КОМПЛЕКС ДЛЯ НАЗЕМНЫХ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована при наземных испытаниях мощных систем электропитания космических аппаратов.
Известен энергосберегающий нагрузочный комплекс для испытаний систем электропитания космических аппаратов, содержащий последовательно соединенные первый фильтр, блок повышающих преобразователей на основе управляемых ключей, второй фильтр и инвертор, ведомый сетью, блок управления, коммутатор, соединяющий испытываемую систему электропитания с нагрузочным комплексом, датчик тока, подключенный на входе первого фильтра, при этом, выход датчика тока связан с блоком управления, блок повышающих преобразователей, состоящий из нескольких параллельно соединенных модулей повышающих преобразователей, количество которых определяется необходимой мощностью, блок конверторов, состоящий из нескольких параллельно соединенных автономных инверторов напряжения с трансформаторной нагрузкой в диагонали, количество которых также определяется входной мощностью (патент на полезную модель RU 151494, МПК G01R 31/40).
Недостатками комплекса являются необходимость использования натурных образцов солнечных батарей, аккумуляторных батарей и систем обеспечения их функционирования при проведении испытаний, что существенно усложняет и удорожает проведение испытаний, невозможность работы комплекса при аварийном отключении промышленной сети переменного тока и увеличение массы и габаритов комплекса вследствие необходимости использования ведомых сетью инверторов.
Известен комплекс для испытания систем электропитания содержащий имитатор солнечной батареи, испытываемую систему электропитания, имитатор аккумуляторной батареи и нагрузочное устройство рекуперативного типа переменного тока, содержащее ведомый сетью инвертор, причем энергия, потребляемая нагрузочным устройством рекуперативного типа возвращается в промышленную сеть переменного тока [Автоматизированная система контроля энергопреобразующей аппаратуры систем электропитания космических аппаратов / Ю.А. Кремзуков, В.М. Рулевский, Ю.А. Шиняков, М.Н. Цветков // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2010. - Т. 22, №2. - с. 274-280].
Недостатком комплекса является невозможность его работы при аварийном отключении промышленной сети переменного тока, кроме того, обеспечение требований по качеству возвращаемой электроэнергии приводит к увеличению массы и габаритов комплекса вследствие необходимости использования ведомых сетью инверторов.
Наиболее близким к изобретению является комплекс для наземных испытаний систем электропитания космических аппаратов, содержащий источник бесперебойного питания, два выпрямителя-стабилизатора, имитатор солнечной батареи, испытываемую систему электропитания, два нагрузочных устройства рекуперативного типа и имитатор аккумуляторной батареи, который содержит имитатор режима заряда аккумуляторной батареи и имитатор режима разряда аккумуляторной батареи (патент RU 154432, МПК G01R 31/02).
Недостатками прототипа являются:
- сложность устройства, вызванная необходимостью использования отдельно для имитатора солнечной батареи и отдельно для имитатора аккумуляторной батареи выпрямителей-стабилизаторов с разными величинами выходного напряжения, а также необходимостью использования двух различных нагрузочных устройств, из которых первое рекуперирует избыточную электроэнергию в сеть имитатора солнечной батареи, а второе рекуперирует избыточную электроэнергию в сеть имитатора аккумуляторной батареи, с системой распределения тока между ними пропорционально потребляемой мощности;
- недостаточно высокое быстродействие нагрузочного устройства рекуперативного типа и имитатора аккумуляторной батареи, связанное с импульсными законами управления в этих устройствах, что не позволяет с требуемой точностью имитировать переходные процессы в реальной аккумуляторной батарее и в реальной нагрузке.
Задачей, решаемой полезной моделью, является упрощение устройства и повышение качества испытаний систем электропитания космических аппаратов.
Поставленная задача решается тем, что тем, что в известный комплексе для наземных испытаний систем электропитания космических аппаратов, содержащий последовательно соединенные источник бесперебойного питания (ИБП), выпрямитель-стабилизатор (ВС), который через первый развязывающий диод (РД1) подключен к имитатору солнечной батареи (ИСБ), испытываемую систему электропитания (СЭП), блок нагрузочных устройств (БНУ), содержащий несколько модулей нагрузочных устройств рекуперативного типа на основе управляемого импульсного преобразователя (УИП), подключенных своими входами к выходу системы электропитания, причем число модулей зависит от необходимой мощности нагружения системы электропитания, а каждый модуль содержит первый датчик тока (ДТ1), включенный в одну входную силовую шину модуля, и второй развязывающий диод (РД2), включенный в выходную силовую шину модуля, и имитатор аккумуляторной батареи (ИАБ), воспроизводящий режимы заряда и разряда, согласно техническому решению, имитатор аккумуляторной батареи содержит двунаправленный преобразователь напряжения (ДПН), первый непрерывный регулирующий элемент (НРЭ1), второй датчик тока (ДТ2) и третий датчик тока (ДТ3), первый датчик напряжения (ДН1), устройство управления двунаправленного преобразователя напряжения (УУ ДПН) и устройство управления первого непрерывного регулирующего элемента (УУ НРЭ1), при этом входная плюсовая клемма имитатора аккумуляторной батареи через ДТ2 соединена с положительной входной клеммой ДПН и входной силовой клеммой НРЭ1, а входная минусовая клемма соединена с минусовой входной клеммой ДПН, выходные плюсовая и минусовая клеммы ДПН соединены соответственно с выходными плюсовой и минусовой клеммами ИСБ, входные клеммы ДН1 соединены с входными плюсовой и минусовой клеммами ИАБ, выход ДН1 присоединен к первому управляющему входу УУ НРЭ1, ко второму управляющему входу которого подключен выход ДТ2, выход УУ НРЭ1 соединен с управляющим входом НРЭ1, одна силовая клемма НРЭ1 через ДТ3 соединена с минусовой входной клеммой ДПН, вторая силовая клемма НРЭ1 присоединена к плюсовой входной клемме ДПН, выход третьего датчика тока соединен с входом УУ ДПН, выход которого соединен с управляющим входом ДПН; а в каждый модуль нагрузочного устройства рекуперативного типа введены второй непрерывный регулирующий элемент (НРЭ2), подключенный одной силовой клеммой через четвертый датчик тока (ДТ4) к силовому входу управляемого импульсного преобразователя (УИП), а второй силовой клеммой - ко второму силовому входу УИП; второй датчик напряжения (ДН2), подключенный входными клеммами к силовым входам модуля; устройство управления второго непрерывного регулирующего элемента (УУ НРЭ2), первый управляющий вход которого соединен с выходом второго ДН2, второй управляющий вход соединен с выходом ДТ1, а выход присоединен к управляющему входу НРЭ2, причем выход ДТ4 присоединен к управляющему входу УИП, а выходы всех модулей нагрузочных устройств рекуперативного типа объединены и подключены, соответственно, к плюсовому и минусовому входам ИБС.
Техническим результатом является упрощение устройства вследствие того, что используется общий выпрямитель-стабилизатор для имитатора аккумуляторной батареи и имитатора солнечной батареи, двунаправленный преобразователь напряжения в имитаторе аккумуляторной батареи и общее нагрузочное устройство рекуперативного типа при имитации работы на освещенном и теневом участке орбиты; повышение качества испытаний систем электропитания за счет увеличения быстродействия имитатора аккумуляторной батареи и блока нагрузочных устройств вследствие применения в каждом устройстве непрерывного регулирующего элемента параллельного типа с системой управления.
Сущность полезной модели поясняется с помощью чертежей.
На фиг. 1 изображена блок-схема заявляемого комплекса, на фиг. 2 - блок-схема имитатора аккумуляторной батареи, на фиг. 3 - блок-схема нагрузочного устройства рекуперативного типа.
Комплекс содержит источник бесперебойного питания (ИБП) 1, выпрямитель-стабилизатор (ВС) 2, имитатор солнечной батареи (ИСБ) 3, испытываемую систему электропитания (СЭП) 4, блок нагрузочных устройств (БНУ) 5, имитатор аккумуляторной батареи (ИАБ) 6, первый развязывающий диод 7. Входные клеммы ИБП 1 подключаются к внешней питающей трехфазной сети, а выходные клеммы ИБП 1 подключаются к входным клеммам ВС 2. Выходная плюсовая клемма ВС 2 подключена к аноду первого развязывающего диода 7, катод которого соединен с плюсовой выходной клеммой 31 БНУ 5, входной плюсовой клеммой ИСБ 3 и выходной положительной клеммой 35 ИАБ 6. Выходная минусовая клемма ВС 2 соединена с входной минусовой клеммой ИСБ 3, минусовой выходной клеммой 32 БНУ 5 и минусовой выходной клеммой 36 ИАБ 6. Выходные плюсовая и минусовая клеммы ИСБ 3 подключены соответственно к плюсовой 23 и минусовой 24 входным клеммам СЭП 4. Плюсовая 25 и минусовая 26 выходные клеммы СЭП 4 подключены соответственно к плюсовой 29 и минусовой 30 входным клеммам БНУ 5. Плюсовой 27 и минусовой 28 выводы СЭП 4 для подключения аккумуляторной батареи соединены соответственно с плюсовым 33 и минусовым 34 входами ИАБ 6.
ИАБ 6 (фиг. 2) содержит двунаправленный преобразователь напряжения (ДПН) 8, первый непрерывный регулирующий элемент (НРЭ1) 9, второй датчик тока (ДТ2) 10 и третий датчик тока (ДТ3) 11, первый датчик напряжения (ДН1) 12, устройство управления двунаправленного преобразователя напряжения (УУ ДПН) 13 и устройство управления первого непрерывного регулирующего элемента (УУ НРЭ1) 14. Клемма 33 через ДТ2 10 соединена с положительной входной клеммой ДПН 8 и входной клеммой НРЭ1 9, клемма 34 соединена с минусовой входной клеммой ДПН 8. Выходные плюсовая и минусовая клеммы ДПН 8 соединены соответственно с клеммами 35 и 36. Входные клеммы ДН1 12 соединены с клеммами 33 и 34, при этом его выход и выход ДТ2 10 соединены с входами УУ НРЭ1 14, выход которого соединен с управляющим входом НРЭ1 9. Выходная клемма НРЭ1 9 через ДТ3 11 соединена с минусовой входной клеммой ДПН 8. Выход ДТ3 11 соединен с входом УУ ДПН 13, выход которого соединен с управляющим входом ДПН 8.
БНУ 5 (фиг. 3) содержит несколько (N) параллельно соединенных модулей нагрузочных устройств рекуперативного типа на основе управляемого импульсного преобразователя (УИП) 16, причем число модулей зависит от необходимой мощности нагружения системы электропитания. Каждый модуль подключен своими входами к входам БНУ 5, выходами - к выходам БНУ 5. Каждый из модулей содержит УИП 16, второй развязывающий диод (РД2) 15, второй непрерывный регулирующий элемент (НРЭ2) 17, первый датчик тока (ДТ1) 18 и четвертый датчик тока (ДТ4) 19, второй датчик напряжения (ДН2) 20 и устройство управления второго непрерывного регулирующего элемента (УУ НРЭ2) 21. Клемма 29 соединяется с входом НРЭ2 17 и положительным входом УИП 16, клемма 30 через ДТ1 18 соединена с отрицательным входом УИП 16. Выходная плюсовая клемма УИП 16 подключена к аноду РД2 15, катод которого соединен с клеммой 31. Выходная минусовая клемма УИП 16 соединена с клеммой 32. Входные клеммы ДН2 20 соединены с клеммами 29 и 30, при этом его выход и выход ДТ1 18 соединены с входами УУ НРЭ2 21, выход которого соединен с управляющим входом НРЭ2 17. Выходная клемма НРЭ2 17 через ДТ4 19 соединена с отрицательной входной клеммой УИП 16. Выход ДТ4 19 соединен с управляющим входом УИП 16, выход которого соединен с управляющим входом УИП 16.
Комплекс для испытания систем электропитания космических аппаратов работает следующим образом.
Комплекс обеспечивает следующие режимы работы системы электропитания космического аппарата:
- режим работы на освещенном участке орбиты - электропитание осуществляется от солнечной батареи, при этом испытываемая система электропитания снабжает электроэнергией потребителя и может заряжать аккумуляторную батарею;
- режим работы на теневом участке орбиты - электропитание осуществляется от аккумуляторной батареи, работающей в режиме разряда;
- режим максимальной мощности - электропитание осуществляется одновременно от солнечной и аккумуляторной батарей через испытываемую систему электропитания.
раз
В исходном состоянии комплекс находится в режиме имитации работы на теневом участке орбиты, при этом СЭП 4 работает в режиме разряда аккумуляторной батареи. ИБП 1 получает электроэнергию от промышленной сети переменного тока и обеспечивает электроснабжение ВС 2. РД1 7 препятствует обратному протеканию тока рекуперации через ВС 2. При появлении напряжения на выходных клеммах ВС 2 через ДПН 8 начинает протекать ток разряда I (фиг. 2), при этом УУ НРЭ1 14 формирует сигнал управления для первого НРЭ1 9, обеспечивающий работу ИАБ 6 в режиме разряда. Ограничение мощности рассеивания первого НРЭ1 9 достигается путем стабилизации тока через первый НРЭ1 9 с помощью ДПН 8, ДТ3 11 и УУ ДПН 13.
ИАБ
зар
При переходе в режим работы на освещенном участке орбиты электропитание СЭП 4 осуществляется от ИСБ 3, при этом в СЭП 4 переключается в режим заряда аккумуляторной батареи. Напряжение U становится больше напряжения на клеммах 37 и 38, что приводит к изменению направления тока на I, протекающего через ДТ2 10, вследствие чего УУ НРЭ1 14 формирует сигнал управления для НРЭ1 9, обеспечивающий работу ИАБ 6 в режиме заряда. В этом режиме ДПН 8 выполняет две функции: 1) стабилизирует ток, протекающий через НРЭ 9 с помощью ДТ3 11 и УУ ДПН 13; 2) рекуперирует через клеммы 35 и 36 избыточную электроэнергию в сеть питания постоянного тока ИСБ 3.
При переходе в режим максимальной мощности СЭП 4 переключается в режим заряда аккумуляторной батареи, ИАБ 6 переходит в режим разряда и работает совместно с ИСБ 3 на БНУ 5.
НУК
БНУ 5 обеспечивает требуемые режимы нагружения СЭП 4 и рекуперацию избыточной электроэнергии через клеммы 31 и 32 и РД2 15 в сеть питания постоянного тока ИСБ 3. РД2 15 препятствует обратному протеканию тока рекуперации через модули БНУ 5. НРЭ2 17, ДТ1 18, ДН2 20 и УУ НРЭ2 21 образуют контур формирования режима нагружения. УУ НРЭ2 21 вырабатывает управляющее воздействие для НРЭ2 17, которое регулирует ток I в соответствии с одним из следующих режимов нагружения:
а) стабилизация входного тока;
б) стабилизация входного сопротивления;
в) стабилизация входной мощности.
18
20
21
Обозначим коэффициенты усиления блоков ДТ1 18, ДН2 20 и УУ НРЭ2 21 как K, K и K.
нук
тр
21
В режиме стабилизации входного тока I БНУ 5 в соответствии с требуемым I, выходное напряжение U УУ НРЭ2 21 определяется выражением:
21
21
тр
нук
18
U=K*(I-I*K).
тр
21
В режиме воспроизведения требуемого входного сопротивления R БНУ 5, выходное напряжение U УУ НРЭ2 21 определяется выражением:
21
21
нук
20
тр
нук
18
U=K*(U*K/R-I*K).
тр
21
В режиме стабилизации требуемой входной мощности P БНУ 5, выходное напряжение U УУ НРЭ2 21 определяется выражением:
21
21
тр
нук
20
нук
18
U=K*(P/(U*K)-I*K).
УИП 16 выполняет две функции: 1) стабилизирует ток, протекающий через НРЭ 17 с помощью ДТ4 19; 2) рекуперирует через клеммы 31 и 32 избыточную электроэнергию в сеть питания постоянного тока ИСБ 3.
УИП может быть реализован в виде импульсного регулятора напряжения, выполненного по мостовой повышающей схеме (патент на изобретение US 4864479).
НРЭ может быть реализован по схеме параллельного транзисторного регулятора тока (патент на изобретение US 3882372).
ДПН может быть реализован в виде обратимого импульсного конвертора с обратноходовыми модуляторами (патент на полезную модель RU 139329).
Остальные устройства комплекса реализуются по известным схемам.
Использование общего выпрямителя-стабилизатора для имитатора аккумуляторной батареи и имитатора солнечной батареи, двунаправленного преобразователя напряжения в имитаторе аккумуляторной батареи и общего нагрузочного устройства позволяет существенно упростить конструкцию системы управления комплекса, а также процесс настройки и наладки комплекса. Использование непрерывных регулирующих элементов в имитаторе аккумуляторной батареи и нагрузочном устройстве рекуперативного типа приводит к повышению быстродействия этих устройств и позволяет более точно воспроизводить требуемые динамические характеристики аккумуляторных батарей и потребителей электроэнергии, что повышает качество испытаний систем электропитания космических аппаратов.