Пояснительная записка содержит 58 страниц, 15 иллюстраций, 3 таблицы, 3 приложения

1. Анализ электромеханической системы электропривода солнечной батареи по крену

1.1. Функциональные задачи

Cистема электроприводов должна обеспечивать повороты правого и левого крыльев солнечных батарей по крену, а также иметь оговоренные в техническом задании массу, момент инерции, мощность и другие параметры, которые обеспечат работоспособность комплекса на орбите и точное выполнение полетного задания.

1.2. Функциональная схема

За основу рассматриваемой системы взяты блоки Р16К и Р15 комплекса Р10, серийно производимого на ФГУП «НПП ВНИИЭМ». Функциональная схема системы привода солнечных батарей по крену представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Функциональная схема системы привода солнечных батарей по крену

АБ – аккумуляторная батарея;

ЦРУ – центральное распределительное устройство;

СБ – солнечная батарея;

ДСО – датчик системы ориентации

В состав блока Р15 входят:

И – инвертор;

СУ – система управления инвертора;

СО – система ориентации;

В состав блока Р16К входят:

Двигатель;

Редуктор;

ДУП – датчик углового положения.

1.3. Основные технические данные

Первичный источник электрической энергии — бортовая сеть постоянного тока.

Напряжение в сети...............................................................................27 В  10%

Скорость вращения выходного вала ……………………....... (8,70,87)·10^-2 рад/с

Время разгона до установившейся скорости, с ………………...... не менее 5

Время торможения с установившейся скорости до нуля, с…....... не более 0,5

Максимальный угол поворота вала...………………………........... (902) ^о

Погрешность информации об угловом положении …………....... не более 1^о

Ток потребления, А (среднее значение)…………………..…........ от 0,30 до 0,45

Номинальная мощность, Вт ……………………………..….......... не менее 6,5

Момент на выходном валу блока, Нм..…………..…..….....……. 11,7 – 90,0

Момент инерции вращаемой нагрузки , кгм² ………...…….......... не более 125

Люфт редуктора блока …………………………………………...... не более 12’

Масса блока, кг…………………………………………….……...... не более 5

1.4. Принцип действия системы в целом

Принцип действия рассматриваемого электропривода состоит в следующем: при отклонении положения панели СБ от оптимального положения относительно светового потока возникает необходимость коррекции положения СБ. Допустимая степень отклонения положения СБ от оптимального определяется разработчиками системы ориентации и системы энергоснабжения КА. Сигнал системы ориентации поступает на систему управления электронного преобразователя напряжения, которая формирует сигналы управления транзисторными ключами инвертора. Переменное трёхфазное напряжение, выработанное инвертором подаётся на асинхронный двигатель привода СБ, который через двухступенчатый планетарный редуктор приводит в движение панель СБ в нужном направлении до тех пор, пока датчики системы ориентации не начнут сигнализировать об оптимальном положении СБ относительно падающего света.

1.5. Принцип действия элементов, входящих в состав ЭМС

1.5.1. Электронный преобразователь

1.5.1.1. Инвертор

В рассматриваемой системе получение трехфазного напряжения осуществляется с помощью трехфазного мостового инвертора, представленного на рис.1.2.

Трехфазный мостовой инвертор выполнен в виде трех однофазных инверторных ячеек, входы которых соединены с плюсовыми и минусовыми выходами. Выходы ячеек подключены к клеммам нагрузки, которая включена по схеме «звезда». Одним из способов управления транзисторами является такой, способ когда транзисторы каждой ячейки работают в соответствии с диаграммой, приведенной на рис.1.3. При этом транзисторы второй ячейки работают с отставанием от транзисторов первой ячейки на 1/3 периода или на 120 электрических градусов. Транзисторы третьей ячейки отстают от транзисторов второй ячейки на 120 электрических градусов, а это означает, что они опережают транзисторы первой ячейки на 120 электрических градусов. Диаграммы переключения транзисторов показаны на рис.3. Заштрихованные зоны на диаграмме означают их открытое состояние.



Рис.1.2. Трехфазная мостовая схема инвертора

При соединении нагрузки в звезду в любой момент времени к источнику питания подключаются все три фазы, причем одна фаза включается последовательно с двумя другими, соединенными в параллель. На выходе инвертора фазное напряжение имеет двухступенчатую форму с амплитудой ступеней U_пит/З и 2U_пит/3 (приближенную к синусоидальной форме напряжения).

В интервале от 0 до Т/6 включены транзисторы VT1, VT4, VT5 - это значит, что сопротивления нагрузки включены так, как показано на рисунке 1.3, то есть фазы А и С соединены параллельно и последовательно с ними фаза В.

Из анализа работы схемы следует, что нагрузки Za, Zb, Zc на каждом этапе длительностью 60 электрических градусов, подключены к положительному или отрицательному выводу выпрямителя и что к одной из них приложено напряжение, равное 2U_пит/3, а к двум другим U_пит/З. В результате на нагрузку будут приложены линейные напряжения с амплитудой, равной напряжению U_пит, и с паузой на нулевом уровне 60 электрических градусов.

Диоды VD1-VD6 в ячейках нужны для защиты транзисторов VT1 -VT6 от обратного напряжения, которое возникает при коммутации индуктивной нагрузки, которой является обмотка статора асинхронного двигателя.



Рис. 1.3. Принцип действия трехфазного мостового инвертора

В зависимости от соотношения между индуктивными и активными сопротивлениями нагрузки будет изменяться cosφ нагрузки. Это, в свою очередь, накладывает отпечаток на характер тока потребления инвертора и пути прохождения тока рекуперации. Если cosφ<0,5 (для рассматриваемой ЭМС cosφ = 0,5), ток фазы А будет возвращаться в конденсатор С, установленный на входе инвертора, по контуру: фаза A, VD1, С, VD4, фаза В, фаза А. Если cosφ>0,5, то значение тока фазы А меньше значения тока фазы С. Это означает, что энергия, накопленная в индуктивности фазы, к которой прикладывается напряжение обратного знака будет рассеиваться внутри самого преобразователя. Ток в этом случае будет протекать по контуру: фаза A, VD1, VT5, фаза С, фаза А.

1.5.1.2. Система управления транзисторными ключами

Система управления может быть реализована при помощи драйвера IR2130S, обеспечивающего подачу упрправляющих сигналов на затворы силовых транзисторов инвертора.

Драйвер IR2130S выполняет функцию гальванической развязки (разрыв общей "земляной" цепи, защита всей системы от высоковольтных переходных процессов, уменьшение помех и искажений сигналов, а также увеличение степени электробезопасности).

1.5.2. Асинхронный электродвигатель

Асинхронные двигатели изготавливаются для работы от однофазных, двухфазных и трехфазных сетей переменного тока. Но главным образом они выпускаются для работы от трехфазных сетей.

Асинхронные двигатели состоят из двух частей: неподвижной части — статора и вращающейся части — ротора. Сердечник статора, представляющий собой полый цилиндр, набирают из отдельных листов, которые штампуют из электротехнической стали толщиной 0,1..0,5 мм. Для сердечников асинхронных двигателей применяют холоднокатаные изотропные электротехнические стали марок 2013, 2312, 1521 и другие. Перед сборкой сердечника листы изолируют друг от друга оксидированием или лакировкой или используют сталь, выпускаемую с электроизоляционным покрытием. На внутренней поверхности статора выштамповывают пазы, в которые укладывают обмотку. Сердечник статора закрепляют в корпусе.

Роторы асинхронных двигателей выполняют двух видов: с короткозамкнутой обмоткой и с фазной. Первый вид двигателей называют короткозамкнутыми асинхронными двигателями, а второй — асинхронный двигатель с фазным ротором. В рассматриваемой сиситеме используется короткозамкнутый двигатель. Сердечник ротора собирают из листов, которые штампуют из высечки листов статора одновременно со штамповкой последних. В короткозамкнутых роторах применяют полузакрытые или скрытые пазы, имеющие овальную, прямоугольную или фигурную форму. Ширину открытия пазов выбирают около 1 мм. Закрытые пазы перекрывают сверху стальным мостиком толщиной 0,3 - 0,5 мм.

Обмотку ротора выполняют путем заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы. Одновременно с обоих торцов ротора отливают алюминиевые кольца, замыкающие стержни пазов. Для усиления охлаждения двигателя вместе с кольцами отливают примыкающие к ним вентиляционные лопатки.

Вал ротора вращается в подшипниках, укрепленных в боковых щитах, называемых подшипниковыми щитами. В асинхронных машинах главным образом применяют подшипники качения.

Подшипниковые щиты прикрепляются к корпусу статора. В корпусе крепят сердечник статора.

В асинхронных двигателях воздушный зазор между статором и ротором выбирают минимально возможным из технологических соображений (чтобы ротор при вращении не задевал о статор).

Если трехфазную обмотку статора подключить к трехфазной сети, то токи, протекающие по обмотке, создадут вращающееся магнитное поле. Угловая скорость этого поля, называемая синхронной, равна ω₁=2*π*f₁/p (f₁ — частота сети; p — число пар полюсов). Магнитное поле при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Так как обмотка ротора замкнута, то в ней возникает ток I₂, активная составляющая которого будет по направлению совпадать с ЭДС. Ток I₂, взаимодействуя с магнитным полем статора, создаст вращающий момент М, под действием которого ротор придет во вращение.