Электронный имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов

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 электроснабжения космических аппаратов в наземных испытаниях.
Электрооборудование ракетно-космических систем содержит первичные источники электрической энергии, накопители энергии, энергопреобразующее оборудование и потребители электроэнергии. Данные подсистемы находятся в сложной динамической взаимосвязи друг с другом, являются источниками кондуктивных и электромагнитных помех, что существенно влияет на качество электроэнергии и помехозащищенность бортовой сети. Как правило, наземные испытания систем электроснабжения включают процессы заряда и разряда аккумуляторной батареи, и определение отклика систем на эти процессы. Однако, поскольку процессы заряда/разряда являются относительно медленными, такой подход для испытаний систем электроснабжения требует значительных затрат времени для его проведения, кроме того, использование реальных аккумуляторных батарей для проведения испытаний является слишком затратным. Поэтому необходимо использование различных имитаторов аккумуляторных батарей для проведения наземных испытаний, обеспечивающих экономию времени испытаний, а также затрат, связанных с их проведением.
Известны имитаторы аккумуляторных батарей для проведения испытаний систем электроснабжения, принцип действия которых 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».
К ним относится, например, имитатор химической батареи по авторскому свидетельству SU 1089593, включающий прямой и обратный каналы передачи энергии, соответствующие режимам разряда и заряда батареи, выходного фильтра, блока управления, включающего датчик тока и функциональный преобразователь, а также элементы гальванической развязки. Прямой канал включает диодный выпрямитель, релейный транзисторный стабилизатор тока, и преобразователь постоянного напряжения в постоянное. Обратный канал содержит транзисторный инвертор, релейный транзисторный стабилизатор тока, и преобразователь постоянного напряжения в постоянное. Имитатор обеспечивает двухсторонний обмен энергией между сетью переменного напряжения и потребителем со стороны выхода, обеспечивая более высокий КПД преобразования электроэнергии.
По такому же принципу построены модули имитатора аккумуляторной батареи по полезным моделям RU 73102 и RU 158876. Модуль имитатора аккумуляторной батареи по полезной модели №73102 содержит прямой и обратный каналы преобразования энергии, предназначенные соответственно для имитации режимов разряда и заряда аккумуляторной батареи, соединенные параллельно между питающей сетью переменного тока и системой электроснабжения через выходной фильтр, и связанные с блоком управления. При этом прямой канал (или канал имитации разряда) включает последовательно соединенные входной выпрямитель и высокочастотный преобразователь энергии, выход которого связан с выходным фильтром, а вход - с блоком управления, а обратный канал (или канал имитации заряда) включает повышающий преобразователь и инвертор. Высокочастотный преобразователь энергии прямого канала выполнен в виде мостового автономного инвертора с функциями преобразования напряжения и гальванической развязки. Обратный канал (или канал имитации заряда) включает преобразователь напряжения с параллельным ключевым элементом, повышающий напряжение до необходимого уровня, входы которого являются входами канала и соединены с выходами блока управления и, через фильтр, с системой электроснабжения, а выходы - с входами функционального преобразователя, выполненного в виде автономного инвертора, осуществляющего гальваническую развязку и дополнительное повышение напряжения до уровня, необходимого для сброса энергии в сеть, вторые входы которого соединены с выходом блока управления, а выходы - через фильтр соединены с входами трехфазного инвертора, ведомого сетью, выполненного на IGBT-транзисторах.
Модуль имитатора аккумуляторной батареи по полезной модели №158876 отличается от предыдущего тем, что для повышения надежности имитатора при возникновении аварийных ситуаций в сети или в цепи инвертора, ведомого сетью, в нем прямой канал соединен с источником бесперебойного питания, а в обратный канал, предназначенный для имитации режима заряда, дополнительно введена цепь, состоящая из транзисторного ключа и блока нагрузочных резисторов, а в схему управления введен контроллер, управляющий подключением/отключением блока нагрузочных резисторов.
Недостаточная надежность этих устройств обусловлена отсутствием резервирования модулей. В случае выхода из строя одного из преобразовательных модулей произойдет аварийная остановка испытаний.
Задача полезной модели - повышение надежности имитатора за счет «горячего» резервирования каналов заряда и разряда, что позволит обеспечить непрерывность испытаний при возникновении аварийных ситуаций.
Поставленная задача решается тем, что в имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, содержащий блок имитации разряда и блок имитации заряда, соединенные параллельно между собой и последовательно с питающей сетью и испытуемой системой электроснабжения и объединенные в единый модуль, связанный с системой управления, дополнительно введены n параллельных модулей, идентичных указанному, где нагрузочная способность каждого модуля равна значению номинальной мощности, поделенной на n, а (n+1)-й модуль является резервным, каждый из модулей снабжен контактором, соединяющим его с питающей сетью, и контактором, соединяющим его с испытуемой системой электроснабжения, при этом в составе каждого модуля имеется контроллер, соединенный с указанными контакторами соответствующего модуля, и выполненный с возможностью автоматического контроля работы соответствующего модуля после подачи питания и информирования системы управления о факте отказа модуля.
Таким образом, в полезной модели реализована возможность замены неисправного модуля без отключения всего устройства, что позволяет повысить надежность устройства при проведении длительных испытаний систем электропитания КА.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунком, на котором показана структура имитатора аккумуляторной батареи.
1
n+1
1
(n+1)
1
(n+1)
1
(n+1)
1
(n+1)
1
(n+1)
Электронный имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов содержит первый модуль 1, второй модуль 2, и так далее, до n-го и (n+1)-го модулей, соединенные параллельно между питающей сетью переменного тока 3 и испытуемой системой электроснабжения 4. Каждый модуль с 1-го по (n+1)-й содержит блок имитации заряда и блок имитации разряда (не показаны), а также контроллер (5-5). Блоки имитации разряда и заряда могут быть выполнены либо со сбросом энергии в питающую сеть, как это описано в патенте на полезную модель №73102, либо со сбросом энергии на резистивную нагрузку, как это описано в патенте на полезную модель №158876. Контроллеры модулей с 5 по 5, соединены с общей системой управления 6. Кроме того, каждый контроллер с 5 по 5 соединен с контакторами 7 по 7, соответственно, соединяющими модули с питающей сетью 3, и с контакторами с 8 по 8 соответственно, соединяющими модули с испытуемой системой электроснабжения 4. Контроллеры с 5 по 5 соединены с системой управления 6 с возможностью обмена информацией с ней и управления режимами работы модулей 1, 2.…n и (n+1) по командам системы управления.
Устройство работает следующим образом:
1
(n+1)
1
(n+1)
1
(n+1)
1
(n+1)
1
(n+1)
(n+1)
(n+1)
После включения питания под управлением контроллеров с 5 по 5 происходит автоматический самоконтроль модулей 1 - (n+1) и передача информации о готовности модулей к работе в систему управления 6. По команде системы управления 6 контроллеры осуществляют подключение соответствующих модулей, замыкая контакторы 7 - 7 и контакторы 8 - 8. Если в процессе работы какой-то из модулей выходит из строя, соответствующий контроллер информирует систему управления 6, и отключает модуль от сети и от испытуемой системы электроснабжения путем размыкания контакторов 7 - 7 и контакторов 8 - 8. Одновременно система управления 6 подает команду контроллеру резервного модуля (n+1) на включение в работу. Таким образом, замена неисправного блока происходит без отключения всего устройства. После замены резервный блок проходит самотестирование, подключается с помощью контакторов 7 и 8 к питающей сети 3 и к испытуемой системе электроснабжения 4, и берет обеспечение части выходной мощности на себя.