Электронный имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения

Электронный имитатор аккумуляторной батареи относится к оборудованию для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, источником питания в которых является аккумуляторная батарея, и может использоваться для тестирования ответственных систем автоматики и электроснабжения космических аппаратов при наземных испытаниях.
Известны электронные имитаторы аккумуляторной батареи по патентам на полезные модели №№73102, 158876, 174125, структурная схема которых содержит каналы имитации разряда и заряда аккумуляторной батареи, соединенные с 3-фазной сетью посредством блоков мостового выпрямителя и мостового ведомого инвертора, соответственно. При работе канала РАЗРЯД происходит выпрямление сетевого напряжения с помощью неуправляемого диодного моста. Данный способ имитации разряда обладает известными недостатками, влияющими на сеть - импульсное потребление сетевого тока (для заряда емкостей фильтра стоящего после выпрямителя), и как следствие, низкий коэффициент мощности (наличие фазового сдвига между потребляемым током и сетевым напряжением), а также ряд гармонических составляющих в форме потребляемого тока, ухудшающих электромагнитную совместимость.
При работе канала ЗАРЯД происходит передача энергии обратно в 3-фазную сеть, при помощи блока ведомого инвертора, представляющего собой 3-х фазный мостовой инвертор, в котором управление силовыми ключами осуществляется на низкой частоте (300 Гц) синхронно в точках естественной коммутации, расположенных на диаграмме 3-фазного сетевого напряжения (пересечение фазных ЭДС). Передача энергии в сеть при помощи ведомого инвертора также обладает недостатками: с увеличением имитируемой зарядной мощности растут потери в силовых ключах, что приводит к ухудшению массогабаритных параметров блока ведомого инвертора (увеличение площади радиаторов); кроме того, для сглаживания низкочастотной пульсации (300 Гц), образующейся в результате работы мостового ведомого инвертора, необходимо использование низкочастотного сглаживающего LC-фильтра, что приводит также к значительному увеличению массы и габаритов имитатора АБ.
Известен также электрический имитатор аккумуляторной батареи, предназначенный для имитации характеристик аккумуляторных батарей (АБ), который может быть использован при испытаниях систем электропитания и аппаратуры автономных объектов, в состав которых входит аккумуляторная батарея, работающая в режиме «Заряда» и «Разряда» (патент РФ №2635897). Заявленным техническим результатом изобретения, проявляемым благодаря предложенной структурной схеме, является повышение коэффициента использования энергии в режиме имитации заряда аккумуляторной батареи и сохранение работоспособности имитатора при аварийном отключении промышленной сети переменного напряжения за счет рекуперации избыточной электроэнергии в сеть постоянного тока электропитания имитатора. Для этого, предлагается использование двунаправленного импульсного преобразователя, способного передавать энергию в обоих направлениях: как от выпрямителя-стабилизатора, подключенного к сети переменного тока к энергопреобразующему оборудованию системы электропитания (режим разряда аккумуляторной батареи), так и, наоборот, от энергопреобразующего оборудования системы электропитания к выпрямителю-стабилизатору (режим заряда аккумуляторной батареи). Основу двунаправленного преобразователя составляет мостовой преобразователь понижающего типа с синхронным выпрямлением.
Основной недостаток устройства по указанному патенту состоит в том, что рекуперация энергии происходит в сеть постоянного тока, поэтому в данной системе всегда необходимо наличие зарядно-разрядного устройства 33 для возврата энергии в цепь постоянного тока. Если при испытаниях нагрузка не имеет возвратного канала, то воспользоваться данным имитатором невозможно.
Для выбора режима работы имитатора (заряд, разряд) в указанном устройстве применен механический переключатель 7. Использование механического переключателя в подобной системе сводит адекватность физической модели аккумуляторной батареи к нулю. Это объясняется тем, что при использовании подобного имитатора невозможной является имитация режимов динамического перехода заряд-разряд и обратно, и, как следствие, невозможность применения данного имитатора в составе испытательного рабочего места для энергопреобразующей аппаратуры СЭП КА, содержащего имитаторы солнечных батарей и нагрузки. Очевидно, что в реальной аккумуляторной батарее системы электропитания космического аппарата отсутствуют какие-либо механические переключатели, управляемые оператором вручную, АБ в составе СЭП КА переходит из режимов заряд-разряд и обратно, мгновенно, при смене режима работы солнечной батареи «свет-тень».
Также недостатком является наличие в составе структуры указанного устройства регулируемого непрерывного усилителя мощности 18, включенного параллельно выходным клеммам (шунтирующего выход имитатора), что приводит к неоправданным дополнительным потерям мощности, при этом с уменьшением имитируемого напряжения, ток в НУМ 18 необходимо увеличивать. В современных имитаторах АБ нижняя граница имитируемого напряжения находится в диапазоне 3÷4 В, при этом выходной имитируемый ток должен достигать десятков ампер. То есть при такой структуре в вышеуказанном режиме необходимо будет не только обеспечивать током нагрузку, но и дополнительный шунтирующий элемент НУМ 18, в задачу которого входит только поддержание необходимого значения напряжения на выходной шине, за счет рассеивания избыточной мощности.
Задача полезной модели: увеличение коэффициента мощности при потреблении электроэнергии из сети переменного тока, а также улучшение массогабаритных показателей имитатора аккумуляторной батареи.
Поставленная задача решается тем, что в электронном имитаторе аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения с возможностью рекуперации энергии, содержащем двунаправленный преобразователь энергии, предназначенный для имитации режима разряда и режима заряда аккумуляторной батареи, включенный в цепи между источником электропитания и испытываемой системой электроснабжения, и связанный с блоком управления, двунаправленный преобразователь выполнен в виде активного выпрямителя на основе транзисторных ключей, работающих на высокой частоте, соединенного с сетью переменного тока через первый фильтр. Выход указанного двунаправленного преобразователя через общий фильтр связан с подключенными к нему параллельно каналом разряда и каналом заряда, соединенными с выходным фильтром и подключаемыми с помощью электронного коммутатора к испытываемой системе электроснабжения через датчики тока и напряжения, связанные с блоком управления. При этом канал разряда содержит блок силового преобразователя, обеспечивающий получение необходимого уровня напряжения и гальваническую развязку, а канал заряда содержит последовательно включенные через промежуточный фильтр блок повышающего преобразователя с параллельным ключевым элементом и блок повышающего преобразователя с гальванической развязкой, обеспечивающие рекуперацию энергии в питающую сеть переменного тока через указанный двунаправленный преобразователь. Кроме того, в имитатор введен блок синхронизации, подсоединенный между питающей сетью и блоком управления.
Активный выпрямитель, в котором транзисторные ключи работают на высокой частоте (десятки кГц), отличается заметными преимуществами перед обычными выпрямителями, обеспечивая близкий к единице коэффициент мощности в каждой фазе, возможность создания двунаправленного потока энергии (выпрямительный и инверторный режимы), низкий уровень гармоник тока, создаваемых в силовой сети, малые пульсации выходного напряжения, малые размеры реактивных элементов, как на входе, так и на выходе преобразователя.
Каждый ключ активного выпрямителя может выполняться на основе IGBT либо MOSFET транзистора. Чем выше частота переключения транзисторных ключей по сравнению с частотой сети, тем меньше оказывается угол сдвига ϕ, между сетевым напряжением и потребляемым током. Кроме того, индуктивности блока дросселей первого фильтра, подключенных к каждой фазе питающей сети переменного тока, снижаются при прочих равных условиях (например, при одинаковом содержании гармоник тока) при возрастании частоты переключения.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых представлено: на фиг. 1 - функциональная схема имитатора аккумуляторной батареи с использованием активного выпрямителя, на фиг. 2 - схема общего фильтра 3 каналов разряда и заряда с фиг. 1, на фиг. 3 - схема выходного фильтра 6 с фиг. 1, на фиг. 4 - коммутатор 8 с фиг. 1, на фиг. 5 - схема силового преобразователя 7 канала разряда 4 с фиг. 1, на фиг. 6 - повышающий преобразователь силового блока 9 канала заряда 5 с фиг. 1, на фиг. 7 - промежуточный фильтр 10 повышающих преобразователей 9 и 11 канала заряда 5 с фиг. 1, на фиг. 8 - повышающий преобразователь блока повышающих преобразователей 11 канала заряда с фиг. 1, на фиг. 9 - выполнение блока синхронизации 13 с фиг. 1.
Электронный имитатор аккумуляторной батареи состоит из первого фильтра 1, соединенного с питающей трехфазной сетью переменного тока, активного выпрямителя 2, к которому через общий фильтр 3 подключены канал разряда 4 и канал заряда 5, соединяемые с испытываемой системой электроснабжения через выходной фильтр 6, электронный коммутатор 8, датчики тока 14 и напряжения 15. При этом канал разряда 4 содержит блок силового преобразователя 7, представляющий собой систему модулей включенных параллельно (количество зависит от необходимой мощности), и состоящих из автономных однофазных инверторов напряжения с включенной в диагональ первичной обмоткой трансформатора, вторичная обмотка трансформатора нагружена на двухтактный выпрямитель со средней точкой (фиг. 5). Трансформатор в данном случае выполняет, как обычно, две основные функции - гальваническую развязку и получение необходимого уровня напряжения. Канал заряда содержит последовательно включенные блок 9, состоящий из модулей повышающих преобразователей с параллельным ключевым элементом (фиг. 6), блок промежуточного фильтра 10 (фиг. 7), установленный на выходе блока 9, блок повышающего преобразователя 11 с гальванической развязкой, также состоящий из параллельно включенных модулей (фиг. 8), содержащих однофазный автономный инвертор с включенным в диагональ повышающим трансформатором, вторичная обмотка которого нагружена на мостовой выпрямитель.
Управление силовыми преобразователями имитатора аккумуляторной батареи - активным выпрямителем 2, блоками 7, 9, 11 осуществляется блоком управления 12, содержащим все необходимые составляющие системы управления - регуляторы, масштабирующие и корректирующие звенья, усилители. Синхронизация с 3-фазной сетью осуществляется блоком синхронизации 13, представляющим собой систему трансформаторов напряжения (фиг. 9). Пониженное 3-х фазное напряжение подается в блок управления 12.
Принцип действия имитатора аккумуляторной батареи основан на преобразовании электроэнергии переменного тока питающей сети в энергию постоянного тока, передаче ее в нагрузку в режиме «Разряд» и преобразовании входного постоянного тока в энергию переменного тока и передаче ее в питающую сеть в режиме «Заряд».
Режимы работы («Заряд» или «Разряд») и параметры задаются с блока управления 12.
АБ
В режиме «Разряд» имитатор функционирует как вторичный источник питания. Напряжение питающей сети или источника бесперебойного питания выпрямляется и затем через фильтр 3 поступает в канал разряда 4, где, с помощью преобразователя 7, достигает необходимого уровня, и через выходной фильтр 6 и коммутатор 8 поступает в испытываемую систему электроснабжения (U). Поддержание требуемых параметров канала «Разряд» и управление силовыми ключами обеспечивается блоком управления 12 по сигналам датчиков тока 14 и напряжения 15. Применение электронного коммутатора 8 дает возможность автоматического аварийного отключения имитатора АБ от изделия по результатам обработки различных данных: нарушение изоляции шина-корпус, превышение выходного тока имитатора, выход из строя любого из силовых модулей и т.д.
ИАБ
ВХ
Переход из режима «Разряд» в режим «Заряд» и обратно осуществляет блок управления 12. По сигналу с датчика напряжения 15 блок управления определяет знак разницы напряжения ΔU=U-U, и в зависимости от этого активирует управление либо каналом заряд, либо каналом разряд, при этом, изменяя алгоритм управления активным выпрямителем 2, переводя его из инверторного режима в выпрямительный режим (либо обратно). Этот алгоритм делает данную физическую модель наиболее адекватной реальной аккумуляторной батарее и дает возможность использования имитатора в составе испытательного рабочего места, содержащего штатные образцы бортовой нагрузки.
В режиме «Заряд» напряжение с выхода модуля повышающих преобразователей 9 поступает на блок промежуточного фильтра 10 и далее на блок повышающего преобразователя с гальванической развязкой 11. После этого через общий фильтр 3 повышенное напряжение поступает на активный выпрямитель 2, работающий в инверторном режиме, где осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока питающей сети. Задача фильтра 1 состоит в фильтрации высокочастотной пульсации выходной энергии преобразователя 2, сбрасываемой в сеть.
Синхронизация с 3-фазной сетью осуществляется блоком синхронизации 13, представляющим собой систему трансформаторов напряжения (фиг. 9).