Диссертация (Исследование и разработка обратимых вторичных источников электропитания с трансформаторным звеном высокой частоты для космических электроэнергетических комплексов)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»На правах рукописиЖегов Николай АлексеевичИсследование и разработка обратимых вторичных источниковэлектропитания с трансформаторным звеном высокой частоты длякосмических электроэнергетических комплексовСПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.09.03«Электротехнические комплексы и системы»Диссертацияна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:профессор, д.т.н.Резников Станислав БорисовичМосква - 20172ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………..5Глава 1.

Обзор и анализ существующих вторичных источниковэлектропитания (ВИЭП) c трансформаторным звеномвысокой частоты (ТЗВЧ)………………………………………………..101.1 Обратимый непосредственный импульсныйконвертор (ОНИК)………………………………………………..101.2 Обратимый трансформаторный (трансреакторный)импульсный конвертор (ОТИК)………………………………....121.3 Анализ и модернизация «трансформаторнойсхемы Кука»……………………………………………………....141.4 Обратимые импульсные конверторы с функциейпреобразователя частоты……………………………………...…161.5 Выводы по первой главе…………………………………..…18Глава 2.

Разработка нетрадиционных схемотехнических решенийпо ОВИЭП с трансформаторным звеном высокой частоты(ТЗВЧ) для космических ЭЭК……………………………………….....192.1 Резервно-аккумуляторный источник бесперебойногопитания для космических транспортныхэлектроэнергетических комплексов…………………………..…192.2 Трансформаторные многофункциональные импульсныепреобразователи для бортовых космическихисточников питания………………………………………………2632.3 Трансформаторный импульсныйпреобразователь для космического ЭЭК………………………..322.4 Повышение удельной мощности и технологичности ирасширение функций бортовыхзарядно-аккумуляторных устройств………………………...…….372.5 Обратимые трансформаторные импульсныеконверторы для резервно-аккумуляторныхисточников бесперебойного питания……………………..………452.6 Выводы по второй главе……………………………….………50Глава 3.

Имитационно-компьютерное моделирование ОВИЭП….….523.1 Моделирование ОВИЭП на базе модернизированной«трансформаторной схемы Кука»…………………………...…...523.1.1 Упрощенная силовая схема однотактного обратимогоимпульсного преобразователя для моделирования….…..523.1.2 Работа упрощенной силовойсхемы преобразователя………………………………….…533.1.3 Типовые осциллограммы однотактной схемы……..543.1.4 Имитационная компьютерная модель однотактногообратимого вторичного источника электропитания.…….573.2 Силовая схема ОВИЭП на базе двухтактноготрансформаторного импульсного преобразователя……….……583.2.1 Работа ИМК1,2…………………………………………593.2.2 Состав и работа блоков СтUсБ и УДН Ud1,2…...…….603.2.3 Типовые осциллограммы двухтактной схемы…...…6143.2.4 Имитационная компьютерная модель двухтактногообратимого вторичного источника электропитания………643.3 Экспериментальные исследования………………………...….673.4 Рекомендации по проектированию…………………………....713.5 Расчет надежности схем ОВИЭП…………………………...…733.6 Выводы по третьей главе……………………………………....78ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………....80СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ………………………………………………..82СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………...…84Приложение 1………………………………………………………………92Приложение 2………………………………………………………………101Приложение 3………………………………………………………………1165ВВЕДЕНИЕАктуальность работы.В настоящее время наблюдается бурное развитие электрификациитранспортных средств, мобильных средств связи, космических спутников илетательных аппаратов с использованием низковольтных химическихгенераторов, солнечных батарей, аккумуляторных и суперконденсаторных(ионисторных) батарей.

Основным недостатком указанных первичныхисточников электропитания является их относительно низкое напряжение, аследовательно ― большой потребляемый ток, существенно снижающий КПДи удельную мощность вторичных источников электропитания (ВИЭП), вчастности ― так называемых, резервно-аккумуляторных источниковбесперебойного питания (Р/А ИБП). Отличительной особенностьюэлектроэнергетических комплексов (ЭЭК) космических летательныхаппаратов (КА) является отсутствие электромашинных генераторов. При этомдля большого числа бортовых потребителей электроэнергии КА наиболеепредпочтительными видами питающих напряжений являются повышенныенапряжения: а) повышенное переменное трехфазное напряжение стабильнойчастоты и б) повышенное постоянное напряжение. В работах кафедры«Теоретическая электротехника» МАИ предложены в качестве рациональныхдля систем распределения электроэнергии ЛА дифференциальные постоянныеповышенные напряжения (например, ДППН 0±135В или 0±270В).

Этот виднапряжения позволяет просто и надежно осуществлять параллельноевключение нескольких каналов ЭЭК для повышения динамическойустойчивости и повышения качества электроэнергии, а также удобен длянепосредственного питания регулируемых инверторов синусоидальныхнапряжений и токов (РИСН/Т), в частности―полумостовых трехфазных.

Приэтом необходимо обеспечить взаимно-резервную (обратимую) связьпитающих каналов с указанными видами напряжения. Из вышесказанногоследует целесообразность использования в ЭЭК КА ВИЭП с возможностьюобратимых (двунаправленных) преобразований: а) постоянного низкогонапряжения (ПНН) и дифференциальных повышенных (ДППН), например,±27В и 0±135В (0±270В); б) ДППН и постоянного низкого напряжения (ПНН)в трехфазное переменное (со стабильными или регулируемыми параметрами:обратимость преобразования с помощью одних и тех же активных узлов иэлементов ВИЭП позволяет существенно снизить их суммарную массу игабариты.

Совершенствованию импульсных преобразователей, расширениюфункциональности, улучшению массоэнергетической эффективности ВИЭПпосвящены работы российских и зарубежных организаций и компаний:6Московский энергетический институт, ООО «Силовая электроника»,Компания Crane Aerospace & Electronics (Крэйн Аэроспэйс и Электроникс),Инновационная группа компаний «Вторичные источники питания АлександраГончарова», АО «Группа Компаний «Электронинвест». Указаннымпреобразователям посвящены научные труды следующих отечественных изарубежных ученых: Е.В.

Машуков, В.И. Мелешин, Д.А. Шевцов, С.БРезников, В.В. Бочаров, С.И. Вольский, С.А. Эраносян, С.В. Аверин, А.В.Лукин, И.А. Харченко, Cuk S., А.В. Кривилев, Н. Ненахов и др.Однако в работах перечисленных авторов недостаточно вниманияуделено следующим проблемам: а) способу совмещения двух импульсныхпреобразований: трансформаторного и трансреакторного, позволяющемуулучшить массоэнергетические характеристики устройств (удельнуюмощность и КПД); б) использованию токозамыкающих пауз приШИМ−регулировании, позволяющих применить дуальное управление дляповышения статической устойчивости, обеспечить антинасыщающееограничение величины потокосцепления реакторов и повысить КПДтрансреактора; в) обратимости и многофункциональности импульсныхпреобразователей,г)модульно-масштабируемойархитектурепреобразователей и др.

В связи с вышесказанным предлагаемаядиссертационная работа представляется актуальной.Объект исследования: две конкурентно-способные альтернативные силовыесхемы импульсных обратимых ВИЭП (ОВИЭП) средней мощности: а) соднотактными трансреакторными модуляторами и б) с комбинированнымидвухтактнымитрансреакторно-трансформаторнымимодуляторамиициклоконверторными делителями частоты.Предмет исследования: сравнительный анализ (на базе имитационнокомпьютерного моделирования) массоэнергетическиххарактеристик(удельной мощности и КПД); оптимизация параметров элементов иалгоритмов управления; определение рациональных областей примененияальтернативных вариантов ОВИЭП.Цель исследования: разработка схемотехнических решений для обратимыхвторичных источников электропитания (ОВИЭП) на базе двунаправленныхконверторов с гальванической развязкой и трехфазного инвертора странсформаторным звеном прямоугольного тока высокой частоты (ТЗПТ в/ч),обеспечивающихвысокиемассоэнергетические,надежностныехарактеристики применительно к космическим электроэнергетическимкомплексам (КЭЭК), а также рекомендаций к проектированию.7Задачи, решаемые для достижения цели:•Анализ известных типов ВИЭП и их функциональных возможностей(обратимость,многофункциональность,дуальноеуправление,взаиморезервирование, параллельно-модульное расщепление и др.).•Разработка схемотехническихвысокоэффективныхОВИЭПсовместимости.решений длясучетоммногофункциональныхэлектроэнергетической•Компьютерно-имитационное моделирование схем ОВИЭП с однотактным идвухтактным импульсными модуляторами.

Расчет массоэнергетических,надежностных характеристик. Разработка рекомендаций к проектированию иопределение областей рационального применения.Научная новизна.1. Предложен способ совмещения двух импульсных преобразований:трансформаторногоитрансреакторного,позволяющийулучшитьмассаэнергетические характеристики (удельную мощность и КПД).2.ПредложеноиспользованиетокозамыкающихпаузприШИМ−регулировании тока, позволяющих повысить КПД трансреакторов иприменить дуальное управление для повышения статической устойчивости иобеспечить антинасыщающее ограничение потокосцепления реакторов.3. Предложен способ сочленения блоков имитационных, а также расчетновычислительных компьютерных моделей импульсных модуляторовдемодуляторов с трансреакторной гальванической развязкой путем введенияемкостно-резистивных «квазизвеньев» для согласования (интегрирования)внешних токов.

Способ позволяет раздельно исследовать процессы в каждомблоке и оптимизировать параметры его элементов и узлов.Практическая значимость: Предложена модернизация реверсивногообратимого непосредственного импульсного конвертора (РОНИК)расширяющая его функциональные возможности за счет двунаправленногорежима полярно-инвертирующего понижения/повышения напряжения(режима «дозирования») и позволяющая использовать его схему в качествеунифицированного модуля для широкого класса многофункциональныхимпульсных преобразователей (МИП) с модульно-масштабируемойархитектурой (но без гальванической развязки).

Предложены (в соавторстве)и исследованы нетрадиционные схемотехнические решения длякомбинированныхобратимыхтрансформаторно-трансреакторных8импульсных конверторов (КОТ/ТИК) с сочетанием гальвано-развязывающихи согласующих узлов: а) трансформатора тока и б) прямо/обратноходовоготрансреактора, с расширенными функциональными возможностями иповышенноймассоэнергетическойэфективностью.Разработаныимитационно-компьютерные модели ОВИЭП в среде «EasyEda» и проведенсравнительный анализ массоэнергетических характеристик и показателейЭМС двух альтернативных вариантов схемотехнических решений дляКОТ/ТИК: однотактного и двухтактного.