К анализу возможности повышения энергетической эффективности генераторных устройств для бортовых радиоэлектронных средств Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ристиками, предложена программа летной отработки перспективных элементов СЭП.

Библиографический список

1. Структурная схема и схемотехнические решения комплексов автоматики и стабилизации СЭП негерметичного геостационарного КА с гальванической развязкой бортовой аппаратуры от солнечных и аккумуляторных батарей / С. А. Поляков, А. И. Чернышев, В. О. Эльман,

В. С. Кудряшов; НПЦ «Полюс» ; НПО ПМ им. ак. М. Ф. Решетнева. Железногорск, 2001.

2. Birchenough, G. The series connected buck boost regulator for high efficiency DC voltage regulation / G. Birchenough ; NASA. Glenn Research Center Cleveland, 2003.

3. Сайт The Saft Group [ Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.saftbatteries.com/. Загл. с экрана.

4. Интернет-магазин «Икс-моделс» [ Электронный ресурс]. Режим доступа: http://xmodels.ru/catalog/. Загл. с экрана.

P. I. Melnikov, R. V Kozlov, V S. Kudryashov POWER SUPPLY SYSTEM OF SMALL SATELLITE «STUDENT»

Interpretation results in designing power supply system of small satellite «Student» are expounded.

Keywords: power supply system, extreme regulation of power, bridge inverter, Li-ion battery, concentrators.

© Мельников П. И., Козлов Р. В., Кудряшов В. С., 2009

УДК621.375.54

А. М. Михеенко, С. С. Абрамов, И. И. Резван

К АНАЛИЗУ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ БОРТОВЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Выполнен обобщенный анализ ключевого генератора высокой частоты, который позволяет оценить энергетические показатели генератора в широком диапазоне частот и параметров схемы.

Ключевые слова: бортовые устройства радиосвязи, генераторы класса «Д», энергетическая эффективность генератора.

В условиях освоения космических программ остро встает проблема обеспечения энергоресурсами автономных объектов, предназначенных для длительного пребывания на орбите или в межпланетном пространстве. Одним из путей обеспечения длительной работоспособности космических объектов является повышение энергетической эффективности основных потребителей бортовых электронных систем. В частности, это относится к мощным генераторным устройствам средств радиосвязи.

В мощных радиоустройствах достаточно широко использовался «бигармонический режим» генератора. С появлением мощной твердотельной электроники применение нашли двухтактные схемы последовательных резонансных инверторов (генераторы класса «Д») [1].

Возможность повышения КПД и мощности была обнаружена при работе генератора на расстроенную нагрузку еще в 1960-е гг. Е. П. Хмельницким [2]. Генераторы аналогичного типа в зарубежной литературе получили условное название «генератор класса Е», а в отечественной -«ключевой генератор с формирующим контуром» [3]. Несмотря на то что генераторы класса «Е» обеспечивают высокий КПД на предельных для ключевого режима час-

тотах, в силу ряда причин их применение ограничивается пока стадией эксперимента. Цель настоящей работы - провести анализ энергетической эффективности генератора с формирующим контуром в самом общем виде, в широком диапазоне частот и параметров схемы.

Анализ схемы генератора. Упрощенная схема исследуемого генератора представлена на рис. 1.

Полагая, что отпирание и запирание активного элемента (АЭ) полностью определяется управляющим напряжением U, представим исследуемый генератор двумя эквивалентными схемами, отражающими процессы в генераторе при открытом и закрытом состоянии АЭ, где ик = Uk sin (t + j); t = wt; 29 - угол, соответствующий времени, в течение которого АЭ находится в открытом состоянии; i iL - токи во внешней цепи генератора, для соответствующих эквивалентных схем.

Дифференциальные уравнения для эквивалентных схем принимают вид

d 2i, 1 di

L +n X =

dt rwC dt

v2 E v 2sin(t + j) cos(t + m)4

=—uk(-------------------+—-—X

r r wL

d h d t2

+ v iL1 =—— cos(t + j).

wL

(2)

На основании формул (3)-(6) при условиях (7)-(9) получим

111 = A1 + X(B„sin Ф + B12 cos j);

112 = A2 + X(B21 sin j + B22 cos j)

121 = A3 + X(B31 sin j + B32 cos j);

122 = Aa + X(B41 sin j + B42 cos j) a,b„ - a,A

(10)

A = a2b3 - a3b2.

^ „ D a^bi - ab42

“^41 “41-2. B22 = -^J-------

где

a1b2 - a2b1

A2 =

a1b2 - a2b1

a3b1 - a1b3 в = a2b42 - a42b2. в = a41b1 - a1b-

12 a1b2 - a2b1 ’ B2i

a1b2 - a2b1

a1 = 1 - e2 p19 • cos2v(p-9) -pe2 p19 sin2v(p-9);

v

a2 = 1 - e2p29 • cos2v(p-9) - pe2p29 • sin2v(p-9

a1b2 - a2b1

a3 =ct[1 - cos2v(p-9)];

1

Рис. 1. Схема генератора: АЭ - активный элемент

(транзистор, лампа), работающий в режиме «ключа»;

УО - диод, обеспечивающий рекуперацию энергии

реактивных элементов при «разомкнутом ключе»;

Ь, С - элементы контура, определяющие форму напряжения 2 р2 2 |9

„ „ „ Ъ =-р1Г1 -ер • со82п(р-9) + — ер • 8іп2у(р-0)1;

ня А.-)- /, ( — нягт/’чпчнтли тспнтуп няг.тппрннкш ня чяр.тп'л/ 1 Г11- 4 ' 4 /л

a41 = -e2 + Ч1 • cos2v(p-9) + — q2 • sin2v(p-9);

v

a42 = є2 - q2 • cos2v(p-9) +1 q1 • sin2v(p-9);

v

на АЭ; L , Ск - нагрузочный контур, настроенный на частоту управляющего напряжения

Решение этих уравнений может быть записано в следующем виде:

i = s + Xe1 cos (t + j) -

-Xe2 sin(t + j) + Iuep1t + I12ep2t...

(3)

i1 = I21 cos v(t- 29) +

+122 sin v(t - 29)----21— X cos(t+j),

v -1

U = -Xe1 sin (t + j) -Xe2 cosx x (t + j) + P1IneP1t + P2 I12eP2t,

U1 = vI 22 cos v(t - 29) -

(4)

(5)

b2 = -P2 [1 - e2p29 • cos 2v(p -9) + — e2p29 • sin2v(p - 9)];

v

P 1

b3 =—1sin2v(p-9); e3 =e1 + —--------;

v v -1

b41 =e2 - q1 • cos2v(p-9) + vq2 • sin2v(p-9);

A3 = s + A1e2p19 + A2e2p29; A4 = P A1e2p19 + P2 A2e2p29;

v v ’

B31 = B11e2p19 + B21e2p29 - q1; q1 = (e3sin29 + e2cos29); B32 = Bl2e2p19 + B22e2p29 - q2; q2 = (e3 cos 29-e2 sin 29);

B41 = v(plBne2p19+ p2B2le2p29 -q2); v

1

-vI 21 sin v(t- 29) +—21— X sin(t + j), v -1

(6)

где i = i

p1 =■

В42 = - (Р1 В12е2 р19+ Р2 Вие2 р29- ^1).

V

Подставляя значения постоянных интегрирования формулы (10) в уравнения (3)-(6), получим описание тока Ь1 • и напряжения на индуктивности в установившемся режиме генератора.

Энергетические показатели генератора. Для опреде-

р2 = — - корни характеристического урав- ления энергетических показателей генератора необходи-

югС ст

мо определить ток первой гармоники в нагрузке и ток, потребляемый от источника питания:

wL

E

1

1

wL

E

1

L di,

и =-------—

E d t

L diL u. = —

E d t

w LC

wL „ U,

s =--, X=—•

r E

нения (1);

е = Р12 - (п 2 -1) Е=______^__• /■ /■ /■ /1 р1 + (V2 -1)2 ’ 2 р2_+ (V2 -1)2 ; 11; 12; 21; 22

постоянные интегрирования.

Полагая режим генератора установившимся, определим постоянные интегрирования, используя принцип непрерывности тока в индуктивности и напряжении на емкости контура ЬС:

¿(0) = ¿1(2я); /(29) = ¿1(29), (7)

ис = иС1(2я); ис (29) = ^(29), (8)

где

I1ЧI2 + i2 =

I,.

I,.

(11)

cos j sin j

где tg j = II

1 29 1 2p

I1s = — [ iL sin t dt + — [ iL1 sin t dt =

ТГ •* ТГ •*

E

pwL

' 29 2p

(J i sin tdt + J /! sin td t) =

E

pvL

[A5 +X(B51 sin j + B52 cos j)];

uc = E - uk - uL.

(9)

1 20 i 2р

I1c = — Í iL cos t dt +— Í iL1 cos t dt = p' p J

p

20

(13)

E

pvL

[+ X(^ei sin j + B62 cos j)].

1 x Ii

h = “X .

2 I

z. i0 U I R I R

Поскольку X = —- = - = 1j н

E E cosj

(1e)

, то согласно выра-

При этом параметры A5, A6, B51, B52, B61, B62 определя- жению (12)

A5 ^ A6 ’ -^51 ^52 ^61 ^62

ются следующими выражениями:

A5 = ^[a(1 - cos20) + : A

p

1

1 + p1 -(A3dj3 + A4 d!4)],

d10 +

2 12

2 ч-А3м13 1 ¿*-444)

V -1

= 1 1 sin40 cos40 1

B51 =2 1 + [e3( 4 0) +e2( 4 4) +

v -1 p 4 4 4

B B 1

+-----^ d11 + . 21 2 d12 + ~-7(B31d13 + B41d14 )]

1 +

1 + p22 12 v2-1'

D 1 sin40 cos40 1

B52 = [Є2( 4 0) Є3( 4 4) +

B

p 4

B2

-d,, +-

-d,0 +-

1

1+p2 11 1+p22 12' v2 -1

(B32 d13 + B42 d14 )]

где d11 = 1 - e2p10 (cos20- p1 sin 20); d12 = 1- e2p20 (cos20- p2sin20); d13 = cos2v(p-0) - cos20; d14 = sin 2v(p-0) + v sin 20;

1 A

A6 = — [ct sin20 +--L— d21 +

p 1 + p1

A,

1 + p2

-d22 +-

1

v2 -1

(A3d23 + A4d24 )]

D 1 cos40 1 sin40

B61 = [e3 ( . ■) e2( . +0) +

p 4 4 4

11 d21 +--21v d22 +—2-----(B31d23 + B41d24)],

1 . 2 21 1 2 22 ' 2 1

1 + P1 1 + P2 v-1

B62 = - . 2

1 1 sin40 cos40 1

2 +-[^2 ( +0) +S3^^-----7) +

v2 -1 p 4 4 4

12 d21 +-22v d22 +—2-(B32 d23 + B42d24)],

1 . 2 21 ' ! , 2 22 1 2 1

1 + P1 1 + P2 v-1

где d21 = - p1 + e2 p10 (p1 cos20+ sin20);

, d22 =- p2 + e2p 20 (p2 cos20 + sin20); d23 =v sin2v(p-0) + sin20;

d24 = cos20- cos2v(p-0).

Ток, потребляемый от источника, определяется как

1 20 гг 1 20

10 = vJ ~d х = fj

:p * r 2pí

2p - r

= Eg

2pwL

E Uk Ul d t =

2 D

J ст[1 -X sin(t + j) - u]d t,

0 - {20 + X[cos(20 + j) - cos j](1 -e1) +

2pvL

Io =

X = Rh [A5 + X(B51 Sin j + COS j)]

wL cos j

С другой стороны,

tg j = Zl^ = A6 + X(B61 Sin j + B62 COS j) (18)

4 A5 + X(B51 Sin j + B52 COS j) '

Система трансцендентных уравнений (17), (18) позволяет определить искомое значение X

В качестве примера, с помощью ПЭВМ был выполнен расчет КПД генератора для частного случая 9 = 90° и Rh = 5г.

Зависимость КПД генератора от частоты и параметров LC контура на плоскости переменныхр р2 приведена на рис. 2.

. П. і

, 50

■ 100

аз

о ?

6.1

1 1 1 • \!-<ЛГ ...- -О' У

и у- SO- У.\ '■?“ " „ -1— -J

Iі '| \ а'' ■ '-V/' ч% / " ' — at) -- -- - - --.. /ш

1 / ■?' ■■

-ШІ

60С

?<>

зо :ю ю 50 Рис. 2. КПД генератора

1

60

В первом приближении |p1|:

wrC

w0

1

РіР2 ю’ 4ьє'

Частотные характеристики КПД генератора можно получить построением поверхности (рис. 2) плоскостями, соответствующими конкретным значениям отношения

— ; графики КПД в функции от — = представлены Р1 Р2 Г

на рис. 3, где также рассмотрен частный случай 9 = 900 и

Ин = 5г.

(14)

где u определено выражением (5).

Результат интегрирования в выражение (14) следующий:

Ea s

(15)

+ Xe2 [sin(29 + j) - sin j] +

+/„(1 - e2 P19 ) + /,2(1 - e2 P 29 )}.

Коэффициент полезного действия на первой гармонике определяется известным соотношением [3]:

Рис. 3. Частотные характеристики генератора

0

Библиографический список

1. Дмитриков, В. Ф. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний / В. Ф. Дмитриков, Н. Б. Петяшин, М. А. Сиверс. М. : Радио и связь, 1988.

2. Хмельницкий, Е. П. Работа лампового генератора на расстроенный контур / Хмельницкий. М. : Связьиздат 1962.

3. Артым, А. Д. Усилители классов D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании / А. Д. Артым. М. : Связь, 1980.

не превышает 40-60 %.

A. M. Miheenko, S. S. Abramov, I. I. Rezvan

TO THE POSSIBILITY ANALYSIS OF POWER EFFICIENCY OF GENERATING DEVICES INCREASE FOR ON-BOARD RADIO-ELECTRONIC TOOLS

In an offered material the generalized analysis of the key generator of high frequency which allows to estimate power indicators of the generator in a wide range offrequencies and scheme parameters is done.

Keywords: on-board radio tools, D-class generator, power efficiency of the generator.

©Михеенко А. М., Абрамов С. С., Резван И. И., 2009

Из проведенного анализа следует, что непосредственные расчеты энергетических показателей генератора весьма трудоемки из-за громоздких выкладок и невозможности аналитического решения системы уравнений (17), (18).

Поэтому в каждом конкретном случае целесообразно прибегнуть к численным методам с использованием вычислительной техники.

На основании приведенного примера можно сделать вывод о возможности значительного повышения электронного КПД генератора по сравнению с обычными усилителями мощности, КПД которых на высоких частотах

УДК 681.3

И. В. Ковалев, Ю. А. Нургалеева, С. Н. Гриценко, А. В. Усачев

К ПРОБЛЕМЕ ВЫБОРА СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ

Рассмотрена постановка задачи, а также этапы и процедуры формирования структуры автоматизированной системы управления летательными аппаратами. Рациональный вариант структуры системы выбран с использованием оптимизационных и имитационных моделей.

Ключевые слова: система управления, летательный аппарат, структура, выбор варианта.

Важной проблемой при создании систем управления, и в частности, автоматизированных систем управления летательными аппаратами (АСУ ЛА) является выбор их структуры, которая определяет состав элементов системы с соответствующими взаимосвязями и с учетом динамики их функционирования [1].

Анализ различных подходов к формированию структуры подобных систем [2-4] показал, что задачи формирования могут быть разбиты на две группы. К первой относятся задачи, связанные с формированием топологической структуры системы, состоящей в определении состава, территориального расположения и типа управляющих узлов на всех уровнях иерархии системы и каналов связи между ними. Ко второй группе относятся проблемы формирования функциональной структуры системы, т. е. распределение функций управления между узлами системы, включая объект управления и распределение технических средств по узлам системы.

Таким образом, проблема формирования структуры АСУ ЛА включает формирование структуры управляемой системы, т. е. определение оптимального состава и взаимосвязей ее элементов, оптимального разбиения множества управляемых объектов на отдельные подмножества, обладающие заданными характеристиками; формирование структуры управляющей системы, т. е. выбор числа уровней и подсистем (иерархии управления), способов согласования целей подсистем различных уровней; оптимальное распределение выполняемых функций между уровнями и узлами системы; выбор структуры системы передачи, обработки и обмена информации.

Решение задач, связанных с рациональным построением структур АСУ ЛА, требует создания методологических основ формализации элементов и системы в целом, методов декомпозиции системы на подсистемы, построения формализованных моделей и методов формирования структуры АСУ ЛА, многомашинных комп-