RU158876U1 - Электронный имитатор аккумуляторной батареи - Google Patents

Abstract

Электронный имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения, содержащий прямой и обратный каналы преобразования энергии, предназначенные соответственно для имитации режима разряда и режима заряда аккумуляторной батареи, соединенные параллельно между питающей сетью переменного тока и испытываемой системой электроснабжения через первый фильтр, и связанные с блоком управления, в котором прямой канал, предназначенный для имитации режима разряда, осуществляет преобразование электроэнергии переменного тока питающей сети в энергию постоянного тока, а обратный канал, предназначенный для имитации режима заряда, содержит преобразователь напряжения, повышающий напряжение до необходимого уровня, входы которого являются входами канала и соединены с выходами блока управления и с системой электроснабжения, а выходы - с входами автономного инвертора, осуществляющего гальваническую развязку и дополнительное повышение напряжения до уровня, необходимого для сброса энергии в сеть, вторые входы которого соединены с выходом блока управления, а выходы - через второй фильтр соединены с входами трехфазного инвертора, ведомого сетью, отличающийся тем, что прямой канал соединен с источником бесперебойного питания, а в обратный канал, предназначенный для имитации режима заряда, дополнительно введена цепь, состоящая из транзисторного ключа и модуля нагрузочных резисторов, соединенная со вторым фильтром и схемой управления, а в схему управления введен контроллер, контролирующий напряжение второго фильтра, и управляющий подключением/отключением модуля нагрузочных резисторов.

Description

Полезная модель относится к оборудованию для испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, источником питания в которых является аккумуляторная батарея, и, в частности, представляет собой электронный имитатор аккумуляторной батареи, используемый для испытаний систем электроснабжения. Полезная модель может использоваться для имитации работы аккумуляторной батареи в наземно-технических испытаниях систем электропитания космических аппаратов.

Электрооборудование современных ракетно-космических систем содержит первичные и вторичные источники электрической энергии, накопители энергии, энергопреобразующее оборудование и потребители электроэнергии. Все эти подсистемы находятся в сложной динамической взаимосвязи друг с другом, являются источниками кондуктивных и наведенных электромагнитных помех, что существенно влияет на качество электроэнергии, помехоустойчивость и помехозащищенность бортовой сети. Обычный метод испытания наземных систем электроснабжения включает процессы заряда и разряда аккумуляторной батареи и определение отклика системы на эти процессы. Однако, поскольку процессы заряда/разряда являются относительно медленными процессами, такой подход для испытаний системы требует значительных затрат времени для его проведения, кроме того, использование реальных аккумуляторных батарей для проведения испытаний является слишком затратным. Поэтому в последние годы используют различные имитаторы аккумуляторных батарей для проведения таких испытаний, обеспечивающих снижение времени проведения испытаний, а также затрат, связанных с проведением таких испытаний.

Известны имитаторы батарей по патентам США 5428560 и 4499552, недостатком которых является низкий КПД использования электроэнергии, так как потребляемая мощность в режиме заряда рассеивается на сопротивлениях в виде тепловых потерь.

Известны имитаторы аккумуляторных батарей, в которых энергия при имитации заряда рекуперируется в сеть, повышая КПД имитатора. К ним относится имитатор химической батареи по авторскому свидетельству SU 1089593, включающий прямой и обратный каналы передачи энергии, соответствующие режимам разряда и заряда батареи, выходного фильтра, блока управления, включающего датчик тока и функциональный преобразователь, и элементы гальванической развязки. Прямой канал включает диодный выпрямитель, релейный транзисторный стабилизатор тока, и преобразователь постоянного напряжения в постоянное. Обратный канал содержит транзисторный инвертор, релейный транзисторный стабилизатор тока, и преобразователь постоянного напряжения в постоянное. Имитатор обеспечивает двухсторонний обмен энергией между сетью переменного напряжения и потребителем со стороны выхода, обеспечивая более высокий КПД использования электроэнергии.

Недостатки указанного имитатора заключаются в следующем:

- в указанной системе преобразователь энергии является статическим, т.е. ток непрерывно протекает через регулирующие транзисторы, делая низким КПД системы, транзисторы статического преобразователя необходимо устанавливать на радиаторы больших размеров с дополнительным воздушным охлаждением, увеличивая при этом массогабаритные показатели и стоимость устройства;

- тиристорные инверторы не обладают достаточной надежностью, отвечающей современным требованиям.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по существенным признакам и техническому результату является имитатор аккумуляторной батареи для испытания систем электроснабжения космических аппаратов по полезной модели РФ №73102.

Указанный имитатор аккумуляторной батареи содержит прямой и обратный каналы преобразования энергии, предназначенные соответственно для имитации режимов разряда и заряда аккумуляторной батареи, соединенные параллельно между питающей сетью переменного тока, и системой электроснабжения через выходной фильтр, и связанные с блоком управления. При этом прямой канал (или канал имитации разряда) соединен с питающей сетью через источник бесперебойного питания и включает последовательно соединенные входной выпрямитель и высокочастотный преобразователь энергии, выход которого связан с выходным фильтром, а вход - с блоком управления. Обратный канал (или канал имитации заряда) включает преобразователь напряжения с параллельным ключевым элементом, повышающий напряжение до необходимого уровня, входы которого являются входами канала и соединены с выходами блока управления и, через фильтр, с системой электроснабжения, а выходы - с входами функционального преобразователя, выполненного в виде автономного инвертора, осуществляющего гальваническую развязку и дополнительное повышение напряжения до уровня, необходимого для сброса энергии в сеть, вторые входы которого соединены с выходом блока управления, а выходы - через фильтр соединены с входами трехфазного инвертора, ведомого сетью, выполненного на IGBT-транзисторах.

Принцип действия имитатора аккумуляторной батареи основан на преобразовании электроэнергии переменного тока питающей сети в энергию постоянного тока, передаче ее в нагрузку в режиме «Разряд» и преобразовании входного постоянного тока в энергию переменного тока и передаче ее в питающую сеть в режиме «Заряд».

Недостатком имитатора является недостаточная надежность, связанная с возникновением помех в сети, либо с пропаданием в сети, либо аварии блока ведомого инвертора, и вынужденная при этом остановка испытаний.

Задача полезной модели - повышение надежности имитатора за счет обеспечения непрерывного проведения испытаний при нестабильности сети или аварийных ситуациях с блоком ведомого инвертора.

Поставленная задача решается тем, что в имитаторе аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения, содержащем прямой и обратный каналы преобразования энергии, предназначенные соответственно для имитации режимов разряда и заряда аккумуляторной батареи, соединенные параллельно между питающей сетью переменного тока и испытываемой системой электроснабжения через первый фильтр, и связанные с блоком управления, в котором прямой канал (или канал имитации разряда) осуществляет преобразование электроэнергии переменного тока питающей сети в энергию постоянного тока, а обратный канал (или канал имитации заряда) включает преобразователь напряжения, повышающий напряжение до необходимого уровня, входы которого являются входами канала и соединены с выходами блока управления и, через первый фильтр, с испытываемой системой электроснабжения, а выходы - с входами функционального преобразователя, выполненного в виде автономного инвертора, осуществляющего гальваническую развязку и дополнительное повышение напряжения до уровня, необходимого для сброса энергии в сеть, вторые входы которого соединены с выходом блока управления, а выходы - через второй фильтр соединены с входами трехфазного инвертора, ведомого сетью, прямой канал (канал разряда) соединен с сетью переменного тока через источник бесперебойного питания, а в обратный канал дополнительно введена цепь, состоящая из последовательно соединенных транзисторного ключа и модуля нагрузочных резисторов, соединенная с указанным вторым фильтром и схемой управления, а в схему управления введен контроллер, контролирующий напряжение второго фильтра, и управляющий включением и выключением транзисторного ключа модуля нагрузочных резисторов.

На рисунке показана блок схема имитатора аккумуляторной батареи.

Имитатор аккумуляторной батареи состоит из прямого канала 1 (канал имитации разряда) и обратного канала 2 (канал имитации заряда) преобразования энергии. Прямой 1 и обратный 2 каналы соединены с сетью переменного тока и с испытываемой системой электроснабжения 3 через первый фильтр 4. При этом прямой канал 1 соединен с источником бесперебойного питания 5. Оба канала соединены с блоком управления 6, связанным с ПЭВМ 7, которая посредством блока управления, способна управлять режимами работы имитатора. Кроме того, посредством ПЭВМ в имитаторе осуществляется автоматический самоконтроль основных электрических параметров при включении питания с подтверждением готовности имитатора к работе.

Обратный канал 2 (канал имитации заряда) состоит из последовательно соединенных повышающего преобразователя 8, автономного инвертора 9, второго фильтра 10 и ведомого сетью инвертора 11, соединенного с питающей сетью переменного тока. Входы автономного инвертора 9 и повышающего преобразователя 8 связаны с блоком управления 6. Выход фильтра 10 соединен с блоком управления бис дополнительно введенной цепью, состоящей из транзисторного ключа 12 и, последовательно с ним соединенного, модуля нагрузочных сопротивлений 13.

Принцип действия имитатора аккумуляторной батареи основан на преобразовании электроэнергии переменного тока питающей сети в энергию постоянного тока, передаче ее в нагрузку в режиме «Разряд» и преобразовании входного постоянного тока в энергию переменного тока и передаче ее в питающую сеть в режиме «Заряд».

В режиме «Разряд» имитатор функционирует как вторичный источник питания. Напряжение питающей сети или источника бесперебойного питания выпрямляется, регулируется и стабилизируется, и затем через фильтр 4 поступает в испытываемую систему электроснабжения 3.

Поддержание требуемых параметров канала «Разряд» и управление силовыми ключами преобразователей прямого канала обеспечивается блоком управления 6.

В режиме «Заряд» напряжение с выхода системы электроснабжения 3 поступает на модули повышающего преобразователя 8, который стабилизирует и регулирует входное напряжение в данном режиме. С выходов повышающего преобразователя 8 повышенное напряжение поступает на гальваноразвязанный ШИМ-преобразователь 9, который поддерживает постоянное напряжение у себя на входе. Выходное напряжение инвертора 9 через фильтр 10 поступает на ведомый сетью инвертор 11, где осуществляется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока питающей сети. Задача фильтра 10 состоит в фильтрации высокочастотной пульсации выходной энергии инвертора 9, сбрасываемой в сеть. С выхода ведомого сетью инвертора 11 эта энергия возвращается в сеть. Импульсы управления на транзисторы инвертора формируются в блоке управления 6.

В штатном режиме напряжение на фильтре 10 не превышает установленной величины, равной максимальному действующему напряжению сети U_dmax (в конкретном примере выполнения - 550 В), и энергия сбрасывается в сеть инвертором 11, ведомым сетью. При возникновении нестабильности сети или пропадания сети происходит авария ведомого инвертора и прекращается сброс энергии в сеть. При этом прямой канал 1 работает от источника бесперебойного питания 4. Напряжение на фильтре 10 начинает расти. При превышении установленного порогового значения, превышающего U_dmax, срабатывает контроллер, следящий за напряжением фильтра 10, он управляет включением ключа 12. При включении ключа 12, к фильтру 10 подключается модуль нагрузочного сопротивления 13, и, в этом случае, сброс энергии происходит на резисторы модуля 13. Контроллер в блоке управления 6 постоянно контролирует сетевое напряжение. Когда напряжение сети становится нормальным, для запуска ведомого инвертора необходимо снизить напряжение фильтра ниже U_dmin. Поэтому контроллер не сразу включает в работу ведомый инвертор, но некоторое время разряжает фильтр 10 на резисторы модуля 13 до установленного значения напряжения ниже U_dmin. (в данном примере - 400 В). После этого, контроллер выключает ключ 12, запускается инвертор 11, ведомый сетью, и опять происходит сброс энергии в сеть. Разряд фильтра 10 до включения в работу инвертора 11 необходим, чтобы избежать броска тока через цепи ведомого инвертора 11 при работе на сеть.

Поддержание заданного входного тока имитатора и защиту силовых ключей преобразователей имитатора по току осуществляет блок управления 6.

Имитатор аккумуляторных батарей по данной полезной модели позволяет повысить надежность имитатора, обеспечивая непрерывность его работы при возникновении аварийных ситуаций в сети или в цепи инвертора, ведомого сетью.

Claims (1)

1. Электронный имитатор аккумуляторной батареи для испытаний систем электроснабжения, содержащий прямой и обратный каналы преобразования энергии, предназначенные соответственно для имитации режима разряда и режима заряда аккумуляторной батареи, соединенные параллельно между питающей сетью переменного тока и испытываемой системой электроснабжения через первый фильтр, и связанные с блоком управления, в котором прямой канал, предназначенный для имитации режима разряда, осуществляет преобразование электроэнергии переменного тока питающей сети в энергию постоянного тока, а обратный канал, предназначенный для имитации режима заряда, содержит преобразователь напряжения, повышающий напряжение до необходимого уровня, входы которого являются входами канала и соединены с выходами блока управления и с системой электроснабжения, а выходы - с входами автономного инвертора, осуществляющего гальваническую развязку и дополнительное повышение напряжения до уровня, необходимого для сброса энергии в сеть, вторые входы которого соединены с выходом блока управления, а выходы - через второй фильтр соединены с входами трехфазного инвертора, ведомого сетью, отличающийся тем, что прямой канал соединен с источником бесперебойного питания, а в обратный канал, предназначенный для имитации режима заряда, дополнительно введена цепь, состоящая из транзисторного ключа и модуля нагрузочных резисторов, соединенная со вторым фильтром и схемой управления, а в схему управления введен контроллер, контролирующий напряжение второго фильтра, и управляющий подключением/отключением модуля нагрузочных резисторов.

   

Images