Модуль имитации постоянной нагрузки для испытания систем электроснабжения космических аппаратов
Модуль имитации постоянной нагрузки для испытания систем электроснабжения относится к электронным имитаторам нагрузок для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов. Задачей полезной модели является повышение КПД, увеличение надежности и расширение диапазона регулирования имитируемых нагрузочных токов за счет использования одной повышающей ступени с более широкими функциональными возможностями в модуле постоянной нагрузки. Поставленная задача решается тем, что в модуле имитации постоянной нагрузки для испытания систем электроснабжения космических аппаратов, выполненном в виде, соединенного с тестируемой системой электроснабжения через входной фильтр, преобразователя на основе управляемых ключей, подключенного через выходной фильтр к инвертору, ведомому сетью, а также контроллера внешнего управления и блока управления модулем, преобразователь модуля выполнен в виде мостового Z-преобразователя (комбинации мостового преобразователя со схемой Х-образного четырехполюсника, составленного из двух емкостей и двух дросселей) с алгоритмом работы, при котором через задаваемые контроллером интервалы времени мост замыкается накоротко на интервалы времени, равные 0-0,2 полупериода основной частоты, в диагональ моста включена первичная обмотка повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого связана с выпрямителем, в свою очередь, связанным с выходным фильтром. Введение принципиально иной структуры преобразователя в модуле постоянной нагрузки 3 позволяет выполнять функции увеличения и снижения напряжения в одной ступени преобразователя (снижение стоимости, и расширение диапазона нагрузочного тока), увеличить надежность за счет высокой отказоустойчивости введенного преобразователя, улучшить КПД. Использование ведомого сетью инвертора позволяет вторично использовать основную часть энергии входного источника 1, а не рассеивать его в пространстве.
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, смешанным и т.д. Соответственно, и устройства для имитации нагрузок при наземных испытаниях систем электропитания космических аппаратов должны обеспечивать широкий диапазон нагрузочных токов, а также статические и динамические режимы работы.
Известные устройства для тестирования систем электропитания обычно состоят из групп резисторов, которые необходимо коммутировать для установления требуемой 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. В этом устройстве 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 КПД, равный 0, а также, недостаточный диапазон регулирования тока активной нагрузки и недостаточная информация, получаемая в процессе испытаний.
В качестве прототипа выбран программируемый блок имитации постоянной нагрузки, описанный в полезной модели RU 50317. Модуль постоянной нагрузки в указанном комплексе 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.
Недостатки приведенного решения заключаются в необходимости использования как минимум двух ступеней повышающего преобразователя в модуле постоянной нагрузки для обеспечения достаточного диапазона регулирования имитируемых нагрузочных токов. А это, кроме увеличения габаритов, приводит к снижению КПД и надежности.
Задачей полезной модели является повышение КПД, увеличение надежности и расширение диапазона регулирования имитируемых нагрузочных токов за счет использования одной повышающей ступени с более широкими функциональными возможностями в модуле постоянной нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что в модуле имитации постоянной нагрузки для испытания систем электроснабжения космических аппаратов, выполненном в виде, соединенного с тестируемой системой электроснабжения через входной фильтр, преобразователя на основе управляемых ключей, подключенного через выходной фильтр к инвертору, ведомому сетью, а также контроллера внешнего управления и блока управления модулем, преобразователь выполнен в виде мостового Z-преобразователя (комбинации мостового преобразователя со схемой X-образного четырехполюсника, составленного из двух емкостей и двух дросселей) с алгоритмом работы, при котором через задаваемые контроллером интервалы времени мост замыкается накоротко на интервалы времени, равные 0-0,2 полупериода основной частоты, в диагональ моста включена первичная обмотка повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого связана с выпрямителем, в свою очередь, связанным с выходным фильтром.
Такая структура выполнения преобразователя в модуле постоянной нагрузки позволяет ему работать как в понижающем режиме, так и в повышающем, что определяется алгоритмом управления транзисторами моста. При этом улучшается динамика работы модуля постоянной нагрузки, расширяется диапазон регулирования нагрузочных токов.
Далее сущность технического решения поясняется с помощью рисунка, на котором представлена блок-схема модуля имитации постоянной нагрузки для испытаний систем электроснабжения.
Устройство имитации постоянной нагрузки для испытания системы электроснабжения 1 состоит из входного фильтра 2, нагрузочного модуля 3, подсоединяемого параллельно к тестируемой системе, выпрямителя 4, выходного фильтра 5, инвертора, ведомого сетью, 6.
Модуль постоянной нагрузки 3 состоит из сглаживающего конденсатора C3, отсекающего диода VD1, и Z-преобразователя, (недавно разработанного типа преобразователей, см. публикации: US 7130205, а также IEEE Transactions on Industry Application, Vol.39, No 2; March/April 2003), представляющего собой Х-образный четырехполюсник, составленный из емкостей С1 и С2 и дросселей L1 и L2, в зарубежной литературе называемый «impedance source» в комбинации с мостовым преобразователем, составленным полевыми транзисторами VT1, VT2, VT3, VT4, управляемыми импульсами схемы управления 7. Z-преобразователь соединен с тестируемой системой электроснабжения 1 через входной фильтр 2, и, через выпрямитель 4 и выходной фильтр 5 - к инвертору 6, ведомому сетью. В диагональ транзисторного моста включена первичная обмотка повышающего трансформатора TV1.1, вторичная обмотка которого TV1.2 соединена с выпрямителем 4. Выпрямленное напряжение затем подается на выходной фильтр 5, составленный элементами L3, C4 и C5. Инвертор 5 представляет собой трехфазный мостовой инвертор, ведомый сетью, 8 - схема управления инвертором 6.
При включении в работу модуля постоянной нагрузки по сигналам контроллера внешнего управления комплексом или ПЭВМ (не показан) выходное напряжение тестируемой системы электроснабжения 1 подается на входной фильтр 2, необходимый для устранения помех импульсных преобразователей, и поступает на вход модуля постоянной нагрузки 3. Схема управления 7 по заданной программе выдает импульсы управления на транзисторы VT1-VT4 Z-преобразователя с алгоритмом, при котором через определенные интервалы времени транзисторный мост замыкается накоротко на промежутки времени T0, равные 0-0.2 полупериода Т основной частоты переключений, во время которых происходит накопление энергии в дросселях Z-фильтра L1 и L2. Интервалы между состояниями замыкания накоротко определяются задаваемым током нагрузки. Схема «impedance source» позволяет работать как в понижающем, так и в повышающем, режимах, обеспечивая расширение диапазона имитируемых токов нагрузки. С вторичной обмотки трансформатора TV1.2 напряжение поступает на вход выпрямителя 4. Далее высокое постоянное напряжение через дроссели выходного фильтра поступает на вход ведомого сетью инвертора 6. Управление инвертором 6 осуществляется от блока управления 8 с постоянными углами инвертирования. Преобразованное инвертором 6 напряжение возвращается в питающую сеть.
Введение принципиально иной структуры преобразователя в модуле постоянной нагрузки 3 позволяет выполнять функции увеличения и снижения напряжения в одной ступени преобразователя (снижение стоимости, и расширение диапазона нагрузочного тока), увеличить надежность за счет высокой отказоустойчивости введенного преобразователя, улучшить КПД. Использование ведомого сетью инвертора позволяет вторично использовать основную часть энергии входного источника 1, а не рассеивать его в пространстве. Т.е. также увеличивает КПД. Суммарный ток выходной шины системы электроснабжения 1, который задается подключаемой нагрузкой может достигать 360 A 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 B и токе 360 A составит 9720 Вт. Следует отметить существующую тенденцию увеличения выходной мощности систем электроснабжения космических аппаратов, что может привести к увеличению рассеиваемой энергии. Предложенное построение позволяет вторично использовать основную часть энергии источника электроснабжения. Таким образом, предложенная схема модуля имитации постоянной нагрузки позволяет существенно увеличить КПД при проведении испытании систем электроснабжения.
Модуль имитации постоянной нагрузки для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, выполненный в виде соединенного с тестируемой системой электроснабжения через входной фильтр, преобразователя на основе управляемых ключей, подключенного через выходной фильтр к инвертору, ведомому сетью, а также контроллера внешнего управления и блока управления модулем, отличающийся тем, что преобразователь выполнен в виде мостового Z-преобразователя (комбинации мостового преобразователя со схемой Х-образного четырехполюсника, составленного из двух емкостей и двух дросселей) с алгоритмом работы, при котором через задаваемые контроллером интервалы времени мост замыкается накоротко на интервалы времени, равные 0-0,2 полупериода основной частоты, в диагональ моста включена первичная обмотка повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого связана с выпрямителем, в свою очередь связанным с выходным фильтром.
