УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Устройство для испытания вторичных источников электропитания относится к преобразовательной технике и может быть использовано при наземных испытаниях систем электропитания космических аппаратов.
Известно 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. Основу конструкции такого устройства составляет ведомый сетью инвертор, при этом возникает необходимость согласования выходного напряжения устройства и напряжения сети переменного тока, что приводит к усложнению схем управления, уменьшению коэффициента использования энергии, ухудшению массогабаритных характеристик.
Наиболее близким к полезной модели является 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.
Задачей полезной модели является повышение коэффициента полезного использования энергии, а также расширение функциональных возможностей и упрощение устройства.
Поставленная задача решается тем, что устройство для испытания вторичных источников электропитания, содержащее первичный источник электроэнергии, испытываемый вторичный источник электропитания и блок нагрузочного устройства рекуперационного типа, в который входят импульсный преобразователь напряжения, усилитель-сумматор, источник опорного напряжения, датчик тока, в котором выходные плюсовая и минусовая клеммы источника вторичного электропитания соединены соответственно с входными плюсовой и минусовой клеммами блока нагрузочного устройства, силовой вход датчика тока является входной плюсовой клеммой блока нагрузочного устройства, входная минусовая клемма импульсного преобразователя напряжения является входной минусовой клеммой блока нагрузочного устройства, выход источника опорного напряжения подключен к входу сложения усилителя-сумматора, выход усилителя сумматора подключен к управляющему входу импульсного преобразователя напряжения, согласно техническому решению, первичный источник электроэнергии выполнен в виде источника бесперебойного питания, обеспечивающего режим двойного преобразования энергии, а в блок нагрузочного устройства рекуперационного типа дополнительно введены первый и второй развязывающие диоды, причем источник бесперебойного питания содержит выпрямитель, зарядное устройство, аккумуляторную батарею, клеммы для присоединения внешней аккумуляторной батареи, конвертор, при этом входные клеммы выпрямителя являются входом источника бесперебойного питания и подключены к питающей сети переменного тока, выходные плюсовая и минусовая клеммы выпрямителя соединены соответственно с входными плюсовой и минусовой клеммами зарядного устройства, выходная плюсовая клемма зарядного устройства подключена к плюсовой клемме аккумуляторной батареи, к входной плюсовой клемме конвертора, и к плюсовой клемме, предназначенной для присоединения внешней аккумуляторной батареи, выходная минусовая клемма зарядного устройства подключена к минусовой клемме аккумуляторной батареи, к входной минусовой клемме конвертора, и к минусовой клемме, предназначенной для присоединения внешней аккумуляторной батареи, выходные клеммы конвертора являются выходом источника бесперебойного питания и подключены к входным клеммам испытываемого вторичного источника электропитания, силовой выход датчика тока блока нагрузочного устройства соединен с входной плюсовой клеммой импульсного преобразователя напряжения, информационный выход датчика тока подключен к входу вычитания усилителя-сумматора, выходная плюсовая клемма импульсного преобразователя напряжения подключена к аноду первого развязывающего диода, выходная минусовая клемма импульсного преобразователя напряжения соединена с анодом второго развязывающего диода и является выходной минусовой клеммой блока нагрузочного устройства, выходные плюсовая и минусовая клемма блока нагрузочного устройства соединены соответственно с плюсовой и минусовой клеммами источника бесперебойного питания, предназначенными для подключения внешней аккумуляторной батареи.
Устройство для испытания вторичных источников электропитания дополнительно содержит (n-1) блоков нагрузочного устройства рекуперационного типа, причем все n блоков соединены между собой.
Блоки нагрузочного устройства рекуперационного типа соединены между собой параллельно, при этом входные плюсовые и минусовые клеммы всех блоков нагрузочных устройств рекуперационного типа соединены параллельно и подключены соответственно к выходным плюсовой и минусовой клеммам вторичного источника электропитания, а выходные плюсовые и минусовые клеммы всех блоков нагрузочных устройств рекуперационного типа соединены параллельно соответственно с плюсовой и минусовой клеммами источника бесперебойного питания, предназначенными для подключения внешней аккумуляторной батареи.
Блоки нагрузочного устройства рекуперационного типа соединены между собой последовательно, при этом входные плюсовые и минусовые клеммы всех блоков нагрузочных устройств рекуперационного типа соединены параллельно и подключены соответственно к выходным плюсовой и минусовой клеммам вторичного источника электропитания, а выходная минусовая клемма первого блока нагрузочного устройства рекуперационного типа соединена с выходной плюсовой клеммой n-го блока нагрузочного устройства рекуперационного типа, выходная плюсовая клемма первого блока нагрузочного устройства рекуперационного типа и выходная минусовая клемма n-го блока нагрузочного устройства рекуперационного типа соединены соответственно с плюсовой и минусовой клеммами источника бесперебойного питания, предназначенными для подключения внешней аккумуляторной батареи
Блоки нагрузочного устройства рекуперационного типа соединены между собой последовательно-параллельно, при этом входные плюсовые и минусовые клеммы всех блоков нагрузочных устройств рекуперационного типа соединены параллельно и подключены соответственно к выходным плюсовой и минусовой клеммам вторичного источника электропитания, а выходные, плюсовые и минусовые клеммы к блоков нагрузочного устройства рекуперационного типа соединены последовательно и образуют последовательную сборку блоков нагрузочного устройства рекуперационного типа, т.е. выходная минусовая клемма первого блока нагрузочного устройства рекуперационного типа первой последовательной сборки соединена с выходной плюсовой клеммой k-го блока нагрузочного устройства рекуперационного типа первой последовательной сборки, причем n/k последовательных сборок блоков нагрузочного устройства рекуперационного типа соединены параллельно, т.е. выходные плюсовые клеммы первых блоков всех последовательных сборок нагрузочного устройства рекуперационного типа подключены к плюсовой клемме источника бесперебойного питания, предназначенной для подключения внешней аккумуляторной батареи, выходные минусовые клеммы k-x блоков всех последовательных сборок нагрузочного устройства рекуперационного типа подключены к минусовой клемме источника бесперебойного питания, предназначенной для подключения внешней аккумуляторной батареи.
Техническим результатом полезной модели является повышение коэффициента полезного использования энергии, а также расширение функциональных возможностей и упрощение устройства.
Полезная модель поясняется схемами и графиком.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства для испытания вторичных источников электропитания.
На фиг.2 - параллельное соединение блоков нагрузочного устройства.
На фиг.3 - последовательное соединение блоков нагрузочного устройства.
На фиг.4 - последовательно-параллельное соединение блоков нагрузочного устройства.
На фиг.5 приведены вольтамперная характеристика аккумуляторной батареи и внешняя характеристика блока нагрузочного устройства рекуперационного типа.
Устройство для испытания состоит из источника бесперебойного питания 1, который содержит выпрямитель 2, зарядное устройство 3, аккумуляторную батарею 4, конвертор 5. Источник бесперебойного питания 1 имеет клеммы 17, 18 для подключения внешней аккумуляторной батареи параллельно встроенной аккумуляторной батареи 4. Выходные плюсовая и минусовая клеммы выпрямителя 2 соединены соответственно с входными плюсовой и минусовой клеммами зарядного устройства 3. Выходная плюсовая клемма зарядного устройства 3 соединена с плюсовой клеммой аккумуляторной батареи 4, с входной плюсовой клеммой конвертора 5 и с плюсовой клеммой 17, предназначенной для подключения внешней аккумуляторной батареи. Выходная минусовая клемма зарядного устройства 3 соединена с минусовой клеммой аккумуляторной батареи 4. с входной минусовой клеммой конвертора 5 и с минусовой клеммой 18, для подключения внешней аккумуляторной батареи. Входные клеммы выпрямителя 2 являются входными клеммами 14, 15, 16 источника бесперебойного питания 1 и подключаются к сети переменного тока. Выходные клеммы конвертора 5 являются выходными клеммами 19, 20 источника бесперебойного питания 1 и подключаются к входным клеммам испытываемого вторичного источника электропитания 6. Блок 7 нагрузочного устройства рекуперационного типа содержит датчик тока 8, источник опорного напряжения 9, усилитель-сумматор 10, импульсный преобразователь напряжения 11, первый 12 и второй 13 развязывающие диоды. Входная плюсовая клемма 21 блока нагрузочного устройства 7 соединена с силовым входом датчика тока 8, силовой выход которого подключен к входной плюсовой клемме импульсного преобразователя напряжения 11. Входная минусовая клемма импульсного преобразователя напряжения 11 является входной минусовой клеммой 22 блока нагрузочного устройства 7. Информационный выход датчика тока 8 соединен с входом вычитания усилителя-сумматора 10, выход источника опорного напряжения 9 подключен к входу сложения усилителя-сумматора 10. Выход усилителя-сумматора 10 подключен к управляющему входу импульсного преобразователя напряжения 11. Выходная плюсовая клемма импульсного преобразователя напряжения 11 соединена с анодом первого развязывающего диода 12, катод которого соединен с катодом второго развязывающего диода 13 и является выходной плюсовой клеммой 23 блока нагрузочного устройства 7. Выходная минусовая клемма импульсного преобразователя напряжения 11 соединена с анодом второго развязывающего диода 13 и является выходной минусовой клеммой 24 блока нагрузочного устройства 7. Входные плюсовая 21 и минусовая 22 клеммы блока нагрузочного устройства 7 соединены соответственно с выходными плюсовой и минусовой клеммами вторичного источника электропитания 6. Выходные плюсовая 23 и минусовая 24 клеммы блока нагрузочного устройства рекуперационного типа 7 соединены соответственно с плюсовой 17 и минусовой 18 клеммами, предназначенными для подключения внешней аккумуляторной батареи.
При недостаточной мощности нагружения вторичного источника электропитания к блоку нагрузочного устройства дополнительно присоединяют (n-1) блоков, при этом входные клеммы всех блоков нагрузочного устройства рекуперационного типа соединяются параллельно, т.е. входные плюсовые клеммы 21 всех блоков 7 нагрузочного устройства подключаются к выходной плюсовой клемме вторичного источника электропитания 6, входные минусовые клеммы 22 всех блоков 7 нагрузочного устройства подключаются к выходной минусовой клемме вторичного источника электропитания 6.
При этом ток нагрузки вторичного источника электропитания 6 равен сумме входных токов n блоков 7 нагрузочного устройства.
Для обеспечения уровня выходного напряжения холостого хода нагрузочного устройства рекуперационного типа 7 выше напряжения аккумуляторной батареи 4 источника бесперебойного питания выходные клеммы блоков 7 нагрузочного устройства рекуперационного типа соединяются либо параллельно, либо последовательно, либо последовательно-параллельно.
Параллельное соединение выходных клемм блоков 7.1-7.n нагрузочного устройства рекуперационного типа показано на фиг.2. При этом выходное напряжение холостого хода нагрузочного устройства рекуперационного типа равно выходному напряжению холостого хода одного блока нагрузочного устройства рекуперационного типа. Выходные плюсовые клеммы 23 блоков 7.1-7.n соединены между собой и подключены к плюсовой клемме 17, для подключения внешней аккумуляторной батареи, выходные минусовые клеммы 24 блоков 7.1-7.n соединены между собой и подключены к минусовой клемме 18 для подключения внешней аккумуляторной батареи.
Последовательное соединение выходных клемм блоков 7.1-7.n нагрузочного устройства рекуперационного типа показано на фиг.3. При этом выходное напряжение холостого хода нагрузочного устройства рекуперационного типа равно сумме выходных напряжений холостого хода n блоков нагрузочного устройства рекуперационного типа. Выходная минусовая клемма 24 блока 7.1 нагрузочного устройства соединена с выходной плюсовой клеммой 23 блока 7.n нагрузочного устройства, то есть выходная минусовая клемма 24 предыдущего блока соединена с выходной плюсовой клеммой 23 следующего блока. Выходная плюсовая клемма 23 блока 7.1 подключена к плюсовой клемме 17, для подключения внешней аккумуляторной батареи, выходная минусовая клемма 24 блока 7.n подключена к минусовой клемме 18 для подключения внешней аккумуляторной батареи.
Последовательно-параллельное соединение выходных клемм блоков 7.1-7.n нагрузочного устройства рекуперационного типа показано на фиг.4. При этом выходное напряжение холостого хода нагрузочного устройства равно сумме выходных напряжений холостого хода к блоков нагрузочного устройства (k<n), включенных последовательно (7.1-7.k). Выходные клеммы к блоков нагрузочного устройства рекуперационного типа соединены последовательно и образуют последовательную сборку блоков нагрузочного устройства. Выходная минусовая клемма 24 блока 7.1 каждой последовательной сборки нагрузочного устройства подключена соответственно к выходной плюсовой клемме 23 блока 7.k данной сборки, то есть выходная минусовая клемма 24 предыдущего блока каждой последовательной сборки подключена соответственно к выходной плюсовой клемме 23 следующего блока данной сборки. Выходные плюсовые клеммы 23 блоков 7.1 каждой последовательной сборки объединены и подключены к плюсовой клемме 17 для подключения внешней аккумуляторной батарей, выходные минусовые клеммы 24 блоков 7.k каждой последовательной сборки объединены и подключены к минусовой клемме 18 для подключения внешней аккумуляторной батареи.
Устройство для испытания вторичных источников электропитания работает следующим образом.
Источник бесперебойного питания 1 получает электроэнергию от сети переменного тока и обеспечивает бесперебойное снабжение электроэнергией вторичного источника электропитания 6 при отключении сети переменного тока. Источник бесперебойного питания 1 работает в режиме двойного преобразования энергии (в режиме on-line), то есть выпрямитель 2 преобразует напряжение сети переменного тока в напряжение сети постоянного тока и питает зарядное устройство 3. Зарядное устройство 3 заряжает аккумуляторную батарею 4, от которой происходит отбор мощности конвертором 5 для питания испытываемого вторичного источника электропитания 6.
Для испытаний вторичных источников электропитания с входом на переменном токе, источник бесперебойного питания 1 должен иметь выход на переменном токе, то есть конвертор 5 должен представлять собой DC/AC-преобразователь. Для испытаний вторичных источников электропитания с входом на постоянном токе, источник бесперебойного питания 1 должен иметь выход на постоянном токе, то есть конвертор 5 должен представлять собой DC/DC-преобразователь.
Блок 7 нагрузочного устройства рекуперационного типа задает режим энергонагружения испытываемого вторичного источника электропитания 6 и осуществляет рекуперацию электроэнергии через первый развязывающий диод 12 в сеть постоянного тока источника бесперебойного питания 1. Датчик тока 8, источник опорного напряжения 9, усилитель-сумматор 10. импульсный преобразователь напряжения 11 образуют импульсный стабилизатор входного тока. Напряжение с информационного выхода датчика тока 8, пропорциональное току нагрузки испытываемого вторичного источника электропитания 6 сравнивается с выходным напряжением источника опорного напряжения 9 в усилителе-сумматоре 10. Таким образом, на выходе усилителя-сумматора 10 образуется управляющий сигнал, пропорциональный отклонению входного тока блока 7 нагрузочного устройства рекуперационного типа от требуемого значения, задаваемого источником опорного напряжения 9, и поступающий на вход управления импульсного преобразователя напряжения 11.
Первый развязывающий диод 12 препятствует обратному протеканию тока через выход блока 7 нагрузочного устройства рекуперационного типа. Второй развязывающий диод 13 пропускает ток при выходе блока 7 нагрузочного устройства рекуперационного типа из строя при последовательном соединении выходных клемм n блоков нагрузочного устройства.
Для испытания мощных вторичных источников электропитания используется несколько (n) блоков нагрузочного устройства, соединенных параллельно по входу, т.е. объединяются клеммы 21 всех блоков и клеммы 22 всех блоков. При этом ток нагрузки вторичного источника электропитания 6 равен сумме входных токов блоков 7 нагрузочного устройства рекуперационного типа.
При постоянном выходном напряжении и токе нагрузки вторичного источника электропитания 6 блок 7 нагрузочного устройства рекуперационного типа представляет собой источник постоянной мощности с крутопадающей внешней характеристикой (фиг.5), что позволяет включать его параллельно аккумуляторной батарее 4. Точка пересечения вольтамперной характеристики аккумуляторной батареи и внешней характеристики нагрузочного устройства рекуперационного типа 7 определяет выходной ток  нагрузочного устройства, который возвращается в источник бесперебойного питания 1.
Напряжение аккумуляторной батареи в разных источниках бесперебойного питания имеет разные уровни. Для расширения области применения устройства выходные клеммы блоков 7 нагрузочного устройства рекуперационного типа могут соединяться параллельно, последовательно, либо последовательно-параллельно для обеспечения уровня выходного напряжения холостого хода  нагрузочного устройства рекуперационного типа 7 выше напряжения аккумуляторной батареи 4.
В качестве источника бесперебойного питания 1 может быть использован источник бесперебойного питания, работающий в режиме двойного преобразования (режим on-line) с возможностью подключения внешней аккумуляторной батареи.
В качестве импульсного преобразователя напряжения 11 может использоваться известная схема мостового импульсного преобразователя постоянного тока с трансформаторной гальванической развязкой и с выходным напряжением холостого хода не ниже напряжения аккумуляторной батареи 4 источника бесперебойного питания 1.
В качестве источника опорного напряжения 9 может быть использован любой прецизионный управляемый стабилизатор напряжения.
В качестве усилителя-сумматора 10 может использоваться операционный усилитель.
В качестве датчика тока 8 может быть использован бесконтактный датчик тока, основанный на эффекте Холла.
Использование рекуперации электроэнергии в сеть постоянного тока источника бесперебойного питания 1 сокращает потребление электроэнергии от сети переменного тока, а при отключенной сети переменного тока - от аккумуляторной батареи 4. При этом от сети переменного тока (а при ее отключении - от аккумуляторной батареи 4) потребляется мощность, необходимая только для компенсации потерь в источнике бесперебойного питания 1, вторичном источнике электропитания 6 и в нагрузочном устройстве рекуперационного типа 7, что при отключенной сети переменного тока увеличивает время работы устройства от аккумуляторной батареи 4.
Предлагаемое устройство имеет дополнительные функциональные возможности, что позволяет проводить долговременные испытания вторичных источников электропитания на надежность без риска срыва графиков испытаний из-за пропадания питающей сети переменного тока, сокращает расходы на электроэнергию.