Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов

А.Г. Юдинцев, В.М. Рулевский, Ю.А. Шиняков, Ю.А. Кремзуков

Функциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания галлактических аппаратов

Предложен функциональный энергосберегающий комплекс имитации нагрузок для отработки сеансного расписания нагрузок в автоматическом и ручном режимах, для формирования нагрузочных токов в динамическом и статическом режимах, также для исследования быстродействия Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов и надежности регуляторов систем электропитания автоматических галлактических аппаратов.

Ключевики: галлактический аппарат, система электропитания, автоматический испытательный комплекс, комплекс имитации нагрузки, ведомый инвертор, имитатор солнечной батареи, имитатор аккумуляторной батареи.

Одной из принципиальных жизнеобеспечивающих систем галлактического аппарата (КА) является система электропитания (СЭП). Степень надежности СЭП должна быть наибольшей, т.к. все служебные и Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов полезные устройства КА нуждаются в бесперебойном и высококачественном электропитании.

Среднесуточная мощность СЭП современных автоматических КА добивается 10 кВт и поболее, при всем этом нрав нагрузки может быть активным, реактивным и смешанным. Как отмечалось ранее [1, 2, 3], подключение реальных устройств – солнечных и аккумуляторных батарей, бортовой полезной и служебной нагрузок в полном объёме при проведении Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов наземных испытаний ведет к долговременному времени отработки и испытаний КА, затруднено из-за их дефицитности, цены и громоздкости.

Решением этой трудности является создание специализированных имитирующих комплексов, владеющих вольт-амперными чертами реальных солнечной и аккумуляторной батарей [3]. Также нужен комплекс имитации нагрузок (КИН) для отработки сеансного расписания нагрузок в автоматическом и ручном Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов режимах, для формирования нагрузочных токов в динамическом и статическом режимах, также для исследования быстродействия и надежности регуляторов СЭП, измерения выходного полного сопротивления СЭП и оценки свойства стабилизации выходного напряжения. КИН является испытательной системой, содержащей разные виды имитационных нагрузок: неизменная (активная) нагрузка, импульсная (скачкообразная), всеохватывающая (активно-емкостная), переменная с Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов синусоидальной формой тока. Не считая того, потому что выходная мощность современных СЭП КА повсевременно вырастает, то принципиальной задачей при проведении долгих (несколько суток) наземных испытаний является реализация энергосберегающего режима, позволяющего навести ток, протекающий по выходным шинам СЭП в питающую трехфазную сеть, а не на активные ступени сопротивлений Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов, как при обычных наземных испытаниях СЭП КА, проводимых в текущее время.

При согласовании первичного источника энергии (солнечной батареи) с аккумуляторной батареей и для обеспечения требуемого свойства напряжения на нагрузке, в СЭП используются импульсные преобразователи энергии, но независимо от определенной структуры СЭП её можно представить обобщённой энергобалансной моделью. В процессе Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов проектирования наземной испытательной площадки целенаправлено за базу принять приведённую энергобалансную модель СЭП КА (рис. 1).

Рис. 1. Энергобалансная модель СЭП КА

Энергобалансная модель содержит солнечную батарею (СБ), энергопреобразовательное оборудование (ЭПО), согласующе-рекуперативную часть (СРС), аккумуляторную батарею (АБ), нагрузку (Н). На схеме также обозначены: W1 – поток энергии, передаваемой от СБ конкретно либо через поочередный Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов регулятор-стабилизатор напряжения нагрузке; W2 – поток энергии от СБ к АБ; W3 – поток энергии от АБ к нагрузке. Энергобалансная модель отражает реальное взаимодействие главных устройств СЭП, рассредотачивание энергии меж составными частями СЭП и нагрузкой, и является основой для построения автоматической системы многофункционального контроля (АСФК), общая схема которого представлена на рис Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов. 2.

Рис. 2. Структурная схема автоматического испытательного комплекса

Автоматический испытательный комплекс (рис. 2) содержит имитаторы бортовых источников питания (БИАБ, ИБС), также комплексы имитации нагрузок для разных шин питания (27 В, 40 В). Данные комплексы имитации нагрузок управляются дистанционно средством Ethernet сети. При помощи программки АСФК можно задавать нужный для отработки нагрузочный профиль (время-токовая Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов черта), также вести протокол испытаний нагрузочных токов. Необходимо подчеркнуть, что КИН в составе АСФК позволяет на сто процентов заавтоматизировать процесс нагрузочных испытаний. Для обеспечения аппаратной и программной стыковки имитационных блоков с АСФК, каждый КИН содержит контроллер промышленного эталона на базе процессорной платы.

Согласно сформулированным требованиям к СЭП, приобретенным в Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов итоге анализа состава электрического оборудования КА и энергообменных процессов в системе СЭП – Нагрузка, сформулирован ряд главных требований предъявляемых при разработке современных нагрузочных комплексов.

Комплекс имитации нагрузки должен содержать:

1. Блок имитации неизменных и плавненько изменяющихся нагрузок, формирующий несколько (находится в зависимости от напряжения шины питания) ступеней неизменной нагрузки по Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов 5 ¸ 10 А, также плавненько изменяющуюся нагрузку 0 ¸ 15 А с дискретностью 1 А (грубо) и 0.01 А (точно). Должен быть предусмотрен останов регулирования плавной нагрузки в хоть какой точке спектра по данному уровню регулирования.

2. Блок имитации всеохватывающей нагрузки (подключение параллельно шине питания емкости и активного сопротивления).

3. Блок разовой коммутации тока, обеспечивающий имитацию пускового тока Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов двигательной нагрузки.

4. Блок имитации переменной нагрузки, обеспечивающий плавное повышение либо уменьшение размаха синусоидального тока нагрузки в спектре частот 20 Гц ¸ 150 кГц. С дискретностью конфигурации тока не больше 0.5 А и коэффициентом нелинейных искажений синусоидального тока нагрузки менее 5%.

5. Блок имитации скачкообразного (импульсного) конфигурации нагрузки.

Контроллер, обеспечивающий дистанционное управление от ПЭВМ всеми Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов режимами и командами.

Таким макаром, для проведения высококачественных наземно-технических испытаний современных СЭП КА нужно использовать автоматические испытательные площадки содержащие комплексы имитации нагрузки шины питания.

Проведение опции и проверки работоспособности хоть какой системы электропитания, сопровождается подключением к СЭП КА нагрузки, с целью имитации нагрузочных токов реальных СЭП. В подавляющем большинстве Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов случаев в качестве таковой нагрузки используют систему последовательно-параллельного соединения резисторов. Основными плюсами таких схем нагрузочных устройств является их надёжность и простота. Одним из основных недочетов является КПД равный нулю. Фактически вся энергия, потребляемая от исследуемого источника питания, преобразуется в тепло, не совершая при всем этом никакой полезной Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов работы. Более того, нагрузочные устройства такового класса, очень проблемно использовать при мощностях СЭП более 1 кВт, так как резко растет их цена и массогабаритные характеристики. Потому в текущее время многообещающим методом построения нагрузочных устройств является энергосберегающая структура, обеспечивающая возможность передачи потребляемой энергии в промышленную сеть переменного тока, средством Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов топологий зависимых инверторов.

При наземных испытаниях СЭП целенаправлено применить энергосберегающий метод задания нагрузочных токов, обеспечивая при всем этом передачу энергии в силовую трёхфазную сеть. Передача энергии от источника неизменного напряжения в сеть переменного тока, подразумевает наличие в структуре КИН последующих устройств:

  1. Внутренний канал стабилизации тока нагрузки Iн, чтоб СЭП «воспринимала» КИН Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов как двухполюсник реального устройства полезной нагрузки;
  2. Устройство увеличения напряжения для согласования уровней напряжений шин питания (27 В, 40 В, 100 В) с значением напряжения сети.

Блок-схема канала передачи энергии в сеть энергосберегающего КИН представлена на рис. 3, где БПН – блок увеличения напряжения, ФВЧвх, ФВЧвых– высокочастотные помехоподавляющие фильтры на входе и выходе БПН Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов; ФВ, ФВИ – соответственно низкочастотные фильтр входа и фильтр ведомого инвертора; ВИ – ведомый трехфазный инвертор.

Рис. 3. Схема канала передачи энергии в сеть

Одним из главных требований при проектировании КИН для испытаний СЭП КА является данное время и форма фронтов нагрузочного тока. Вариантом вероятного решения формирования фронтов данной продолжительности и Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов формы является блок-схема формирователя фронтов (ФФ) представленная на рис. 4.

На рис. 4 VT1 – VTn – дифференциальные импульсные ключи, БУ – блок управления, БПН – блок увеличения напряжения, ДТ – датчик тока. Задачей ФФ является наброс и сброс нагрузки на фиксированную величину вместе с каналом неизменной нагрузки. Для корректного функционирования ФФ разработаны методы наброса (сброса Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов) тока в общей шине. При всем этом наброс тока по автономной либо дистанционной команде (от наружной ЭВМ) производится включенными параллельно общей шине дифференциальными импульсными ключами VT1 – VTn с фиксированной данной нагрузкой.

Рис. 4. Блок схема системы формирования фронтов и подключения всеохватывающей нагрузки

Форма импульса тока наброса дифференцирующего ключа характеризуется крутым фронтальным Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов фронтом и пилообразным спадающим задним фронтом (рис. 5), продолжительность которого превосходит постоянную времени входного регулятора неизменного тока.

Применение отрицательной оборотной связи по току (ДТ) позволяет входному регулятору неизменного тока после крутого фронта наброса удержать ток неизменным и равным данной сумме величины неизменной нагрузки и скачка тока наброса. При сбросе, напротив, следует предварительное Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов плавное пилообразное отпирание дифференциальных ключей до величины фиксированного тока (рис. 6).

Рис. 5. Диаграмма, поясняющая метод формирования фронтального фронта тока наброса Рис. 6. Диаграмма, поясняющая метод формирования заднего фронта тока сброса

Для получения аналитических выражений нужно составить математическое описание системы основного канала, для этого разработана математическая модель, делая упор на блок Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов-схему и схемы каждого из блоков в отдельности.

При разработке модели приняты последующие допущения:

1. СЭП – это безупречный источник напряжения, т.е. внутреннее сопротивление которого Rвн = 0.

2. Решение системы дифференциальных уравнений проведено менее чем для третьей гармоники, потому характеристики блоков фильтров радиопомех не учитываются;

3. Значениями индуктивностей и сопротивлений межблочных соединений пренебрегаем Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов, но учитываем характеристики кабелей соединяющих КИН с СЭП КА и силовой трехфазной сетью.

4. Полупроводниковые элементы рассматриваются как идеализированные ключи.

5. Трехфазная силовая цепь есть безупречный потребитель передаваемой мощности.

По разработанным схемам замещения составлены системы дифференциальных уравнений, описывающие зависимости входных токов от характеристик схемы нагрузочного устройства и найдены решения в аналитическом Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов виде для токов основного канала и перечисленных выше блоков нагрузок, дозволяющие проводить проектирование системы и составлять инженерные расчётные выражения (1-3).

(1)

(2)

(3)

При помощи приобретенных расчётных выражений построены диаграммы токов для разных шин (рис.7), показывающие адекватность математических моделей. Сопоставление графических зависимостей токов, приобретенных численным способом и при помощи аналитических выражений указывает их Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов неплохую сходимость (погрешность± 10 %), что позволяет советовать приобретенные аналитические выражения для практического использования.

Рис. 7. Диаграммы токов импульсной нагрузки для шины 27 В, где 1 – численное решение, 2 – аналитическое решение.

На рис. 8. представлена разработанная схема опытнейшего эталона комплекса имитации нагрузки. Данная схема содержит модули, с помощью которых, имитируются фактически все виды нагрузок. Система управляется блоком Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов БУ, который предугадывает задание автоматических режимов испытаний, обеспечивает диагностику состояния всех силовых модулей и состояние трехфазной сети на соответствие характеристикам ГОСТа, ненорму частоты, уровень напряжения. Для обеспечения аварийного отключения от СЭП КА и от сети предусмотрены модули коммутатор и устройство ввода (УВ). С целью фильтрации низких Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов частот применены модули БФВх-01, БФВх-02, для фильтрации больших частот, появляющихся в итоге работы ВЧ модулей МПП и МКС, применен блок БФРП.

На опытнейших образчиках комплексов имитации нагрузок, проведены экспериментальные исследования и получены осциллограммы токов основного канала нагрузки и всех вспомогательных нагрузочных модулей.

Рис.8. Блок схема комплекса имитации нагрузок

Анализ осциллограмм токов Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов указывает, что расхождение меж экспериментальными и расчётными осциллограммами токов составляет 5 – 7 %, что гласит об адекватности математического описания и математических моделей нагрузочных комплексов.

Вид опытнейших образцов блоков имитации нагрузок представлен на рис. 9[4, 5].

Рис. 9. Блок имитации нагрузки на шину питания СЭП 100 В, БИН-100

Разработанная энергосберегающая структура комплекса имитации нагрузок для разных шин, 27 В Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов, 40 В, 100 В СЭП КА, позволяет получить экономию электроэнергии в границах 60 – 70 % от его мощности.

Модуль формирователя фронтов тока обеспечивает данное время переходного процесса при сбросе-набросе нагрузочного тока (≈ 10 мкс) при хоть какой величине имитируемого тока на основной шине.

Устройство импульсной нагрузки позволяет создавать имитацию нагрузочных токов в импульсном Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов режиме с возможностью цифровой регулировки продолжительности фронта, а устройство гармонической нагрузки обеспечивает возможность проводить тесты СЭП КА в широком спектре частот (20 Гц – 150 кГц).

Работа выполнена в рамках федеральной мотивированной программки «Научные и научно-педагогические кадры инноваторской России» на 2009-2013 годы (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2)

Литература

1. Юдинцев А.Г. Нагрузочные устройства для испытаний систем электропитания галлактических аппаратов Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов/ А.Г. Юдинцев, Ю.Н. Дементьев, О.В. Бубнов // Известия Томского политехнического института. – 2005. – Т.307, №6.– С. 126 – 130.

2. Кремзуков Ю.А Автоматическая система контроля энергопреобразующей аппаратуры систем электропитания галлактических аппаратов / Ю.А. Кремзуков, В.М. Рулевский, Ю.А. Шиняков, М.Н. Растений // Доклады Том. гос.ун-та систем управления и Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов радиоэлектроники. – 2010. – № 2(22), ч. 2. – С. 274– 280.

3. Юдинцев А. Г. Функциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания галлактических аппаратов/ А. Г. Юдинцев, Ю. Н. Дементьев // Материалы интернациональной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы» (Комсомольск-на-Амуре). – 2010. – С. 142 – 146.

4. Пат. 50317 РФ. Комплекс имитации нагрузки для тесты систем электроснабжения галлактических аппаратов / Мишин В.Н. (РФ), Бубнов Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов О.В. (РФ), Пчельников В.А. (РФ), Юдинцев А.Г. (РФ), Дементьев Ю.Н. (РФ). – 2005, Бюл. №36.

5. Пат. 75755 РФ. Имитатор нагрузок для тесты систем электроснабжения галлактических аппаратов / Мишин В.Н. (РФ), Бубнов О.В. (РФ), Пчельников В.А. (РФ), Юдинцев А.Г. (РФ), Иванов В.Л. (РФ), Патрахина О Многофункциональный энергосберегающий имитационный нагрузочный комплекс для систем электропитания космических аппаратов.В. (РФ). – 2008, Бюл. №23.


mnogopotokovie-programmi.html
mnogoprocessornie-vichislitelnie-kompleksi-elbrus-referat.html
mnogoproektnoe-upravlenie.html