ИМИТАТОР НАГРУЗОК ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

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, системы обеспечения заданного качества аккумулирования, с учетом более высокой надежности по сравнению с другими системами, занимают по массе и объему до 30% самого космического аппарата. Среднесуточная мощность систем электропитания космических аппаратов сегодня составляет 4-7 кВт, при этом характер нагрузки может быть активным, реактивным, смешанным и т.д. Соответственно, и устройства для имитации нагрузок при наземных испытаниях систем электропитания космических аппаратов должны обеспечивать различные виды нагрузок, а также статические и динамические режимы работы.
Известные устройства для тестирования систем электропитания обычно состоят из групп резисторов, которые требуют физического подключения и отключения для установления определенной величины нагрузки (US 3624489). Этот процесс в испытательном комплексе должен неоднократно повторяться, если испытания должны проводиться на нескольких уровнях мощности. Недостатками таких устройств является невозможность непрерывно изменять ток нагрузки от одного уровня до другого, невозможность проведения динамических испытаний, а также малое количество информации, получаемой в процессе испытаний об испытываемом объекте.
В настоящее время разработано большое количество электронных переключаемых устройств для имитации динамических нагрузок. Так устройство по патенту US 3406341 использует фиксированный резистор и управляемые регулируемые источники тока и напряжения. Тогда изменение нагрузки выполняется либо изменением тока, либо изменением напряжения в зависимости от задач испытаний. Известно также использование в имитаторах нагрузки коммутируемых кремниевых управляемых диодных выпрямителей для создания пульсаций переменного тока источника питания. При работе такие устройства обеспечивают пульсации, имитирующие изменение нагрузки, ограниченное только действием коммутирующей схемы (US 4288739), Недостатком таких устройств по-прежнему остается возможность имитации только активной нагрузки и недостаточная информация, получаемая в процессе испытаний.
В качестве прототипа нами выбрано программируемый блок имитации комплексной и импульсной нагрузок, описанный в полезной модели RU 50317. Устройство состоит из множества нагрузочных модулей, соединенных параллельно к выходу испытываемого источника питания, и блок управления комплексом, в качестве которого может выступать программируемый контроллер или ПЭВМ. Нагрузочные модули являются модулями разных видов нагрузки: модуль постоянной нагрузки, модуль комплексной нагрузки, модуль импульсной нагрузки и модуль переменной (синусоидальной) нагрузки. Каждый из указанных модулей имеет в своем составе схему управления соответствующей нагрузкой, схемы управления всеми нагрузками связаны с блоком управления модулями, связанным с контроллером управления комплексом. Модуль постоянной нагрузки выполнен в виде, соединенного с тестируемой системой электроснабжения через входной фильтр, повышающего преобразователя, выполненного на основе управляемых ключей и подключенного через выходной фильтр к инвертору, ведомому сетью, блок управления которого соединен с трансформатором, связанным с сетью. Кроме того, схемы управления постоянной, импульсной и комплексной нагрузок связаны с блоком управления модулями таким образом, что постоянные составляющие их нагрузок реализуются с использованием модуля постоянной нагрузки. Модуль имитации импульсной нагрузки в описываемом комплексе выполнен в виде дифференциальных импульсных ключей, соединенных с фиксированными заданными активными нагрузками. Задачей модуля импульсной нагрузки совместно с устройством постоянной нагрузки является сброс или наброс тока нагрузки на фиксированную величину. Модуль комплексной нагрузки содержит дифференциальные ключи, каждый из которых связан с последовательной RC-цепью. Модуль комплексной нагрузки обеспечивает подключение параллельно шинам тестируемой системы электроснабжения конденсатора и резистора заданных величин. Включение постоянной составляющей реализуется совместно с модулем постоянной нагрузки. Такое построение комплекса позволяет осуществлять преобразование энергии постоянного тока системы электроснабжения в энергию переменного тока и передачу ее в питающую сеть для повторного использования.
Недостатки приведенного решения заключаются в недостаточных функциональных возможностях, заключающихся в невозможности регулирования времени нарастания и спада фронтов имитируемого импульса. Кроме того, транзисторы блока импульсной нагрузки работают в так называемом активном режиме, при перехвате нагрузочного тока каналом постоянной нагрузки. Т.е. после подключения необходимой ступени нагрузки и короткой паузы (3-5 мс), транзистор переводится системой управления в активный режим работы и плавно запирается, в то время как входит в работу канал постоянной нагрузки. Так как
транзисторы, используемые для подключения ступеней импульсной нагрузки являются полевыми, то очевидно, что обладая бесконечным коэффициентом усиления по постоянному току, они неустойчиво работают в активном режиме, что приводит к усложнению системы управления и к трудоемкости настройки системы в целом.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей при имитации нагрузок, а именно возможность регулирования фронтов нарастания и спада при имитации импульсов нагрузки за счет их ступенчатого формирования, а также расширение параметров имитируемых комплексных емкостно-резистивных нагрузок, при сохранении возможности энергосбережения за счет использования модуля постоянной нагрузки при имитации импульсной и комплексной нагрузок.
Поставленная задача решается тем, что блок комплексной и импульсной нагрузок для испытания систем электроснабжения космических аппаратов, содержит несколько нагрузочных модулей, подключенных параллельно к тестируемой системе электроснабжения, и блок управления модулями.. Указанные нагрузочные модули включают модуль постоянной нагрузки, модуль импульсной нагрузки, и модуль комплексной (емкостно-резистивной) нагрузки, каждый из которых в своем составе имеет схему управления соответствующей нагрузкой, соединенную с блоком управления модулями, связанным с ЭВМ. Так же как и в прототипе, модуль постоянной нагрузки выполнен в виде соединенного с тестируемой системой электроснабжения через входной фильтр повышающего преобразователя, выполненного на основе управляемых ключей, подключенного через выходной фильтр к инвертору, ведомому сетью, блок управления которым соединен с блоком трансформаторов, связанным с сетью, а схемы управления импульсной и комплексной нагрузками связаны через блок управления с модулем постоянной нагрузки таким образом, что постоянные составляющие их нагрузок реализуются с использованием модуля постоянной нагрузки. В отличие от прототипа, в заявляемом устройстве модули комплексной и импульсной нагрузок реализованы на основе наборов управляемых ключевых транзисторных элементов, в одном из наборов указанные ключевые элементы соединены с резисторами для реализации импульсной нагрузки, а в другом наборе - с последовательными RC-цепями для реализации комплексной нагрузки. Указанные резисторы расположены с возможностью подключения параллельно испытываемой системе электроснабжения в определенные моменты времени с заданным шагом дискретности, обеспечивая ступенчатое формирование нарастающего или спадающего фронтов тока импульсной нагрузки, а также параллельно соответствующим RC-цепям в определенном наборе одновременно для формирования переднего фронта и последовательного отключения при формировании заднего пилообразного фронта комплексной нагрузки, при этом, время нарастания или спада, а также шаг дискретности
фронтов импульсной нагрузки и регулирование фронтов комплексной нагрузки осуществляется подключением различных групп резисторов в соответствии с программой ЭВМ.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых представлено:
на фиг.1 - структурная схема имитатора для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов; на фиг.2 - реализация модулей импульсной и комплексной нагрузок; на фиг.3 и 4 - временные диаграммы, поясняющие формирование фронтов импульсной нагрузки,
1
2
Имитатор нагрузок для испытаний системы электроснабжения 1 состоит из нагрузочных модулей 2 и 3, подсоединенных параллельно к тестируемой системе 1. Нагрузочный модуль 2 является имитатором постоянной нагрузки, блок 3 - устройство имитации импульсной и комплексной нагрузки. Модуль постоянной нагрузки 2 представляет собой повышающий преобразователь 4, выполненный на основе управляемых ключей, и соединенный с тестируемой системой электроснабжения 1 через входной фильтр 5, и, через выходной фильтр 6 к инвертору 7, ведомому сетью. Повышающий преобразователь 4 представляет собой транзисторный ключ, управляемый импульсами схемы управления 8. Блок управления 8 инвертором 7 соединен с трансформатором 9, подключенным к сети. Величина и длительность импульсов схемы управления 8 задают уровни подключаемой к выходным клеммам системы электроснабжения активной нагрузки. Инвертор 7 представляет собой трехфазный мостовой инвертор, ведомый сетью. Каждый нагрузочный модуль имеет в своем составе схему управления соответствующей нагрузкой. Схемы управления постоянной, комплексной и импульсной нагрузок объединены в блоке управления модулями 10, который соединен с повышающим преобразователем 6. Работа нагрузочного комплекса управляется либо программно от блока управления комплексом 11, либо от ПЭВМ. На фиг.2 представлена схема блока импульсной и комплексной нагрузок, реализованных на основе наборов управляемых ключевых транзисторных элементов VTn, VTn,...VTnn, соединенных с резисторами R1, R2,..Rn соответственно, для реализации импульсной нагрузки, и ключевого транзисторного элемента VTk, который соединен с последовательной RC-цепью для реализации комплексной (емкостно-резистивной) нагрузки (на рисунке показан только один транзисторный элемент, но их может быть несколько). Затворы (управляющие входы) всех ключевых транзисторных элементов соединены с блоком управления 10. Модуль импульсной нагрузки обеспечивает независимое увеличение (наброс) или уменьшение (сброс) постоянной нагрузки с регулируемой длительностью подключения или отключения, т.е. имитирует нарастание и
1
2
спадание тока с регулируемой длительностью и регулируемыми фронтами нарастания и спада. Модуль комплексной нагрузки обеспечивает подключение параллельно шинам тестируемой системы электроснабжения конденсатора 12 и резистора 13 заданных величин. Включение активного сопротивления реализуется посредством подключения определенного набора сопротивлений R1, R2,..Rn с ключевыми транзисторными элементами VTn, VTn,...VTnn, задаваемого блоком управления 10.
Описание работы имитатора нагрузки лучше начать с модуля постоянной нагрузки, как с самого простого, так и по той причине, что модуль постоянной нагрузки используется для формирования постоянной составляющей импульсной и комплексной нагрузок. При включении в работу модуля постоянной нагрузки по сигналам блока управления комплексом 11 или ПЭВМ выходное напряжение тестируемой системы электроснабжения 1 подается на входной фильтр 5, необходимый для устранения помех импульсных преобразователей, и поступает на вход повышающего преобразователя 4. Схема управления 11 по заданной программе выдает импульсы управления на ключи повышающего преобразователя 4. При этом происходит подключение по заданной программе сопротивлений импульсной нагрузки. Далее высокое постоянное напряжение через дроссели выходного фильтра 6 поступает на вход ведомого сетью инвертора 7. Управление инвертором 7 осуществляется от блока управления 8 с постоянными углами инвертирования. С целью реализации питания и синхронизации блока управления 8 с сетью используется блок трансформаторов 9. Преобразованное инвертором 7 напряжение возвращается в питающую сеть. Такое построение позволяет вторично использовать основную часть энергии входного источника 1, а не рассеивать ее в пространстве. По этому каналу прокачивается энергия имитации постоянной нагрузки, а также постоянные составляющие импульсной и комплексной нагрузок, так как эти составляющие реализуются на повышающем преобразователе 4, как будет объяснено далее при описании работы блока комплексной и импульсной нагрузок 3. Суммарный ток выходной шины системы электроснабжения 1, который задается подключаемой нагрузкой может достигать 150 А при проведении испытаний современных моделей бортовых систем. Если не использовать предложенную систему построения модуля постоянной нагрузки рассеиваемая в пространстве мощность при выходном напряжении системы электроснабжения 1 равном 27 В и токе 75А составит 2025Вт. Следует отметить существующую тенденцию увеличения выходного напряжения систем электроснабжения космических аппаратов, что может привести к увеличению рассеиваемой мощности. Предложенное построение позволяет вторично использовать основную часть энергии источника электроснабжения.
1
2
Задачей импульсной нагрузки, которую реализует модуль импульсной нагрузки совместно с вышеописанным модулем постоянной нагрузки, является наброс или сброс тока нагрузки на фиксированную величину. При этом наброс или сброс тока выполняется по автономной или дистанционной команде (от блока управления 11), поступающей на схему управления 10. Наброс тока выполняется подключением в определенные моменты времени с заданным шагом дискретности, соответствующих ключевых транзисторных элементов из набора VTn, VTn,...VTnn, с соответствующими фиксированными резисторами R1, R2,..Rn, обеспечивая ступенчатое формирование нарастающего или спадающего фронтов тока импульсной нагрузки, как показано на фиг.3 и 4 (Iкин). При этом формирование фронтов нарастания и спада тока обусловлено специальным алгоритмом работы блока управления, согласно которому по соответствующему фронту внутреннего задающего счетчика включается ступенчатое нарастание до тока уставки или спадание от тока уставки до 0 тока нагрузки с заданным шагом дискретности по длительности фронта. При этом шаг дискретности по току будет равен отношению тока уставки к длительности фронта в мкс. В режиме имитации импульсной нагрузки формируется импульсный ток, регулируемый:
а) по амплитуде
б) по длительности фронтов нарастания и спада тока.
Повышающий преобразователь 4 после каждой ступеньки наброса удерживает ток постоянным и равным заданной сумме резисторов постоянной нагрузки и скачка тока наброса (Iпп). При этом, энергия постоянной нагрузки, как описано выше, преобразуется и возвращается в питающую сеть. При формировании спадающего фронта, наоборот, следует отпирание соответствующих ключей до величины фиксированного тока. Одновременно с этим, посредством блока управления 10, входной ток повышающего преобразователя 4 уменьшается пропорционально увеличению тока ключа.
1
2
1
2
Модуль комплексной нагрузки состоит из ключевого транзисторного элемента VTk, подключающего по сигналам управления схемы 10 конденсатор 12 и резистор 13 RC-цепи параллельно шинам системы электроснабжения 1. При этом параллельно с ключом VTk сигналы управления поступают на открытие заданного набора, соответствующего уставке, соседних ключей VTn, VTn...VTnn с резисторами R1, R2,..Rn. Емкость комплексной нагрузки окажется через некоторое время заряженной и перестанет пропускать ток. После этого программа начнет последовательно отключать транзисторы VTn, VTn,...VTnn с резистивной нагрузкой в цепях, формируя задний пилообразный фронт. Таким образом, в случае с комплексной нагрузкой передний фронт определяется параметрами индуктивностей подводящих проводов и их активными
сопротивлениями, а задний фронт формируется сворачиванием тока методом цифровой пилы (транзисторы отключаются в определенном порядке) в то время как повышающий преобразователь вступает в работу, формируя ток в шине. Включение постоянной составляющей комплексной нагрузки осуществляется аналогично набросу тока импульсной нагрузки и реализуется совместно с повышающим преобразователем 4.
Применение предлагаемого комплекса позволит обеспечить качественное проведение наземных испытаний бортовых систем электроснабжения. Важной особенностью в разработанном нагрузочном комплексе является возможность регулирования фронтов нарастания и спада при имитации импульсной нагрузки, и формирования заднего пилообразного фронта при имитации комплексной нагрузки, а также вторичное использование электроэнергии системы электроснабжения, посредством ее последующего преобразования и передачи в сеть. Полная автоматизация комплекса нагрузочных устройств позволяет задавать программу испытаний и вести протокол в автономном режиме.