Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0198

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0198
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский государственный технический университет"
Название доклада
Разработка и исследование бортовой энергопреобразующей аппаратуры с микропроцессорной системой управления и мониторинга космических аппаратов систем связи, дистанционного зондирования Земли и геодезии
Докладчик
Харитонов Сергей Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка концепции построения, методов анализа и оптимизации параметров аппаратуры, алгоритмов управления, направленных на техническое совершенствование (повышение энергоэффективности, надежности, улучшение удельных показателей и конкурентоспособности) бортовой энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА) для космических аппаратов систем связи, дистанционного зондирования Земли и геодезии.

Задачи ПНИЭР и возможные пути их решения
Сформулированная цель ПНИЭР подразумевает постановку и пути решения следующих задач:
1. Повышение удельных энергомассовых характеристик до 450 Вт/кг и более за счет:
- перехода на новую элементную базу с использованием полупроводниковых приборов на основе SiC, GaN;
- повышения рабочей и эквивалентной частоты преобразования;
- использования новых принципов конструирования.
2. Уменьшение тепловыделения и повышение КПД до 97 % за счет:
- перехода на новую элементную базу с использованием полупроводниковых приборов на основе SiC, GaN;
- использование принципов мягкой коммутации и резонансных преобразователей;
- применения модульного принципа построения.
3. Снижение уровня электромагнитного излучения за счет:
- использование принципов мягкой коммутации и резонансных преобразователей;
- применение новых пакетов прикладных программ проектирования высокочастотных устройств силовой электроники.
4. Разработка и внедрение микропроцессорной (МП) системы управления и мониторинга ЭПА за счет:
- использования опыта проектирования цифровых контроллеров коллективом исполнителей ПНИЭР по управлению и мониторингу с помощью МП систем силовой электроники;
- максимального использования отечественных МП устройств;
- разработки методов прогнозирования состояния ЭПА.
Актуальность и новизна исследования
Энергопреобразующая аппаратура (ЭПА) осуществляет электропитание всех нагрузок космического аппарата (КА), регулируя мощность, отбираемую от солнечной батареи (БС), осуществляя слежение за степенью заряда аккумуляторной батареи (АБ), перераспределяя потоки потребляемой электрической энергии между источниками энергии и нагрузками. ЭПА КА является важнейшим элементом надежности функционирования космического аппарата. Несмотря на относительно долгую историю применения КА, разнообразие типов КА, высокий уровень проработки вопросов проектирования энергоэффективных систем электроснабжения, отсутствует единый комплексный подход при разработке новых образцов ЭПА КА, с одной стороны, учитывающий сложность алгоритмов работы, высокие требования к удельным показателям и надежности ЭПА КА, появление новых КА повышенной энерговооруженности, а с другой стороны - развитие и совершенствование элементной базы, микропроцессорных систем управления (МП), которые могут быть применены при построении высокоэффективных функциональных узлов ЭПА с МП КА. Разработка комплексного подхода при проектировании и новых современных высокоэффективных образцов функциональных узлов ЭПА с МП КА даст модернизационный импульс в этой области энергосбережения и энергоэффективности систем энергообеспечения космических аппаратов.
Описание исследования

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции

Разработка новых схемотехнических решений при построении энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА) космического аппарата (КА), обеспечивающих повышение удельных энергомассовых характеристик до 450 Вт/кг и более за счет:
- перехода на новую элементную базу с использованием полупроводниковых приборов на основеSiC, GaN;
- повышения рабочей и эквивалентной частоты преобразования;
- использования новых принципов конструирования.

Уменьшение тепловыделения и повышение КПД до 97 % за счет:
- перехода на новую элементную базу с использованием полупроводниковых приборов на основеSiC, GaN;
- использование принципов мягкой коммутации и резонансных преобразователей;
- применения модульного принципа построения.

Снижение уровня электромагнитного излучения за счет:
- использование принципов мягкой коммутации и резонансных преобразователей;
- применение новых пакетов прикладных программ проектирования высокочастотных устройств силовой электроники.

Разработка и внедрение отказоустойчивой микропроцессорной системы управления и мониторинга ЭПА за счет:
- использования опыта проектирования цифровых контроллеров коллективом исполнителей ПНИЭР по управлению и мониторингу с помощью микропроцессорных систем устройствами силовой электроники;
- максимального использования отечественных микропроцессорных устройств;
- разработки методов прогнозирования состояния ЭПА.

 

Обладающими научно-технической новизной являются следующие предлагаемые решения:
- схемотехнические решения с использованием радиационно-стойких полупроводниковых приборов на основе Si, SiCи GaN;
- использование новых подходов к конструированию устройств силовой электроники с использованием принципов построения СВЧ систем;
- использование мягкой коммутации силовых ключей и применение модульного принципа построения с алгоритмами, минимизирующими
перетоки неактивной мощности между источником электрической энергии и нагрузкой;
- синтезированные алгоритмы управления полупроводниковыми преобразователями основанные на применении алгебры кватернионов (супер комплексных чисел);
- разработанные методы прогнозирования состояния ЭПА.


Схемотехнические разработки полупроводниковых преобразователей электрической энергии с использованием выше названной элементной базы являются в РФ пионерскими в части их использования на космических аппаратах. Предлагаемые в настоящее время алгоритмы управления не имеют зарубежных аналогов и должны быть запатентованы.


Возможный путь достижения заявленных результатов обеспечивается совокупностью следующих шагов:
- разработка адекватных имитационных моделей, с учетом радиационной стойкости элементов и конструкции в целом;
- синтез силовых схем ЭПА с учетом параметров источников и потребителей электрической энергии, с преимущественным использованием отечественной элементной базы, схемотехника должна обеспечивать устойчивость к внешним воздействиям, включая к специальные;
- имитационное моделирование силовой схемы в номинальных и аварийных режимах, синтез параметров с учетом технологического разброса параметров и дрейфа от внешних воздействий, минимизация номенклатуры используемой электронной компонентной базы и пассивных элементов;
- синтез алгоритмов управления преобразователями электрической энергии и бортовой системы в целом, используя элементы искусственного интеллекта;
- синтез принципиальной схемы микропроцессорной системы управления с использованием отечественных микроконтроллеров, обеспечивая заданный уровень надежности, разработка программного обеспечения;
- разработка имитационной модели системы с учетом дискретного характера измерений, вычислений и воздействий силовых полупроводниковых ключей;
- синтез алгоритмов управления системой в целом с векторным критерием реализации основных характеристик и параметров, разработка программного обеспечения;
- разработка конструкторско-технологической документации на изготовление пилотного образца системы;
- изготовление пилотных образцов системы, настройка и проведение комплексных электрических, механических и температурных испытаний;
- коррекция конструкторско-технологической документации;
- получение соответствующей литеры для промышленного производства.

Индустриальный партнер настоящей разработки является изготовителем настоящих систем и одновременно их потребителем, что при успешном выполнении выше приведенного сценария гарантирует доведение до потребителя ожидаемых научных и научно-технических результатов.

Результаты исследования

Основные планируемые результаты:
- Для космических аппаратов разрабатывается концепция построения интеллектуальной системы электропитания с микропроцессорным (МП) управлением на базе последних достижений в области материаловедения, физики полупроводников, силовой электроники и теории автоматического управления.
- Разрабатываются с преимущественным использованием отечественной электронной компонентной базы схемы полупроводниковых преобразователей электрической энергии с минимальными электрическими потерями и эффективными, с точки зрения быстродействия и минимизации перетоков неактивной мощности, алгоритмами управления. Синтезируются имитационные модели в современных программных средах для их эмуляции.
- Синтезируется архитектура отказоустойчивой МП системы управления и мониторинга энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА) для космических аппаратов. Разрабатываются преимущественным использованием отечественной электронной компонентной базы принципиальные схемы МП системы управления и мониторинга. Синтезируются алгоритмы управления, разрабатывается программное обеспечение.
- Разрабатываются математические модели системы электропитания КА в целом с учетом первичных источников и накопителей электрической энергии КА.
- Разрабатываются методики анализа и параметрического синтеза преобразователей электрической энергии и регуляторов МП систем управления.
- Разрабатываются экспериментальные образцы ЭПА с МП управлением.

 

Разработанные в процессе выполнения ПНИЭР методы проектирования и анализа, математическое описание, имитационные модели, алгоритмы управления, программное обеспечение, схемы энергоэффективных силовых модулей для ЭПА КА и отказоустойчивой МП системы управления и мониторинга электроснабжения КА, экспериментальные образцы должны быть предназначены для разработки новой технологии проектирования, изготовления и испытаний энергопреобразующей аппаратуры КА с удельной мощностью не менее 450 Вт/кг, КПД не менее 97 % и уровнем собственных пульсаций не более 500 мВ.

 

В результате решения поставленных задач, должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1. Структурные варианты построения энергоэффективных систем электроснабжения, обеспечивающие удельные энергомассовые характеристики на уровне не хуже 450 Вт/кг и КПД не менее 97%;
2. Цифровая система управления на Российской элементной базе, обеспечивающая отказоустойчивое функционирование и мониторинг всех ключевых узлов ЭПА;
3. Алгоритмы управления полупроводниковыми преобразователями с применением новых методов формирования кривой тока и напряжения, позволяющие увеличить энергетические показатели;
4. Методики синтеза МП регуляторов для серии ЭПА.
5. Математические модели полупроводниковых преобразователей в составе бортовой ЭПА и результаты имитационных расчетов;
6. Сформулированные требования к элементной базе в составе ЭПА;
7. Лабораторные отработочные образцы узлов системы электроснабжения и испытательный стенд, обеспечивающие проведение экспериментов во всех штатных и аварийных режимах работы ЭПА;
8. Эскизная конструкторская и программная документация на лабораторные отработочные образцы и испытательный стенд с программой методик испытаний;
9. Оценка экономического эффекта, рекомендации по применению результатов ПНИЭР и сформулированные требования к дальнейшему внедрению на АО «ИНФОРМАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ» имени академика М.Ф. Решетнёва.

Практическая значимость исследования
Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Области применения планируемых результатов:
- электротехника и силовая электроника;
- цифровые системы управления импульсными преобразователями электрической энергии;
- аэрокосмические объекты с автономным электропитанием (космические и летательные аппараты);
- солнечная фотовольтаика и системы накопления электрической энергии.

2. Перспективные космические аппараты систем связи, дистанционного зондирования Земли и геодезии, разрабатываемые и выпускаемые ОАО ИСС им. академика М.Ф. Решетнева

3. Предполагается влияние результатов проекта на интенсификацию работ в электронной промышленности в части серийного выпуска радиационно-стойких полупроводниковых приборов на базе SiCи GaN и DSP процессоров. Кроме этого, предполагаются изменения в технологии проектирования энергопреобразующей аппаратуры для космических аппаратов.

4. Работы в рамках проекта проводятся с привлечением большого числа магистрантов и аспирантов, что стимулирует кадровый рост отечественной приборостроительной промышленности. По результатам работ предполагается проведение международных школ-семинаров. Публикация статей в высокорейтинговых изданиях и выступление с докладами на значимых международных конференциях. конференциях Значительно модернизируется материально-техническая и информационная структура института силовой электроники НГТУ.
Постер

14.577.21.0198.ppt