CC BY
40<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК 629.7.064.54
УНИФИЦИРОВАННЫЙ МОДУЛЬ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ МАЛОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
В. И. Апасов
АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634041, г. Томск, npjcg. Кирова, 56 «в» E-mail: [email protected]
Рассмотрена возможность применения комбинированного преобразователя напряжения и построения унифицированного силового модуля системы электропитания малого космического аппарата. Разработана математическая модель преобразователя. Проведены математические и практические эксперименты. Получены осциллограммы выходного напряжения.
Ключевые слова: система электропитания малого космического аппарата, комбинированный преобразователь напряжения, математическая модель, нелинейная динамика, коммутационная функция.
UNIFIED SYSTEM POWER MODULE OF SMALL SPACECRAFT
V. I. Apasov
SC «Scientific & Industrial Centre «Polyus» 56 «v», Кгоуа Av., Tomsk, 634041, Russian Federation E-mail: [email protected]
This paper discusses the possibility of using a combined voltage converter and the building of a unified power system of the power module of small spacecraft. A mathematical model of the converter is developed. The mathematical and practical experiments are implemented. Waveform of the output voltage is received.
Keywords: power system of small spacecraft, combined voltage converter, mathematical model, nonlinear dynamics, switching function.
Введение. В настоящее время все большее применение находят малые космические аппараты (КА), что обусловлено их более низкой ценой в сравнении с крупногабаритными, меньшими сроками изготовления, а также упрощенными алгоритмами работы. Поэтому довольно актуальной задачей является разработка для подобных КА систем с высокими удельными характеристиками. На настоящий момент имеется тенденция снижения массогабаритных показателей энергетических систем КА. Так, зарубежными аэрокосмическими компаниями заявлено о достижении уровня энергоэффективности около 600 Вт/кг. Подобные показатели можно получить различными способами. Во-первых, применением в составе систем электропитания КА преобразователей с высокими удельными характеристиками (резонансных, с «мягкой» коммутацией). Во-вторых, уменьшением массы конструкции системы (за счет применения композитных и других материалов с низкой плотностью вещества). В-третьих, унификацией ее основных частей благодаря тому, что различные задачи решаются одними и теми же модулями. Для систем электропитания КА такой подход заключается в применении унифицированного силового модуля, способного работать при различных входных и выходных параметрах.
Постановка задачи. Особенностью работы этих систем является нестабильность параметров входных источников. Так, в граничных режимах может возникнуть ситуация, при которой напряжение входного источника (например, фотоэлектрической или акку-
муляторной батареи) будет меньше по номиналу, чем требуемое выходное напряжение нагрузки при состоянии, обратном исходному. Поэтому обязательным условием является работа унифицированного силового модуля при различных соотношениях входного и выходного напряжения. В качестве основы для его построения может использоваться комбинированный преобразователь (рис. 1), который обеспечивает на выходных шинах напряжение по номиналу как выше, так и ниже входного при сохранении полярности (в отличие от инвертирующего импульсного преобразователя) [1].
На представленной схеме ивх - напряжение входного источника; К1 ...К4 - силовые коммутационные компоненты; Ь - индуктивность накопительного дросселя; Свх, Свых - емкости входного и выходного фильтра соответственно; Кь, Квх, Кн - активные сопротивления обмотки дросселя, входного источника и выходной нагрузки соответственно; КР1...Кр4 - коммутационные функции; иош/(ивых) - сигнал ошибки системы управления; а - коэффициент усиления сигнала ошибки звена обратной связи; иоп - напряжение опорного источника напряжения; р - коэффициент пропорционального звена обратной связи; СУ - система управления.
Математическая модель и результаты экспериментов. При проектировании любых устройств инженеру-разработчику важно уже на этапе разработки провести их максимальное исследование для обеспечения качества разрабатываемых систем и сниже-
"Космическое и специальное электронное приборостроение
ния времени отладки. И если расчету силовой части и системы управления импульсных преобразователей посвящено множество работ [1; 2], то нелинейная динамика таких преобразователей мало изучена. Хотя проведение подобного исследования позволяет существенно увеличить работоспособность систем питания и повысить их устойчивость [3]. В рамках данной работы изучение нелинейной динамики комбинированного преобразователя заключалось в проведении его бифуркационного анализа, позволяющего определить границы допустимых значений параметров схемы, обеспечивающих работу устройства в одноцикловом режиме.
Для этого важно иметь математическую модель преобразователя, записанную в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений (1) с переменными матрицами состояний А и В для каждого из возможных состояний схемы, зависящих от КР (4) [3; 4]:
(X
— = А1 К (4)) X + В, К (4)) при г е ((к - 1)т; /и);
(X
— = А2 К(4))Х + В2 К(4)) при г е (/к,;ги);
(X
— = Аз К (4)) X + Вз К (4)) при г е (/к2; кт),
Ш (1)
где X - вектор состояний; гк1 - момент коммутации ключа К1; гк2 - момент коммутации ключа КЗ; т - тактовый интервал.
В свою очередь, вектор состояний X = {iL, ивх, ивых} включает в себя iL - ток в дросселе; UBX - напряжение на входном конденсаторе; ивых - напряжение на выходном конденсаторе. По причине того, что в схеме имеется как выходной, так и входной фильтр, матрицы состояний данного преобразователя A и B имеют соответственно размерность (3x3) и (1х3).
Проверка математической модели проводилась с помощью программной модели, построенной в симу-ляционном пакете LTspice IV на языке программирования Spice.
С использованием методики расчета силовой части параметров элементов комбинированного преобразователя и его системы управления [1] проведен расчет по следующим исходным данным: напряжение входного источника от 20 до 40 В; выходное напряжение 30 В; статическая стабильность выходного напряжения не менее 1 %; частота работы преобразователя 50 кГц; ток нагрузки до 10 А. Дополнительно к расчетам построены бифуркационные диаграммы при различных входных напряжениях и токах нагрузки.
Для подтверждения полученных данных математического эксперимента на макете комбинированного преобразователя были проведены практические эксперименты, которые подтвердили существование в системе как одноцикловых, так и многоцикловых режимов, показанных на осциллограммах переменной составляющей выходного напряжения комбинированного преобразователя (рис. 2).
СУ
Крзл
Р'ошЛ Е/иых)
—|Т
иОП
Рис. 1. Эквивалентная схема комбинированного преобразователя со стабилизацией выходного напряжения
Рис. 2. Выходное напряжение комбинированного преобразователя: а - при одноцикловом; б - двухцикловом режиме работы
Решетневс^ие чтения. 2016
При входном напряжении, равном 20 В, видно, что границы областей допустимых значений, полученные при практическом исследовании, отличаются от областей, определенных при математическом моделировании, не более чем на 10 %.
Заключение. Разработанная математическая модель может использоваться для моделирования и исследования работы комбинированного преобразователя с позиции нелинейной динамики, что подтверждается рядом математических и практических экспериментов.
Такой подход позволяет оценить поведение системы в зависимости от изменения параметров системы и определить границы допустимых значений номиналов компонентов схемы, благодаря чему повышается качество разработки и ее работоспособность в зависимости от влияния внешних факторов. Представлена возможность использования комбинированного преобразователя в качестве основы для построения унифицированного модуля системы электропитания КА.
Библиографические ссылки
1. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М. : Техносфера, 2006. 632 с.
2. Design of an average-current-mode noninverting buck-boost DC-DC converter with reduced switching and conduction losses / C.-L. Wei [et al.] // IEEE Trans. Power Electron. 2012. Vol. 27, № 12. P. 4934-4943.
3. Нелинейная динамика полупроводниковых преобразователей / А. В. Кобзев [и др.]. Томск : Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2007. 224 с.
4. Апасов В. И., Михальченко С. Г., Тановицкий Ю. Н. Аналитический способ определения моментов коммутации комбинированного преобразователя со стаби-
лизацией выходного напряжения, обеспечивающих одноцикловый режим работы // Докл. ТУСУР. 2015. № 2(36). С. 157-164.
5. Апасов В. И. Исследование работы комбинированного преобразователя со стабилизацией входного напряжения // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч. конф. : в 3 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. Ч. 1. С. 268-269.
References
1. Meleshin V. I. Tranzistornaya preobrazovatelnaya technika [The transistor converting technics]. Moscow : The Technosphere publ., 2006. 632 p. (In Russ.)
2. Wei C.-L., Chen C.-H., H.-H. Ho, K.-H. Chen Design of an average-current-mode noninverting buck-boost DC-DC converter with reduced switching and conduction losses // IEEE Trans. Power Electron. 2012. Vol. 27, № 12. P. 4934-4943.
3. Kobzev A. V., Mihalchenko G. J., Mihalchenko S. G., Andrijanov A. I. Nelinyanaya dinamica poluprovodnik-ovyh preobrazoveteley [Nonlinear dynamics of semiconductor converters]. Tomsk : Publ. Tomsk state university of control systems and radioelectronics, 2007. 224 p. (In Russ.)
4. Apasov V. I., Mikhalchenko S. G., Tanovitckiy Y. N. [Analytical method for determining the switching time of the combined converter with output voltage, providing single-cycle mode] // Doklady TUSUR. 2015. № 2 (36). P. 157-164. (In Russ.)
5. Apasov V. I. [Study of the combined converter with stabilization input voltage] // Materialy XVIII Mezdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XIX Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2015, P. 268-269. (In Russ.)
© Апасов В. И., 2016
УДК 537.525
АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ДУГООБРАЗОВАНИЮ*
А. В. Батраков*1, С. Г. Кочура2, С. А. Попов1, С. Б. Сунцов2, А. В. Шнайдер1
1Институт сильноточной электроники СО РАН Российская Федерация, 634055, г. Томск, просп. Академический, 2/3 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнёва» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: * [email protected]
Представлены результаты испытаний экспериментально-аппаратного комплекса (ЭАК), реализующего метод обнаружения дефектов защитного изоляционного покрытия на печатных платах радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космических аппаратов (КА) с использованием сканирования плазменной струёй.
Ключевые слова: защита космических аппаратов от дугообразования.
*Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ. № RFMEFI60714X0008.
