CC BY
222
УДК 621.311
ТОКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Ю.М. Казанцев*-**, К.Г. Гордеев*, А.Ф. Лекарев*, С.П. Черданцев*, А.М. Гаврилов*
*ОАО «Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск E-mail: [email protected] **Томский политехнический университет
Рассмотрен способ регулирования напряжения солнечной батареи на токовом участке ее вольт-амперной характеристики. Показаны технические решения, позволяющие демпфировать колебания напряжения солнечной батареи, снизить пульсации и обеспечить высокое качество регулирования выходного напряжения системы электропитания в широком диапазоне изменения параметров.
Ключевые слова:
Солнечная батарея, согласованный фильтр, повышающий преобразователь напряжения, ключевой элемент, токовый регулятор. Key words:
Solar battery, matched filter, boost converter, switch, current controller.
На большинстве космических аппаратов (КА) в качестве первичных источников питания используются солнечные батареи (СБ), которые по своей физической природе являются источниками тока с нелинейным и нестационарным внутренним сопротивлением. Их характеристики в значительной степени изменяются в процессе эксплуатации: при выходе из тени Земли охлажденные СБ генерируют максимальную энергию, которая с прогревом батареи уменьшается. Кроме того, со временем СБ деградируют от воздействия ионизирующего излучения космического пространства.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) СБ (рис. 1) описывается экспоненциальной функцией по трем характерным точкам: напряжения холостого хода ихх, тока короткого замыкания /к.з и оптимальных значений тока /опт и напряжения Ц,ш [1]:
( ( і (исБ - иы)1п
1 - exp
- U
(1)
где 1СБ и иСБ - ток и напряжение солнечной батареи.
Точка оптимальных значений /опт, иопт соответствует режиму отдачи максимальной мощности Ршах (см. вольт-ваттную характеристику, рис. 1) и разделяет два принципиально разных участка эксплуатации СБ; на участке 1 с параметрами их.х> иСБ> иопт и 0>/СБ>/опт СБ обладает свойствами источника напряжения; на участке 2 с параметрами иопт> иСБ>0 и /опт>/СБ>/к.з - источника тока.
Развитие систем электропитания (СЭП) КА началось с использования для регулирования напряжения на нагрузке шунтовых ограничителей напряжения СБ параллельного типа. Невозможность из-за прямого соединения шин СБ и нагрузки одновременного обеспечения оптимального режима работы СБ и заданного напряжения на нагрузке привела к тому, что начиная с 1981 г. стали применяться разработанные НПЦ «Полюс» последовательные регуляторы напряжения СБ, выполненные на базе импульсных преобразователей напряжения (ИП) понижающего типа. На их основе реализовано экстремальное регулирование мощности СБ [2].
Поскольку в системе СБ - понижающий ИП напряжение иСБ должно быть выше напряжения нагрузки Пю то при повышении ин до 100 В и более и длительном сроке активного существования КА с учетом последующей деградации иСБ в начале эксплуатации может достигать значений, при которых есть вероятность газовых разрядов между элементами СБ.
В связи с этим целесообразно рассмотреть возможность использования для регулирования напряжения на нагрузке ИП повышающего типа, для которого выполняется условие иСБ< ин.
Регулировочные характеристики системы СБ -повышающий ИП (рис. 2) для нагрузок сопротивлением Дн, равным 100, 50, 20 и 8 Ом, получены совместным решением в среде МаШсаё уравнения (1) с параметрами ВАХ СБ: их.х=100В, /к.з=20А, иопт=82 В, /опт=18Аи системы уравнений повышающего ИП с нагрузкой Ял
U2
р _______ ншах
U,, _
Ur
R
н
из которого следует
UHmax у]РШіа\ RH VU,ni ^оптRH ;
Y, _ l-
U
"^опт RH
(1 -Y )
IH _ I CE(1 - y ); R _ Uh RH _ T ’
где 7 - относительная длительность включенного состояния ключевого элемента ИП; 1н - ток нагрузки; R - сопротивление нагрузки.
Выходное напряжение ин нелинейно нарастает от значения исБ при у=0 до максимального значения ин max при экстремальном значении относительной длительности включенного состояния ключевого элемента ИП у=уъ, а затем линейно спадает от UHmax при у=7э до нуля при у=1.
Значение напряжения U„max на выходе ИП при постоянном значении сопротивления нагрузки соответствует работе СБ в оптимальной точке ВАХ согласно соотношению
Анализ ВАХ СБ (рис. 1) и регулировочных характеристик системы СБ - повышающий ИП (рис. 2) показывает преимущества эксплуатации СБ на токовом участке ВАХ: линейность регулировочных характеристик и широкий диапазон регулирования, обеспечивающий работоспособность системы при деградации параметров СБ до граничных значений, удовлетворяющих условию
P > U I .
max н н
Однако в практических схемах СБ - повышающий ИП (рис. 3) работа на токовом участке ВАХ СБ даже с малыми пульсациями входного тока ИП вызывает значительные пульсации напряжения СБ, что ограничивает фильтрующие свойства дросселя L1.
Установка параллельно СБ входного конденсатора Свх приводит к возникновению ограниченных параметрами ВАХ СБ низкочастотных колебаний напряжения и тока СБ (рис. 4). Кроме того, повышающие ИП характеризуются большими пульсациями тока выходных конденсаторов Свых.
Демпфировать колебания напряжения СБ с токовым преобразователем энергии предлагается установкой согласованного входного фильтра [3], а уменьшить пульсации тока выходных конденсаторов - применением в системе повышающего ИП магнитно-связанного сглаживающего фильтра на двухобмоточном дросселе [4] (рис. 5).
Базовым параметром токового преобразователя энергии СБ (рис. 3, 5) является индуктивность
дросселя. Она влияет на уровень пульсаций выходного напряжения, а также на значение приращений входного тока при коммутации ключевого элемента УТ1 и, следовательно, на минимальное значение потребляемого тока, при котором сохранится режим непрерывного тока в дросселе.
Минимальное значение индуктивности дросселя определяется по формуле
ь
т1П 4Д/Ь/К’
где /к - частота коммутации ключевого элемента УТ1; А/ь=2 /вхт1п - допустимое значение пульсаций входного тока при /вхт1п - минимальном значении входного тока.
Для токового преобразователя энергии (рис. 3, 5), состоящего из СБ с параметрами их.х=100 В, 1кз=20 А, иопт=82 В, 1опт=18 А, повышающего ИП с выходным напряжением ин=100 В, частотой широтно-импульсной модуляцииХ=50 кГц и допустимым уровнем пульсаций входного тока А/ь=4 А обмотки Ь1 или Ь1.1 и Ь1.2 дросселя должны иметь индуктивность
А.1 = А.2 _
100
= 125 мкГн.
16 - 50 103
Параметры входного согласованного фильтра определяют анализом входной цепи токового преобразователя энергии СБ (рис. 3).
Постоянную составляющую и гармонический состав периодических прямоугольных импульсов напряжения на ключевом элементе УТ1 можно определить из ряда Фурье [5]:
Б1П
и
ин +£ 2ин
п пТг
СОБ
п п
2п п
(2)
где п - порядковый гармоники напряжения; Т0, Т -длительности импульса и периода коммутации ключевого элемента УТ1.
Поскольку обмотка дросселя Ь1 входит в состав фильтра, рассмотрим Т-образные двухполюсные низкочастотные фильтры Баттерворта, амплитудно-частотная характеристика которых задается формулой [6]
Рис. 5. Токовый преобразователь энергии СБ
Рис. 6. Регулятор токового преобразователя энергии СБ
AUñ U,
1 +
Ґ
f Л
V /о J
í r\h J c
V / J
(3)
где АиСБ - допустимое значение амплитуды пульсации напряжения СБ;/с - частота среза; Н - порядок фильтра (число полюсов).
Из уравнения (2) определяем амплитуду первой гармоники прямоугольного импульсного напряжения, формируемого на входе ключевого элемента УТ1. Она максимальна при Т0=0,5Т:
2U,
, и для UH=100 В имеем £fi=63,7 В.
Для подавления этой гармоники до уровня 0,1 В из выражения (3) определяют необходимую частоту среза фильтра:
/ = /
Je J к
0,1 = 50-103 • 0,0396 = 1,98 кГц.
63,7
Нормализованные значения индуктивности и емкости для низкочастотного Т-фильтра Баттер-ворта второго порядка при нагрузке 1 Ом и частоте среза 1 рад/с [6] !ворм=1,4142 Гн; Оюрм=0,7071 Ф.
С их помощью определяются действительные значения параметров входного фильтра (рис. 5) по формулам:
L = RL /ю;
1 1 норм / 5
С = С /ю R,
1 норм 1
(4)
где о - угловая частота среза.
Поскольку известны частота среза /с и индуктивность обмотки дросселя Ь1, то по нормализованным значениям параметров элементов фильтра и формуле (4) можно определить требуемые значения их параметров.
Ьр _ 125-10-6 - 2п -1,98-103
L
норм
С
норм
юД
1,4142
0,7071
= 1,1 Ом;
= 29,0 мкФ.
С =
2п -1,98-103-1,1
Резистор Я1 предназначен для демпфирования колебаний напряжения СБ, поэтому для отсечения постоянной составляющей напряжения СБ его и конденсатор С1 подключают через дополнительный конденсатор С2. Емкости конденсаторов С1 и С2 равны между собой.
Потери мощности на резисторе Ш
P =.AUÑá
pd 1
R
0,12
1,1
= 0,0091 Вт.
Управление токовым преобразователем энергии СБ (рис. 5) осуществляется регулятором (рис. 6), в котором на выходе генератора пилообразного напряжения (Gen) по синхроимпульсам Fc формируется пилообразный сигнал с амплитудой, равной значению тока /СБ, после сравнения с сигналом 1н, равным значению выходного тока ИП, он становится сигналом развертки Yp, сигнал ошибки х формируется сравнением выходного
п
Рис. 7. Диаграммы токов и напряжений на выходе СБ и ИП при изменении тока нагрузки от2до 12,5 А
Рис. 8. Диаграммы токов и напряжений переходного процесса при набросе тока нагрузки
сигнала ин и сигнала задания иоп. Управляющий сигнал /у формируется суммированием сигналов х и У [7].
При работе на токовом участке ВАХ (см. участок 2 на рис. 1) увеличение мощности, потребляемой нагрузкой, сопровождается уменьшением тока СБ. В переходном процессе при резком увеличении тока нагрузки возможен переход рабочей точ-
ки с токового участка ВАХ СБ на участок напряжения. Защита от такого перехода реализуется принудительным включением ключевого элемента УТ1 при уменьшении тока СБ ниже оптимального /опт.
Сигнал защиты / формируется компаратором К при уменьшении сигнала /СБ более чем на 10 % по отношению к формируемому фильтром Ф сигналу 1Ф, равному среднему значению сигнала 1СБ
за пять периодов коммутации ключевого элемента.
Коммутация ключевого элемента осуществляется сигналом /к, формируемым на прямом выходе ЯЗ-триггера Т, который устанавливается в состояние /к=0 синхроимпульсом /с и в состояние /к=1 сигналом Вк=РуВ1.
При изменении тока нагрузки от 2 до 12,5 А (рис. 7) токовый ИП работает устойчиво, колебания напряжения на выходе СБ в установившихся режимах отсутствуют, длительность переходного процесса при изменении нагрузки не превышает
1.5 мс.
Работу основных узлов регулятора напряжения поясняют диаграммы токов и напряжений переходного процесса при набросе тока нагрузки с 2 до
12.5 А (рис. 8). При отработке этого воздействия управляющий сигнал уменьшает длительность сигнала /к, управляющего включением ключевого элемента УТ1, что приводит к уменьшению тока СБ. При /сб<18 А формируется сигнал / защиты от ухода с участка 2 ВАХ СБ, который включает ключевой элемент УТ1. Ток СБ увеличивается, рабочая точка возвращается на токовый участок ВАХ.
В установившихся режимах амплитуда пульсаций напряжения исБ не превышает 100 мВ, в выходной конденсатор С4 с выхода ИП поступают не импульсы с амплитудой 20 А, а переменная составляющая тока /ш амплитудой менее 1,1 А, пульсации выходного напряжения ин не превышают 6 мВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 353 с.
2. Шиняков Ю.А., Гордеев К.Г., Черданцев С.П., Обрусник П.В. Варианты построения экстремальных шаговых регуляторов мощности солнечных батарей // Тр. ВНИИЭМ. - 1997. - Т. 97. Электромеханические устройства космических аппаратов. -С. 83-92.
3. Импульсный преобразователь энергии солнечной батареи: пат. 2309519 Рос. Федерация. № 2005136115/09; заявл. 21.11.05; опубл. 27.10.07, Бюл. № 30. - 3 с.
4. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф., Чу С.К. Магнитно-связанный сглаживающий фильтр для импульсных регуляторов и
Выводы
1. Использование токового преобразователя энергии солнечной батареи, выполненного на базе повышающего преобразователя напряжения, обеспечивает работоспособность системы электропитания космического аппарата при широком диапазоне изменения параметров вольт-амперной характеристики солнечной батареи.
2. Фильтр с согласованной нагрузкой, установленный между солнечной батареей и повышающим преобразователем, обеспечивает демпфирование колебаний солнечной батареи при работе на токовом участке вольт-амперной характеристики. Потери на согласованном сопротивлении фильтра, при заданном уровне пульсаций 0,1 В не превышают 10 мВт.
3. Повышающий преобразователь напряжения с магнитно-связанным сглаживающим фильтром на базе двухобмоточного дросселя имеет малые пульсации выходного тока и, следовательно, малые пульсации выходного напряжения.
4. Предложенный закон управления токовым преобразователем энергии солнечной батареи с защитой от ухода рабочей точки с токового участка вольт-амперной характеристики солнечной батареи обеспечивает высокое качество регулирования выходного напряжения в широком диапазоне изменения параметров.
преобразователей постоянного напряжения // Электронная техника в автоматике / под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1986. - Вып. 17. - С. 116-121.
5. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - М.: Наука, 1973. - 832 с.
6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 2-х томах. Пер с англ. - М.: Мир, 1983. - Т. 1. - 598 с.
7. Способ питания нагрузки от солнечной батареи: пат. 2279705 Рос. Федерация. № 2004128060/09; заявл. 20.09.04; опубл. 10.07.06, Бюл. № 19. - 5 с.
Поступила 11.02.2011 г.
