Дискретный регулятор мощности секционированной солнечной батареи

Разработка дискретного регулятора мощности секционированной солнечной батареи

ВВЕДЕНИЕ

Система электропитания (СЭП) является одной из важнейших частей в составе оборудования спутника, обеспечивая энергией все его служебные системы и полезную нагрузку КА. Важнейшими характеристиками СЭП являются качество выходного напряжения, масса, габариты, КПД, надежность и стоимость.

Одним из способов достижения требуемого качества является использование оптимальной структуры энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА), входящей в состав СЭП.

В настоящее время существует ЭПА, предназначенная для работы с 6, 18 и 40 секционными БС. В такой аппаратуре использованы шунтовые стабилизаторы с ШИМ силового ключа, причем число ШС равно числу секций БС. При реальной работе большинство каналов ШС либо полностью закорачивают секцию БС, либо пропускают весь ток в нагрузку. То есть фактически большинство каналов работает в дискретном режиме. При этом конструкция всех ШС одинакова, в результате этого появляется большое количество избыточных элементов, приводящее к усложнению и удорожанию конструкции ЭПА.

Целью дипломного проекта является разработка дискретного регулятора мощности секционированной солнечной батареи, входящего в состав ЭПА, в части системы управления шунтирующими коммутаторами. Задача такой системы — формирование дискретных сигналов (команд) управления состояниями ключей, для обеспечения требуемого качества выходного напряжения КЭП.

Применение такой системы, имеющей более простую схемную реализацию, позволит упростить конструкцию СЭП, повысить её надежность и снизить стоимость.

1. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

1.1 Цель и объект исследования Темой выпускной квалификационной работы является «Разработка дискретного регулятора мощности секционированной солнечной батареи».

Целью исследования является разработка опытного образца системы управления многосекционным коммутатором выходного тока секционированной солнечной батареи.

Объект исследования — математическая и физическая модели системы электропитания КА (СЭП КА), на основе шунтовых стабилизаторов, в режиме регулирования мощности солнечной батареи. По результатам исследования разрабатывается система управления многосекционным коммутатором токов БС.

1.2 Состав и назначение СЭП СЭП предназначена для обеспечения систем КА напряжением заданного качества.

Исследуемая СЭП включает в себя: секционированную солнечную батарею; аккумуляторные батареи; энергопреобразующую аппаратуру — КЭП;

В режиме регулирования мощности солнечной батареи в КЭП используются системы: шунтовые стабилизаторы, количество которых соответствует количеству секций БС; узлы управления стабилизаторами, в состав которых входит интегратор отклонения выходного напряжения от заданного и схема формирования дифференцирующей обратной связи.

На рисунке 1.1 представлена функциональная схема регулятора мощности БС.

Назначение функциональных узлов входящих в состав КЭП.

Интегратор предназначен для определения интеграла отклонения напряжения выходной шины СЭП от опорного. Шунтовые стабилизаторы ограничивают лишнюю энергию, вырабатываемую БС, и обеспечивают тем самым требуемое выходное напряжение. Дифференцирующая ОС определяет скорость изменения выходного напряжения шины и формирует дополнительный сигнал управления ШС, обеспечивая тем самым необходимые параметры переходных процессов, возникающих при изменении нагрузки Рисунок 1.1. Функциональная схема КЭП

БСбатарея солнечная ШС — Шунтовой стабилизатор с ШИМ ДТК — датчик тока ключа ДТ — датчик тока И100 — интегратор модель 100 В.

ЛС — логический сигнал (состояние ключа) Сигналы которые можно использовать для управления коммутатором:

U_инт — Напряжение интегратора

— Ток ШС

— Ток БС крыла (суммарный)

— Ток нагрузки

— токи ключей

— Скорость изменения тока

— Скорость изменения напряжения интегратора или нагрузки

— Количество включенных ключей коммутатора БС

— Сигнал производной от напряжения фильтра.

1.3 Принцип работы СЭП При отсутствии освещения панелей БС ключи ШС разомкнуты, выходное напряжение интегратора имеет отрицательную полярность, а амплитуда меняется в зависимости от отклонения от опорного напряжения. В этом режиме работает разрядное устройство, и энергия потребляется только от аккумуляторных батарей. С ростом интенсивности освещения секций БС, в них генерируется фототок, так как ключи ШС разомкнуты, то весь фототок протекает через нагрузку. Когда выработанной энергии становится больше, чем потребляет нагрузка, выходное напряжение интегратора меняет знак (становится положительным). В этом режиме (положительной зоне И100) начинают работать ШС и зарядные устройства.

Положительная зона выходных напряжений интегратора И100 распределена между фазами ШС, причем рабочие зоны ШС перекрываются. Чем больше выходное напряжение интегратора, тем больше ключей ШС замкнуты. В пределах рабочего диапазона фазы ключ ШС работает в режиме ШИМ, ограничивая часть энергии, генерируемой секцией БС. Очевидно, что большинство ключей ШС в конкретный момент времени находятся в одном из устойчивых состояний (замкнуты либо разомкнуты), а в режиме ШИМ работают от одной до трёх секций. Причем, с увеличением числа секций БС, увеличивается число ключей ШС, которые находятся в устойчивом состоянии.

1.4 Технические требования СЭП должна обеспечивать нагрузку напряжением (100 ± 1) В, конструкция БС должна быть многосекционной, в зависимости от числа секций мощность нагрузки изменяется от 3 до 18 кВт.

При скачкообразном подключении/отключении нагрузки 2кВт, длительность переходного процесса не 500мкс, переходной процесс апериодический без перерегулирования, амплитуда переходного отклонения напряжения не более 1 В.

1.5 Математические модели СЭП Система электропитания, по своей сути, является классической системой автоматического регулирования (САР). Для анализа САР удобно представить её в виде структурной схемы, состоящей из передаточных функций входящих в неё звеньев. Так как в рамках данной дипломной работы разрабатывается только та часть СЭП, которая регулирует энергию вырабатываемую БС, то из состава модели будут исключены: зарядно — разрядное устройство и аккумуляторные батареи.

Согласно структурной схеме, приведенной на рисунке 1.1 и с учетом указанных выше допущений, составим структурную схему, состоящую из пяти каналов ШС (представлена на рисунке 1.2).

Обозначения на схеме (рис 1.2):

U_оп — опорное напряжение (100В); U_см — напряжение смещения; W_инт — передаточная функция интегратора; W_шс — передаточная функция ШС; W_диф — передаточная функция дифференциатора; W_н — передаточная функция нагрузки; НЭ — нелинейный элемент имитирующий ВАХ БС; I_БСном — номинальный ток БС.

Рис. 1.2. Математическая модель СЭП

1.6 Постановка задачи В пункте 1.3 было сказано, что ключам находящимся в устойчивых состояниях система с ШИМ не нужна, ими можно управлять посредством дискретных сигналов (команд). Формировать эти сигналы можно с помощью простых логических устройств.

Избыточность структуры применяемой ЭПА является её недостатком.

Для упрощения схемы управления и удешевления конструкции целесообразно обеспечить дискретный режим работы части ключей (ключ замкнут либо разомкнут). Сигналы управления, в этом случае, должны формироваться несложной логической схемой на основе анализа уже имеющихся в системе сигналов (сигналы показаны на рисунке 1.1). При этом система стабилизации выходного напряжения должна оставаться устойчивой во всех режимах работы и удовлетворять требованиям, предъявляемым к параметрам переходных процессов и качеству выходного напряжения.

В рамках дипломной работы необходимо разработать систему управления многоканальным коммутатором. Разработка коммутатора состоит из трёх этапов — разработка структуры и схемы, математического моделирования и натурного эксперимент. Так как в рамках дипломной работы отсутствует возможность изготовить и исследовать образец аппаратуры с параметрами близкими к штатному, то натурный эксперимент будет проводится с приемлемым масштабированием по напряжению шины и выходной мощности.

На первом и втором этапах будет разработана схема и исследована модель системы, полностью отражающая логику работы усовершенствованного регулятора и удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к прототипу. После того, как работоспособность модели будет подтверждена имитационным моделированием на ПК, будет разработана принципиальная схема системы для натурных экспериментов, с уменьшенными значениями напряжения и мощности, в определённом масштабе по отношению к прототипу. Такой подход позволит определить целесообразность разработки рассматриваемой системы, не прибегая к излишним затратам ресурсов. Кроме того в процессе моделирования будет определен функциональный состав системы, принципиальные схемы функциональных блоков и рациональные, с точки зрения предъявляемых требований, параметры элементов входящих в состав схем.

1.7 Варианты реализации системы управления коммутатором

1.7.1 Описание формирователя сигналов переключения Принципиально возможны несколько вариантов формирования сигналов управления коммутаторами. Все их можно свести к двум основным: первый вариант, когда сигналы коммутации формируются на основе сигнала суммы токов ключей ШС; второй вариант сигналы формируются по отклонению выходного напряжения от заданного, или интегралу ошибки.

Рассмотрим преимущества и недостатки обоих вариантов. Укрупненная функциональная схема первого варианта формирователя представлена, на рисунке 1.3. Сигналы, характеризующие состояние ключей ШС, логические (0, 1) либо линейные (от 0 до 1), поступают на вход суммирующего устройства. Сумма сигналов поступает в устройство сравнение, которое, в зависимости от значения суммы, выдает сигналы коммутации секций.

Рис 1.3. Функциональная схема формирователя сигнала переключения коммутатора (Токовый вариант).

Второй вариант представлен на рисунке 1.4. Напряжение интегратора поступает на вход порогового устройства, если напряжение оказывается выше верхнего порога, то одна секция замыкается, если ниже нижнего то одна секция размыкается. Такой вариант имеет существенный потенциальный недостаток, в нем организуется два параллельных контура управления, а это может привести к неустойчивой работе всей системы в целом. Поэтому предпочтительнее использовать первый вариант.

Рис 1.4. Функциональная схема формирования сигнала переключения коммутатора (вариант с отклонением интегральной ошибки).

Заштрихованные области (на рисунке 1.4) — области уменьшения и увеличения числа подключенных секций.

Очевидно, что с целью увеличения скорости реакции регулятора, при больших амплитудах скачкообразного изменения тока, целесообразно изменение одновременно коммутируемых секций до 2^х — 3^х. Для реализации этой функции необходимо измерение амплитуды приращения тока выходного фильтра.

1.7.2 Описание устройства обработки сигналов (на счетчиках и регистрах) Сигналы полученные с формирователя необходимо обработать. Обработка заключается в установлении количества замкнутых и разомкнутых ключей в текущий момент времени, в соответствии с входными сигналами и начальными условиями для текущего момента времени условиями.

Наиболее простое решение — применение сдвиговых регистров или счетчиков импульсов. И те и другие могут быть как реверсивные так и не реверсивные. Нереверсивный счетчик применить в данной конструкции невозможно, не прибегая к через мерно сложной схемотехнике. Использование реверсивного счетчика (типа К564ИЕ11) устраняет этот недостаток, но такая схема потребует сложного дешифратора (вариант схемы дешифратора приведен в приложении 1.1). Применение сдвигового регистра позволяет обойтись без дешифратора, но при дальнейших исследованиях выяснилось, что схема с нереверсивным сдвиговым регистром имеет существенный недостаток. При появлении сигнала замыкания ключей, при условии что несколько ключей в текущий момент времени разомкнуты, происходит сдвиг данных по выходам регистра, а общее число замкнутых и разомкнутых ключей не меняется, происходит только смена их местоположения. Такой сдвиг происходит пока старшая логическая единица записанного в регистр числа не потеряется из-за превышения разрядности. Такой алгоритм работы значительно снижает быстродействие схемы, а последовательное замыкание и размыкание ключей вызывает множество накладываемых друг на друга переходные процессов. Также из-за работы ключей не в статическом, а в динамическом режиме, увеличивает потери, а соответственно снижает КПД.

Если использован регистр с возможностью реверсирования направления записи данных, то он лишен указанного выше недостатка В качестве схемы обработки в данной дипломной работе была использована типовая схема реверсивного регистра сдвига из источника. Схема приведена в приложении 1.2.

1.8 Аналитическое моделирование Аналитическое моделирование включает в себя этапы:

1. Постановка задачи компьютерного моделирования;

2. Определение исходной информации;

3. Обоснование критериев оценки эффективности системы;

4. Выбор вычислительных средств для моделирования;

5. Составление плана работ по разработке;

6. Проверка достоверности системы;

7. Определение требований к вычислительным средствам.

1.8.1 Постановка задачи на компьютерное моделирование Задачей компьютерного моделирования нужно считать полное и безошибочное отражение существующих математических моделей, т. е. создание компьютерной модели на основе математических моделей. Для решения поставленной задачи достаточно современных средств компьютерного моделирования.

1.8.2 Определение исходных данных Исходные данные для проведения моделирования представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 — Исходные данные для проведения программирования

1.8.3 Обоснование критериев оценки эффективности системы Следует определить, что для решения поставленной задачи о синтезе схемы управления коммутатором необходимо составить, по возможности, наиболее полную математическую модель СЭП с тем, чтобы иметь возможность оценки работы проектируемой системы. Необходимо также выбрать ряд критериев для оценки этой работы.

Критериями для оценки достоверности модели исходной СЭП и разработанного коммутатора будут: длительность ПП, амплитуда ПП и значение выходного напряжения, при максимально допустимом набросе нагрузки.

В процессе разработки системы будет составлена адекватная модель типовой СЭП, удовлетворяющей заданным требованиям (таблица 1.1). На основе модели типовой СЭП будет разработана модель коммутатора, и она должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к исходной системе.

1.8.4 Выбор средств разработки для моделирования В настоящее время существует множество систем автоматического проектирования (САПР), помогающих при разработке электрических схем. Основными из них являются: MiсroCap 9.0 (Spectrum Software), OrCad 10.0 (Cadence Design Systems) и Altium Designer 9.0 (Altium). Данные средства разработки обладают подобным функциональным набором, и в основе их лежит язык программирования Spice. Для обоснования выбора среды программирования был проведён экспертный анализ указанных систем.

Для удобства проведения экспертизы, оценка эффективности среды программирования оценивается по пятибалльной шкале. В качестве экспертов были приглашены сотрудники предприятия, специализирующиеся на разработке электрических схем. Результаты экспертизы приведены в таблицах 1.2−1.4.

Таблица 1.2 — Оценка среды программирования Miсro Cap 9.0

Таблица 1.3 — Оценка среды программирования OrCad 10.0

Таблица 1.4 — Оценка среды программирования Altium Designer 9.0

Из представленной экспертизы видно, что САПР Altium Designer 9.0 является наиболее подходящей для разработки функциональной и электрической схем. Кроме того, определяющим фактором при выборе стала совместимость с используемым в подразделении разработчиками бортовой аппаратуры ПО. Altium Designer является новейшей комплексной САПР, позволяющей выполнять все этапы разработки: от принципиальной схемы до модели для станка с ЧПУ. Применение Altium Designer 9.0 позволило разработать схему в кратчайшие сроки (3 мес).

1.8.5 Определение требований к вычислительным средствам Рекомендуемые системные требования: Windows XP SP2 Professional или выше; Intel Core 2 Duo / Quad 2,66 ГГц или выше; 2 Гб оперативной памяти; 10 Гб места на жестком диске; Два монитора, разрешение экрана 1680×1050 (широкоэкранный) или 1600×1200 (4:3); NVIDIA GeForce 80 003 серия, 256 МБ (или больше) видеокарта или выше; Параллельный порт (для подключении к NanoBoard-NB1); USB2.0 порт (при подключении к NanoBoard-NB2); Adobe Reader 8 или выше DVD-привод; Подключение к Интрнет для получения обновлений и технической поддержки онлайн.

1.8.6 План выполнения дипломной работы План выполнения дипломной работы приведён в таблице 1.5.

Таблица 1.5 — План выполнения дипломной работы

1.9 Оценка качества модели Исследование модели СЭП в MatLab показало, что модель соответствует требования сформулированным в пункте 1.7.3. Следовательно можно проводить дальнейшую разработку.

1.10 Экономическая часть Внедрение новых технологий всегда должно сопровождаться оценкой экономической эффективности их создания и использования. Решение экономических вопросов в дипломной работе позволяет дать объективную оценку качеству инженерной проработки, целесообразности внедрения результатов дипломной работы в производств. Данный раздел позволяет объективно оценить целесообразность разработки штатного образца коммутатора.

1.10.1 Расчет затрат на разработку коммутатора Затраты на разработку коммутатора (S) определим по формуле 1.1 [8]:

где:

n = 1 — количество разработчиков;

Тp = 4 мес. — общее время, затраченное на разработку многоканального коммутатора;

Зро = 4100 руб./мес. — основная заработная плата разработчика с учётом районного коэффициента;

Крд = 0.6 — коэффициент, учитывающий дополнительную заработную плату разработчика программы, в долях к основной заработной плате (по материалам базового предприятия);

Крс = 0.3 — коэффициент, учитывающий страховые взносы, в долях к сумме основной заработной платы;

Tмо = 376 час. — общее время работы на ПК

Ep = 2.4 — эксплутационные расходы на 1 час машинного времени, руб. / машино-час;

Тк = 25 час. — время консультаций;

Зк = 100 руб/час — оплата консультанта по отраслевому тарифу.

Kоб = 20 000 руб. — стоимость оборудования;

S = 1*4*4100*(1+0.6)*(1+0.3)+376*2.4+25*100+20 000 = 57 514.4 руб.(1.2)

1.10.2 Расчёт капиталовложений, связанных с изготовлением физической модели многоканального коммутатора и его испытаниями Таблица 1.6. Перечень и стоимость компонентов для одного комплекта 8-ми канального коммутатора.

Затраты на электроиспытания складываются из эксплуатационных расходов на лабораторное оборудование. Величина расходов определяется исходя из величины амортизационных отчислений и затрат на электрическую энергию. В таблице 1.7 приведён перечень использованного оборудования и расходы на его эксплуатацию.

Таблица 1.7. Перечень оборудования и эксплуатационные расходы.

Общая стоимость эксплуатационных расходов на оборудование равна 1096 руб.

1.10.3 Расчёт показателей экономической эффективности от внедрения коммутатора Задачей дипломной работы является: разработка системы управления многоканальным коммутатором, следовательно, для определения экономической эффективности, будут сравниваться стоимости системы управления ШС и системы управления многоканального коммутатора. В исходной СЭП, в каждом канале ШС стоит своя система управления, конструкции их абсолютно идентичны. Разрабатываемая в дипломной работе система управления рассчитана на 8 каналов. В таблице 1.8 приведен перечень и стоимость компонентов одного канала СУ ШС.

Таблица 1.8. Перечень и стоимость компонентов одного канала СУ ШС.

Общая стоимость системы управления для 8-ми каналов равна:

С_СУШС = 2136.60•8 = 17 092.8(1.3)

В пункте 1.10.2 была определена стоимость СУ для многоканального коммутатора. Экономическая эффективность от применения новой системы будет равна:

С_СУШС — С_ком = 17 092.8 — 871.74 = 16 221.06 (руб.)(1.4)

Кроме этого, использование сдвиговых регистров К564ИР9 позволяет, с добавлением каждой новой микросхемы, увеличивать число каналов коммутатора на 4, при этом остальная часть схемы остаётся без изменения. Следовательно в системах с большим числом каналов, экономическая эффективность будет возрастать.

Выводы:

Экономическая эффективность от внедрения многоканального коммутатора составляет 16 221.06. При этом с увеличением числа каналов экономическая эффективность так же увеличивается. На основании этого можно считать, что разработка штатного образца КЭП на основе многоканального коммутатора экономически оправдана.

2. ПРОЕКТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Разработка структурной схемы СЭП в Matlab

2.1.1 Подбор моделей элементов (формирование модели ШС, БС и тд) Чтобы оценить работоспособность всей СЭП не прибегая к натурному моделированию, необходимо составить достоверные модели всех узлов входящих в её состав.

Основываясь на проведенных ранее опытах структурная схема БС (без учета динамики) может иметь вид показанный на рисунке 2.1 Входными параметрами для данной модели являются величина фототока и приложенное напряжение, а выходным параметром ток БС. В состав модели входит нелинейный элемент имитирующий ВАХ БС.

Рис. 2.1. Модель БС в MatLab.

Модель ШС представлена на рисунке 2.2. она состоит из источника смещения входного сигнала ошибки, коэффициента передачи схемы управления ШС (или её передаточной функции), нелинейного элемента (типа зона насышения, с линейным диапазоном от 0 до 1) и устройства умножения. В зависимости от величины входного сигнала ШС либо не пропускает ток БС в нагрузку, либо пропускает его часть, либо весь ток целиком.

Рис 2.2. Модель ШС в MatLab.

Так как в такой постановке модели фаз ШС являются моделями источников токов, и эти токи текут в нагрузку, следовательно по второму закону Кирхгофа (закон о сумме токов в узле) [3], токи можно просуммировать, и пропустить через передаточную функцию, характеризующую структуру и параметры нагрузки (в данном случае активное сопротивление и емкость соединённые параллельно), на выходе передаточной функции будет напряжение шины.

Выходное напряжение сравнивается с опорным, пропускается через передаточную функцию интегратора, на выходе будет сигнал пропорциональный интегралу ошибки (модель интегратора приведена на рисунке 2.3). Этот сигнал и подаётся на фазы ШС.

Рис. 2.3. Модель интегратора в MatLab.

Медленный контур (контур коммутатора) построен следующим образом: сигнал на выходе нелинейного элемента зона насыщения в модели ШС является аналогом коэффициента заполнения, в реальной схеме, и пропорционален току ШС. Сумма этих сигналов показывает в каком состоянии находятся все каналы ШС. Сравнивая эту сумму с заданными пределами можно сформировать сигналы управляющие коммутатором. Если сумма будет больше верхнего предела то формируется +1 если меньше нижнего то формируется -1 во всех остальных случаях формируется 0. Пропустив этот сигнал через интегратор с постоянной времени подобранной так, чтобы его выходное значение увеличивалось либо уменьшалось на единицу за время несколько большее чем время переходного процесса, возникающего при коммутации ключа. Получим число равное количеству подключенных, в текущий момент времени, секций коммутатора. Чтобы это число менялось дискретно, его нужно пропустить через нелинейный элемент дискритизатор (шаг дискретизации единица) причем с ограничением от 0 до числа равного максимальному количеству секций коммутатора (рисунок 2.4). Коэффициент К1 задает скорость переключения коммутатора.

Рис. 2.4. Модель коммутатора в MatLab.

Вся структурная схема для моделирования в Matlab представлена в приложении 2.1.

2.1.2 Оценка устойчивости Система, структурная схема которой приведенная в приложении 2.1, является, с точки зрения классификации применяемой в ТАУ, многоконтурной нелинейной одномерной системой автоматического управления. Все нелинейности входящие в состав системы однозначные. Одна нелинейность содержится в блоке БС (по сути ограничивает выходное напряжение на уровне 150В), вторая нелинейность содержится в блоке ШС (коэффициент заполнения меняется от 0 до 1), и три нелинейности в блоке СУ коммутатора. Если ток нагрузки не выходит за пределы возможностей ШС, то этот контур можно временно исключить из анализа устойчивости. Нелинейность в составе БС проявляется только когда выходное напряжение приближается к значению 150 В, следовательно ей так же можно пренебречь. Нелинейностью присутствующей в блоках ШС пренебречь нельзя, но так как логика их работы построена таким образом, что все каналы работают по очереди, то систему можно привести к более простому виду: вместо 5 каналов ШС с коэффициентом от 0 до 1 один канал с коэффициентом от 0 до 5. Ещё одни острый момент это наличие в системе умножителя, но так как при вышеперечисленных допущениях БС является источником тока, то умножитель можно заменить коэффициентом численно равным номинальному току БС. Такая система является нелинейной одноконтурной, с устойчивой линейной частью (астатизм равен 1), и об её устойчивость можно судить по тому, пересекаются годографы нелинейного элемента и линейной части или нет. Упрощенная структурная схема приведена на рисунке 2.5.

дискретный регулятор коммутатор солнечный батарея Рис. 2.5. Упрошенная структурная схема ШС.

На схеме приведенной на рисунке 2.5 присутствуют интегратор (слева), нелинейность блока ШС, и быстрая обратная связь (дифференциатор). В зависимости от параметров дифференциатора система может быть ка устойчива так и не устойчива (об этом можно судить по ЛАХ и ФЧХ приведенных на рисунке 2.7). На устойчивость ШС в основном влияют: коэффициент интегратора, коэффициент передачи и постоянная времени дифференциатора и величина нагрузки.

Рис. 2.6. ЛАХ и ФЧХ системы при разных нагрузках, без дифференциатора, (Бирюзовый график — сопротивление равно 0.6Rн, синий график — 2Rн, зелёный — 4Rн, красный — 8Rн).

При изменении величины нагрузки, изменяется не только коэффициент в контуре, но и значительно изменяется постоянная времени, в результате этого значительно изменяется фазочастотная характеристика системы (рисунок 2.6). Чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше запас по фазе на частоте среза, и тем колебательнее переходные процессы.

Введение

в структуру дифференциатора, позволяет уменьшить колебательность переходных процессов, но при слишком при увеличении постоянной времени происходит переворот фазы и система становится не устойчивой (рисунок 2.7). Увеличение коэффициента передачи так же вызывает переворот фазы.

Рис. 2.7. ЛАХ и ФЧХ системы при разных параметрах дифференциатора.

Пояснения к графику (рисунок 2.7): Синий график — без дифференциатора запас по фазе 5°, зеленый график — постоянная времени 9мкс коэффициент усиления 5, запас по фазе 6°, красный график — постоянная времени 22.5мкс, бирюзовый график — постоянная времени 27мкс, сиреневый график — постоянная времени 45мкс, наблюдается переворот фазы.

Коэффициент усиления интегратора входит в состав коэффициента прямого пути системы, следовательно при его увеличении ЛАХ системы поднимается, частота среза смещается в права по оси частот, и это приводит к уменьшению запаса по фазе. Так как в линейной части системы содержится чистый интегратор, то система является астатической первого порядка, статическая ошибка в ней равна 0.

Вывод: подбирая параметры дифференциатора и коэффициента интегратора можно добиться переходных процессов требуемого качества.

2.1.3 Оценка устойчивости системы с коммутатором.

Требуемое качество переходных процессов обеспечивается контуром ШС, если режимы нагружения системы выбраны правильно, то коммутатор только смещает рабочую току, следовательно при условии устойчивости контура ШС и вся система так же будет устойчива. Подтвердить это можно проведя моделирования при разных режимах нагружения. Моделирование проведём как при скачкообразном изменении нагрузки, так и при синусоидальном. Упростить структуру таким образом, чтобы её можно было анализировать используя классические методы ТАУ невозможно, так как в системе присутствуют несколько нелинейных элементов, и привести к систему к одному нелинейному элементу и эквивалентной линейной части, как в предыдущем случае, нельзя. Поэтому, об устойчивость системы с коммутатором мы будем судить по качеству переходных процессов возникающих в системе при различных изменениях в нагрузки.

Для моделирования воспользуемся упрощенной структурой, аналогичной той что приведена на рисунке 2.5, только добавим к ней модель коммутатора (рисунок 2.8).

Рис. 2.8. Модель системы с коммутатором.

Из вида переходного процесса (рисунок 2.9) можно заключить, что если нагрузка находится в диапазоне регулирования ШС, то все выводы сделанные в пункте 2.1.2 справедливы. Если изменение нагрузки оказывается больше того которое может скомпенсировать ШС, то начинает сказываться быстрота работы коммутатора. На качество переходных процессов в таком случае будут влиять пороги срабатывания коммутатора и скорость набора требуемого количества секций. Этими параметрами мы будем варьировать для достижения нужной формы ПП.

Рис. 2.9. Переходной процесс (напряжение на шине) в системе.

Разберем подробно переходной процесс изображенный на рисунке 2.9. Колебательность в момент включения обусловлена тем, что нагрузка слишком мала, следовательно запас по фазе тоже мал (об этом говорилось в предыдущей главе). В момент времени 0.15с происходит наброс нагрузки (нагрузка увеличивается в 4 раза), при этом происходит просадка выходного напряжения, так как такая нагрузка выходит за пределы возможностей регулирования ШС. В момент времени 0.23с интегратор находящийся в составе модели коммутатор набирает требуемую величину и происходит подключение дополнительной секции. Так как добавленный ток оказался больше требуемого происходит увеличение выходного напряжения выше опорного. К моменту 0.30с ШС полностью отрабатывает этот выброс. В момент времени 0.38 из — за накапливающейся ошибки происходит подключение еще одной дополнительной секции, но этот выброс очень быстро отрабатывается ШС.

Но 0.6с происходит скачкообразное уменьшение нагрузки в 4 раза. Так как в системе отсутствует нелинейность БС, а быстродействие ШС и коммутатора ограничено, то происходит значительны выброс выходного напряжения. Знак ошибки при этом изменяется, значение накопленное интегратором начинает убывать и происходит отключение двух секций, напряжение просаживается и на 0.75с ШС начинает доводить его до номинала. На 0.8с переходные процессы завершаются и система работает устойчиво.

Несмотря на большую длительность переходных процессов и значительное перерегулирование данная модель работает правильно и предсказуемо.

Проведенный выше анализ носит только качественный характер и не преследует цели определить параметры реальной схемы. Связано это с тем что реальная схема гораздо сложнее по функциональному составу, и содержит множество более сложных нелинейностей в различных сочетаниях. Такой анализ позволяет лучше понять процессы протекающие в системе и выработать методику анализа её работы. Кроме этого на основе структурной схемы, на следующем этапе, можно будет разработать функциональную схему устройства, более подробную.

В последующем так же можно будет подобрать параметры дифференциатора для реальной схемы, предварительно скорректировав согласно реальной схемы модель приведённую на рисунке 2.5.

2.1.4. Неустойчивые режимы работы коммутатора (Прогнозирование неустойчивых режимов работы).

Неустойчивая работа системы может быть вызвана двумя основными факторами: неустойчивая работа контура ШС; неустойчивая работа самого коммутатора. Так же есть предположение, что контур коммутатора может повлиять на устойчивость работы ШС и вывести систему из строя, но в дальнейших экспериментах мы постараемся опровергнуть это утверждение.

Причины неустойчивой работы ШС были подробно рассмотрены в пункте 2.1.2, поэтому останавливаться на них мы не будем. В данной главе мы рассмотрим факторы влияющие на неустойчивость работы коммутатора, и влияние коммутатора на работу ШС.

Первый эксперимент будет связан с порогами переключения. Если пороги переключения поменять местами система очевидно будет работать неустойчиво. Если очередность порогов верная, и их значения близки. Задав пороги переключения 2.3 и 3.0 а коэффициент К1 коммутатора (определяет скорость переключения) равный 5, запускаем моделирование. Форма переходных процессов ухудшается, но система продолжает работать устойчиво. Увеличиваем коэффициент в 2 раза и повторно запускаем моделирование (результаты приведены на рисунке 2.10 и 2.11).

Рис. 2.10. Переходной процесс (выходное напряжение).

Рис. 2.11. Число подключенных секций.

На рисунке 2.11 видно, что если переключения происходят слишком быстро, коммутатор начинает работать не стабильно. Забегая в перёд, в реальной схеме в качестве порогового устройства используется не интегратор с нелинейными элементами, а компаратор, коэффициент усиления у него равен коэффициенту усиления разомкнутого ОУ (порядка 10⁶), поэтому, что бы добиться нестабильности достаточно будет сдвинуть пороги близко друг к другу, и переключения будут происходить настолько быстро, насколько быстро ШС отрабатывает отклонение выходного напряжения (так как управление осуществляется по сумме токов).

Предположение, что при некоторых условиях коммутатор вызовет не стабильную работу ШС, подтвердилось. Бороться с такой неустойчивостью можно путем ограничения скорости работы ШС (но это вызовет ухудшение качества ПП), либо разнесением порогов переключения коммутатора и ограничении скорости его срабатывания.

2.2. Разработка функциональной схемы СЭП

2.2.1 Разработка функциональной схемы.

После того как работоспособность была подтверждена, началась разработка укрупненной функциональной схемы. Используя пакет прикладного ПО Altium Designer, на основе структурной схемы для Matlab, была разработана функциональная схема, с элементами принципиальной. Функциональная схема была сделана таким образом, чтобы на втором этапе можно было смоделировать её работу с использованием средств Altium Designer и на основе этих результатов перейти к разработке принципиальной схемы.

Состав блоков функциональной схемы такой же как и у структурной, но часть блоков заменена моделями электрических элементов.

Схема замещения БС приведена на рисунке 2.12. Источник тока задает ток БС в режиме короткого замыкания, Диод в сочетании с источником смещения формирует вольт — амперную характеристику батареи, последовательный резистор имитирует внутреннее сопротивление БС, а конденсатор — внутреннюю ёмкость.

Рис. 2.12. Схема замещения БС.

Шунтовые стабилизаторы заменены источниками тока управляемыми напряжением (ИТУН). На входе источника установлен нелинейный элемент зона насыщения, с линейным участком от 0 до тока короткого замыкания БС (в данном случае 7.4А). На вход НЭ, через источник смещения (свой для каждого канала ШС), подаётся сигнал ошибки. Схема замещения приведена на рисунке 2.13.

Рис. 2.13. Схема замещения ШС Так же как и в реальной схеме на выходе каждой фазы ШС установлен диод. Все фазы ШС подключены параллельно и работают на общую нагрузку.

Схема замещения интегратора приведена на рисунке 2.14.

Рис. 2.14. Схема замещения интегратора.

Она состоит из источника смещения (равного опорному напряжению) и источника напряжения управляемого напряжением с коэффициентом передачи больше единицы (в данной схема коэффициент передачи равен 20).

Как и в предыдущей главе сигнал переключения формируется на основе коэффициентов заполнения ключей каналов ШС. Сигналы с нелинейных элементов подаются на сумматор, а сумма подаётся на узел формирующий сигнал определяющий направление переключения и тактовый сигнал. Узел формирования этих сигналов получил рабочее название «Входной узел». Рассмотрим его функциональный состав (рисунок 2.15):

Рис 2.15. Схема входного узла.

Как было сказано ранее сумма коэффициентов заполнения подаётся на пороговое устройство с двумя порогами, состоящее из источников смещения определяющих пороги переключения, нелинейных элементов формирующих сигналы логической единицы и умножителей с коэффициентом 5 для формирования сигнала амплитудой 5 В, для последующей подачи на входы логических микросхем.

Были составлены таблицы истинности входами которых явились логические сигналы пороговых устройств, а выходы логический сигнал определяющий направление переключения, и сигнал разрешения прохождения тактовых импульсов (таблица 2.1 и 2.2). В соответствии с таблицами были записаны логические выражения связывающие входы и каждый выход (выражение 2.1 и 2.2), а по ним составлены логические схемы. Вход, А — нижний порог срабатывания, Вход В — верхний порог срабатывания, Y1 — выход направления переключения, Y2 — выход тактовый.

Таблица 2.1

Таблица 2.2

(2.1)

(2.2)

Схема управления ключами выполнена на реверсивном сдвиговом регистре (приложение 1.2). Схема работает следующим образом: В начальный момент времени на всех выходах регистра установлены логические нули. Если сигнал на входе P/S имеет уровень логической единицы, то регистр установлен в режим приёма последовательных данный и по каждому фронту последовательности тактовых импульсов происходит запись со входов J-K логической единицы на первый выход регистра, а предыдущее его состояние сдвигается на разряд выше. Состояние старшего разряда при этом теряется. Если на входе P/S установлен сигнал логического нуля, то регистр находится в режиме параллельной записи, а по каждому фронту последовательности тактовых импульсов в старший разряд записывается логический 0, состояние n-го выхода, через n-1 вход параллельной записи, записывается в n-1 выход, и так до самого младшего разряда. Состояние самого младшего разряда теряется. К выходам регистра подключены инверторы, в реальной схеме они выполняют роль дополнительных усилителей, но основное их предназначение, организация отрицательной обратной связи.

Схема регистра может быть выполнена без использования выходных инверторов, с применением не инвертирующих драйверов, однако, в этом случае придется изменить логику работы регистра и увеличить число элементов добавлением дополнительных инверторов по входам.

Рис. 2.16. Секция коммутатора.

Секции коммутаторов выполнены аналогично секциям ШС (рисунок 2.16). Коэффициент передачи ИТУН подобран таким образом, что бы при напряжении на входе 5 В, выходной ток был равен току короткого замыкания БС.

Укрупнённая функциональная схема представлена в приложении 2.2.

2.2.2 Моделирование укрупненной функциональной схемы СЭП Целью моделирования является: убедиться в устойчивости работы системы, подобрать статический коэффициент передачи и пронаблюдать переходные процессы в системе, при ступенчатом изменении нагрузки. Также необходимо проверить правильность функционирования регистра. Для проверки правильности функционирования системы, к ней был добавлен блок переменной нагрузки (рисунок 2.17).

Рис. 2.17. Блок переменной нагрузки.

Постоянная нагрузка равна 5Ом, при выходном напряжении 100 В, ток протекающий через неё равен 20А. Через 2мс после начала моделирования, нагрузка увеличивается ещё на 15А (за счет блока переменной нагрузки). Ещё через 2мс нагрузка снова увеличивается на 15А. На 7-й мс моделирования, нагрузка уменьшается на 15А, и на 10-й мс остаётся только начальная нагрузка. График тока нагрузки и выходного напряжения представлен на рисунке 2.18.

Рис. 2.18. График выходного напряжения (100В), и тока нагрузки.

Правильности функционирования системы проверялась по функциональным блокам.

Критерием, по которому можно судить о правильности формирования команд на переключения является сумма токов ключей (рисунок 2.19).

Рис. 2.19. График суммы токов ключей (зеленый и коричневый графики — пороги переключения).

Рис. 2.20. Графики выходных сигналов входного узла.

На рисунке 2.20. показаны графики выходных сигналов входного узла. Красный график — сигнал определяющий направление переключения регистра. Высокий уровень означает, что дополнительные секции нужно закорачивать. Зеленый график — сигнал ошибки. Если сигнал имеет высокий уровень, значит одновременно сработали два порога переключение, это недопустимо. Синий график — тактовый сигнал. Когда происходит срабатывание одного из порогов, снимается запрет на прохождение тактовых импульсов в регистр.

Приведенные выше диаграммы показывают, что входной узел функционирует правильно, смена направления переключения происходит когда сумма токов пересекает нижний порог, а тактовые импульсы проходят на выход когда срабатывает один из порогов, верхний либо нижний.

Величины порогов срабатывания влияют на устойчивость и динамику системы, следовательно, для каждого конкретного варианта реализации, пороги должны подбираться индивидуально. Значения указанные для данной схемы предназначены только для проверки логики работы.

После проверки правильности работы входного узла необходимо убедиться, что регистр также работает верно. На рисунке 2.21 приведены графики напряжений на выходах первых 4 инверторов (так как в данном диапазоне нагрузок происходит подключение максимум трёх секций коммутатора).

Рис. 2.21. Напряжения на выходе первых четырёх каналов регистра.

Верхний график, на рисунке 2.21, это тактовые импульсы, приходящие на регистр. Нижние четыре графика это выходные напряжения регистра. Желтый график — напряжение первого канала, зеленый — второго канала, красный — третьего и синий — четвертого. Приведенные вые диаграммы показывают, что моменты смены состояния выходов соответствуют сочетанью входных сигналов. По каждому фронту тактового импульса происходит смена состояния выходов. Направление переключения соответствует уровню входного сигнала.

Блок ключей в проверки не нуждается, при правильности сборки, и подборе параметров схема должна работать без предварительной настройки.

Критерий по которому можно судить о качестве системы в целом, это длительность переходных процессов и их амплитуда (рисунок 2.22).

Рис. 2.22. Переходные процессы при ступенчатом изменении нагрузки.

На рисунке 2.22 верхний график — напряжение шины, нижний график — ток через управляемую нагрузки. Так как передаточная функция обратной связи имеет вид коэффициента, то в системе присутствует статическая ошибка. Переходные процессы не колебательные, без перерегулирования.

Выводы по разделу:

Моделирование показало, что система устойчива, логика работы соответствует заложенным принципам, следовательно можно начать разработку принципиальной схемы, на основе которой будет изготовлен макет.

2.3 Разработка электрической принципиальной схемы Важно отметить, что для отработки принципа работы схемы не обязательно строить сложную схему, полностью копирующую реальный блок, в данной дипломной работе такой задачи не ставится. Моделирование и макетирование производится для упрощенной схемы, с ключами работающими в линейном режиме, также принимается допущение, что комплекс ШС способен скомпенсировать любой наброс нагрузки, не выходящий за пределы технических требований предъявляемых к нему, и обеспечивает заданные показатели качества выходного напряжения, а блок шунтового коммутатора обеспечивает нахождение ШС в рабочем диапазоне.

2.3.1 Разработка окончательной функциональной схемы Прежде чем разрабатывать электрическую принципиальную схему, необходимо определиться с её окончательным функциональным составом. Принципиальная схема и функциональная, должны быть максимально близки к структуре прототипа. В составе прототипа присутствуют каналы ШС, интегратор, быстрая дифференциальная связь. Кроме вышеперечисленного, в состав функциональной схемы должен входить блок коммутаторов, и схема управления им. Чтобы не усложнять схему, число каналов ШС было выбрано 5, а число каналов коммутатора 8, исходя из возможностей регистра собранного на двух микросхемах 564ИР9.

Для повышения быстродействия системы необходимо добавить канал определяющий число коммутируемых за раз секций, в зависимости от скорости изменения нагрузки. Для проверки его влияния на работу системы в целом, в функциональную схему были введены: дифференциатор; пороговое устройство, с двумя порогами; одновибратор (формирует 1 прямоугольный импульс заданной амплитуды и длительности, как только произошло срабатывания порогового устройства); формирователь парных импульсов; и схема выборки либо одиночных импульсов от основной СУ коммутатором, либо парных от дополнительного канала.

Логика работы дополнительного канала управления:

При резком изменении нагрузки возникает переходной процесс, и выходное напряжение откланяется от номинала. Дифференциатор определяет скорость этого изменения (чем выше скорость, тем больше амплитуда импульса формируемого на выходе дифференциатора), а полярность импульса зависит от того сброс или наброс нагрузки произошел. Импульс с дифференциатора подается на пороговое устройство, и если его амплитуда больше верхнего порога или меньше нижнего, то на выходе порогового устройства возникает короткий импульс. Этот импульс запускает ждущий одновибратор, который формирует импульс заданной длительности. Единичный импульс поступает на формирователь парных импульсов, и на его выходе формируется два импульса, суммарная длительность которых вместе с паузой между ними равна длительности входного одиночного импульса.

Одиночный импульс одновибратора и парный поступают на схему выборки. Схема выборки построена таким образом, что если на неё придет одиночный импульс от основного канала, то он свободно пройдет на выход и попадет на вход регистра, если при этом пришел парный импульс, то прохождение одиночного импульса запрещается и на выход проходит парный.

Логика работы основного канала управления:

Значение величины тока каждого ключа ШС поступает на вход суммирующего устройства. На выходе суммирующего устройства формируется величина характеризующая состояние всего блока ШС. Эта величина поступает на вход порогового устройства с двумя порогами. Если сумма больше верхнего порога, то возникает условие разрешения закорачивание дополнительных секций, если меньше нижнего, то формируется условие на разрешение подключения дополнительных секций. В принципе, схема построена таким образом. Что одновременное срабатывание двух порогов невозможно, но логическая схема на которую подаются сигналы с порогового устройства имеет дополнительный выход ошибки, если возникли одновременно два условия. Логическая схема идущая за пороговым устройством формирует сигнал направления переключения идущий на регистр (приложение 1.2), и сигнал тактовых импульсов, который идет на вход схемы выборки (логика её работы описана в пункте 2.1).

Есть предположение, что в процессе работы дополнительный канал не понадобится, либо наоборот будет мешать работе системы, но подтвердить или опровергнуть это можно только проведя натурные испытания макета. Окончательная функциональная схема приведена в приложении 2.3.

2.3.2 Поиск схемных реализаций блоков Схемные реализации некоторых блоков частично или полностью были определены в предыдущем разделе., поэтому досконально разбирать схемотехнику каждого блока мы не будем, а остановимся лишь на наиболее значимых. Так как нет возможности изготовить и испытать высоковольтную схему, и в наличии нет достаточного количества имитаторов БС, было принято решение понизить напряжении шины до 6 В, напряжение холостого хода 9 В, ток короткого замыкания 200мА, а БС с имитировать с помощью несложной схемы на стабилитроне (рисунок 2.24а). Вольт — амперная характеристика такой схемы (рисунок 2.24б) очень похожа на характеристику реальной БС. Всего для макета понадобится 13 блоков формирующих ВАХ БС.

Рис. 2.24. а) Имитатор ВАХ БС и б) его характеристика.

Расчет параметров:

По условию заданы: ток короткого замыкания и напряжение холостого хода. Напряжение холостого хода ограничивается стабилитроном. Применим стабилитрон Д818Б с напряжением стабилизации 9 В и током стабилизации от 3 до 33 мА. Составим систему уравнений для определения сопротивления R1 ограничивающего ток КЗ и ток стабилизации.