КОМПЛЕКС ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Комплекс для наземных испытаний систем электропитания космических аппаратов относится к преобразовательной технике и может быть использован при наземных испытаниях мощных систем электропитания космических аппаратов, получающих электроэнергию от имитатора солнечной батареи и от имитатора аккумуляторной батареи.
Известен комплекс для испытания систем электропитания, содержащий имитатор солнечной батареи, испытываемую систему электропитания, имитатор аккумуляторной батареи и нагрузочное устройство рекуперативного типа переменного тока, содержащее ведомый сетью инвертор, причем энергия, потребляемая нагрузочным устройством рекуперативного типа возвращается в промышленную сеть переменного тока. [Автоматизированная система контроля энергопреобразующей аппаратуры систем электропитания космических аппаратов / Ю.А. Кремзуков, В.М. Рулевский, Ю.А. Шиняков, М.Н. Цветков // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - Т. 22, №2. - с. 274-280].
Недостатками комплекса являются: невозможность работы комплекса при аварийном отключении промышленной сети переменного тока; обеспечение требований по качеству возвращаемой электроэнергии увеличивает массу и габариты комплекса, ввиду необходимости использования ведомых сетью инверторов.
Наиболее близким к изобретению является комплекс для испытания вторичных источников электропитания постоянного тока с рекуперацией энергии в сеть постоянного тока, содержащий источник бесперебойного питания, работающий в режиме двойного преобразования энергии, первый и второй развязывающие диоды, испытываемую систему электропитания, датчик тока, управляемый источник опорного напряжения, усилитель-сумматор и несколько модулей нагрузочного устройства рекуперативного типа постоянного тока, причем энергия, потребляемая нагрузочным устройством рекуперативного типа возвращается в первичные цепи постоянного тока в устройство бесперебойного питания (RU 129263, МПК G01R 31/40).
Недостатками прототипа являются: необходимость использования специального источника бесперебойного питания, позволяющего подключить к нему нагрузочное устройство рекуперативного типа, что ведет к усложнению и удорожанию комплекса; невозможность проводить в полном объеме испытания систем электропитания космических аппаратов из-за отсутствия имитатора солнечной батареи и имитатора аккумуляторной батареи, что сужает функциональные возможности комплекса.
Задачей, решаемой полезной моделью, является расширение функциональных возможностей, а также улучшение эксплуатационных характеристик комплекса, путем рекуперации избыточной электроэнергии в сеть электропитания постоянного тока.
Поставленная задача решается тем, что в комплекс для наземных испытаний, содержащий источник бесперебойного питания, первый и второй развязывающие диоды, датчик тока, управляемый источник опорного напряжения, усилитель-сумматор, два нагрузочных устройства рекуперативного типа и испытываемую систему электропитания, выходная плюсовая клемма которой подключена к плюсовым входным клеммам первого и второго нагрузочных устройств рекуперативного типа, выходная минусовая клемма системы электропитания через датчик тока подключена к входным минусовым клеммам первого и второго нагрузочных устройств, сигнальный вывод датчика тока подключен к минусовому входу усилителя-сумматора, выходная клемма управляемого источника опорного напряжения подключена к плюсовому входу усилителя-сумматора, выходная клемма усилителя-сумматора подключена к управляющим клеммам первого и второго нагрузочных устройств, анод первого развязывающего диода подключен к выходной плюсовой клемме первого нагрузочного устройства рекуперативного типа, анод второго развязывающего диода соединен с выходной плюсовой клеммой второго нагрузочного устройства рекуперативного типа, согласно техническому решению, введены третий, четвертый и пятый развязывающие диоды, первый и второй выпрямитель-стабилизатор, первое и второе устройство сравнения, первое и второе устройство гальванической развязки, имитатор солнечной батареи и имитатор аккумуляторной батареи, причем входные клеммы источника бесперебойного питания подключены к промышленной сети переменного тока, а имитатор солнечной батареи и имитатор аккумуляторной батареи присоединены к соответствующим выводам системы электропитания, в первое и второе нагрузочные устройства введены дополнительные управляющие входы, при этом первый развязывающий диод подключен катодом к плюсовой клемме имитатора солнечной батареи, второй развязывающий диод подключен катодом к плюсовой входной клемме имитатора аккумуляторной батареи, к выходным клеммам источника бесперебойного питания подключены параллельно первый и второй выпрямители-стабилизаторы, выходная плюсовая клемма первого выпрямителя-стабилизатора подключена к входной клемме первого устройства сравнения и аноду третьего развязывающего диода, катод которого соединен с катодом первого развязывающего диода, катодом четвертого развязывающего диода и входной плюсовой клеммой имитатора солнечной батареи, выходная минусовая клемма первого выпрямителя-стабилизатора соединена с входной минусовой клеммой имитатора солнечной батареи, минусовой выходной клеммой первого нагрузочного устройства рекуперативного типа и выходной минусовой клеммой имитатора аккумуляторной батареи, анод четвертого развязывающего диода соединен с выходной плюсовой клеммой имитатора аккумуляторной батареи, анод первого развязывающего диода соединен с входной клеммой первого устройства сравнения, выходная клемма первого устройства сравнения подключена к входной клемме первого устройства гальванической развязки, выходная клемма которого подключена к дополнительной клемме управления первого нагрузочного устройства рекуперативного типа, плюсовая и минусовая клеммы имитатора солнечной батареи подключены соответственно к плюсовой и минусовой входным клеммам системы электропитания, выходные плюсовая и минусовая клеммы системы электропитания подключены соответственно к
плюсовым и минусовым входным клеммам первого и второго нагрузочных устройств рекуперативного типа, выходная плюсовая клемма второго выпрямителя-стабилизатора подключена к входной клемме второго устройства сравнения и аноду пятого развязывающего диода, катод которого соединен с катодом второго развязывающего диода и с входной плюсовой клеммой имитатора аккумуляторной батареи, выходная минусовая клемма второго выпрямителя-стабилизатора соединена с входной минусовой клеммой имитатора аккумуляторной батареи и с выходной минусовой клеммой второго нагрузочного устройства рекуперативного типа, анод первого развязывающего диода подключен к входной клемме второго устройства сравнения, выходная клемма второго устройства сравнения подключена к дополнительной входной клемме второго устройства гальванической развязки, выходная клемма которого подключена к клемме управления второго нагрузочного устройства рекуперативного типа.
Имитатор аккумуляторной батареи содержит имитатор режима заряда аккумуляторной батареи, имитатор режима разряда аккумуляторной батареи, датчик тока имитатора аккумуляторной батареи и систему управления, причем выходная минусовая клемма имитатора режима разряда аккумуляторной батареи присоединена к входной минусовой клемме имитатора режима заряда аккумуляторной батареи и минусовому выводу системы электропитания для подключения аккумуляторной батареи, плюсовая выходная клемма имитатора режима разряда присоединена к плюсовой входной клемме имитатора режима заряда и через датчик тока имитатора аккумуляторной батареи - к плюсовому выводу системы электропитания для подключения аккумуляторной батареи, при этом датчик тока имитатора аккумуляторной батареи соединен с коммутирующим устройством, выводы которого подключены к выводам включения/выключения имитаторов режима разряда и режима заряда, причем выходные плюсовая и минусовая клеммы имитатора режима заряда являются выходными плюсовой и минусовой клеммами имитатора аккумуляторной батареи, входные плюсовая и минусовая клеммы имитатора режима разряда являются входными плюсовой и минусовой клеммами блока имитатора аккумуляторной батареи.
Техническим результатом такого построения комплекса является расширение функциональных возможностей, позволяющее проводить весь цикл электрических испытаний систем электропитания космических аппаратов, а также улучшение массогабаритных характеристик и увеличение времени работы комплекса при отключенной сети переменного тока за счет рекуперации избыточной электроэнергии в сеть электропитания постоянного тока имитатора солнечной батареи.
На чертеже представлена структурная схема комплекса для наземных испытаний систем электропитания космических аппаратов.
Комплекс содержит источник бесперебойного питания 1, выходные клеммы которого подключаются параллельно к выпрямителям-стабилизаторам 2 и 3. Выходная плюсовая клемма выпрямителя-стабилизатора 2 подключена к положительной входной клемме первого устройства сравнения 4 и аноду третьего развязывающего диода 22, катод которого соединен с катодами
первого и четвертого развязывающих диодов 20 и 23 и входной плюсовой клеммой имитатора солнечной батареи 8. Выходная минусовая клемма выпрямителя-стабилизатора 2 соединена с входной минусовой клеммой имитатора солнечной батареи 8, минусовой выходной клеммой нагрузочного устройства рекуперативного типа 11 и выходной минусовой клеммой 35 имитатора аккумуляторной батареи 10. Анод четвертого развязывающего диода 23 соединен с выходной плюсовой клеммой 34 имитатора аккумуляторной батареи 10. Анод первого развязывающего диода 20 соединен с выходной плюсовой клеммой нагрузочного устройства рекуперативного типа 11 и входной минусовой клеммой первого устройства сравнения 4. Выходная клемма первого устройства сравнения 4 подключена к входной клемме устройства гальванической развязки 6, выходная клемма которого подключена к дополнительной клемме управления 38 нагрузочного устройства рекуперативного типа 11. Выходные плюсовая и минусовая клеммы имитатора солнечной батареи 8 подключены соответственно к плюсовой 28 и минусовой 29 входным клеммам системы электропитания 9. Выходная плюсовая клемма 30 системы электропитания 9 подключена к плюсовым входным клеммам нагрузочных устройств рекуперативного типа 11 и 12. Выходная минусовая клемма 31 системы электропитания 9 через датчик тока 13 подключена к входным минусовым клеммам нагрузочных устройств 11 и 12. Сигнал с датчика тока 13 поступает на минусовой вход усилителя-сумматора 15, а на его плюсовой вход поступает сигнал с управляемого источника опорного напряжения 14. Выходной сигнал с усилителя-сумматора поступает на основные управляющие клеммы 40 и 41 нагрузочных устройств 11 и 12.
Имитатор аккумуляторной батареи 10 содержит имитатор режима разряда аккумуляторной батареи 17, имитатор 16, датчик тока имитатора аккумуляторной батареи 18 и коммутирующее устройство 19. Плюсовая выходная клемма имитатора режима разряда 17 присоединена к плюсовой входной клемме имитатора режима заряда 16 и, через датчик тока имитатора аккумуляторной батареи 18, к плюсовому выводу 32 системы электропитания для подключения аккумуляторной батареи, при этом сигнал с датчика тока 18 поступает на коммутирующее устройство 19, выводы которого подключены к выводам 42 и 43 включения/выключения имитаторов режима разряда и режима заряда, соответственно. Выходные плюсовая и минусовая клеммы имитатора режима заряда аккумуляторной батареи 16 являются, соответственно, выходными клеммами 34 и 35 блока имитатора аккумуляторной батареи. Входные плюсовая и минусовая клеммы имитатора режима разряда аккумуляторной батареи 17 являются, соответственно, входными клеммами 36 и 37 блока имитатора аккумуляторной батареи.
Выходная плюсовая клемма выпрямителя-стабилизатора 3 подключена к входной плюсовой клемме второго устройства сравнения 5 и аноду пятого развязывающего диода 24, катод которого соединен с катодом второго развязывающего диода 21 и с входной плюсовой клеммой блока имитатора аккумуляторной батареи 36. Выходная минусовая клемма выпрямителя-стабилизатора 3 соединена с входной минусовой клеммой блока имитатора аккумуляторной батареи 37 и с выходной минусовой клеммой нагрузочного устройства рекуперативного типа 12. Анод второго развязывающего диода 21 подключен к входной минусовой клемме второго устройства сравнения
5 и выходной плюсовой клемме нагрузочного устройства рекуперативного типа 12. Выходная клемма второго устройства сравнения 5 подключена к входной клемме устройства гальванической развязки 7, выходная клемма которого подключена к дополнительной клемме управления 39 нагрузочного устройства рекуперативного типа 12.
Входные клеммы 25, 26, 27 источника бесперебойного питания 1 служат для подключения к сети переменного тока.
Комплекс для испытания систем электропитания космических аппаратов работает следующим образом.
Комплекс обеспечивает следующие режимы работы системы электропитания космического аппарата:
- режим работы на теневом участке орбиты - электропитание осуществляется от аккумуляторной батареи, работающей в режиме разряда;
- режим работы на освещенном участке орбиты - электропитание осуществляется от солнечной батареи, при этом система электропитания 9 снабжает электроэнергией потребителя и может заряжать аккумуляторную батарею;
- режим максимальной мощности - электропитание осуществляется одновременно от солнечной и аккумуляторной батарей.
В исходном состоянии комплекс находится в режиме имитации работы на теневом участке орбиты. Источник бесперебойного питания 1 получает электроэнергию от промышленной сети переменного тока и обеспечивает электроснабжение выпрямителей-стабилизаторов 2 и 3. Режим работы имитатора аккумуляторной батареи 10 определяется в зависимости от направления тока I18, протекающего через датчик тока имитатора аккумуляторной батареи 18 (на фиг. обозначено положительное направление тока I18). При положительном токе, протекающем через датчик тока имитатора аккумуляторной батареи 18 (I18>0), коммутирующее устройство 19 включает имитатор режима заряда 16 - имитатор аккумуляторной батареи 10 работает в режиме заряда. При нулевом и отрицательном токе, протекающем через датчик тока имитатора аккумуляторной батареи 18 (I18≤0), коммутирующее устройство 19 отключает имитатор режима заряда 16 и включает имитатор режима разряда 17 - имитатор аккумуляторной батареи 10 работает в режиме разряда. Таким образом, при включении комплекса (I18=0) имитатор аккумуляторной батареи 10 находится в режиме разряда.
Система электропитания 9 нагружена на нагрузочные устройства 11 и 12. Датчик тока 13, управляемый источник опорного напряжения 14 и усилитель-сумматор 15, совместно с нагрузочными устройствами 11 и 12, образуют стабилизаторы входных токов нагрузочных устройств 11 и 12. Усилитель-сумматор 15 сравнивает напряжение с датчика тока 13 с напряжением управляемого источника опорного напряжения 14 и вырабатывает сигнал рассогласования пропорциональный отклонению суммарного входного тока I11+I12 нагрузочных устройств 11 и 12 от значения, заданного управляемым источником опорного напряжения 14.
Выходной сигнал с усилителя-сумматора 15 подается на управляющие входы нагрузочных устройств 11 и 12, которые изменяют свое внутреннее сопротивление таким образом, чтобы происходила стабилизация входных токов I11 и I12.
Нагрузочное устройство 12 рекуперирует через второй развязывающий диод 21 избыточную электроэнергию на вход включенного имитатора режима разряда 17, при этом пятый развязывающий диод 24 будет препятствовать протеканию рекуперируемого тока в выпрямитель-стабилизатор 3. Во втором устройстве сравнения 5 происходит сравнение двух напряжений: анодного напряжения U12 второго развязывающего диода 21 и анодного напряжения U3 пятого развязывающего диода 24. Если разностное напряжение U5=U12-U3 больше нуля, то на дополнительный управляющий вход нагрузочного устройства 12, через устройство гальванической развязки 7, подается управляющий сигнал, уменьшающий протекающий через нагрузочное устройство 12 ток. При этом уменьшается мощность, потребляемая нагрузочным устройством 12, и уменьшается выходное напряжение U12 до тех пор, пока не сравняются анодные напряжения второго и пятого развязывающих диодов 21 и 24. Если напряжение U5 меньше нуля, то напряжение U12 возрастает до такого уровня, пока не сравняются анодные напряжения второго и пятого развязывающих диодов 21 и 24.
Нагрузочное устройство 11 рекуперирует через первый развязывающий диод 20 избыточную электроэнергию на вход выключенного имитатора солнечной батареи 8, при этом третий развязывающий диод 22 будет препятствовать протеканию рекуперируемого тока в выпрямитель-стабилизатор 2, а четвертый развязывающий диод 23 - в имитатор режима заряда 16. Выключенный имитатор солнечной батареи 8 обладает большим входным сопротивлением, что при стабилизации входного тока I11 приводит к росту напряжения U11. В первом устройстве сравнения 4 происходит сравнение анодных напряжений U11 первого развязывающего диода 20 и U2 третьего развязывающего диода 22. Разностное напряжение U4=U11-U2 будет увеличиваться, это приведет к тому, что на нагрузочное устройство И через устройство гальванической развязки 6 с выхода первого устройства сравнения 4 будет подаваться управляющий сигнал, который будет уменьшать ток, протекающий через нагрузочное устройство 11, практически до нуля. Таким образом, в режиме имитации работы на теневом участке орбиты система электропитания 9 будет нагружена только на нагрузочное устройство 12, и вся избыточная электроэнергия будет рекуперироваться на вход имитатора режима разряда 17.
При имитации режима работы на освещенном участке орбиты включается в работу имитатор солнечной батареи 8. В начальный момент начинает протекать входной ток имитатора солнечной батареи 8 через третий развязывающий диод 22 от выпрямителя-стабилизатора 2, напряжение U11 на выходе закрытого нагрузочного устройства 11 становится меньше напряжения U2 на выходе выпрямителя-стабилизатора 2, первый развязывающий диод 20 закрывается, в связи с этим разностное напряжение U4 меняет полярность, что приведет к увеличению тока I11, протекающего через нагрузочное устройство 11, и увеличению напряжения U11, которое будет
возрастать до тех пор, пока не сравняются анодные напряжения первого и третьего развязывающих диодов 20 и 22. При этом увеличивается мощность, потребляемая нагрузочным устройством 11.
При необходимости заряда аккумуляторной батареи, в системе электропитания 9 включается зарядное устройство, это приводит к тому, что ток I18 становится положительным, коммутирующее устройство 19 отключает имитатор режима разряда 17 и включает имитатор режима заряда 16.
Выключенный имитатор режима разряда 17 обладает большим входным сопротивлением, что при стабилизации входного тока I12 приводит к росту напряжения U12. Разностное напряжение U5 будет увеличиваться, это приведет к тому, что на нагрузочное устройство 12 будет подаваться управляющий сигнал, который будет уменьшать ток, протекающий через нагрузочное устройство 12, практически до нуля. Таким образом, в режиме имитации работы на освещенном участке орбиты система электропитания 9 будет нагружена на нагрузочное устройство 11, и вся избыточная электроэнергия будет рекуперироваться на вход имитатора солнечной батареи 8.
При имитации режима максимальной мощности имитатор солнечной батареи 8 и нагрузочное устройство 11 работают так же, как и на освещенном участке орбиты. Имитатор аккумуляторной батареи переходит в режим разряда, так как в системе электропитания 9 отключается зарядное устройство. При нулевом токе, протекающем через датчик тока 18 (I18=0), коммутирующее устройство 19 отключает имитатор режима заряда 16 и включает имитатор режима разряда 17 - имитатор аккумуляторной батареи 10 работает в режиме разряда. В связи с включением имитатора режима разряда 17, разностное напряжение U5 начнет уменьшаться, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузочное устройство 12, до величины, задаваемой управляемым источником опорного напряжения 14. Токораспределение между нагрузочными устройствами 11 и 12 осуществляется в силу того, что разностные напряжения U4 и U5 поддерживаются на нулевом уровне.
Применение предлагаемого комплекса позволит проводить долговременные испытания систем электропитания без риска срыва графиков испытаний при отключении питающей сети переменного тока, сократит расходы на электроэнергию и увеличит время работы комплекса от источника бесперебойного питания при отключенной сети переменного тока.