Имитатор нагрузок с процессорным управлением

Предлагаемая полезная модель предназначена для имитации нагрузок при автономных и комплексных испытаниях систем электропитания космических аппаратов и узлов данных систем или их имитаторов. Предлагаемый имитатор содержит коммутаторы тока, содержащие силовые ключевые элементы, драйверы управления и элементы имитации нагрузки, подключаемые к выходным шинам испытуемой системы электропитания. Коммутаторы тока управляются от процессорного блока через элементы гальванической развязки. Параметры имитатора в режиме реального времени измеряются устройством измерения текущих значений тока и напряжения, преобразуются в цифровой последовательный код и через элемент гальванической развязки поступают для анализа в процессорный блок. Для ручного управления используется панель ручного управления. В автоматическом режиме процессорный блок через сетевой контроллер получает данные о требуемой циклограмме нагрузки от внешней персональной ЭВМ и далее реализует требуемую циклограмму самостоятельно, обеспечивая тем самым автономность работы, а также оперативность и быстродействие системы испытаний систем электропитания (СЭП). Электропитание узлов имитатора осуществляется резервированным источником питания собственных нужд. Предложенный имитатор имеет возможность исследовать не только режимы работы системы в целом, но и характерные зависимости параметров первичного источника питания и накопителя энергии или их имитаторов. Примененное в процессорном блоке программное обеспечение позволяет тестировать СЭП, первичные источники СЭП и накопители энергии или их имитаторы в ручном и автоматическом режимах. Использование дифференциального интерфейса с высокой помехозащищенностью RS-485 повышает помехозащищенность имитатора.

Полезная модель относится к области испытаний электротехнической аппаратуры и может быть использована для имитации нагрузок при автономных и комплексных испытаниях систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА) и узлов данных систем (первичного источника энергии, например солнечной батареи, и накопительного элемента, например аккумуляторной батареи) или их имитаторов.

Известны имитаторы нагрузки для испытаний вторичных источников электропитания, которые подключены к выходным шинам источника питания. Имитаторы выполнены в виде понижающего [1] или повышающего [2] преобразователей постоянного напряжения в постоянное, вход которых подключен к испытываемому устройству. Энергия, полученная от испытуемого устройства, через выходной фильтр и инвертор, ведомый сетью, отдается в промышленную сеть переменного тока.

Известен также имитатор динамической импульсной нагрузки переменной частоты для испытаний систем электропитания [3], включающий в себя коммутаторы тока, содержащие элементы имитации нагрузки, представляющие собой множество резисторов, силовые ключевые элементы и драйверы. Силовые ключевые элементы соединены последовательно с резистивными элементами имитации нагрузки и управляются через драйверы от блока управления, выполненного на логических схемах, который в свою очередь через сетевой контроллер управляется от внешней персональной ЭВМ (ПЭВМ). Имеется пульт ручного управления.

Известный имитатор обладает рядом недостатков: низкая помехозащищенность, ограниченная область применения, его использование приводит к снижению общего быстродействия системы испытаний СЭП, вследствие жесткой логики работы под управлением внешней ПЭВМ. Любое изменение текущего режима работы имитатора требует управляющего воздействия от внешней ПЭВМ.

Цель создания предложенного имитатора: расширение функциональных возможностей, повышение помехозащищенности, увеличение оперативности и быстродействия системы испытания СЭП. Расширение функциональных возможностей реализовано возможностью исследовать не только режимы работы системы в целом, но и первичного источника питания, накопительного элемента или устройств их имитации. Это обеспечивается вновь введенным процессорным блоком с встроенным программным обеспечением. Процессорный блок осуществляет управление коммутаторами тока по информации о циклограмме нагрузки, полученной от ПЭВМ, и информации вновь введенного устройства измерения текущих значений входных тока и напряжения. Примененное в процессорном блоке программное обеспечение позволяет тестировать как СЭП в целом, так и первичные источники, накопители энергии или их имитаторы в ручном и автоматическом режимах. Это повышает автономность работы имитатора, а также оперативность и быстродействие системы испытаний СЭП, поскольку информация о циклограмме нагрузки заносится в память процессорного блока и работа имитатора в дальнейшем реализуется без обращения к внешней ПЭВМ

Кроме того, в предложенном имитаторе с целью повышения помехозащищенности введены элементы гальванической развязки управляющего сигнала коммутаторов тока, элемент гальванической развязки выходного последовательного канала устройства измерения текущих значений входных тока и напряжения. Для связи с внешней ПЭВМ использован дифференциальный интерфейс с высокой помехозащищенностью RS-485. Для использования при испытаниях комплекта из нескольких имитаторов нагрузки, в сетевой контроллер введен дополнительный выходной порт для подключения нескольких устройств по интерфейсу RS-485.

На фиг. приведена структурная схема описываемого устройства.

Управляющим узлом имитатора является процессорной блок 3. Через элементы гальванической развязки 2 ₁2_n он управляет коммутаторами тока 1₁1_n, содержащими силовые ключевые элементы, драйверы и элементы имитации нагрузки, подключаемыми к выходным шинам испытуемой системы электропитания. Измерительный тракт представлен устройством измерения текущих значений входных тока и напряжения 5 и элементом гальванической развязки последовательного канала устройства измерения текущих значений входных тока и напряжения 6, служащий для развязки выходного цифрового последовательного кода от входной аналоговой измерительной схемы. Кроме того, к процессорному блоку подключаются панель ручного управления 4 и, через сетевой контроллер 7, внешняя ПЭВМ. Электропитание узлов имитатора осуществляется резервированным источником питания собственных нужд 8.

Имитатор работает следующим образом.

Процессорный блок 3 загружает из ПЭВМ через сетевой контроллер 7, реализующий спецификации дифференциального интерфейса с высокой помехозащищенностью RS-485, данные о циклограмме имитируемой нагрузки. В ПЭВМ процессорный блок 3 передает данные о текущих значениях тока и напряжения испытуемой системы электропитания. Текущие значения выходных тока и напряжения испытуемой системы электропитания в виде последовательного кода, гальванически развязанного от схемы измерения, процессорный блок 3 получает от устройства измерения текущих значений входных тока и напряжения 5 через элемент гальванической развязки последовательного канала устройства измерения текущих значений входных тока и напряжения 6. Процессорный блок 3 на основе данных о циклограмме имитируемой нагрузки и текущих значений выходных тока и напряжения испытуемой системы электропитания определяет необходимое количество и последовательность включения коммутаторов тока l₁l_n для формирования нарастающих, спадающих фронтов тока нагрузки или синусоидальной составляющей для измерения импеданса системы электропитания. Управление включением или отключением коммутаторов l₁l_n осуществляется процессорным блоком через элементы гальванической развязки управляющих сигналов 2₁2_n. Ручное управление имитатором в автономном режиме доступно с панели ручного управления 4.

Литература:

1. Патент РФ на полезную модель 2138850 «Имитатор нагрузки для испытаний управляемого ключа», автор Федосов А.А., опубликовано 27.09.1999.

2. Патент РФ на полезную модель 75755 «Имитатор нагрузок для испытания систем электроснабжения космических аппаратов», авторы Мишин В.Н., Бубнов О.В., Пчельников В.А., Юдинцев А.Г., Иванов В.Л, Патрахина О.В., опубликовано: 20.08.2008 Бюл. 23.

3. Патент РФ на полезную модель 73087 «Имитатор переменной частоторегулируемой нагрузки», авторы Мишин В.Н., Бубнов О.В., Пчельников В.А., Ковальчук Д.А., Иванов В.Л, Миргородский С.К., Патрахина О.В., опубликовано: 10.05.08 Бюл. 13.

Имитатор нагрузок для испытаний систем электропитания космических аппаратов, включающий коммутаторы тока, содержащие силовые ключевые элементы, драйверы и элементы имитации нагрузки, а также панель ручного управления и сетевой контроллер с первым выходным портом, отличающийся тем, что в него дополнительно введены процессорный блок, устройство измерения текущих значений входных тока и напряжения, элементы гальванической развязки управляющих сигналов коммутаторов тока, элемент гальванической развязки выходного последовательного канала устройства измерения текущих значений входных тока и напряжения, для связи с внешней персональной ЭВМ используется дифференциальный интерфейс с высокой помехозащищенностью, сетевой контроллер снабжен вторым выходным портом, электропитание узлов имитатора осуществляется введенным резервированным источником питания собственных нужд, в процессорном блоке применяется программное обеспечение, позволяющее тестировать системы электропитания, первичные источники и накопители энергии систем электропитания или их имитаторы.