Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0082

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0082
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева"
Название доклада
Прикладные научные исследования для разработки имитационно-натурных исследовательских комплексов мощных бортовых энергетических установок и систем аккумулирования энергии космических аппаратов
Докладчик
Мизрах Енис Аврумович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель: совершенствование мощных бортовых энергетических установок и систем аккумулирования энергии космических аппаратов (КА) на основе энергосберегающих имитационно-натурных комплексов (ЭИНК) , позволяющих экспериментально исследовать энергетические и электродинамические характеристики систем и обеспечивающих энергосбережение и уменьшение энергозатрат путем рекуперации энергии потребителя в сеть постоянного тока системы электроснабжения комплекса.
Задачи:
- разработать принципы построения ЭИНК модульного типа, обеспечивающих максимальные атрибуты: быстродействие, эффективность, коэффициент использования электроэнергии и уменьшение массогабаритных характеристик комплекса;
- исследовать взаимодействие и разработать оптимальные топологии подсистем ЭИНК с двойным регулированием энергии;
- разработать методы анализа, синтеза и проектирования ЭИНК;
-разработать алгоритмы, математические и имитационные модели основных подсистем ЭИНК;
- разработать методы измерения токов утечки и алгоритмы вычисления сопротивлений изоляции шин питания энергетических установок в процессе эксплуатации;
- разработать программное обеспечение компьютеризированной системы управления комплексом;
- разработать эскизный и технический проект ЭИНК;
-провести исследования экспериментальных образцов подсистем ЭИНК.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность: совершенствование элементной базы и применение новых технических решений значительно повысило быстродействие, мощность и энергопотребление бортовых энергосистем, что привело к необходимости совершенствования натурно-имитационных комплексов (НИК), улучшения их качественных и количественных характеристик с целью обеспечения требуемой точности и качества отработки опытных и перспективных систем энергоснабжения и новых технических решений в этой области.
Новизна исследований:
1. Разработка новых топологий:
- подсистем НИК, позволяющих повысить статическую и динамическую точность при уменьшении энергозатрат на 50%.
- нагрузочных устройств, позволяющих рекуперировать до 70% потребляемой электроэнергии и не менее, чем в три раза увеличить время работы от источника бесперебойного питания комплекса при отключении сети переменного тока.
2. Разработка математических моделей новых топологий НИК, позволяющих проводить анализ статических и динамических свойств и абсолютной устойчивости процессов в НИК.
3. Разработка методик статического и динамического синтеза новых топологий подсистем НИК, позволяющих проектировать НИК с заданными статическими и динамическими характеристиками.
4. Разработка новых аппаратных средств экспериментальных исследований перспективных мощных энергосистем КА.
5. Разработка новых способов и устройств, отвечающих условиям патентоспособности изобретения: новизне, изобретательскому уровню, промышленной применимости.
Описание исследования

 

Проблема, решаемая проектом: совершенствование мощных бортовых энергетических установок и систем аккумулирования энергии космических аппаратов (КА) путём экспериментальных исследований и отработки оптимальных режимов эксплуатации на имитационно-натурных комплексах при обеспечении требуемой статической и динамической точности имитации основных подсистем энергосистем КА, и уменьшении энергозатрат путём разработки имитаторов подсистем с высоким коэффициентом использования электроэнергии (ГОСТ Р51387-99) и рекуперации энергии потребителя в сеть постоянного тока системы электроснабжения комплекса.
     Для решения проблемы используются следующие новые подходы:
- комбинация импульсных и непрерывных методов управления имитаторами энергоустановок и подсистем, что позволяет повысить коэффициент использования электроэнергии и обеспечить требуемые динамические свойства имитаторов;
- рекуперация энергии нагрузочных устройств в сеть постоянного тока системы электроснабжения комплекса, что позволяет повысить коэффициент использования электроэнергии, существенно уменьшить энергопотребление из сети переменного тока и увеличить время работы НИК от аккумуляторных батарей источника бесперебойного питания при отключении сети переменного тока.
     В НИК обычно применяют имитаторы солнечной батареи (СБ), аккумуляторной батареи (АБ), различные нагрузочные устройства (НУ).

     Для обеспечения требуемой точности воспроизведения вольтамперных и импедансных характеристик СБ и уменьшения коэффициента использования электроэнергии предложена модульная топология имитатора СБ (ИСБ) с двойным регулирование энергии. Каждый модуль состоит из контура воспроизведения характеристик с непрерывным законом управления и контура ограничения мощности непрерывного регулирующего элемента с импульсным управлением. Для увеличения мощности имитатора предусмотрено параллельно–последовательное соединение модулей.

     НУ комбинированного типа (НУК) позволяет наращивать мощность путём параллельного соединения модулей. Каждый модуль может работать в одном из следующих режимов: режим стабилизации входного тока, режим стабилизации входного сопротивления, режим стабилизации входной мощности, и состоит из двух контуров регулирования: контура стабилизации тока непрерывного типа и контура рекуперации электроэнергии в источник электропитания постоянного тока системы электроснабжения комплекса.

     Имитатор аккумуляторной батареи (ИАБ) предназначен для воспроизведения зарядно – разрядных характеристик, импеданса Li-ion АБ, содержит устройства, имитирующие датчики температуры и напряжения отдельных аккумуляторных элементов, необходимые для тестирования бортовой системы контроля и защиты АБ, состоит из двух контуров регулирования мощности: контура воспроизведения характеристик с непрерывным законом управления и контура ограничения мощности непрерывного регулирующего элемента с импульсным управлением. Энергосбережение (пониженный коэффициент использования электроэнергии) обеспечивается путём рекуперации избыточной энергии в источник электропитания комплекса.

     Для управления НИК разработан программно-аппаратный комплекс (ПАК). Программное обеспечение ПАК написано в среде разработки Qt Creator с использованием библиотек Qt, и выполнено под управлением операционной системы Windows.

Результаты исследования

 

Достигнуто на первом этапе: а) результаты аналитического обзора и патентных исследований современной научно-технической, нормативной, методической литературы, позволяющие выявить степень изученности и разработанности научно-технической проблемы, исследуемой в рамках ПНИ; б) новые технические решения топологий и электрических схем основных подсистем ЭИНК, отличающиеся от известных более высокими техническими и эксплуатационными характеристиками; в) разработан и изготовлен стенд для исследования электрических характеристик перспективных литий-ионных аккумуляторов.

Достигнуто на втором этапе: а) разработана общая структура методики эскизного проектирования ЭИНК с заданными статистическими и динамическими свойствами, б) разработаны имитационные и математические модели основных подсистем ЭИНК, позволяющие провести анализ и синтез характеристик основных подсистем ЭИНК, воспроизводящих с требуемой точностью, статические и динамические свойства прототипов.

Достигнуто на третьем этапе: разработаны эскизная конструкторская документация основных подсистем ЭИНК , разработаны программы и методики исследовательских испытаний макетов, изготовлены макеты и проведены исследовательские испытания макетов основных подсистем ЭИНК с целью получения исходных данных для создания экспериментальных образцов основных подсистем ЭИНК, по результатам исследовательских испытаний проведена корректировка имитационных моделей основных подсистем ЭИНК.

Достигнуто на четвёртом этапе: разработаны эскизная конструкторская документация экспериментальных образцов основных подсистем ЭИНК, разработаны программы и методики испытаний экспериментальных образцов основных подсистем ЭИНК, изготовлены экспериментальные образцы и проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов основных подсистем ЭИНК.

Достигнуто на пятом этапе: изготовлен экспериментальный образец ЭИНК модульного типа, разработана программа и методика экспериментальных исследований ЭИНК, проведены исследовательские испытания экспериментального образца ЭИНК без вторичного источника системы электропитания КА, которые подтвердили соответствие технических характеристик ЭИНК предъявляемым требованиям, наличие энергосбережения и рекуперации.

В рамках выполнения проекта подано четыре заявки на полезные модели и одна заявка на изобретение, получено три патента на полезные модели, опубликовано шесть статей в журналах, индексируемых Scopus.

Полученные результаты выполнения проекта служат основой проектирования экспериментальных образцов основных подсистем ЭИНК.

Новизна принятых технических решений подтверждается полученными патентами на полезные модели.

Полученные результаты полностью удовлетворяют требованиям к выполняемому проекту и мировым тенденциям развития испытательных комплексов энергосистем космических аппаратов.

 

Практическая значимость исследования
В результате выполнения проекта будет разработана документация, позволяющая выполнять ОКР по созданию ЭИНК. Комплекс представляет интерес для разработчиков и изготовителей энергосистем, вторичных источников питания и энергопреобразующего оборудования КА, автономных устройств (подводные аппараты, автомобили и т.п.) с источниками электроэнергии, использующими методы прямого преобразования различных видов энергии в электрическую ( СБ, АБ, топливные элементы, термопреобразователи). Следует отметить, что мощность энергосистем КА и автономных объектов непрерывно растет, что увеличивает спрос на поставку ЭИНК.
Конкурентные преимущества проекта:
1.Уменьшение энергопотерь при проведении испытаний примерно в три раза, что позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики комплексов, примерно в два раза уменьшить массу и габариты комплекса.
2. Повышение точности имитации статических и динамических характеристик мощных энергосистем КА, что важно для адекватности проводимых испытаний.
Данные преимущества возникают за счет оригинальных способов построения систем регулирования и стабилизации напряжения и тока с применением непрерывных и импульсных методов управления и применения оригинального метода рекуперации электроэнергии устройств в сеть постоянного тока системы электроснабжения комплекса.
В результате выполнения проекта будут выпущены проекты технических заданий, которые после согласования с заказчиками послужат основой для заключения договоров ОКР. Интерес к ЭИНК и отдельным подсистемам проявляют следующие организации: 1. ОАО "Информационные спутниковые системы", г. Железногорск Красноярского края. 2.ОАО «Российские космические системы» г. Москва. 3. ОАО «Сатурн». г.Краснодар. По нашим оценкам объем продаж может составить до 40 млн.руб. в год.
Полученные патенты на полезные модели, направленные на повышение энергосбережения, перспективны в части продажи лицензионных соглашений.