Особенности применения различных законов управления секциями в шунтовых секционных стабилизаторах напряжения

Для космических аппаратов (КА), эксплуатирующихся на геостационарных орбитах, для стабилизации выходного напряжения применяют шунтовые стабилизаторы напряжения (ШСН). Увеличение мощности ШСН до десятков киловатт приводит к увеличению пульсаций выходного напряжения. Одним из способов обеспечения заданного качества выходного напряжения является разбиение одного мощного ключевого элемента (КЭ) на менее мощные секции. Структурная схема такого шунтового секционного стабилизатора напряжения (ШССН) изображена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема ШССН

Шунтовый секционный стабилизатор напряжения состоит из первичного источника с нелинейной, падающей вольт-амперной характеристикой, N секций, включающих КЭ и балластное сопротивление R , емкостный фильтр Ф и активно-емкостную нагрузку Н. Стабилизация напряжения осуществляется с помощью коммутации балластных сопротивлений R (1)... R ( п ) ключевыми элементами КЭ(1)^КЭ( п ). Законы управления секциями могут быть различными, но хотя бы одна секция должна управляться по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для решения задачи синтеза систем электропитания (СЭП), построенных на основе ШССН, необходимо не только выбрать оптимальные закон управления секциями и параметры ШССН, обеспечивающие заданное качество выходного напряжения, но и выявить и учесть особенности каждого закона управления, существенно влияющие на работоспособность ШССН в целом. В настоящее время используются три вида ШССН: многофазный (МШССН), импульсно-дискретный (ИДШССН) и импульсно-дискретный управляемый избытком тока (ИДШССНУИТ).

При многофазном регулировании преобразуемая мощность распределяется между N равных секций. Все секции управляются по закону ШИМ, но управляющий сигнал каждой следующей секции сдвинут по фазе на ве личину T3 = T/N , где Т-период преобразования стабилизатора, а скважности секций равны у = Твкл /Т , где Твкл - время замкнутого состояния КЭ. Равномерный сдвиг по фазе управляющего сигнала равносилен увеличению частоты напряжения на входе фильтра в N раз. Следовательно. величина емкости фильтра существенно уменьшается.

Исследования, проведенные с помощью системы схемотехнического моделирования OrCAD 9.2, показали, что многофазный ШССН обеспечивает достаточно хорошее качество выходного напряжения в диапазоне мощностей от единиц до десяти киловатт. Исследования проводились при условии, что параметры МШССН соответствуют теоретическим, в частности дискретности временных задержек переключения секций и скважности в этом случае равны для всех секций. Но на практике отклонения этих величин от расчетных существуют, и они приводят к неравномерной загрузке секций и появлению пульсаций на частоте первой гармоники.

Для оценки влияния этих отклонений был проведен гармонический анализ процессов в МШССН. Спектральный состав напряжения на входе фильтра для МШССН найдем по условию:

U : -у = const , (1) где U , - напряжение стабилизации; у - скважность секции.

Амплитуду гармоник напряжения на входе фильтра для разного числа секций определим как

A ( N , K ) = 7( ^ 2 + b ²)^, (²)

где N- количество секций; К-номер гармоники;А (N, К) - суммарная амплитуда К-й гармоники N-й секции; NN ak = X а(i, k), bk = ^b(i, k) - суммарные составляю-i=1                           i=1

щие амплитуд к- й гармоники.

Составляющие амплитуд к- й гармоники i- й секции определим по разложению напряжения на входе фильтра в ряд Фурье:

2 л- k • T ( i ) )

—T — J ,  (3)

' 2л- k • T ₃ ( i ) ^

T       J^,

а ( i , k )

b ( i , k )

A

= — sin⁽ к ^y ⁽ i ) -^cOS I k

A

= ¹ sin( k • y ( i ) • n ) * sin k

A где Ai - N - амплитуда напряжения в i-й секции; А -суммарная амплитуда напряжения в секциях; у(i) - скважность i-й секции; T3 (i) - время задержки переключения i-й секции; Т- период частоты преобразования стабилизатора. Для исследования влияния отклонений скважнос- ти и времени задержки на переключение на амплитуду первой гармоники представим их в виде

Y ( i ) = Y ( i ) ± AY ( i ) , T 3 ( i ) = ( i - 1) T / N ± A T ₃ ( i ) , где A T ₃( i ) и Ay ( i ) - отклонения времени задержки и скважности от расчетных.

По выражениям (2) и (3) был составлен алгоритм и программа расчета и статистической обработки результатов анализа амплитуд гармоник МШССН. Исследования показали, что амплитуда гармоник не зависит от порядка распределения отклонений между секциями. Поэтому сочетания, имеющие одинаковые наборы отклонений, учитываются только один раз. Результаты исследований влияния отклонений от номинальных величин скважности на ±10 % на максимальные амплитуды первой гармоники представлены на рис. 2. Величина амплитуд первой гармоники при таких отклонениях достигает 0,055.. .0,068 относительно суммарного напряжения секций, при этом меньшие значения амплитуд соответствуют меньшему значению количества секций. Отклонение величин задержек на переключение секций на ±10 % приводит к появлению колебаний на частоте первой гармоники с амплитудой 0,068.. .0,016 относительно суммарного напряжения секций, причем меньшие значения амплитуд соответствуют большему количеству секций (рис. 3). Одновременное отклонение скважности и задержек на переключение секций на ±10 % приводит к появлению колебаний на частоте первой гармоники с амплитудой 0,068.. .0,160 относительно суммарного напряжения секций.

A(N,1)/A(1,1)

Рис. 2

A(N,1)/A(1,1)

—•— М=6

—■— №4

—*— М=3

—•— N=2

Рис. 3

При импульсно-дискретном способе управления первая секция регулируется по закону ШИМ (F(1)), осуществляя стабилизацию выходного напряжения. Остальные N дополнительных секций управляются дискретно в зависимости от мощности коммутируемой нагрузки. При отключении нагрузки дополнительные секции подключаются последовательно одна за другой до достижения мощностью регулируемой секции максимального значения Р . При подключении нагрузки секции отключаются последовательно, начиная с последней подключенной секции, вплоть до достижения мощностью регулируемой секции минимального значения Р. Мощность регулируемой секции пропорциональна скважности Y. Для исключения ложных коммутаций дополнительных секций во время переходных процессов условия переключения этих секций должны выполняться в течение определенного времени. Это равносильно введению времени задержки на коммутацию дополнительных секций Тг

Результаты математического моделирования ШССН показывают, что параметры секций существенно влияют на показатели качества выходного напряжения, а неправильный выбор параметров может привести к автоколебательному режиму работы. В связи с этим актуальна разработка методики выбора параметров секций, обеспечивающая отсутствие автоколебаний в установившемся и переходном режиме работы ШССН. Автором были рассмотрены следующие параметры секций: Ррег- мощность секции, регулируемой ШИМ; Р (п) - мощность п-й дополнительной секции; Ymax, Ymin - скважности регулируемой секции, при которых происходит подключение и отключение дополнительной секции; у- скважность регулируемой секции в установившемся режиме; Т, - время задержки. Мощность нагрузки Р , источника Р и потерь Рпот в ШССН считаются заданными.

Для установившегося режима условие отсутствия автоколебаний можно определить, если выбрать мощность нагрузки такой, при которой происходит подключение очередной дополнительной секции:

^Р н = ^Р - ^Р = ( п )- ^Р _р ег ‘ Y max - ^Р ■ (⁴)

Поскольку y = Y _max , то произойдет подключение очередной секции и в новом установившемся состоянии выражение для мощности примет вид

^Р _Я -^Р „=т -^ ^Р = ( п ) - ^Р р _е г • Y- ^Р _с ( п + ¹) - ^Р п _O т ^, (⁵) где Е Р _с ( п ) - мощность всех включенных дополнительных секций.

Если y> Ymin, то новое состояние устойчиво. В противном случае ШССН будет работать в автоколебательном режиме. Приравнивая правые части уравнений (4) и (5), получим выражение для текущего значения скважности: Y-Ymax-Р с(п + 1)/Ррег. (6)

Подставляя (6) в неравенство и делая необходимые преобразования, найдем необходимые условия отсутствия автоколебаний в установившемся режиме:

⁽Y max ^-Y mi„ ⁾• ^Р рег >  ^Р с ^{( п +1) (7)}

Обозначая Y _max - Y _min = К „ и учитывая, что мощности дополнительных секций равны между собой ( Р _с ( п + 1) = = Р_с(п ) = Р _с ), преобразуем (7) к виду

К я ' ^Р рег > ^Р с . (⁸)

Коэффициент К „ показывает диапазон использования мощности регулируемой секции, поэтому желательно, чтобы К = 1. По условиям физической реализации (разброс параметров элементов, точность измерения управляющих параметров и др.) реальное значение К „ не превышает 0,9.

В переходном режиме автоколебания устраняются выбором достаточного времени задержки на коммутацию дополнительных секций Т . . Время задержки увеличивает время регулирования ШССН и зависит не только от параметров секций ( К _и , Р _рег , Р Д но и от применяемого ШИМ, параметров фильтра Ф и нагрузки. Для определения минимального значения Т , при котором отсутствуют автоколебания, с помощью моделирования на ЦВМ получено семейство зависимостей вида

^ТГ ( ^Р рег ^{, К},С _ф , С _н ^{, Р} _ист ), (9) где К , - Р _рег / Р _с ; С ф - емкость конденсатора фильтра; С _н - емкость конденсатора нагрузки.

Получены зависимости (9) для следующих диапазонов изменения параметров: К _; -1,1.1,4; С _ф -1 • 10 ² .6 • 10 ² Ф; С _н - (0,05.0,15) • С _ф ; Р 2-5.15 КВт; Р _рег выбирается в зависимости от значений К и Р . Величина мощности активной составляющей нагрузки выбрана по условию получения наихудшего случая и равна К _и • Р _рег .

Анализ зависимостей (9) показывает, что для ШИМ, реализующего астатический закон регулирования, время задержки лежит в пределах 10.15 периодов частоты преобразования, а для ШИМ, реализующего статический закон регулирования, это время находится в пределах 5.7 периодов частоты преобразования ШССН. Причем меньшие значения Т соответствуют меньшему значению емкости конденсатора фильтра и соотношению мощностей регулируемой и дополнительной секций К , - 1,2.

В результате проведенных исследований получено выражение (8) и зависимости (9), позволяющие выбрать параметры секций ШССН, которые обеспечивают отсутствие автоколебаний.

У импульсно-дискретного управляемого избытком тока ШССН первая секция регулируется по закону ШИМ, осуществляя стабилизацию выходного напряжения. Ко личество секций, необходимых для коммутирования определяется как

N = ⁽ I ист — I per — I и )/ I сeк ^{, (10)} где I _ист -ток первичного источника; I _per - максимально возможный ток секции регулируемой ШИМ; I _и - ток нагрузки; I _сек - максимальный ток дополнительной секции в установившемся режиме.

В установившемся режиме структуры ИДШССН и ИДШССНУИТ аналогичны. Поэтому для последнего справедливы выводы о необходимых условиях отсутствия автоколебаний в установившемся режиме, сделанные для ИДШССН. Выражение (10) однозначно определяет количество секций, необходимых для подключения в установившемся режиме. Поэтому величина задержки на коммутацию секций выбирается исходя из возможности измерения токов. Исследования показывают, что она составляет 1.2 периода преобразования стабилизатора.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

• -    отклонение величин скважности и задержек на переключение секций при многофазном регулировании на ±10 % от номинального приводит к увеличению пульсаций выходного напряжения в 10.20 раз. Поэтому необходимо принять специальные меры для исключения таких отклонений или рассчитывать фильтр на колебания с частотой первой гармоники и амплитудой 0,1.0,16 относительно суммарного тока секций;

• -    необходимым условием отсутствия автоколебаний в установившемся режиме при импульсно-дискретном законе управления является К > 1,1, а достаточным - то, что величина задержки должна быть больше 5.7 периодов преобразования стабилизатора для статического регулирования и 10.15 для астатического.

A. N. Lovchikov, V. A. Sarychev

THE FEATURES OF APPLICATION OF VARIOUS LAWSOF MANAGEMENT SECTION IN SHUNT SECTION VOLTAGE STABILIZERS

In clause are considered shun! section voltage stabilizers with three laws of management section. The parameters essentially influencing for work of stabilizers which are necessary for considering at designing and synthesis shunt section stabilizers are revealed.