Electric power supply of heater elements of electric propulsion thruster by regulated alternating current

Full Text

Введение. Широкое распространение электрореактивных плазменных двигателей, используемых для коррекции орбиты космического аппарата, обусловлено стремлением уменьшить массу двигательной установки за счет снижения расхода рабочего тела по сравнению с химическими реактивными двигателями [1; 2]. Неотъемлемой частью любой двигательной установки на основе электрореактивного плазменного двигателя является система преобразования и управления (СПУ), представляющая собой набор преобразователей электрической энергии [3-5]. В состав СПУ входит минимум пять источников питания: разряда промежутка анод-катод, нагревателя катода, электрода поджига, термодросселя и клапанов. Нагреватель катода и термодроссель представляют собой металлические элементы, нагреваемые током. В настоящее время их нагрев осуществляется постоянным током из-за простоты его измерения и стабилизации. Поскольку требуется гальванически развязанное питание, то на выходе трансформатора устанавливается мощный низковольтный выпрямитель, значительно увеличивающий потери. Кроме того, низкое быстродействие диодов вызывает увеличение уровня помех трансформатора и снижает надежность СПУ в целом. Устранить указанные недостатки можно с помощью электропитания нагревательных элементов двигательной установки переменным током. Такой способ применялся в первых СПУ [6; 7], однако тогда не требовалась стабилизация тока, что значительно упрощало задачу [8]. Основная проблема при работе со стабилизированным переменным током - изменение его скважности и гармонического спектра, вызывающего изменение формы в зависимости от сопротивления нагрузки, напряжения питания и длины кабелей. Отсюда, как следствие, сложность поддержания его действующего значения в заданных пределах [9; 10]. Способы решения. Есть несколько способов решения этой проблемы: - использование датчика действующего значения тока; - установка выходного L-фильтра [11]; - применение входного регулятора постоянного тока и нерегулируемого выходного инвертора. Датчик действующего значения тока представляет собой сложное электронное устройство [12], преобразующее переменный входной сигнал в постоянное выходное напряжение, эквивалентное действующему значению тока, которое подается на вход системы управления. Его недостатки - сложная схемотехническая реализация и невысокая точность, в большинстве случаев он предназначен для работы с синусоидальным током, однако способ, основанный на использовании этого устройства, перспективен вследствие быстрого развития электронной и измерительной техники. Выходной L-фильтр - это дроссель, индуктивность которого много больше индуктивности кабелей, что позволяет уменьшить изменение гармонического спектра тока, вызванное коммутацией силовых транзисторов инвертора, и компенсировать индуктивность кабелей. Однако амплитуда и скважность импульсов будут изменяться в зависимости от сопротивления нагрузки и напряжения питания, что затруднит определение действующего значения. Входной регулятор постоянного тока в сочетании с нерегулируемым инвертором обеспечивает неизменную прямоугольную форму тока независимо от входного напряжения и сопротивления нагрузки. Подключив к выходу инвертора L-фильтр, можно исключить влияние кабелей, при этом форма тока станет экспоненциальной. Таким образом, при воздействии всех дестабилизирующих факторов форма и амплитуда тока меняются незначительно. Модель устройства электропитания нагревателя катода. Для исследования электрических процессов, протекающих в схеме формирователя переменного тока нагревателя катода, разработана модель в среде Micro-Cap 9 [13; 14] (рис. 1). Она включает в себя входной источник питания V1 напряжением 80-120 В с внутренним сопротивлением R1, преобразователь постоянного напряжения понижающего типа (VT1, L4, VD1, C1, V6), мостовой инвертор, трансформатор (K1, L1, L2), выходной фильтр L5 и нагрузку (L3, R11). На первом этапе исследования транзистор VT1 был постоянно открыт при помощи источника V6, а регулирование тока осуществлялось инвертором (VT2-VT5) путем изменения скважности импульсов напряжения источников (V2-V5). Выходной фильтр L5 отсутствовал. В результате моделирования (рис. 2) видно, что при неизменном действующем значении тока его форма и амплитуда существенно отличаются, а следовательно, погрешность измерения будет высокой. На рис. 3 показаны результаты моделирования, когда стабилизация тока осуществлялась ключом VT1 при помощи изменения скважности импульсов напряжения источника V6. Скважность импульсов напряжения источников V2-V5 в этом случае равнялась 2 и не зависела от входного напряжения источника V1, сопротивления и индуктивности нагрузки (R11, L3). Рис. 1. Модель схемы формирователя переменного тока для нагревателя катода а б Рис. 2. Ток накала катода Iнк: а - ; б - а б Рис. 3. Ток накала катода Iнк с учетом L-фильтра: а - ; б - При этом форма тока и амплитуда изменяются значительно меньше, чем в первом случае, следовательно, измерение и стабилизация такого тока могут выполняться со значительно большей точностью. Поскольку регулятор расположен на входной (высоковольтной) стороне, то энергетические и массогабаритные характеристики полученного устройства заметно лучше, чем у используемых источников пита-ния с выходным низковольтным выпрямителем [15], а погрешность измерения переменного тока неизменной формы можно дополнительно снизить путем компенсации статической ошибки. Заключение. Электропитание нагревательных элементов электрореактивного плазменного двигателя переменным стабилизированным током - это перспективное направление развития СПУ, позволяющее улучшить массогабаритные и энергетические показатели как источников питания, так и двигательной установки в целом. Для увеличения точности стабилизации целесообразно удерживать форму тока неизменной при любых сочетаниях напряжения питания, сопротивления нагрузки и индуктивности кабелей.

About the authors

A. A. Moshnyakov

SC “Scientific&Industrial Centre “Polyus”; National research Tomsk Polytechnic University

56v, Kirov Av., Tomsk, 634050, Russian Federation; 30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation

M. V. Mikhaylov

National research Tomsk Polytechnic University

Email: maxmir2004@mail.ru
30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation

References

Supplementary files