ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ НАГРУЗОЧНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может использоваться для испытания систем электроснабжения. В частности, полезная модель относится к электронным имитаторам нагрузок для испытаний систем электропитания космических аппаратов. Для испытаний таких систем необходимо имитировать нагрузочные токи 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 превышает 10 кВт. Соответственно, и устройства для имитации нагрузок при наземных испытаниях систем электропитания космических аппаратов должны обеспечивать широкий диапазон нагрузочных токов, а также статические и динамические режимы работы.
Известно устройство (патент РФ №2187192. МПК Н02М 3/07, Н02М 3/10) для испытания источников электропитания постоянного тока с рекуперацией энергии в сеть постоянного тока, содержащее первичный источник электроэнергии, испытываемый вторичный источник электропитания, блок нагрузочного устройства, в состав которого входят регулятор тока, преобразователь постоянного тока, накопительный конденсатор, датчик тока, причем к выходу вторичного источника электропитания подключены последовательно соединенные транзисторный регулятор тока, позволяющий моделировать наброс и сброс тока нагрузки, датчик тока и вход преобразователя постоянного тока, ограничивающего выделяемую на транзисторном регуляторе тока мощность, и возвращающего потребленную энергию в сеть постоянного тока, питающую испытываемый вторичный источник электропитания.
В этом устройстве напряжение питающей сети и выходное напряжение преобразователя постоянного тока складываются, возникает необходимость применения дополнительного регулятора напряжения, поддерживающего напряжение питания испытываемого вторичного источника на постоянном уровне, что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента полезного использования энергии, усложнению схем управления, ухудшению массогабаритных характеристик. Кроме того, из-за возможного пропадания питающей сети переменного тока нельзя проводить длительные ресурсные испытания вторичных источников электропитания.
Наиболее близким является устройство (патент РФ на полезную модель №75755, МПК G01R 31/02, G01R 31/40) для испытания источников электропитания постоянного тока с возвратом потребленной электроэнергии в промышленную электрическую сеть, содержащее несколько нагрузочных модулей, подключенных параллельно к тестируемой системе электроснабжения, и контроллер внешнего управления. Модуль постоянной нагрузки в указанном комплексе 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.
Сегодня все еще имеют широкое применение СЭП КА с низкими напряжениями питающей шины постоянного тока - 27 и 40 В. При этом мощности этих СЭП возросли до 10 кВт. Недостатком устройства, описанного выше, является техническая сложность повышения таких уровней напряжения с помощью одного преобразовательного звена, до уровня необходимого для возврата электрической энергии в сеть с помощью ведомого инвертора (500-560 В). Поэтому задача полезной модели - расширение функциональных возможностей, заключающееся в обеспечении двухзвенного преобразования электрической энергии, а также расширение диапазона мощностей обеспечиваемых имитатором нагрузки. Дополнительной задачей полезной модели является повышение точности имитируемых токов.
Предлагаемый электронный имитатор нагрузки для испытаний систем электропитания космических аппаратов, как и прототип, содержит последовательно соединенные первый фильтр, блок повышающих преобразователей на основе управляемых ключей, второй фильтр и инвертор, ведомый сетью, а также блок управления. В отличие от прототипа, в соответствии заявляемой полезной моделью, в него введены коммутатор, соединяющий испытываемую систему электропитания с нагрузочным комплексом, блок конверторов, соединенный своими входами с выходом блока повышающих преобразователей через промежуточный фильтр, датчик тока, подключенный на входе первого фильтра, при этом, выход датчика тока связан с блоком управления, блок повышающих преобразователей состоит из нескольких параллельно соединенных модулей повышающих преобразователей, количество которых определяется необходимой мощностью, а блок конверторов состоит из нескольких параллельно соединенных автономных инверторов напряжения с трансформаторной нагрузкой в диагонали, количество которых также определяется входной мощностью (значением имитируемого тока), вход блока управления связан с выходом промежуточного фильтра, а выходы блока управления связаны с коммутатором, блоком повышающих преобразователей и блоком конверторов.
Кроме того, в каждом модуле повышающих преобразователей установлен дополнительный датчик тока, соединенный со схемой управления соответствующим модулем, на вход которой поступает сигнал уставки от блока управления.
А также, в каждом модуле автономных инверторов блока конверторов установлен датчик тока, связанный с системой управления соответствующим модулем автономных инверторов, на вход которой поступают сигналы задания от блока управления.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых представлено: на Фиг. 1 - блок-схема предложенного электронного имитатора нагрузки, на Фиг. 2 - схематическое представление модулей в блоке повышающих преобразователей, на Фиг. 3 - схематическое представление модулей в блоке конверторов.
Электронный имитатор нагрузки, подсоединяемый к тестируемой системе электропитания 1, состоит из последовательно соединенных коммутатора 2, первого фильтра 3, блока повышающих преобразователей 4, промежуточного фильтра 5, блока конверторов 6, второго фильтра 7, и ведомого сетью инвертора 8. Датчик тока 9, подключенный на входе первого фильтра 3, соединен с одним из входов блока управления 10, другой вход которого соединен с выходом промежуточного фильтра 5. Выходы блока управления 10 соединены с коммутатором 2, блоком повышающих преобразователей 4 и блоком конверторов 6.
1
4
1
4
Коммутатор 2 представляет собой группу параллельно включенных контакторов, управляемых от блока управления 10. Коммутатор подключает (отключает) испытываемую систему электропитания в ходе проведения испытаний, а также отключает электронный имитатор от системы электропитания в случае возникновения аварийной, либо нештатной ситуации. Далее напряжение от испытываемой системы поступает на первый фильтр 3, необходимый для фильтрации низкочастотных пульсаций, возникающих при работе ведомого инвертора 8. Блок модулей повышающих преобразователей 4 представляет собой необходимое (в зависимости от мощности) количество параллельно включенных преобразователей (Фиг. 2). Основные функции блока повышающих преобразователей 4 - стабилизация входного тока, потребляемого от системы электропитания (СЭП) 1 при испытаниях, и осуществление первичного повышения напряжения СЭП (в 3-5 раз). Преобразователи 11 в блоке 4 выполнены на основе параллельного ключевого элемента 12, со схемой управления 13, и дополнительного датчика тока 14. Дополнительные датчики тока 14 необходимы для равномерного деления токов между модулями. При работе, на входы схемы управления 13 подаются сигналы с дополнительного датчика тока 14, и сигналы уставки с блока управления 10. Сигнал обратной связи с датчика тока 9 на фиг. 1 сравнивается с сигналом задания необходимого нагрузочного тока в блоке управления 10, и в каждый модуль 11 в блоке 4 поступает сигнал уставки по току. Сигнал с дополнительного датчика тока 14 сравнивается схемой управления 13 с сигналом уставки по току, полученным от блока управления 10, и на затвор соответствующего транзистора 12 подаются изменяющиеся по ширине импульсы. Далее повышенное напряжение, через промежуточный фильтр 5, необходимый для сглаживания выходных пульсаций напряжения с выхода блока 4, поступает в блок конверторов 6. Блок конверторов 6 представляет собой параллельно включенные автономные инверторы напряжения 15 (Фиг. 3) с трансформаторной нагрузкой в диагонали. Количество инверторов 15 определяется мощностью (значением имитируемого тока). Основные функции блока автономных инверторов 6 - дополнительное повышение напряжения до значения, достаточного для сброса энергии в сеть при помощи ведомого инвертора 8, а также гальваническая развязка СЭП 1 от силовой сети. Каждый инвертор 15 выполнен в виде моста на ключевых транзисторных элементах 16-16, в диагонали установлена трансформаторная нагрузка (первичная обмотка 17 и вторичная - 18), с помощью которой осуществляется гальваническая развязка, на входе каждого инвертора имеется датчик тока 19, сигнал с выхода которого подается на систему управления 20, на другой вход которой поступают сигналы уставки с блока управления 10. Сигнал обратной связи по входному напряжению блока 6 сравнивается с опорным задающим сигналом в блоке управления 10, затем сигнал задания поступает в систему управления 20 каждого модуля 15, где сравнивается с сигналами обратной связи с входных датчиков тока 19, необходимых для равномерного деления токов между модулями 15. Система управления 20 каждого модуля 15 выдает на транзисторы 16-16 моста сигналы соответствующей длительности, стабилизируя напряжение на входе блока 6. Напряжение на входе блока 6 остается постоянным и стабилизированным в течение всего времени работы нагрузочного комплекса. Второй фильтр 7, установленный на общую шину после блока автономных инверторов 6, служит для подавления высокочастотных пульсаций, возникающих во время работы модулей автономных инверторов 15. Ведомый сетью инвертор 8 необходим для сброса энергии непосредственно в силовую трехфазную сеть.
Основным достоинством предложенного имитатора нагрузки является рекуперация электроэнергии, потребляемой от СЭП 1, обратно в силовую трехфазную сеть. Кроме того, расширены функциональные возможности комплекса за счет двухзвенного преобразования электрической энергии с помощью двух блоков преобразовательных модулей 4 и 6. Введение коммутатора 2 повышает надежность комплекса посредством защитного отключения в случае возникновения аварийных или нештатных ситуаций. Введение обратной связи по току, получаемому от датчика тока 9, повышает точность имитируемого нагрузочного тока.