющая входного напряжения; иС* - постоянная составляющая выходного напряжения; 1ь* - постоянная составляющая входного тока; у* - постоянная составляющая коэффициента заполнения; Кдт - коэффициент датчика тока; Кшим - коэффициент широтно-импульсного модулятора; Wус(s) - ПФ усилителя-сумматора; п - коэффициент трансформации; Ь - индуктивность (а) входного дросселя, (б) выходного дросселя;С -емкость (а) выходного конденсатора, (б) - входного конденсатора

В обоих случаях (топологии повышающего и понижающего типов) ИСТ проявляют активно-емкостной характер на частотах до 1 МГц, после 1 МГц проводимость уменьшается за счёт индук-тивностей проводов. Кроме того, в обоих случаях коэффициент преобразователя оказывает значительное влияние на ширину участка активного характера адмиттанса.

С точки зрения ширины активного участка АдЧХ, наиболее выгодным для повышающего является ситуация, когда коэффициент трансформации является большим, однако, большой коэффициент приведёт к большим выбросам напряжения на транзисторах силового моста, что приведёт к удорожанию устройства, а также усложнит конструкцию силового трансформатора. В случае понижающего преобразователя, меньший коэффициент будет способствовать выбросам тока на транзисторах, что также ведёт к удорожанию устройства.

а

20*!д(Г), См —1 Н4 +4W — 0 ч ьн -он 1 —1 D н-н- 4W — 1 о3 Ь-Н 44W 1 —1 О4 Ь-Н 4-НН ] ■ — О5 н- н-нн In —1 ffi V- -н ■4W ] ■ -ч о7 1 IIIIII II

100 Л = 3

п = 1

Н = 0 5 - L*f л И

а

10я

б

Рис. 2. АдЧХ ИСТ от коэффициента трансформации п при постоянном стабилизируемом входном токе при ИСТ (а) повышающего типа, (б) понижающего типа

Библиографические ссылки

1. Пат. на полезную модель №154432 Российская Федерация, МПК7 H03M1/08. Комплекс для наземных испытаний систем электропитания космических аппаратов / Е. А. Мизрах, Н. В. Штабель, Р. В. Балакирев, Д. К. Лобанов, А. С. Федченко ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО СибГАУ им. академика М. Ф. Решетнева. № 201509968/28 ; заявл. 20.03.15. ; опубл. 27.08.15.

2. Копылов Е. А., Лобанов Д. К., Федченко А. С. Исследование динамических свойств зарядно-разрядного модуля для электрических испытаний литий-ионных аккумуляторов // материалы XIX Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 55-летию Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева (10-14 нояб. 2015, г. Красноярск) : в 2 ч. Красноярск, 2015. Ч. 1. С. 604.

3. Accounting for Input Limitation in the Control of Buck Power Converters / Fadil H. E., Giri F., Chaoui F. и др. // IEEE Transactions on Circuits and Systems. 2009. № 6(54). С. 1260-1271.

© Федченко А. С., Лобанов Д. К., Балакирев Р. В., 2016