RU158318U1

RU158318U1 - ELECTRONIC LOAD SIMULATOR FOR TESTS OF SPACE ELECTRICITY POWER SUPPLY SYSTEMS

Info

Publication number: RU158318U1
Application number: RU2015118389/02U
Authority: RU
Inventors: Вадим Николаевич Мишин; Виктор Алексеевич Пчельников; Антон Геннадьевич Юдинцев; Олег Викторович Бубнов
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2015-12-27

Abstract

Электронный имитатор нагрузки для испытаний систем электропитания космических аппаратов, содержащий последовательно соединенные коммутатор, соединяющий испытываемую систему электропитания с электронным имитатором, первый фильтр, блок повышающих преобразователей, состоящий из нескольких параллельно соединенных модулей повышающих преобразователей на основе управляемых ключей, блок конверторов, состоящий из нескольких параллельно соединенных автономных инверторов напряжения с трансформаторной развязкой в диагонали, соединенный своими входами с выходом блока повышающих преобразователей через промежуточный фильтр, второй фильтр, инвертор, ведомый сетью, а также блок управления, связанный входом с выходом промежуточного фильтра, выходами - с коммутатором, блоком повышающих преобразователей и блоком конверторов, и датчик тока, подключенный на входе первого фильтра, и выходом соединенный с блоком управления, отличающийся тем, что в него введен блок синхронизации, соединенный выходами с входами блока повышающих преобразователей и входами блока конверторов, управляющий моментами включения и отключения силовых транзисторов в параллельных модулях блока повышающих преобразователей со сдвигом на (360/m)° между модулями, где m - число модулей, и управляющий моментами включения и отключения силовых транзисторов между модулями блока конверторов со сдвигом на (360/n)°, где n - число модулей блока конверторов.An electronic load simulator for testing spacecraft power systems, comprising a series-connected switch connecting the test power system to an electronic simulator, a first filter, a boost converter unit, consisting of several parallel-connected boost converter modules based on controlled keys, a converter block, consisting of several parallel connected autonomous voltage inverters with transformer isolation in the diagonal, connected their inputs with the output of the block of step-up converters through an intermediate filter, a second filter, an inverter driven by the network, as well as a control unit connected to the input with the output of the intermediate filter, the outputs - with a switch, a block of step-up converters and a block of converters, and a current sensor connected to the input the first filter, and an output connected to the control unit, characterized in that a synchronization unit is inserted into it, connected by outputs to the inputs of the boost converter unit and the inputs of the converter unit, controlling the moment of switching on and off the power transistors in parallel modules of the block of step-up converters with a shift of (360 / m) ° between the modules, where m is the number of modules, and controlling the moments of turning on and off of the power transistors between the modules of the block of converters with a shift of (360 / n ) °, where n is the number of modules of the converter block.

Description

Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может использоваться для испытания систем электроснабжения. В частности, полезная модель относится к электронным имитаторам нагрузок для испытаний систем электропитания космических аппаратов. Для испытаний таких систем необходимо имитировать нагрузочные токи в широком диапазоне.The utility model relates to the field of converting technology and can be used to test power supply systems. In particular, the utility model relates to electronic load simulators for testing spacecraft power systems. To test such systems, it is necessary to simulate load currents over a wide range.

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 превышает 15 кВт. 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.On modern spacecraft, power supply systems, power distribution systems, systems for ensuring a given quality of storage, taking into account higher reliability compared to other systems, occupy up to 30% of the spacecraft in weight and volume. The average daily power of spacecraft power systems today exceeds 15 kW. Accordingly, devices for simulating loads during ground tests of power systems for spacecraft should provide a wide range of load currents, as well as static and dynamic modes of operation.

Известно устройство (патент РФ №2187192. МПК H02M 3/07, H02M 3/10) для испытания источников электропитания постоянного тока с рекуперацией энергии в сеть постоянного тока, содержащее первичный источник электроэнергии, испытываемый вторичный источник электропитания, блок нагрузочного устройства, в состав которого входят регулятор тока, преобразователь постоянного тока, накопительный конденсатор, датчик тока, причем к выходу вторичного источника электропитания подключены последовательно соединенные транзисторный регулятор тока, позволяющий моделировать наброс и сброс тока нагрузки, датчик тока и вход преобразователя постоянного тока, ограничивающего выделяемую на транзисторном регуляторе тока мощность, и возвращающего потребленную энергию в сеть постоянного тока, питающую испытываемый вторичный источник электропитания.A device is known (RF patent No. 2187192. IPC H02M 3/07, H02M 3/10) for testing DC power supplies with energy recovery in a DC network containing a primary power source, a tested secondary power source, a load device unit, which includes a current regulator, a DC-DC converter, a storage capacitor, a current sensor, and a transistor current regulator connected in series to the output of the secondary power supply, allowing the mod an isolated impingement and resetting of the load current, current sensor and the inverter input DC current limiting regulator transistor allocated to AC power, and returns the energy consumed in the DC link, test feed secondary power source.

В этом устройстве напряжение питающей сети и выходное напряжение преобразователя постоянного тока складываются, возникает необходимость применения дополнительного регулятора напряжения, поддерживающего напряжение питания испытываемого вторичного источника на постоянном уровне, что в свою очередь приводит к уменьшению коэффициента полезного использования энергии, усложнению схем управления, ухудшению массогабаритных характеристик. Кроме того, из-за возможного пропадания питающей сети переменного тока нельзя проводить длительные ресурсные испытания вторичных источников электропитания.In this device, the mains voltage and the output voltage of the DC / DC converter are added up, there is a need to use an additional voltage regulator that maintains the supply voltage of the tested secondary source at a constant level, which in turn leads to a decrease in energy efficiency, more complicated control circuits, and worsening of overall dimensions . In addition, due to the possible disappearance of the AC mains, it is impossible to conduct long-term life tests of secondary power sources.

Известно также устройство (патент РФ на полезную модель №75755, МПК G01R 31/02, G01R 31/40) для испытания источников электропитания постоянного тока с возвратом потребленной электроэнергии в промышленную электрическую сеть, содержащее несколько нагрузочных модулей, подключенных параллельно к тестируемой системе электроснабжения, и контроллер внешнего управления. 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.A device is also known (RF patent for utility model No. 75755, IPC G01R 31/02, G01R 31/40) for testing DC power supplies with the return of consumed electricity to an industrial electrical network containing several load modules connected in parallel to the power supply system under test, and an external control controller. The constant load module in the specified complex is made in the form connected to the tested power supply system through an input filter, a boost converter based on controlled keys and connected through an output filter to an inverter driven by a network, the control unit of which is connected to a transformer connected to the network.

Сегодня все еще имеют широкое применение СЭП КА с низкими напряжениями питающей шины постоянного тока - 27 и 40 В. При этом мощности этих СЭП возросли до 10 кВт.Недостатком устройства, описанного выше, является техническая сложность повышения таких уровней напряжения с помощью одного преобразовательного звена, до уровня необходимого для возврата электрической энергии в сеть с помощью ведомого инвертора (500-560 В).Today, SEC spacecraft with low voltage of the DC supply bus are still widely used - 27 and 40 V. Moreover, the power of these SECs has increased to 10 kW. The disadvantage of the device described above is the technical difficulty of increasing such voltage levels using a single converter link. to the level necessary to return electric energy to the network using a slave inverter (500-560 V).

Наиболее близким к заявляемому устройство является электронный имитатор нагрузки для испытаний систем электропитания космических аппаратов по патенту на полезную модель РФ №151494. Электронный имитатор по данному патенту содержит последовательно соединенные первый фильтр, блок повышающих преобразователей на основе управляемых ключей, второй фильтр и инвертор, ведомый сетью, блок управления, коммутатор, соединяющий испытываемую систему электропитания с нагрузочным комплексом, блок конверторов, соединенный своими входами с выходом блока повышающих преобразователей через промежуточный фильтр, датчик тока, подключенный на входе первого фильтра, при этом, выход датчика тока связан с блоком управления, блок повышающих преобразователей состоит из нескольких параллельно соединенных модулей повышающих преобразователей, количество которых определяется необходимой мощностью, а блок конверторов состоит из нескольких параллельно соединенных автономных инверторов напряжения с трансформаторной нагрузкой в диагонали, количество которых также определяется входной мощностью (значением имитируемого тока), вход блока управления связан с выходом промежуточного фильтра, а выходы блока управления связаны с коммутатором, блоком повышающих преобразователей и блоком конверторов.Closest to the claimed device is an electronic load simulator for testing power systems of spacecraft according to the patent for utility model of the Russian Federation No. 151494. The electronic simulator according to this patent contains in series a first filter, a block of step-up converters based on controlled keys, a second filter and an inverter driven by the network, a control unit, a switch connecting the tested power supply system to the load complex, a converter block connected by its inputs to the output of the raising block converters through an intermediate filter, a current sensor connected to the input of the first filter, while the output of the current sensor is connected to the control unit, increasing the unit their converters consists of several parallel-connected modules of step-up converters, the number of which is determined by the required power, and the converter block consists of several parallel-connected autonomous voltage inverters with transformer load in the diagonal, the number of which is also determined by the input power (value of the simulated current), the input of the control unit is connected with the output of the intermediate filter, and the outputs of the control unit are connected to the switch, the block of step-up converters and a block of converters.

Недостатком данного устройства являются повышенная пульсация тока при работе модулей блока повышающих преобразователей и блока модулей конверторов, когда транзисторы, входящие в состав этих модулей включаются и отключаются одновременно. Одновременное включение и выключение транзисторов в параллельных модулях повышающих преобразователей и параллельных модулях конверторов приводит к суммированию пульсаций на каждом модуле и, в результате, к получению максимальной пульсации тока на выходе имитатора нагрузки. Кроме того, в этом случае, помехи по включению и отключению увеличиваются в n раз (если n - количество модулей).The disadvantage of this device is the increased ripple current during the operation of the modules of the boost converter block and the converter module block, when the transistors included in these modules are turned on and off at the same time. The simultaneous switching on and off of transistors in parallel modules of step-up converters and parallel modules of converters leads to the summation of ripples on each module and, as a result, to obtain maximum current ripple at the output of the load simulator. In addition, in this case, the interference on switching on and off is increased n times (if n is the number of modules).

Задача полезной модели - снизить пульсацию выходного тока в модулях повышающих преобразователей и модулях конверторов. Технически эту задачу можно решить распределив моменты включения и отключения силовых транзисторов по периоду модуляции, сдвинув эти моменты во времени.The objective of the utility model is to reduce the ripple of the output current in boost converter modules and converter modules. Technically, this problem can be solved by distributing the moments of switching on and off of power transistors over a modulation period, shifting these moments in time.

Поставленная задача решается тем, что электронный имитатор нагрузки для испытаний систем электропитания космических аппаратов, также как и прототип содержит последовательно соединенные коммутатор, соединяющий испытываемую систему электропитания с электронным имитатором, первый фильтр, блок повышающих преобразователей, состоящий из нескольких параллельно соединенных модулей повышающих преобразователей на основе управляемых ключей, блок конверторов, состоящий из нескольких параллельно соединенных автономных инверторов напряжения с трансформаторной нагрузкой в диагонали, соединенный своими входами с выходом блока повышающих преобразователей через промежуточный фильтр, второй фильтр, инвертор, ведомый сетью, а также блок управления, связанный входом с выходом промежуточного фильтра, выходами - с коммутатором, блоком повышающих преобразователей и блоком конверторов, и датчик тока, подключенный на входе первого фильтра, и выходом соединенный с блоком управления. В отличие от прототипа указанный электронный имитатор содержит блок синхронизации, соединенный выходами с входами блока повышающих преобразователей и входами блока конверторов, и управляющий моментами включения и отключения силовых транзисторов в параллельных модулях повышающих преобразователей со сдвигом на (360/m)° между модулями, где m - число модулей, и - со сдвигом на (360/n)° - моментами включения и отключения силовых транзисторов между модулями конверторов, где n - число модулей конверторов.The problem is solved in that the electronic load simulator for testing spacecraft power systems, as well as the prototype, contains a series-connected switch connecting the tested power system with an electronic simulator, a first filter, a block of boost converters, consisting of several parallel-connected modules of boost converters based on controlled keys, block of converters, consisting of several parallel connected autonomous voltage inverters with a transformer load in the diagonal, connected by its inputs to the output of the step-up converter block through an intermediate filter, a second filter, an inverter driven by the network, as well as a control unit connected by the input to the output of the intermediate filter, the outputs - with a switch, block of step-up converters and a block of converters, and a current sensor connected to the input of the first filter, and the output connected to the control unit. In contrast to the prototype, the indicated electronic simulator contains a synchronization unit connected by outputs to the inputs of the step-up converter block and the inputs of the converter block, and controlling the moments of switching on and off power transistors in parallel modules of step-up converters with a shift of (360 / m) ° between the modules, where m - the number of modules, and - with a shift of (360 / n) ° - the moments of turning on and off the power transistors between the converter modules, where n is the number of converter modules.

Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых представлено: на Фиг. 1 - блок-схема предложенного электронного имитатора нагрузки, на Фиг. 2 - диаграммы входных токов блока повышающих преобразователей (a - при отсутствии синхронизации, b - с устройством синхронизации), на Фиг. 3 - диаграммы входных токов блока конверторов (a - при отсутствии синхронизации, b - с устройством синхронизации).Further, the essence of the utility model is explained using the figures in which: FIG. 1 is a block diagram of a proposed electronic load simulator; FIG. 2 - diagrams of input currents of a block of step-up converters (a - in the absence of synchronization, b - with a synchronization device), in FIG. 3 - diagrams of input currents of the converter unit (a - in the absence of synchronization, b - with the synchronization device).

Электронный имитатор нагрузки, подсоединяемый к тестируемой системе электропитания 1, состоит из последовательно соединенных коммутатора 2, первого фильтра 3, блока повышающих преобразователей 4, промежуточного фильтра 5, блока конверторов 6, второго фильтра 7, и ведомого сетью инвертора 8. Датчик тока 9, подключенный на входе первого фильтра 3, соединен с одним из входов блока управления 10, другой вход которого соединен с выходом промежуточного фильтра 5. Выходы блока управления 10 соединены с коммутатором 2, блоком повышающих преобразователей 4 и блоком конверторов 6. Устройство синхронизации 11 своими выходами соединено со схемами управления блока повышающих преобразователей 4 и блока конверторов 6. Коммутатор 2 представляет собой группу параллельно включенных контакторов, управляемых от блока управления 10. Коммутатор подключает (отключает) испытываемую систему электропитания в ходе проведения испытаний, а также отключает электронный имитатор от системы электропитания в случае возникновения аварийной, либо нештатной ситуации. Далее напряжение от испытываемой системы поступает на первый фильтр 3, необходимый для фильтрации низкочастотных пульсаций, возникающих при работе ведомого инвертора 8. Блок модулей повышающих преобразователей 4 представляет собой необходимое (в зависимости от мощности) количество параллельно включенных преобразователей. Основные функции блока повышающих преобразователей 4 - стабилизация входного тока, потребляемого от системы электропитания (СЭП) 1 при испытаниях, и осуществление первичного повышения напряжения СЭП (в 3-5 раз).An electronic load simulator connected to the tested power supply system 1 consists of a series-connected switch 2, a first filter 3, a block of step-up converters 4, an intermediate filter 5, a block of converters 6, a second filter 7, and a network-driven inverter 8. A current sensor 9 connected at the input of the first filter 3, it is connected to one of the inputs of the control unit 10, the other input of which is connected to the output of the intermediate filter 5. The outputs of the control unit 10 are connected to the switch 2, the unit of boost converters 4 and the converter unit 6. The synchronization device 11 is connected to the control circuits of the step-up converter unit 4 and the converter unit 6. The switch 2 is a group of parallel-connected contactors controlled from the control unit 10. The switch connects (disconnects) the tested power supply system during tests, and also disconnects the electronic simulator from the power supply system in the event of an emergency or emergency. Further, the voltage from the system under test is supplied to the first filter 3, which is necessary for filtering the low-frequency ripples that occur during the operation of the slave inverter 8. The module block of boost converters 4 represents the necessary (depending on power) number of converters connected in parallel. The main functions of the step-up converter unit 4 are stabilization of the input current consumed from the power supply system (SES) 1 during testing, and the primary increase in the voltage of the SES (3-5 times).

Далее повышенное напряжение, через промежуточный фильтр 5, необходимый для сглаживания выходных пульсаций напряжения с выхода блока 4, поступает в блок конверторов 6. Блок конверторов 6 представляет собой параллельно включенные автономные инверторы напряжения с трансформаторной нагрузкой в диагонали. Количество инверторов определяется мощностью (значением имитируемого тока). Основные функции блока автономных инверторов 6 - дополнительное повышение напряжения до значения, достаточного для сброса энергии в сеть при помощи ведомого инвертора 8, а также гальваническая развязка СЭП 1 от силовой сети. Напряжение на входе блока 6 остается постоянным и стабилизированным в течение всего времени работы нагрузочного комплекса. Второй фильтр 7, установленный на общую шину после блока автономных инверторов 6, служит для подавления высокочастотных пульсаций, возникающих во время работы модулей автономных инверторов 15. Ведомый сетью инвертор 8 необходим для сброса энергии непосредственно в силовую трехфазную сеть.Further, the increased voltage, through the intermediate filter 5, necessary to smooth the output ripple voltage from the output of block 4, is supplied to the block of converters 6. The block of converters 6 is a parallel connected autonomous voltage inverters with transformer load in the diagonal. The number of inverters is determined by the power (simulated current value). The main functions of the unit of autonomous inverters 6 are an additional increase in voltage to a value sufficient to discharge energy into the network using the slave inverter 8, as well as galvanic isolation of the BOT 1 from the power network. The voltage at the input of block 6 remains constant and stabilized throughout the entire operation of the load complex. The second filter 7, mounted on a common bus after the block of autonomous inverters 6, serves to suppress high-frequency ripples that occur during the operation of modules of autonomous inverters 15. The network-driven inverter 8 is needed to dump energy directly into the power three-phase network.

В электронный имитатор добавлено устройство синхронизации 11, соединенное с входами блока повышающих преобразователей 4 и блока конверторов 6, позволяющее уменьшить пульсацию имитируемого входного тока и за счет этого снизить габариты и вес фильтров 3 и 5, а также существенно снизить уровень помех. Сущность работы устройства синхронизации в составе электронного имитатора нагрузок объясняется на Фиг. 2 и Фиг. 3.A synchronization device 11 has been added to the electronic simulator, connected to the inputs of the block of boost converters 4 and the block of converters 6, which allows to reduce the ripple of the simulated input current and thereby reduce the dimensions and weight of filters 3 and 5, as well as significantly reduce the level of interference. The essence of the operation of the synchronization device as part of an electronic load simulator is explained in FIG. 2 and FIG. 3.

На диаграмме Фиг. 2a показаны входные токи двух модулей повышающих преобразователей при отсутствии синхронизации, когда модули работают в фазе, т.е., коммутация транзисторов в обоих модулях происходит одновременно, что ведет к получению максимальной пульсации тока на входе имитатора нагрузки, а также увеличение в m раз помех при включении и отключении, где m - число модулей. На диаграмме Фиг. 2b показано действие устройства синхронизации 11, когда моменты коммутации силовых транзисторов отдельных модулей распределены по периоду модуляции. Весь период составляет 360 эл. градусов, тогда для двух модулей сдвиг составит 360/2=180 эл. градусов. Соответственно, пульсация входного тока снижается в 2 раза. Моменты коммутации силовых транзисторов распределяются по периоду, тем самым уменьшая амплитуду помеховых выбросов.In the diagram of FIG. 2a shows the input currents of two modules of step-up converters in the absence of synchronization, when the modules operate in phase, i.e., the switching of transistors in both modules occurs simultaneously, which leads to the maximum ripple of the current at the input of the load simulator, as well as an increase in m times of interference when turning it on and off, where m is the number of modules. In the diagram of FIG. 2b shows the action of the synchronization device 11 when the switching times of the power transistors of the individual modules are distributed over the modulation period. The entire period is 360 email. degrees, then for two modules the shift will be 360/2 = 180 e. degrees. Accordingly, the ripple of the input current is reduced by 2 times. The switching moments of power transistors are distributed over the period, thereby reducing the amplitude of the interference emissions.

На Фиг. 3а показаны входные токи модулей конверторов, которые представляют собой автономные инверторы напряжения. Форма входного тока в каждом из них также имеет пилообразный характер, поэтому если работу модулей синхронизировать, распределив начальные фазы по периоду работы одного модуля в соответствии с формулой 360°/n, то так же получим снижение размаха пульсации входного тока в n раз, что позволит снизить габариты фильтров. На Фиг. 3b представлены входные токи для четырех модулей конверторов, где сдвиг между модулями составляет 360/4=90 эл. градусов.In FIG. 3a shows the input currents of the converter modules, which are autonomous voltage inverters. The shape of the input current in each of them also has a sawtooth nature, so if you synchronize the operation of the modules by distributing the initial phases over the period of operation of one module in accordance with the formula 360 ° / n, then we also get a decrease in the amplitude of the input current ripple by a factor of n, which will allow reduce the size of the filters. In FIG. 3b shows the input currents for four converter modules, where the shift between the modules is 360/4 = 90 el. degrees.

В конкретном примере выполнения имитатора синхронизация осуществлялась с частотой 50 кГц для модулей повышающих преобразователей, и с частотой 100 кГц для модулей конверторов.In a specific example of simulator execution, synchronization was carried out with a frequency of 50 kHz for boost converter modules, and with a frequency of 100 kHz for converter modules.

Основным достоинством предложенного имитатора нагрузки по сравнению с прототипом является снижение пульсации имитируемых входных токов, а также помеховых выбросов при коммутации силовых транзисторов, и, за счет этого, снижение габаритов и веса фильтров 3 и 7.The main advantage of the proposed load simulator compared to the prototype is the reduction of ripple of the simulated input currents, as well as interference emissions when switching power transistors, and, due to this, the reduction in size and weight of filters 3 and 7.

Claims

An electronic load simulator for testing spacecraft power systems, comprising a series-connected switch connecting the test power system to an electronic simulator, a first filter, a boost converter unit, consisting of several parallel-connected boost converter modules based on controlled keys, a converter block, consisting of several parallel connected autonomous voltage inverters with transformer isolation in the diagonal, connected their inputs with the output of the block of step-up converters through an intermediate filter, a second filter, an inverter driven by the network, as well as a control unit connected to the input with the output of the intermediate filter, the outputs - with a switch, a block of step-up converters and a block of converters, and a current sensor connected to the input the first filter, and an output connected to the control unit, characterized in that a synchronization unit is introduced into it, connected by outputs to the inputs of the boost converter unit and the inputs of the converter unit, I control the moment of switching on and off the power transistors in parallel modules of the block of step-up converters with a shift of (360 / m) ° between the modules, where m is the number of modules, and controlling the moments of turning on and off of the power transistors between the modules of the block of converters with a shift of (360 / n ) °, where n is the number of modules of the converter block.