КОМПЛЕКС ИМИТАЦИИ НАГРУЗКИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к устройствам для испытаний систем электропитания. В частности, полезная модель относится к электронным имитаторам нагрузок для испытаний систем электропитания космических аппаратов (СЭП КА). Для испытаний таких систем необходимо имитировать нагрузки в полном диапазоне от холостого хода до номинальных. На современных космических аппаратах системы электропитания и распределения электроэнергии, включая аккумуляторные батареи, 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 доходит до 10 кВт и более. Для того чтобы оценить динамические свойства СЭП КА, необходимо проверить ее при воздействии динамических нагрузок типа сброс/наброс, а для уточнения выходного сопротивления - испытать при гармонической нагрузке в широком диапазоне частот (до 30 мГц).
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 выбран комплекс имитации нагрузки для испытания систем электропитания космических аппаратов по патенту РФ на полезную модель №50317.
Указанный комплекс имитации нагрузки для испытания систем электропитания космических аппаратов содержит несколько нагрузочных модулей, подключенных параллельно к тестируемой системе электроснабжения, 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. Устройство обеспечивает имитацию различных видов нагрузок: постоянной (активной) нагрузки, импульсной (или скачкообразной), комплексной (активно-емкостной) и переменной с синусоидальной формой тока, в широких диапазонах токов и напряжений. Кроме того, устройство обеспечивает энергосбережение при проведении наземно-технических испытаний систем электроснабжения на различные виды электротехнических нагрузок за счет вторичного использования электроэнергии системы электроснабжения, посредством ее последующего преобразования и передачи в сеть.
Недостатки указанного устройства заключаются в большой массе и габаритах входных фильтров на низких частотах синусоидальной нагрузки, а также большое потребление мощности транзисторами, используемыми в модуле синусоидальной нагрузки в активном режиме.
Задача полезной модели - дальнейшее повышение энергосбережения и уменьшение массы и габаритов входного фильтра за счет реализации низкочастотной синусоидальной нагрузки с использованием указанного повышающего преобразователя.
Поставленная задача решается тем, что комплекс имитации нагрузки для испытания систем электроснабжения космических аппаратов, как и прототип, содержит несколько нагрузочных модулей, подключенных параллельно к тестируемой системе электроснабжения, 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 гармонической (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. В отличие от прототипа модуль синусоидальной нагрузки разделен на две секции: секцию высокочастотной нагрузки и секцию низкочастотной нагрузки, при этом секция низкочастотной нагрузки выполнена с использованием указанного повышающего преобразователя, для чего блок управления повышающим преобразователем через блок управления синусоидальной нагрузки соединен с генератором синусоидального сигнала, входящего в состав модуля синусоидальной нагрузки.
Техническим результатом такого построения комплекса является энергосбережение и снижение массы и габаритов фильтра, т.к. теперь входной фильтр работает на высокой частоте.
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.
Секция высокочастотной синусоидальной нагрузки выполнена в виде транзисторных усилителей в режиме эмиттерных повторителей с фиксированными нагрузками, управляемых синусоидальными сигналами схемы управления синусоидальной нагрузкой. Ее задачей является создание синусоидального тока в выходной шине тестируемой системы электроснабжения.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых изображено: на Фиг.1 - общая блок-схема испытательного комплекса; на Фиг.2 - представлена схема, поясняющая работу модуля постоянной нагрузки; на Фиг.3 - схема модуля синусоидальной нагрузки.
1A
2A
1B
2B
1C
2C
Испытательный комплекс для испытаний системы электропитания 1 состоит из нагрузочных модулей 2, 3, 4 и 5, подсоединенных параллельно к тестируемой системе 1. Нагрузочный модуль 2 является имитатором постоянной нагрузки, модуль 3 - устройство имитации комплексной нагрузки, модуль 4 - устройство импульсной нагрузки и 5 - модуль синусоидальной нагрузки. Модуль постоянной нагрузки 2 представляет собой повышающий преобразователь 6, выполненный на основе управляемых ключей и соединенный с тестируемой системой электроснабжения 1 через входной фильтр 7, и, через выходной фильтр 8 - к инвертору 9, ведомому сетью. Упрощенная схема повышающего преобразователя 6 показана на Фиг.2 и представляет собой транзисторный ключ 15, управляемый импульсами схемы управления 16. Величина и длительность импульсов задают уровни подключаемой к выходным клеммам системы электроснабжения активной нагрузки. Инвертор 9 (Фиг.2) представляет собой трехфазный мостовой инвертор, ведомый сетью, содержит ключи, обозначенные на рисунке S, S, S, S, S и S. Блок управления 10 инвертором 9 соединен с трансформатором 11, подключенным к сети. Каждый нагрузочный модуль имеет в своем составе схему управления соответствующей нагрузкой. Схемы управления постоянной, комплексной и импульсной нагрузок, а также схема задания уставки синусоидальной низкочастотной нагрузки объединены в блоке управления модулями 12, который соединен с повышающим преобразователем 6. Модуль синусоидальной нагрузки управляется схемой управления синусоидальной нагрузкой 13. Работа нагрузочного комплекса управляется либо программно от блока управления комплексом 14, либо от ПЭВМ.
Упрощенные схемы модулей импульсной, комплексной нагрузок и принципы их работы описаны в описании к полезной модели №50317 и не являются предметом данного технического решения.
Модуль гармонической (синусоидальной нагрузки) включает генератор синусоидального сигнала, входящий в состав схемы 13, который при реализации низкочастотной нагрузки (50-400 Гц) связан с блоком управления 16 ключами повышающего преобразователя 15. Высокочастотная секция модуля переменной (синусоидальной нагрузки) содержит транзисторные усилители 17, работающие в режиме эмиттерных повторителей (показан только один ключ, но их может быть несколько), управляемые синусоидальными сигналами схемы управления 13, 18 - обратная связь по току, 19 - датчик тока, L и С - дроссели и конденсатор выходного фильтра.
Описание работы испытательного комплекса 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 14 или ПЭВМ выходное напряжение тестируемой системы электроснабжения 1 подается на входной фильтр 7, необходимый для устранения помех импульсных преобразователей, и поступает на вход повышающего преобразователя 6. Схема управления 16 по заданной программе выдает импульсы управления на ключ 15 повышающего преобразователя 6 (Фиг.2). При этом происходит подключение и отключение независимых ступеней активных сопротивлений. Далее высокое постоянное напряжение через дроссели выходного фильтра 8 поступает на вход ведомого сетью инвертора 9. Управление инвертором 9 осуществляется от блока управления 10 с постоянными углами инвертирования. С целью реализации питания и синхронизации блока управления 10 с сетью используется блок трансформаторов 11. Преобразованное инвертором 9 напряжение возвращается в питающую сеть. Такое построение позволяет вторично использовать основную часть энергии входного источника 1, а не рассеивать его 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 6. Суммарный ток выходной шины системы электропитания 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 2025 Вт. 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.
Модуль 5 гармонической (синусоидальной) нагрузки, по сигналу схемы управления 12 выдает либо низкочастотный сигнал синусоидальной нагрузок (50-400 Гц), либо высокочастотный (10-3000кГц). Для низкочастотной нагрузки синусоидальный сигнал от схемы 13 поступает на блок управления 16 ключами 15 повышающего преобразователя, который отрабатывает низкочастотную синусоидальную нагрузку. Современные силовые полевые транзисторы (MOSFET) и транзисторы типа IGBT допускают частоту переключений в десятки и сотни килогерц при напряжениях в сотни вольт и токах в десятки и сотни ампер. Вследствие высокой частоты коммутации и малых потерь в транзисторных ключах массогабаритные и энергетические показатели преобразователей постоянного тока весьма высоки. Очевидно, что при достаточно высокой частоте коммутации эти устройства могут преобразовывать и переменное напряжение, например, промышленной частоты. Для реализации секции низкочастотной нагрузки на базе повышающего преобразователя 6 необходимо подать на управляющий вход транзистора 15 ток уставки по синусоидальной нагрузке Im sin ϑ, где Im и ϑ - амплитуда и частота гармонического сигнала нагрузки.
Для реализации высокочастотной нагрузки модуль 5, управляемый блоком управления 13, создает синусоидальный ток в выходной шине тестируемой системы электроснабжения. Для этого синусоидальные управляющие импульсы блока 13 поступают на вход транзисторного усилителя 17 (Фиг.3). При этом диапазон двойной амплитуды токов 1-20А, необходимые частота и значение амплитуды задаются раздельно от ПЭВМ. Управление частотой синусоидальной нагрузки осуществляется от внутреннего генератора синусоидального сигнала, организованного на базе процессора с RISC-архитектурой. Создание синусоидального тока в широких диапазонах частоты и амплитуды позволяет измерять выходной импеданс системы электроснабжения, а также проверять работу автоматики системы электроснабжения на низких частотах. Использование повышающего преобразователя для отработки низкочастотной синусоидальной нагрузки позволяет существенно снизить массу и габариты входных фильтров, а за счет этого, массу и габариты всей системы в целом.
Применение предлагаемого комплекса позволит обеспечить качественное проведение наземных испытаний бортовых систем электроснабжения. Важной особенностью в разработанном нагрузочном комплексе является наличие различных видов нагрузок, как статических, так и динамических, в широком диапазоне токов и напряжений, 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.