Статья опубликована в рамках: LXVI Международной научно-практической конференции «Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований» (Россия, г. Новосибирск, 23 августа 2023 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Аэрокосмическая техника и технологии
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
дипломов
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА КАНАЛА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
АННОТАЦИЯ
В статье рассмотрен процесс разработки системы электропитания космического аппарата. Для космической отрасли характерно предъявление строгих требований к объектам разработки, что приводит к необходимости уже на этапе проектирования анализировать входные и выходные параметры устройства, с целью оптимизации статических и динамических характеристик. Приведены результаты разработки имитационной модели энергопреобразующего устройства канала преобразования энергии аккумуляторной батареи в составе системы электропитания космического аппарата, выполнен анализ динамических характеристик системы.
Ключевые слова: имитационная модель, система электропитания, энергопреобразующее устройство, аккумуляторная батарея, космический аппарат.
Введение
В процессе разработки устройств для построения моделей используются электронно-вычислительные машины, которые позволяют исследовать ответные реакции системы на внешние факторы [1]. Это особенно актуально для космической отрасли, учитывая то, насколько важно в полной мере соблюсти требования по массогабаритным показателям системы и сохранить качество выходного сигнала. В настоящей статье приводится разработанная имитационная модель канала преобразования энергии аккумуляторной батареи в составе системы электропитания космического аппарата (далее – СЭП КА), а также приводятся полученные результаты моделирования. Для построения модели использовалось программное обеспечение «Matlab Simulink».
Цель работы
Целью данной работы является создание имитационной модели канала преобразования энергии аккумуляторной батареи СЭП КА, с напряжением на выходе равном 100 ± 1 В и исследование полученных результатов моделирования.
Основная часть
Модуль стабилизации напряжения энергопреобразующей аппаратуры (далее – ЭПА) в составе СЭП КА состоит из трех каналов преобразования энергии [2].
«Стабилизатор напряжения батарей солнечных (СН БС)» преобразует энергию бортовых солнечных батарей в постоянное напряжение на выходе ЭПА;
«Зарядное устройство (ЗУ)» преобразует энергию бортовых солнечных батарей для зарядки аккумуляторных батарей в составе СЭП КА, используя избыток с батарей солнечных;
«Разрядное устройство (РУ)» преобразует энергию бортовых аккумуляторных батарей в постоянное напряжение на выходе ЭПА.
В данной статье описывается разработанная имитационная модель каналов РУ и ЗУ, относящихся к каналу преобразования энергии АБ.
Рисунок 1. Структурная схема ЭПА
СБ –солнечная батарея, АБ – аккумуляторная батарея, СНБС – стабилизатор напряжения батареи солнечной, КРУ – канал разрядного устройства, КЗУ – канал зарядного устройства, ЭПА – энергопреобразующая аппаратура, Н - нагрузка
На рисунке 2 представлена разработанная имитационная модель импульсного канала преобразования энергии АБ.
Рисунок 2. Имитационная модель импульсного канала преобразования энергии АБ
Блок инвертора «Inv/Rect» под воздействием управляющего сигнала с выхода «Out2» блока «PWM» преобразует постоянное напряжение АБ в переменное, которое, далее, через трансформатор TV1, поступает на блок выпрямителя «Rect/Inv», преобразующий переменное напряжение в постоянное под воздействием управляющего сигнала с выхода «Out1» блока «PWM». Затем полученное постоянное напряжение фильтруется на дросселе «L» и поступает на нагрузку. Датчик тока дросселя, в совокупности с сумматором и делителем составляет схему определения ошибки рассогласования, сигнал с которой поступает на блок корректирующего звена «Wki_AB», формирующего управляющий сигнал для блока «PWM», и образующего, таким образом, обратную связь.
Каждый из блоков инвертора и выпрямителя представляет собой мостовую схему импульсного преобразователя из транзисторов и включенных им параллельно диодов со взаимоизменяемым функционалом каждой из схем. Это обеспечивает возможность реализацию режима как разряда, так и заряда АБ с использованием схемы импульсного преобразователя.
Для исследования режимов работы имитационной модели АБ на выходе канала была собрана имитационная модель нагрузки, Эксперимент проводился при параметрах основных элементов канала преобразования энергии АБ, указанных в таблице 1.
Таблица 1.
Параметры элементов канала АБ
|
Наименование параметра |
Значение |
|
Индуктивность дросселя L |
25 мкГн |
|
Активное сопротивление дросселя rL |
50 мОм |
|
Емкость выходного конденсатора CФ |
1200 мкФ |
|
Коэффициент трансформации трансформатора TV1 |
1 |
|
Частота работы импульсного преобразователя, fП |
50 кГц |
|
Частота пульсаций напряжения на входе фильтра, 2fП |
100 кГц |
|
Диапазон изменения напряжения аккумуляторной батареи, UАБMIN - UАБMAX |
55 В .. 96 В |
|
Выходное напряжение Uвых |
100 В |
|
Максимальная мощность в нагрузке |
1200 Вт |
|
Ток нагрузки, IН |
0 А .. 12 А |
По методике [3] рассчитано корректирующее звено для канала ЭПА АБ. В среде Matlab Simulink была построена имитационная модель [4] из составных частей ЭПА, участвующих в данном эксперименте, указанная на рисунке 3.
Рисунок 3. Модель вольтдобавочного энергопреобразователя
1 – источник напряжения АБ, 2 – канал преобразования АБ, 3 – фильтр, 4 – нагрузка, 5 – устройство управления.
Для проверки динамических характеристик смоделирован сброс-наброс нагрузки. Произведен эксперимент при параметрах, указанных в таблице 1.
В результате были получены диаграммы выходного напряжения и тока, показанные на рисунке 4
Рисунок 4. Результаты эксперимента с имитационной моделью канала преобразования энергии АБ
Размах пульсаций выходного напряжения составил 0.25 В при длительности процесса в 3 мс, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к СЭП КА.
Вывод
Разработанная имитационная модель канала преобразования энергии АБ в составе СЭП КА позволяет исследовать статические и динамические характеристики качества напряжения на выходе канала и переходные процессы при изменении воздействий на объект проектирования. Проведенные с моделью эксперименты свидетельствуют о соответствии канала преобразования АБ заявленным требованиям
Список литературы:
- Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1972 - 768 с.
- Системы электропитания космических аппаратов / Соустин Б. П., Иванчура В. И., Чернышев А. И., Исляев Ш. Н. // Новосибирск: ВО «Наука». Сибирская издательская фирма. 1994. 318 с.
- В.Д. Семёнов, Д.В. Шадрин, В.А. Кабиров, М.П. Сухоруков, Д.Б. Бородин, М.М. Чёрная. Методика расчёта математической модели преобразователя Вайнберга в базисе коммутационных разрывных функций. // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР (часть 2), Томск, 16-18 мая 2018 – Томск: Изд-во В-Спектр, 2018 – С. 189-192
- Иглин С.П.. Математические расчеты на базе Matlab. Издательство «BHV-Санкт-Петербург». – 2005. 640 с
дипломов
Оставить комментарий