STUDY OF DUAL CONTROL ELECTRONIC LOADS FOR SPACECRAFT ELECTRICAL POWER SYSTEM TESTS

Full Text

Введение. Важной составляющей процесса разра- ботки космического аппарата (КА) является этап про- ведения испытаний систем электропитания (СЭП). Электрические испытания СЭП КА, в ходе которых определяется соответствие разработанной СЭП заяв- ленным требованиям, проводятся с использованием специализированных нагрузочных устройств (НУ), имитирующих статические и динамические электри- ческие характеристики полезной нагрузки. Такие НУ используются для решения широкого спектра задач, возникающих при испытаниях СЭП [1-6], в связи с чем при проектировании НУ выделяется ряд техни- ческих требований, среди которых: а) обеспечение работы устройства в заданных диа- пазонах изменения входных напряжения и тока; б) воспроизведение нескольких видов вольт-амперных характеристик (ВАХ) имитируемых нагрузок; в) обеспечение требуемой погрешности воспроиз- ведения ВАХ имитируемых нагрузок; г) наведение гармонических и импульсных помех в заданной полосе частот; д) обеспечение рекуперации при заданном коэф- фициенте использования энергии. Выполнение всех предъявленных к проектируе- мому НУ требований может стать трудноосуществи- мой задачей, особенно при необходимости обеспече- ния высокого быстродействия и мощности рассеяния порядка нескольких кВт [7-14]. Одним из возможных решений является использование НУ с двойным регу- лированием, имеющих в своём составе два регули- рующих элемента и позволяющих совмещать в себе хорошие динамические характеристики НРЭ и воз- можность организации рекуперации посредством ИП, что ведёт также к улучшению массогабаритных характеристик НУ [15-17]. Топологии нагрузочных устройств с двойным регулированием. Основная идея НУ с двойным регу- лированием заключается в том, что стабилизацию непосредственно входного тока осуществляет НРЭ, в то время как ИП ограничивает мощность, рассеи- ваемую на НРЭ. При этом реализация НУ с двойным регулированием возможна по двум схемам соедине- ния НРЭ и ИП: параллельной и последовательной. В параллельной схеме стабилизация мощности НРЭ достигается посредством ограничения тока, проте- кающего через НРЭ, в последовательной схеме - посредством ограничения падения напряжения на НРЭ. Иначе говоря, ИП в параллельной схеме выполняет функцию стабилизатора тока, а в последовательной - стабилизатора напряжения. Для организации требуе- мых контуров управления параллельные схемы долж- ны содержать два датчика тока (по одному на НРЭ и ИП), последовательные - один датчик тока (ДТ) и один датчик напряжения (ДН). Для возможности имитации различных видов ВАХ (стабилизации постоянной мощности и/или постоянного сопротивления) в обе схемы необходимо также добавить датчик вход- ного напряжения. Принимая во внимание, что в па- раллельной схеме имеется три возможных места раз- мещения датчиков тока, а в последовательной - два, возможно восемь различных топологий НУ с двой- ным регулированием (рис. 1). Уставки, выдаваемые устройством управления (УУ) на НРЭ и ИП, определяются контурами управления, которые эти устройства образуют с соответствующими датчиками тока. На рис. 1 для уставок используются следующие обозначения: Iвх - требуемый входной ток НУ, Iнрэ - требуемый ток НРЭ, IнрэMAX - предельно допустимый ток НРЭ, Iип - требуемый ток ИП, Vнрэ - требуемое напряжение НРЭ, Vип - требуемое напря- жение ИП. Распределение токов между НРЭ и ИП осуществляет УУ в соответствии с заранее опреде- лённым алгоритмом. Топологии на рис. 1, а-е представляют собой схемы с параллельным соединением НРЭ и ИП. Общей особенностью этих топологий является то, что в них возможна стабилизация различных величин тока независимо на НРЭ и ИП. Общим недостатком этих топологий является то, что амплитуда наводимых пульсаций ограничена величиной тока, протекающего через НРЭ, который при больших напряжениях испы- тываемой СЭП может составлять лишь малую долю общего стабилизируемого тока. Топологии на рис. 1, ж, з представляют собой схемы с последовательным соединением НРЭ и ИП. Общей особенностью этих топологий является то, что через НРЭ и ИП протекает общий ток, который ста- билизируется быстродействующим НРЭ, что позволя- ет подавлять помехи по входному току эффективнее, чем в параллельных топологиях. Общим недостатком этих топологий является относительно низкая живу- честь, поскольку при аварии НРЭ или ИП возможно создание аварийной ситуации. Кроме того, работо- способность последовательных схем зависит от ин- дуктивности источника и проводов (подробнее этот вопрос будет рассмотрен ниже). Во всех топологиях сигналы с датчиков тока и напряжений поступают на сумматоры и УУ, кото- рое также может исполнять роль устройства защиты. На УУ, в частности, поступают те сигналы с ДТ, которые позволяют определить величину входного тока НУ, на основе которого УУ формирует сигналы управления для НРЭ и ИП. Так, в топологиях «а» и «е» на УУ подаются сигналы с обоих ДТ, что усложняет структуру УУ (требуется дополнительный входной канал). С другой стороны, в топологиях «б»-«д» и «ж», «з» УУ получает информацию о величине тока только в одном из элементов НУ (НРЭ или ИП), что создаёт дополнительные сложности в случае, когда УУ выполняет также и роль устройства защиты. а б в г д е ж з Рис. 1. Возможные топологии нагрузочных устройств с двойным регулированием: а-е - схемы с параллельным соединением НРЭ и ИП; ж, з - схемы с последовательным соединением НРЭ и ИП 619 Fig. 1. Possible E-load topologies with double regulation Свойства отдельных топологий Свойства «а» «б» «в» «г» «д» «е» «ж» «з» Повышенная живучесть + + + Независимое наведение помех на НРЭ/ИП + + + Широкая полоса пропускания + + + + Независимость разработки НРЭ и ИП + + + Фильтрация входного тока + + + + Контроль величины входного тока НУ + + + + + + Диагностика НРЭ и ИП + + Быстрое ступенчатое увеличение входного тока + + + + + + Быстрое ступенчатое уменьшение входного тока + + Для определения наиболее перспективных топологий была проведена сравнительная оценка (см. таблицу) по следующим критериям: - повышенная живучесть: при выходе из строя НРЭ есть возможность продолжения работы за счёт ИП; - независимое наведение помех на НРЭ/ИП: воз- можность наведения гармонических управляющих сигналов как на НРЭ, так и на и ИП, что даёт возмож- ность организовать схему наведения помех с мини- мальными гармоническими искажениями на частоте, На основе приведённых выше положительных и отрицательных качеств каждой топологии был сделан вывод, что топологии «а»-«в» и «ж» представ- ляют наибольший интерес для дальнейшего рассмот- рения. Математическое описание. На рис. 2 представле- на схема замещения устройств, совместно с которыми работает НУ при проведении испытаний СЭП КА, которые описываются следующей системой урав- нений: близкой к частоте среза ИП; - широкая полоса пропускания: возможность на- ìïvвх = eсэп - iвх Zсэп , íi = (v - e )Y , (1) ведения помех по входному току посредством быст- родействующего НРЭ в широкой полосе частот; - более экономичные ДТ: возможность использо- вания ДТ с лучшими характеристиками, поскольку через этот ДТ протекает меньшая часть общего тока; - независимость разработки НРЭ и ИП: возмож- ность разработки и испытания ИП и/или НРЭ незави- симо друг от друга; - фильтрация входного тока: НРЭ фильтрует помехи и пульсации по входному току, в том числе помехи, создаваемые ИП; - контроль величины входного тока: в схеме при- сутствует датчик непосредственно стабилизируемой величины - общего входного тока, что повышает точ- ность стабилизации; - диагностика НРЭ и ИП: ввиду наличия у НРЭ и ИП отдельных датчиков, существует возможность реализации в УУ функции диагностики работоспо- собности НРЭ и ИП без введения в схему дополни- тельных элементов; ïî рек ипВЫХ вс вс где vвх - входное напряжение НУ; eсэп - ЭДС СЭП; iвх - входной ток НУ; Zсэп - внутренний импеданс СЭП; iрек - ток рекуперации (выходной ток НУ); vипВЫХ - выходное напряжение НУ; eвс - ЭДС внешней сети (сети, в которую производится рекуперация); Yвс - адмиттанс внешней сети. Устройство управления в общем случае описыва- ется нелинейными зависимостями напряжений управ- ления НРЭ vупрНРЭ и ИП vупрИП от напряжения датчика входного напряжения vдн. В дальнейшем эти зависи- мости будут обозначены как f(Kднvвх) для НРЭ и g(Kднvвх) для ИП, где Kдн - коэффициент усиления датчика напряжения. На основе функциональных связей, представлен- ных на рис. 1, можно составить системы уравнений, описывающие отношения между токами и напряже- ниями в схемах. Топология «а» описывается системой ìvупрНРЭ = f (Kднvнрэ ) - iнрэ Kдт1, - быстрое ступенчатое увеличение тока: в параллельных топологиях «а»-«е» (см. рис. 1) ток увеличи- вается с тем быстродействием, которое обеспечивает ï v = g(K v ) - i K , í упрИП дн нрэ ип дт2 ïi = i + i , (2) быстродействующий НРЭ (при уменьшении тока на большое значение НРЭ полностью закроется, и ток будет уменьшаться с быстродействием ИП); - быстрое ступенчатое уменьшение тока: в после- довательных топологиях «ж», «з» (см. рис. 1) ток уменьшается с тем быстродействием, которое обеспе- ïî вх нрэ ип где Kдт1 и Kдт2 - коэффициенты усиления датчиков тока ДТ1 и ДТ2; iнрэ и iип - токи, протекающие через НРЭ и ИП соответственно. Топология «б» описывается системой ìvупрНРЭ = f (Kднvнрэ ) - iвх Kдт1, чивает быстродействующий НРЭ (при увеличении тока на большое значение НРЭ полностью откроется, ï v = g(K v ) - i K , í упрИП дн нрэ ип дт2 (3) ïi = i + i . и ток будет увеличиваться с быстродействием ИП). ïî вх нрэ ип + eсэп Zсэп iвх vвх НУ Yну iрек vипВЫХ + eвс Yвс Рис. 2. НУ в составе испытательной установки Fig. 2. E-load as part of a testing setup Топология «в» описывается системой требование обеспечения гальванической развязки ï ìvупрНРЭ = f (Kднvнрэ ) - iвх Kдт1, v = i K - g (K v ), ï í упрИП нрэ дт2 дн нрэ = i + i . ï î ïiвх нрэ ип Топология «ж» описывается системой: ï ìvупрНРЭ = f (Kднvнрэ ) - iвх Kдт , í упрИП нрэ дн дн нрэ ïv = v K - g (K v ), ïv = v + v . (4) (5) входных и выходных клемм, что может быть реализова- но посредством мостовых преобразователей на основе повышающей и понижающей схем (рис. 5). В связи с тем, что на входе ИП необходимо поддерживать ток постоянной величины, на входе ИП необходимо рас- положить фильтр, который будет сглаживать пульса- ции по току (катушка индуктивности) или напряже- нию (конденсатор). Стоит отметить, что в понижающей схеме (рис. 5, в, г) при стабилизации входных токов большой величины значительными становятся импульсные ïî вх нрэ ип На основе систем (1)-(5) были составлены функ- циональные схемы, представленные на рис. 3. Описание блока НРЭ может быть получено как аналитическим путём (на основе системы уравнений, описывающих структуру и элементы НРЭ), так и пу- тём идентификации опытного образца НРЭ (рис. 4). На рис. 4, а представлена внутренняя структура НРЭ токи, протекающие через входную ёмкость Cвх. Эти токи могут привести к нагреву входного конденсатора и, как следствие, выходу из строя ИП. Таким образом, в параллельных топологиях «а»-«в» более предпочти- тельным является использование преобразователей на основе импульсных регуляторов повышающего типа (рис. 5, а, б), которые описываются системой нелинейных уравнений: на основе модели в двумя входами и одним выходом, ìL diип = v - 2 v × (1- d ), в которой Wус1(s) - передаточная функция (ПФ) кор- ректирующего устройства (КУ) НРЭ; Vп - напряжение ïï dt í dv ипВХ 2 n ипВЫХ (6) смещения управляющего перехода; X1, U1 = [vнрэ vупр]T, ïC ипВХ = i × (1- d ) - i , Y = [i ] - векторы состояния, управления и выхода îï dt n ип рек 1 нрэ НРЭ соответственно; A1, B1, C1, D1 - матрицы коэф- фициентов идентифицированной модели НРЭ. Схема использованной в работе идентифицированной MISO- модели представлена на рис. 4, б. Идентификация модели ИП в составе блока ИП (рис. 5) сопряжена со сложностями, связанными с им- пульсным характером работы ИП (рис. 5, а). В случаях, когда частота среза ИП значительно ниже его частоты переключения, ИП возможно представить в виде непрерывной линейной модели [18]. Ввиду того, что к ИП в составе НУ не предъявляются требования по быстродействию, использование непрерывной линейной модели ИП является обоснованным. Помимо MIMO- модели в состав блока ИП также входят Wус2(s) - ПФ КУ ИП и Kшим = 1/Vпил - коэффициент широтно- импульсной модуляции, где Vпил - напряжение пило- образного сигнала ШИМ. В качестве ИП возможно использовать любой им- пульсный регулятор, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к устройству. В частности, для защи- ты испытываемой аппаратуры к ИП предъявляется где iип - входной ток ИП; vипВХ - входное напряжение ИП; vипВЫХ - выходное напряжение ИП; d - коэффи- циент заполнения; iрек - выходной ток (ток рекуперации); n = N2/N1 - коэффициент трансформации (N1 и N2 - количество витков на первичной и вторичной обмот- ках соответственно); L - индуктивность дросселя; C - емкость конденсатора. В последовательной топологии «ж» изменение величины входного тока НУ приводит к изменению величины падения напряжения на НРЭ, при этом скорость этого изменения значительно превышает ту скорость, которую способен скомпенсировать ИП, поскольку при наведении помех высокой частоты ам- плитуда тока ограничивается активными и индуктив- ными составляющими импеданса соединительных проводов и входного импеданса ИП. С целью увели- чения амплитуды наводимых помех необходимо сни- зить значение входного импеданса ИП на высокой частоте, что можно достичь увеличением емкости входного конденсатора ИП. в Рис. 3. Обобщенные функциональные схемы рассматриваемых топологий: 622 а - схема топологии «а»; б - схема топологии «б»; в - схема топологии «в»; г - схема топологий «ж» Fig. 3. Generalized block diagrams of considered topologies Рис. 4. Исследованная модель НРЭ: а - функциональная схема; б - электрическая схема Fig. 4. Examined linear regulator model: a - block diagram, b - electrical circuit Рис. 5. Исследованные модели ИП: а - функциональная схема, б - электрическая схема мостового преобразователя повышающего типа; в, г - схема мостового преобразователя понижающего типа Fig. 5. Examined switched-mode converter models: a - block diagram and b - circuit of boost-based full-bridge converter, c and d - of buck-based full-bridge converter Таким образом, в последовательной топологии «ж» рекомендуется использовать мостовые преобра- зователи на основе импульсных регуляторов пони- жающего типа (рис. 5, в и г), которые описываются системой нелинейных уравнений - наибольшая погрешность стабилизации входного тока: 0,1 А; - наибольший размах пульсаций по входному току: 0,1 А; - полоса пропускания: не менее 100 кГц. C ì ï вх ï dvипВХ dt = iип - 2 × n × iL × d , Адмиттансные частотные характеристики. Одним из условий для обеспечения устойчивости является выполнение неравенства ZсэпYн < 1, где Zсэп - импеданс ïL diL = 2 × n × v × d - v , (7) источника напряжения (СЭП), Yн = Iвх/Vвх - входной ï í dt ипВХ ипВЫХ адмиттанс источника тока (НУ) (см. рис. 3, а) [19]. ïC dvипВЫХ = i - i , Для источника тока наилучшей является ситуация, dt ï вых î L рек при которой проводимость во всём диапазоне частот равна нулю. где Cвх и Cвых - емкости входного и выходного кон- Из графиков адмиттансных частотных характериденсатора; i L - ток дросселя. стик (рис. 6) можно сделать вывод, что параллельные Для дальнейшего исследования было разработано четыре НУ топологий «а»-«в» и «ж», каждое из кото- рых удовлетворяет следующим требованиям: - входной ток: 10 А; - средняя мощность, рассеиваемая на НРЭ: 100 Вт; топологии «б» и «в» обладают приблизительно равным входным адмиттансом практически на всём диапазоне частот, в то время как топология «а» имеет в области низких частот на порядок большую величи- ну адмиттанса. Топология «ж» обладает наилучшим с точки зрения источника тока адмиттансом, который на низких частотах составляет лишь десятые доли мкСм. Наведение помех. Передаточные функции замк- нутых контуров по управлению определяются как W(s) = Iвх(s)/Vоп(s) (рис. 7), при этом в схемах «а» и «б» Vоп(s) является опорным напряжением обоих контуров НРЭ и ИП, в схемах «в» и «г» - только контура НРЭ. В топологии «а» имеется спад, начинающийся в области 10 кГц, который обусловлен частотой среза ИП. В топологии «б», в отличие от топологии «в», отсутствует ярко выраженный резонансный пик, что позволяет наводить без искажений тестовые сигналы, имеющие более сложный гармонический состав. Несмотря на то, что в последовательной топологии «ж» полоса пропускания сравнима с полосой пропус- кания параллельных топологий «б» и «в», наведение пульсаций в топологии «ж» сопряжено с большими сложностями, чем в параллельных топологиях. Поскольку в последовательной схеме в качестве ИП рекомендовано использовать преобразователь с большой входной ёмкостью, в эквивалентной схеме (рис. 8) ИП может быть заменён источником постоянного напря- жения Eип, подразумевая, что быстродействия ИП достаточно для поддержания напряжения НРЭ на тре- буемом уровне на низких частотах. Источник посто- янного напряжения Eсэп замещает СЭП, индуктив- ность Lк замещает выходную индуктивность испыты- ваемой СЭП и кабельную линию, соединяющую СЭП и НУ. Схема замещения НРЭ состоит из двух элемен- тов: источник постоянного тока iну и активное сопро- тивление НРЭ Rнрэ. Рис. 6. Адмиттансные частотные характеристики рассматриваемых топологий Fig. 6. Admittance response of examined topologies Рис. 7. Передаточные функции замкнутых контуров рассматриваемых топологий Fig. 7. Closed loop transfer functions of examined topologies Rрэ Eсэп Eип Рис. 8. Эквивалентная схема НУ с испытываемым СЭП и кабельной линией Fig. 8. Equivalent circuit of E-load with tested power supply system and cable line При наведении пульсаций изменение тока через индуктивность Lк будет приводить к появлению напряжения на индуктивности v , мгновенное значе- Lк ние которого определяется как di влияет не только на максимальную частоту пульсаций fmax, но и на наибольшее значение амплитуды наводи- мых колебаний Iнав на каждой частоте. Таким образом, в последовательной топологии до некоторой частоты существует возможность наводить пульсации по v = L ну = L wI cos(wt), (8) входному току амплитудой, равной полной величине Lк к dt к нав стабилизируемого через НУ тока, обеспечивая при где iну = Iст + Iнавsin(ωt) - общий мгновенный ток НУ; Iст - стабилизируемое значение тока; Iнав - амплитуда наводимых пульсаций; ω - угловая частота наводи- мых пульсаций. Поскольку и падение напряжения на активном сопротивлении НРЭ vRнрэ = iнуRнрэ, и падение напря- жения на самом регулирующем элементе vрэ будут меняться с изменением величины протекающего че- рез НРЭ тока, то для поддержания регулирующего элемента в проводящем состоянии необходимо, чтобы общее мгновенное падение напряжения на НРЭ vнрэ удовлетворяло условию min(v ) = U + min(v ) > v + v , (9) этом рекуперацию большей части тока в питающую сеть, что недостижимо в параллельных топологиях. Заключение. Полученные результаты позволяют сделать вывод относительно выбора той или иной топологии на основе требований, выдвигаемых к НУ. При повышенных требованиях к живучести использо- вание топологий «а» и «б» является более целесооб- разным, поскольку в них возможно обеспечение про- должения работы в случаях, когда НРЭ оказывается в аварийном режиме. Топологии «а» и «б» также яв- ляются более простыми в проектировании и отработ- ке, поскольку существует возможность независимого испытания НРЭ и ИП. При необходимости наведения нрэ нрэСТ Lк рэ Rнрэ пульсаций большой амплитуды с сохранением высогде UнрэСТ - постоянное напряжение, стабилизируемое на НРЭ. Наименьшему напряжению НРЭ vнрэ будет соответ- ствовать момент времени, при котором cos(ωt) = = -1 (sin(ωt) = 0). Тогда с учётом уравнения (8) можно переписать условие (9) как кого показателя рекуперации, последовательная топо- логия «ж» является наиболее подходящей. Однако для наведения помех в широком диапазоне частот лучшие результаты могут быть достигнуты с топологиями «б» и «в». Топологии «ж» присущи самые малые значения входного адмиттанса на низких частотах, к тому UнрэСТ - LкwIнав > vрэ + Iст Rнрэ. (10) же топология «ж» более чувствительна к величине выходной индуктивности испытываемой СЭП. Одна- Учитывая, что ω = 2πf, из неравенства (10) можно сформулировать условие, обеспечивающее отсутствие нелинейных искажений в наводимых с частотой f тестовых сигналах по входному току, обусловленных выходом регулирующего элемента из проводящего режима: UнрэСТ - vрэ - Iст Rнрэ ко в топологии «ж» посредством быстродействующе- го НРЭ происходит фильтрация стабилизируемого входного тока, что обеспечивает более низкий уровень пульсаций, чем в параллельных топологиях, при равных массогабаритных характеристиках.

About the authors

A. S. Fedchenko

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: alek.fedchenko@gmail.com
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. A. Mizrah

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

D. K. Lobanov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files