КОМПЛЕКС ИМИТАЦИИ НАГРУЗКИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к устройствам для испытаний систем электроснабжения. В частности, полезная модель относится к электронным имитаторам нагрузок для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов. Для испытаний таких систем необходимо имитировать нагрузки 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 составляет 4-7 кВт, при этом характер нагрузки может быть активным, реактивным, смешенным и т.д. Соответственно, и устройства для имитации нагрузок при наземных испытаниях систем электропитания космических аппаратов должны обеспечивать различные виды нагрузок, а также статические и динамические режимы работы.
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 выбрано программируемое устройство имитатора динамической нагрузки по патенту US 4042830. Устройство состоит из множества нагрузочных модулей, соединенных параллельно к выходу испытываемого источника питания. Отдельные электронные ключи соединены последовательно с каждым из заданного числа нагрузочных модулей, позволяя подключать определенные нагрузки к источнику питания в определенные моменты -времени. Логическая схема управления управляет ключами, обеспечивая необходимую последовательность переключении и временные параметры. Недостатком указанного устройства является ограниченное число возможных имитируемых нагрузок, т.к. оно обеспечивает только постоянную и импульсную нагрузки. Кроме того, недостатком устройства является большая рассеиваемая мощность в процессе проведения испытаний.
Задачей полезной модели является создание многофункционального комплекса имитации нагрузки для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, обеспечивающего 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, задача полезной модели - обеспечить энергосбережение при проведении наземно-технических испытаний систем электроснабжения на различные виды электротехнических нагрузок.
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. В отличие от прототипа, 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.
Техническим результатом такого построения комплекса является преобразование энергии постоянного тока системы электроснабжения в энергию переменного тока и передача ее в питающую сеть для повторного использования.
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.
Модуль переменной (синусоидальной) нагрузки выполнен в виде ключей с фиксированными нагрузками, управляемых синусоидальными сигналами блока управления модулем. Его задачей является создание однополярного 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, поясняющая работу модуля импульсной нагрузки; на Фиг.4 - временные диаграммы работы модуля импульсной нагрузки; на Фиг.5 показана схема, поясняющая работу модуля комплексной нагрузки; на Фиг.6 - временные диаграммы для схемы на Фиг.5; на Фиг.7 - схема модуля синусоидальной нагрузки.
Испытательный комплекс для испытаний системы электроснабжения 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,
1A
2A
1B
2B
1C
2C
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 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.
Упрощенная схема модуля импульсной нагрузки представлена на Фиг.3. и состоит из схемы управления импульсной нагрузкой 17, соединенной с дифференцирующими импульсными ключами 18, 19, 20 соединенными с заданными фиксированными активными нагрузками (резисторами) 21, 22, 23, Модуль импульсной нагрузки (Фиг.3 и 4) обеспечивает независимое увеличение (наброс) или уменьшение (сброс) постоянной нагрузки с коммутационной длительностью подключения или отключения менее 1 мкс., т.е. имитирует резкий скачок тока (до 90 А).
Упрощенная схема модуля комплексной нагрузки на Фиг.5, также имеет схему управления 24, управляющую работой дифференциальных ключей 25, соединенных с RC -цепью 26, 27 заданных величин R и С. (Для простоты показан только один ключ 25). Включение активного сопротивления 28 реализуется посредством включения повышающего преобразователя 6, входящего в цепь модуля постоянной нагрузки, импульсами управления блока 12.
Модуль переменной (синусоидальной нагрузки), представленный на Фиг.7, содержит транзисторные ключи 29 (показан только один ключ, но их может быть несколько), управляемые синусоидальными сигналами схемы управления 13.
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, как будет объяснено далее при описании работы модулей комплексной 3 и импульсной 4 нагрузок. Суммарный ток выходной шины системы электроснабжения 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 75 А 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.
Задачей импульсной нагрузки, которую реализует модуль импульсной нагрузки 3 совместно с вышеописанным модулем постоянной нагрузки, является наброс или сброс тока нагрузки на фиксированную величину. При этом наброс или сброс тока выполняется по автономной или дистанционной команде (от блока управления 14), поступающей на схему управления 17 модулем импульсной нагрузки. Наброс тока выполняется одним из включенных параллельно входному фильтру 7 дифференцирующих импульсных ключей 18, 19, 20 с фиксированными нагрузками 21, 22, 23 по импульсам схемы управления 17. При включении модуля импульсной нагрузки 3 формируется импульс тока с крутым передним фронтом (ток 1кл на Фиг.4). По этой же команде, через блок управления 12, повышающим преобразователем 6 задается дополнительная уставка по постоянному току, равная величине тока наброса (Iпп на Фиг.4). Форма импульса тока наброса дифференцирующего ключа характеризуется крутым передним фронтом и пилообразным спадающим задним фронтом. Повышающий преобразователь б после крутого фронта наброса удерживает ток постоянным и равным заданной сумме величине постоянной нагрузки и скачка тока наброса. При этом, энергия постоянной нагрузки, как описано выше, преобразуется и возвращается в питающую сеть. По команде «сброс», наоборот, следует предварительное плавное пилообразное отпирание дифференцирующего ключа до величины фиксированного тока. Одновременно с этим, посредством блока управления 12, входной ток преобразователя б уменьшается пропорционально увеличению тока ключа. К моменту полного отпирания ключа, входной ток преобразователя уменьшается на величину тока ключа. Затем следует резкое запирание ключа и одновременно уменьшение уставки тока повышающего преобразователя 6 на величину сброса тока нагрузочного устройства 3. В этот момент баланс уставки входного тока преобразователя, равный суммарному току нагрузочного устройства 3 позволяет удержать систему в устойчивом состоянии и четко осуществить требуемый переход.
Модуль комплексной нагрузки 4 также представляет собой дифференцирующие импульсные ключи 25, подключающие по сигналам управления схемы 24 конденсатор 26 и
резистор 27 заданных величин параллельно шинам системы электроснабжения 1 (Фиг.5).
Включение постоянной составляющей комплексной нагрузки осуществляется аналогично набросу тока импульсной нагрузки (токи 1кл и Inn на фиг.6) и реализуется совместно с повышающим преобразователем 6.
Модуль 5 переменной (синусоидальной) нагрузки, управляемый блоком управления 13 создает однополярный синусоидальный ток в выходной шине тестируемой системы электроснабжения. Для этого синусоидальные управляющие импульсы блока 13 поступают на вход транзисторного ключа 29 (Фиг.7). При этом диапазон частоты составляет 10-150 кГц, диапазон двойной амплитуды токов 1-20 А, необходимые частота и значение амплитуды задаются автономно 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.
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.