ИМИТАТОР ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОРЕГУЛИРУЕМОЙ НАГРУЗКИ

Полезная модель относится к устройствам для испытаний систем электроснабжения. В частности, полезная модель относится к электронным имитаторам нагрузок для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов. Для испытаний таких систем необходимо имитировать нагрузки в широком диапазоне. На современных космических аппаратах системы электроснабжения, распределения электроэнергии, с учетом более высокой надежности по сравнению с другими системами, занимают до 30% массы и объема самого космического аппарата. Мощность систем электропитания космических аппаратов (СЭПКА) сегодня составляет 4-7 кВт, при этом нагрузка может быть активной, реактивной, смешанной и т.д., а потребление может носить импульсный характер в широком диапазоне изменения частоты следования импульсов тока. Соответственно, СЭПКА должны обладать способностью регулирования и стабилизирования выходных параметров в рамках вышеуказанных возмущений.
Очевидно, что с целью обеспечения заданной надежности, СЭПКА подвергают многочисленным наземным испытаниям, включающим в себя имитацию как постоянных, так и импульсных нагрузок, близких по величине и характеру изменений к реальным нагрузкам на орбите.
Для имитации динамических нагрузок при испытаниях систем электроснабжения используется различное оборудование, позволяющее гарантировать совместимость СЭПКА с различными видами нагрузок, и при этом - возможность сохранения требуемых выходных характеристик.
В одном из таких устройств (описание к патенту США №3383589) кремниевые управляемые вентили используются для создания пульсаций переменного тока от источника питания. При работе, кремниевые управляемые вентили управляются таким образом, что обеспечивают многообразие динамических нагрузок, ограниченное только коммутационными возможностями управляемых вентилей. Недостатком такого устройства является невозможность кремниевых управляемых вентилей переключаться более 1 раза в течение каждой половины периода волны переменного напряжения. Кроме того, такая техника неспособна использоваться с источниками постоянного тока, и, поэтому, ограничивает эксплуатационную гибкость имитатора. В любом случае, такая система не позволяет большого многообразия в выборе нагрузочных условий, удовлетворяющих требованиям испытаний.
Наиболее близким по достигаемому эффекту к заявляемой полезной модели является программируемое устройство имитатора динамической нагрузки по патенту США №4042830. Указанный имитатор динамической нагрузки содержит множество
резисторов, электронные коммутаторы, соединенные с каждым из указанных резисторов, которые при включении вызывают потребление тока одним из выбранных резисторов, логическую схему, включающую соответствующий ключевой элемент в ответ на программный сигнал, а также программное устройство, соединенное с указанной логической схемой. Для обеспечения динамических нагрузок различной формы, ключевые элементы управляются для включения и отключения с разными интервалами под управлением тиристорной схемы. Тиристорная схема, в свою очередь управляется сигналами логической схемы. Данная система имитирует динамические нагрузки с большими изменениями амплитуды в пульсирующем токе путем программирования различных комбинаций переключателей, вводящих выбранные величины резисторов в определенные интервалы времени. Программа задается с помощью сменных программных карт.
Недостатки указанного устройства заключаются в следующем:
- указанный имитатор требует нескольких часов для проведения простого испытания и анализа результатов испытания, так как оператор должен непрерывно записывать данные при проведении испытаний и поэтому не может выполнять более одного вида испытаний в одно и то же время, так же как и не может проводить анализ более чем одного испытания;
- программа проведения испытаний может задаваться только с помощью карт;
- малая дискретность подключаемых резисторов, в результате чего ограничен диапазон формирования фронтов, как по времени нарастании и спада, так и по форме.
- форма нарастания и спада фронтов задается коммутацией индукторов, что приводит к большому потреблению мощности;
- управление ключевыми элементами осуществляется с помощью тиристорных схем, которые обладают большой инерционностью и малой надежностью, не отвечающей современным требованиям.
Задачей заявляемой полезной модели является создание имитатора, удобного для оператора, с возможностью задания программы испытаний с сенсорного дисплея, управления от ПЭВМ всеми режимами, уставками и командами в объеме режимов, уставок и команд при дистанционном управлении; передачу информации в ПЭВМ, и обеспечивающего:
- формирование нагрузки постоянным током с плавным регулированием;
- формирование нагрузки со ступенчатой регулировкой постоянного тока;
- формирование частоторегулируемой импульсной нагрузки со ступенчатым регулированием амплитуды тока нагрузки и регулированием длительности фронтов нарастания и спадания тока.
Поставленные задачи решаются тем, что в имитаторе переменной частоторегулируемой нагрузки для испытаний систем электроснабжения, включающем множество резисторов, расположенных с возможностью подключения параллельно испытываемой системе электроснабжения, и управляемые переключающие элементы, соединенные последовательно с указанными резисторами и, через логические схемы, с ПЭВМ, резисторы из указанного множества сгруппированы с образованием канала плавнорегулируемой нагрузки, в котором резисторы образуют ряд, управляемый в двоичном коде посредством ключевых транзисторных элементов; и канала ступенчато- и частото- регулируемой нагрузки, в котором резисторы сгруппированы в ряды с различными уровнями дискретности тока нагрузки, управляемые ключевыми транзисторными элементами; ключевые транзисторные элементы обеих каналов посредством драйверов связаны с блоком управления, соединенным через контроллер с ПЭВМ, которая через этот же контроллер связана с сенсорным дисплеем; блок управления включает внутренний задающий генератор, по фронту которого задается ступенчатое формирование нарастающего или спадающего фронтов тока нагрузки, при этом, время нарастания или спада, а также шаг дискретности указанных фронтов регулируются подключением различных групп резисторов и регулированием частоты задающего генератора.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых представлено:
На фиг.1 - схема имитатора динамической нагрузки переменной частоты по заявляемой полезной модели;
на фиг.2 - диаграммы, поясняющие формирование фронтов тока нагрузки.
1
n
1
n
Канал плавнорегулируемой нагрузки 1 содержит ряд резисторов нагрузки R...R, подключаемых к клеммам системы электроснабжения транзисторными ключами S...S. Резисторы по току нагрузки для постоянного входного напряжения образуют ряд, например, 0,01 А; 0,02 А; 0,04 А; 0,08 А; 0,16 А и 0,32 А, управляемый в двоичном коде. Безразрывность тока на интервалах коммутации ключей обеспечивает небольшой дроссель L.
11
1m
21
2k
11
1m
Каналы ступенчато-регулируемой и частото-регулируемой нагрузок реализованы единой силовой частью 2, состоящей из блоков резисторов R - R, и R - R, подключаемых к клеммам системы электроснабжения транзисторными ключами S - S
21
2k
1m
1n
21
2k
и S- S. Резисторы R - R, и R - R, по току нагрузки распределены, например, в следующие ряды:
- основной: 0,05 А; 0,1 А; 0,2 А; 0,4 А; 0,8 А; 1,6 А;3,2 А; 6,4 А; 12,8 А; 25,6 А - в сумме 51,15 А;
- дополнительный: 0,05 А; 0,1 А; 0,2 А; 0,4 А; 0,8 А; 1,6 А; 3,2 А.
Управление работой имитатора может осуществляться через контроллер 5 как вручную с сенсорного дисплея 7, так и дистанционно от внешней ПЭВМ 6, связанной с контроллером 5, например по интерфейсу Ethernet, причем дистанционное управление является приоритетным по отношению к ручному управлению.
1
n
11
1m
21
2k
В свою очередь, контроллер 5 осуществляет информационный обмен по интерфейсу RS - 485 с блоком управления 4, задачей которого является реализация управления транзисторными ключами S-S, S-S и S-S через гальваноразвязанные драйверы 3 в режимах плавного, ступенчатого или импульсного частотного регулирования нагрузки с изменяемыми фронтами нарастания и спада тока.
Поддержку интерфейса RS - 485 в блоке управления 4 осуществляет микроконтроллер.
1
n
11
1m
11
1m
21
2k
Для формирования сигналов управления ключами в качестве задающего генератора используется программируемая интегральная логическая схема ПЛИС. Сформированные сигналы с ПЛИС усиливаются драйверами 3 и поступают на блоки ключей S-S и S-S. Микроконтроллер в составе блока управления передает ПЛИС заданные параметры: режим управления, ток, частоту импульсов, длительность фронта, шаговые коэффициенты, и активирует ПЛИС. Для обеспечения импульсной нагрузки, ключевые транзисторные элементы S-S и S-S управляются так, чтобы вводить соответствующие резисторы в заданные интервалы времени в двоичном коде.
1
n
Режим плавно-регулируемой нагрузки осуществляется скоростной коммутацией соответствующих ключей блоком управления 4, подключающих резисторы R-R канала плавно-регулируемой нагрузки. При этом обеспечивается плавное регулирование безразрывного постоянного тока нагрузки с определенной дискретностью. Безразрывность обеспечивается дросселем L. В конкретном примере реализации ток регулируется в пределах от 0 до 0,6 А с дискретностью 0,01 А. Управление изменением тока в режиме плавно-регулируемой нагрузки возможно вручную с сенсорного дисплея, а также дистанционно от ПЭВМ.
11
1m
21
2k
Режим ступенчато-регулируемой нагрузки осуществляется коммутацией резисторов R-R и R-R. В режиме ступенчато-регулируемой нагрузки в примере конкретной
реализации гарантируется ступенчатая регулировка постоянного тока активной нагрузкой в диапазоне от 0 до 55 А с дискретностью регулирования 0,5 А.
Кроме того, в режиме ступенчато-регулируемой нагрузки предусмотрена возможность плавного регулирования постоянного тока нагрузки путем автоматического перераспределения тока между каналами плавно-регулируемой нагрузки и ступенчато-регулируемой нагрузки с одновременным соответствующим изменением уставок. При этом дискретность регулирования тока составляет 0,01 А, а диапазон регулирования - от 0 до 55,5 А.
11
1m
21
2k
Режим частото-регулируемой нагрузки осуществляется коммутацией резисторов R- R, и R-R.
В режиме частоторегулируемой нагрузки формирование фронтов нарастания и спада тока обусловлено специальным алгоритмом работы блока управления, согласно которому по соответствующему фронту внутреннего задающего генератора включается ступенчатое нарастание до тока уставки или спадание от тока уставки до 0 тока нагрузки с заданным шагом диксретности по длительности фронта, равным 1 мкс. При этом шаг дискретности по току будет равен отношению тока уставки к длительности фронта в мкс. В режиме частоторегулируемой нагрузки формируется импульсный ток, регулируемый:
а) по амплитуде от 0 до 55 А с дискретностью 0,5 А;
б) по частоте следования (при скважности два) в диапазоне от 0,1 до 100000 Гц с разной дискретностью внутри каждой декады частоты;
в) по длительности фронтов нарастания и спада тока, изменяющихся для различных диапазонов частот.
Таким образом, имитатор обеспечивает имитацию любой динамической нагрузки с большими изменениями амплитуды, частоты следования, и длительности фронтов с возможностью управления, как от сенсорного дисплея, так и от ПЭВМ, с заданием различных программ испытаний.