CC BY
15
УДК 621.3.34
РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ НАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ КОМБИНИРОВАННОГО ТИПА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ
АППАРАТОВ*
А. С. Федченко, Е. А. Мизрах, Д. К. Лобанов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: alek.fedchenko@gmail.com
Рассматриваются принципы проектирования нагрузочных устройств для испытаний энергосистем космических аппаратов в зависимости от требуемых испытательных задач.
Ключевые слова: системы электропитания, нагрузочное устройство, импульсный преобразователь.
DESIGN AND ANALYSIS OF DC RECOVERY TYPE ELECTRONIC LOADS FOR SPACECRAFT POWER SUPPLY TESTING
A. S. Fedchenko, E. A. Mizrah, D. K. Lobanov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: slhmmr@gmail.com
The principles DC recovery type electronic loads for spacecraft power supply system тестинг design are considered depending on the required test tasks.
Keywords: electronic load, power supply systems, switched-mode converter.
В процессе разработки системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА) одной из ключевых стадий производства является этап наземных испытаний, в ходе которого определяются эксплуатационно-технические характеристики СЭП. В частности, для проверки электрических характеристик СЭП проводится ряд электрических испытаний, в ходе которых используются нагрузочные устройства, имитирующие различные режимы нагружения СЭП.
Внутренняя структура нагрузочного устройства определяется исходя из предъявляемых к нему характеристик, среди которых выделяются:
- диапазон изменения входного напряжения;
- диапазон изменения входного тока;
- максимальная мощность потребления;
- необходимость наведения помех по входному току (требуемые амплитуда и полоса частот);
- необходимость обеспечения рекуперации избыточной электроэнергии в питающую сеть.
В простейшем случае нагрузочное устройство представляет собой транзисторный стабилизатор тока, на котором рассеивается вся потребляемая нагрузочным устройством электроэнергия, однако, такой вид утилизации энергии ухудшает массогабаритные характеристики устройства и ограничивает его мобильность. Решением этой проблемы являются организации рекуперации избыточной электроэнергии в сеть переменного или постоянного тока. Достоинство рекуперации в сеть переменного тока - избыточная электроэнергия может возвращаться непосредственно
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0082).
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
в питающую промышленную сеть переменного тока, откуда она может быть использована другими потребителями, недостаток - невозможность организации автономной работы испытательного комплекса от источников бесперебойного питания [1]. Достоинство рекуперации в сеть постоянного тока - отсутствие выходного DC-AC преобразователя на выходе нагрузочного устройства, что ведёт к увеличению КПД и массогабаритных характеристик, недостаток - возможность использования нагрузочного устройства только в составе испытательного комплекса, в питающую сеть постоянного тока которого производится рекуперация [2]. Наиболее перспективной топологией является топология с рекуперацией в сеть постоянного тока.
A B C
ВС
+
i
ИСБ + + СЭП + + НУК
+
Рис. 1. Структурная схема испытательного комплекса с рекуперацией электроэнергии
в сеть постоянного тока: ВС - выпрямитель-стабилизатор; ИСБ - имитатор солнечной батареи;
СЭП - система электропитания; НУК - нагрузочное устройство комбинированного типа
Нагрузочное устройство с рекуперацией в сеть постоянного тока в простейшем виде представляет собой импульсный DC-DC преобразователь [3]. Однако полоса частот импульсного преобразователя является небольшой, что, при необходимости наведения помех по входному току, влечёт за собой введение в структуру нагрузочного устройства дополнительных широкополосных транзисторных стабилизаторов входного тока. Устройства, сочетающие в своём составе импульсный и транзисторный преобразователь, являются нагрузочными устройствами комбинированного типа.
Системы управления, используемые в нагрузочных устройствах, могут выполняться в аналоговом или цифровом виде [4]. Достоинством аналоговых систем управления является высокое быстродействие, недостатком - сложность реализации математических функций. Достоинством цифровых систем управления является гибкость структуры контура управления, недостатком -наличие цифровых шумов. Таким образом, исполнение контуров управления, к которым предъявляется требование обеспечения широкой полосы частот необходимо выполнять в аналоговом виде. В случаях, когда требуется реализация математических функций (функциональный преобразователь) или управление импульсным преобразователем (широтно-импульсный модулятор) систему управления возможно реализовать в цифровом виде.
На основе приведённых выше рекомендаций было разработано нагрузочное устройство со следующими характеристиками:
- диапазон входных напряжений: 20-120 В;
- максимальная входная мощность: 1500 Вт;
- максимальный входной ток: 20 А;
- амплитуда гармонической составляющей тока: не менее 1 А;
- полоса частот гармонического сигнала: не более 300 кГц;
- наибольший коэффициент рекуперации: не менее 80 %;
- реализация следующих видов нагрузок: с омическим характером зависимости тока и напряжения (стабилизация входного сопротивления), с постоянной мощностью потребления (стабилизация входной мощности).
Осциллограммы наведения помех по входному току представлены на рис. 2.
На рис. 2, а представлен режим, в котором наведение помех по входному току производится только за счёт транзисторного стабилизатора тока. Для повышения КПД на транзисторных стабилизаторах следует рассеивать только ту мощность, которая необходима для наведения по-
мех требуемой амплитуды. В случае необходимости наведения низкочастотных помех существует возможность также использовать импульсный преобразователь, через который производится рекуперация в сеть постоянного тока, но при этом возможно искажение формы наводимых колебаний (рис. 2, б).
б
а
Рис. 2. Наведение колебаний по входному току нагрузочного устройства комбинированного типа (оранжевый - напряжение наводимого сигнала, голубой - входной ток нагрузочного устройства) (а) частота 20 кГц, размах - 3 А, (б) частота 2 кГц, размах - 4 А
Дальнейшее увеличение общей мощности потребления нагрузочного устройства и амплитуды наводимых помех возможно посредством применения модульной структуры нагрузочного устройства.
Библиографические ссылки
1. Электронные нагрузки [Электронный ресурс] // Elektro-Automatik. URL: http:// www. elektroautomatik.de (дата обращения: 20.02.2017).
2. Лобанов Д. К., Мизрах Е. А. Нагрузочное устройство рекуперативного типа с улучшенными динамическими характеристиками // Вестник СибГАУ. 2012. Вып. 4(44). С. 42-46.
3. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М. : Техносфера, 2005. 632 с.
4. Selvaraj J., Rahim N. A. Multilevel Inverter For-Grid-Connected PV System Employing Digital PI Controller. IEEE Trans. on Industrial Electronics, 2008. Vol. 56, No. 1, P. 149-158. doi: 10.1109/TIE.2008.928116.
© Федченко А. С., Мизрах Е. А., Лобанов Д. К., 2017
