Регулятор мощности имитатора теплового потока для испытаний космических аппаратов

Полезная модель относится к испытательной технике. Техническим результатом является повышение точности поддержания мощности на нагревательном элементе за счет компенсации температурного и временного дрейфа на микросхеме, применяемой для формирования сигнала, пропорционального мощности, выделяемой на нагрузке, и совмещение функций управления, задания мощности и сравнения в одном контроллере. Он достигается тем, что предложен регулятор электрической мощности имитатора теплового потока, который содержит источник переменного тока, соединенный с нагревательным элементом через ключевой регулятор на управляемых вентилях, контроллер управления драйверами ключевого регулятора по результату сравнения сигнала мощности с задающим сигналом, датчики сигналов, пропорциональных току и напряжению нагревательного элемента, выходы которых соединены с перемножителем для вычисления сигнала, пропорционального мощности, выполненным на микросхеме, а перемножитель через фильтр соединен с первым входом контроллера, связанного со схемой синхронизации с фазой источника переменного тока и включающего в себя широтно-импульсный модулятор. При этом введена обратная связь с выхода перемножителя, образованная ключом, связанным через последовательно соединенные усилитель и первый аналого-цифровой преобразователь, со вторым входом котроллера, при этом указанный ключ управляется контроллером для срабатывания его в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора, кроме того, указанный контроллер содержит программу поиска и поддержки минимального значения мощности в указанные моменты, и своим выходом, через цифро-аналоговый преобразователь и второй усилитель, соединен с входом подстройки нуля микросхемы перемножителя. 1 ил.

Полезная модель относится к испытательной технике, в частности, к проведению тепловакуумных испытаний космических объектов, и может найти применение в областях техники, где предъявляются повышенные требования к надежности изделий при их эксплуатации.

Имитатор теплового потока выполняется в виде блока подвода мощности от трехфазной сети переменного тока к множеству (до 40) нагревательным элементам, каждый из которых представляет собой активную постоянную нагрузку, с регулированием и стабилизацией мощности по каждому каналу (на каждом элементе). При этом относительная погрешность точности поддержания мощности на каждом элементе не должна превышать 0,1% от заданного значения. Для этого к каждому нагревательному элементу мощность подводится посредством своего регулятора мощности, где каждый регулятор должен формировать и стабилизировать мощность на соответствующем нагревательном элементе по уставке блока управления (контроллера).

Самый эффективный из всех из всех способов регулирования температурного режима - импульсное регулирование с использованием ключевых, тиристорных или симисторных регуляторов. Принцип работы регулятора основан на изменении момента включения тиристора или симистора относительно перехода сетевого напряжения через ноль (начала положительной или отрицательной полуволны питающего напряжения). Путем импульсного регулирования можно получить плавное регулирование мощности в широких пределах без дополнительных потерь, обеспечивая соответствие заданной и подводимой из сети мощностей, используя непрерывные методы регулирования -пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный. В соответствии с этими методами для каждого момента времени должно выполняться соответствие заданной мощности и мощности, выделяемой на нагревательном элементе.

Известны регуляторы мощности, основанные на этих методах, в которых определение мощности, выделяемой на нагрузке, определяется с помощью схемы перемножителя, на входы которой подаются сигналы, пропорциональные мгновенному напряжению на нагрузке и мгновенному току в нагрузке.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для регулирования мощности, управляющей температурой по патенту EP 0244268. В этом устройстве сигнал, пропорциональный мгновенной мощности формируется с помощью схемы перемножителя, на входы которой подают сигналы, пропорциональные току и напряжению в нагрузке. Схема умножения преобразует их произведение в сигнал эквивалентной мощности, который затем сравнивается с сигналом мощности уставки, а их разница управляет фазой зажигания управляемых вентилей. Устройство для регулирования мощности по патенту ЕР 0244268 содержит источник переменного тока, ключевой регулятор на управляемых вентилях, схему сравнения сигнала мощности с задающим сигналом и микроконтроллер, управляющий ключевым регулятором по результату сравнения, связанный со схемой синхронизации с фазой источника переменного тока, датчики измерения сигналов, пропорциональных току и напряжению нагрузки, выходы которых соединены со схемой умножения, которая через последовательно соединенные фильтр, схему сравнения и микроконтроллер, связана со схемой запуска вентилей ключевого регулятора.

Задачей полезной модели является существенное повышение точности поддержания мощности на нагревательном элементе - нагрузке за счет компенсации температурного и временного дрейфа на микросхеме, применяемой для формирования сигнала, пропорционального мощности, выделяемой на нагрузке. Кроме того задачей полезной модели является совмещение функций управления, задания мощности и сравнения в одном котроллере, путем соответствующего программирования.

Поставленная задача решается тем, что регулятор электрической мощности имитатора теплового потока, так же как и прототип, содержит источник переменного тока, соединенный с нагревательным элементом через ключевой регулятор на управляемых вентилях, контроллер управления драйверами ключевого регулятора по результату сравнения сигнала мощности с задающим сигналом, датчики сигналов, пропорциональных току и напряжению нагревательного элемента, выходы которых соединены с перемножителем для вычисления сигнала, пропорционального мощности, выполненным на микросхеме, а перемножитель через фильтр соединен с первым входом контроллера, связанного со схемой синхронизации с фазой источника переменного тока и включающего в себя широтно-импульсный модулятор. В отличие от прототипа, указанный контроллер запрограммирован для выдачи необходимых уставок мощности в соответствии с программой испытаний, а для компенсации температурного и временного дрейфа микросхемы перемножителя, в регулятор электрической мощности введена обратная связь с выхода перемножителя, образованная ключом, связанным через последовательно соединенные усилитель и первый аналого-цифровой преобразователь, со вторым входом котроллера, при этом указанный ключ управляется контроллером для срабатывания его в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора, кроме того, указанный контроллер содержит программу поиска и поддержки минимального значения мощности в указанные моменты, и своим выходом, через цифроаналоговый преобразователь и второй усилитель, соединен с входом подстройки нуля микросхемы перемножителя.

Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка, на котором представлена блок-схема регулятора электрической мощности имитатора теплового потока.

Регулятор мощности на нагрузке 1, подключаемой к источнику переменного тока коммутатором 2, содержит ключевой регулятор 3 на управляемых вентилях, например, тиристорах, либо симисторе. Через делитель напряжения, образованный сопротивлениями 4 и 5 со средней точкой 6, подается на вход U микросхемы перемножителя 7 сигнал, пропорциональный мгновенному значению напряжения на нагрузке 1, на вход I этой микросхемы подается сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока нагрузки 1 с датчика тока 8. Выход перемножителя 7 через фильтр 9 и аналого-цифровой преобразователь 10 соединен с одним входом контроллера 11, включающего в себя программно реализованную схему сравнения сигнала, пропорционального вычисленной мощности с задающим сигналом мощности. Контроллер 11 также имеет в своем составе широтно-импульсный модулятор, выход которого соединен со схемой запуска 12 вентилей ключевого регулятора 3. Контроллер 11 соединен со схемой синхронизации фазы 13, используемой для синхронизации контроллера 11 с фазой питающего переменного напряжения. Кроме того, на выходе схемы перемножителя установлен ключ 14, замыкаемый контроллером 11 в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора 3. Ключ 14 через последовательно соединенные усилитель 15 и второй аналого-цифровой преобразователь 16 соединен с другим входом контроллера 11, в котором программно реализована функция поиска и сравнения минимального уровня тока в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора с действующим значением тока. Выход контроллера 11 через цифро-аналоговый преобразователь 17 и усилитель 18 соединен со входом Z подстройки нуля микросхемы перемножителя 7.

В этом устройстве по программе контроллера 11 задается необходимый уровень мощности в соответствии с программой испытаний. Сигнал, пропорциональный напряжению на нагрузке 1, с точки 6, и сигнал, пропорциональный току нагрузки 1, с датчика тока 8 подаются на схему перемножителя 7, выполненную на микросхеме, например, AD734, которая преобразует их произведение в значение мощности, и этот сигнал, эквивалентный мощности в нагревательном устройстве 1 через фильтр 9 и аналого-цифровой преобразователь 10 подается к контроллеру 11, где сравнивается с необходимым уровнем мощности (уставкой) P_уст, задаваемой контроллером 11 в соответствии с программой испытаний. С помощью результата сравнения регулируется фаза или момент включения тиристорной схемы или симистора ключевого регулятора 3. Регулирование происходит в каждой половине цикла. Схема синхронизации фазы 13 используется для синхронизации контроллера 11 с питающим переменным напряжением. Эта синхронизирующая схема производит импульс каждый раз, когда происходит пересечение нуля синусоидой питающего сетевого напряжения. Контроллер 11 использует эти сигналы в качестве начальных точек для смещения момента включения тиристора на величину, определяемую результатом сравнения реальной мощности и уставки P_уст . Несмотря на то, что микросхема 7 выбрана с минимальным смещением нуля, однако может вносить погрешность в измеренную мощность из-за температурного или временного ухода.

Для компенсации этого ухода в устройстве регулирования мощности, подводимой к нагревательному элементу, введена дополнительная обратная связь с выхода перемножителя 7. В моменты замкнутого состояния ключа 14, который под управлением контроллера 11, срабатывает в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора 3, когда ток в цепи должен быть минимальным, а в идеальном случае, равным нулю, сигнал, пропорциональный току на выходе перемножителя 7, после усиления усилителем 15 и преобразования аналого-цифровым преобразователем 16, подается в контроллер 11, где на основании последовательности таких измерений производится поиск и поддержка минимального значения мощности посредством управления входом подстройки нуля перемножителя 7 через цифро-аналоговый преобразователь 17 и усилитель 18. Таким образом, происходит компенсация температурного и временного дрейфа микросхемы перемножителя. При таком способе подстройки-регулирования схемой перемножителя, достигается требуемая относительная погрешность точности поддержания мощности на нагрузке, не превышающая 0,1% от заданного значения. Схема устройства реализована с использованием аналогового перемножителя AD734 и микроконтроллера LPC1756. В качестве аналого-цифровых преобразователей и цифроаналоговых преобразователей используются внешние микросхемы AD7683 и AD5541, соответственно, для достижения заданной точности регулятора мощности.

Регулятор электрической мощности имитатора теплового потока для испытаний космических аппаратов, содержащий источник переменного тока, соединенный с нагревательным элементом через ключевой регулятор на управляемых вентилях, контроллер управления драйверами ключевого регулятора по результату сравнения сигнала мощности с задающим сигналом, датчики сигналов, пропорциональных току и напряжению нагревательного элемента, выходы которых соединены с перемножителем для вычисления сигнала мощности, выполненным на микросхеме, указанный перемножитель через последовательно соединенные фильтр и первый аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом контроллера, связанного со схемой синхронизации с фазой источника переменного тока и включающего в себя широтно-импульсный модулятор, отличающийся тем, что указанный контроллер запрограммирован для выдачи необходимых уставок мощности в соответствии с программой испытаний, а в регулятор электрической мощности имитатора введена обратная связь с выхода перемножителя, образованная ключом, связанным через последовательно соединенные усилитель и второй аналого-цифровой преобразователь со вторым входом контроллера, при этом указанный ключ управляется контроллером для срабатывания его в моменты закрытого состояния вентилей ключевого регулятора, кроме того, контроллер содержит программу поиска и поддержки минимального значения мощности в указанные моменты и своим выходом через цифроаналоговый преобразователь и второй усилитель соединен с входом подстройки нуля микросхемы перемножителя.