Энергосберегающее нагрузочное устройство для испытаний систем электропитания постоянного тока

Для электрических испытаний систем электропитания космических аппаратов, в частности вторичных источников электропитания (ВИЭП), используются нагрузочные устройства (НУ), задачей которых является имитация требуемых режимов электронагружения ВИЭП. По типу применяемого нагрузочного элемента НУ можно разделить на резистивные и транзисторные. По способу утилизации энергии НУ можно разделить на тепловые, со сбросом тепла в окружающую среду (тип Т), и рекуперационные, с частичным возвратом электроэнергии в сетьпеременно-го или постоянного тока (тип Р). Резистивные НУ относительно просты, допускают высокую температуру нагрева нагрузочных элементов, что позволяет обеспечитьхоро-шие массогабаритные характеристики. Основными недостатками их является плохая управляемость, что не позволяет реализоватьмногие режимы испытаний, и отсутствие энергосбережения из-за принадлежности к типу Т. Транзисторные НУ, работающие в непрерывном режиме, хорошо управляются, позволяют воспроизводитьдинами-ческие характеристики реальных потребителей, но, вследствие ограничений на температуру транзисторов, имеют плохие массогабаритные характеристики; транзисторные НУ также принадлежат типу Т.

Известны НУ [1], в которых энергия ВИЭП рекуперируется в сетьпеременного тока. Такие НУ позволяют ре-ализоватьразличные режимы испытаний, обладают относительно высоким коэффициентом рекуперации. Существенным недостатком таких НУ является необходи-мостьсогласования параметров выходного напряжения рекуператора с параметрами сети и, как следствие, слож-ностьи высокая стоимость.

Существует большой ряд ВИЭП, содержащих первичный источник электропитания (ПИЭП) с выходом на постоянном токе. Известно НУ с рекуперацией энергии в сетьпостоянного тока [2], в котором выходное напряжение НУ суммируется с напряжением сети, питающей ВИЭП. В таком НУ возникает необходимостьв дополнительном импульсном преобразователе (ИП), стабилизирующем напряжение питания ВИЭП, что усложняет устройство и отрицательно сказывается на массогабаритных характеристиках.

Авторами предлагается НУ с рекуперацией энергии в сетьпостоянного тока с параллельным подключением выхода НУ к сети. В этом случае можно существенно улучшитьмассогабаритные характеристики и уменьшить энергопотребление от ПИЭП.

Возможная структура такого НУ приведена на рис. 1.

Согласно структурной схеме, ПИЭП питает постоянным напряжением ВИЭП, датчик тока ДТ измеряет ток, потребляемый НУ, импульсный модулятор ИМ формирует закон управления ИП, фильтры Ф₁ иФ₂ осуществляют фильтрацию тока I _НУ и I _рек соответственно. Гальванически развязанный выход ИП включен параллельно с выходом ПИЭП.

ИП работает в режиме стабилизации тока IНУ, потребляемого НУ от ВИЭП. Напряжение, пропорциональное данному току IНУ, с датчика тока ДТ, сравнивается в сумматоре с напряжением Uоп, которое пропорционально требуемому току нагрузки, затем сигнал рассогласова- ния εI, пропорциональный отклонению действующего тока нагрузки от требуемого, усиливается усилителем напряжения УН и поступает на вход управления ИП. В ИП входная электроэнергия одного уровня напряжения преобразуется в электроэнергию уровня напряжения, требуемого для рекуперации в ВИЭП, минуя ПИЭП.

Можно показать, что мощность, потребляемая от

ПИЭП в установившемся режиме, составляет

где P _ПИЭП – мощность, отдаваемая ПИЭП; P _НУ – мощность, потребляемая НУ; η ₂ – КПД ВИЭП, K _р – коэффициент рекуперации, т. е. отношение возвращаемой (рекуперируемой) мощности НУ к потребляемой:

P рек р ,

P НУ

где P _рек – возвращаемая (рекуперируемая) мощностьНУ; P _НУ – входная мощностьНУ.

Из выражения (1) видно, что применение НУ с реку- перацией энергии в сетьпостоянного тока позволяет сни-зитьмощность, потребляемую от ПИЭП.

Основной подсистемой НУ является ИП с гальвани- ческой развязкой. В настоящее время существует множество различных типов импульсных преобразователей, однако в силовой электронике мощные ИП с гальванической развязкой выполняются, как правило, по мостовой схеме, что существенно сокращает областьпоиска при выборе типа ИП. Проведем сравнительный анализ нескольких типов ИП (см. таблицу).

Преобразовательс ШИМ не обладает «мягким» переключением ключей, т. е. переключением при нулевом напряжении на ключе или нулевом токе через ключ, что обусловливает высокий уровень импульсных помех и динамические потери на ключах.

В преобразователе с резонансным контуром коэффициент формы тока через ключи не равен единице, а это значит, что приоднойитойже мощности преобразователя с ШИМи преобразователя с резонансным контуром в последнем максимальное значение тока через ключ будет выше, следовательно, и потери будут больше. Кроме того, возникает необходимость применения ключей с большим максимальным током.

В преобразователе с фазовым управлением ток через ключ имеет прямоугольную форму, ивтоже время обеспечивается мягкое переключение ключей. Поэтому в данном случае целесообразно применять ИП с фазовым управлением. Принцип работы преобразователя с фазовым управлением описан в [1].

Выравнивание напряжения ИП и ПИЭП достигается следующим образом. Напряжение холостого хода на выходе ИП несколько превышает напряжение ПИЭП, но так как коэффициент рекуперации K _р меньше единицы, диод VD1 на структурной схеме (см. рис. 1) в установившемся режиме всегда будет открыт, следовательно, напряжение на выходе ИП не будет превышатьнапряжения ПИЭП с учетом падения напряжения на диодах.

Моделирование НУ проведено в пакете Micro-CAP (рис. 2). Схемы эксперимента и силовой части НУ показаны на рис. 3.

В системе управления НУ (см. рис. 2) для формирования и усиления сигнала рассогласования на основе сравнения опорного напряжения V2 и напряжения обратной связи (ОС) V1 применен операционный усилитель (ОУ) DA1. Корректирующее устройство (КУ) R1, R3, C1, C2 служит для обеспечения устойчивости замкнутого контура при максимальном быстродействии. Элементы DA2, DD1–DD17, R6–R9, C3–C6 образуют ФИМ, который формирует закон управления ключами НУ VT1–VT4 (см. рис. 3). В качестве ПИЭП применен источник напряжения V9. Элементы R14, R20, R21, L1, L3, L4 имитируют импеданс соединительных линий. В ВИЭП для формирования и усиления сигнала рассогласования используется ОУ DA3, ШИМ выполнен на компараторе DA4 и генераторе пилообразного напряжения V12 и управляет ключом S1. Элементы L2, C10 образуют выходной фильтр ВИЭП, необходимый для выделения постоянной составляющей в выходном сигнале. Элемент C7 и сопротивление соединительных линий образуют входной фильтр ВИЭП, снижающий пульсации входного тока. ВНУклю-чи VT1–VT4 образуют мост, к одной диагонали которого подключен выход ВИЭП, а к другой – гальванически развязывающий выходной трансформатор T1. Емкости C11, C12, C16, C17 ограничивают скоростьнарастания напряжения сток-исток на транзисторах VT1–VT4 при выключении. Входной фильтр НУ образован емкостью C13 и сопротивлением линии R21. Диодный мост VD5, VD6, VD9, VD10 выпрямляет напряжение вторичной обмотки

Рис. 1. Структурная схема НУ с рекуперацией в сетьпостоянного тока: ПИЭП – первичный источник электропитания;

ВИЭП – вторичный источник электропитания; ДТ – датчик тока; ИП – импульсный преобразователь; Ф₁ – входной фильтр; Ф₂ – выходной фильтр; ИМ – импульсный модулятор; U _оп – опорное напряжение, пропорциональное току нагрузки;

U _Н – напряжение нагрузки; I _НУ – ток нагрузочного устройства; I _рек – ток рекуперации; ε _I – сигнал рассогласования

Сравнительный анализ импульсных преобразователей

Тип преобразователя Мягкое переключение ключей Коэффициент формы тока через ключи Контролирующий параметр Преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) [3] Нет 1 Коэффициент заполнения γ Преобразователь с резонансным контуром [1] Да π 22 Частота f Преобразователь с фазовым управлением [1] Да 1 Фаза ϕ трансформатора T1, а фильтр L6, C20 выделяет постоянную составляющую.

Для составления функциональной схемы запишем уравнения согласно структурной и электрической схемам (рис. 1–3):

I НУ ( 5 ) = 8 W УС ( 5 ) W КУ ( 5 ) W ФИМ ( 5 ) W Iкл ( 5 ) W ф ( 5 ) , (3)

8 I ( 5 ) = U оп - I н ( 5 ) K дт ,                (4)

где W _yc ( 5 ) =---—   - передаточная функция (ПФ) уси-

' ’ Тус ■ 5 + 1

лителя-сумматора (УС); W _КУ ( 5 ) =

–

^ПФ КУ;   W фим ^{( 5} ) = K фим

U _Н

K Iкл ( 5 )   Kтр RВИЭП вх

R _в В _х ИЭП

= 1

= и пил

C s + 1

–

ПФ ФИМ;

ключа; W _ф ( 5 ) =

LC ⁵ 2 ⁺ р ИэП ^{5 + 1} вх

–ПФИПпотоку

R л С ф 5 + 1

– ПФ входного фильтра; K _ДТ –

коэффициент датчика тока.

Функциональная схема входной части НУ приведена на рис. 4.

Запишем ПФ разомкнутого контура без коррекции:

WРК (5) = WУС (5) WФИМ (5) Wiкл (5) Wф (5) Kдт.(5)

Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика нескорректированного разомкнутого контура (ЛАХ)

LPK (“) = 20log(|WРК (jго)|) ,(6)

и фазовая частотная характеристика (ФЧХ)

Фрк (Го) = arg (WРК (jго)),(7)

представлены на рис. 5.

Запас по фазе в нескорректированной системе равен 31є, по амплитуде – 10,2 дБ. Для увеличения запасов устойчивости введем корректирующее звено, тогда ПФ скорректированного разомкнутого контура запишется как

W СК ( 5 ) = W УС ( 5 ) W КУ ( 5 ) W ФИМ ( 5 ) W i кл ( 5 ) W ф ( 5 ) K дт . (8)

Для сравнения на том же рис. 5 представлены ЛАХ и ФЧХ скорректированного разомкнутого контура:

L СК ( ^го ) = ²⁰log(| ^W СК ( j ^го)| ) ,             (9)

Ф ск ( ^го ) = arg ( ^W СК ( j ^го ) ) .            (10)

Запас по фазе составляет 104°, по амплитуде – 22,8 дБ, частота среза 1,1 кГц.

Рис. 2. Модель схемы управления НУ

Рис. 3. Схемы эксперимента и силовой части НУ

Переходной процесс по току НУ при изменении опорного напряжения показан на рис. 6. Опорное напряжение изменяется скачком в моменты времени 6,0 мс и 10,0 мс. Ток нагрузки до момента времени 6,0 мс и после момента времени 10,0 мс равен 3А, между моментами времени 6,0 мс и 10,0 мс ток нагрузки равен 15 А. Длительность переходного процесса по фронту составляет 280 мкс, по срезу – 250 мкс.

Перерегулирование составляет не более 3,5 %. Длительность переходного процесса определяется частотой среза на ЛАХ (см. рис. 5), частота среза в свою очередь обусловливается постоянной времени сглаживающего фильтра, зависящей от частоты коммутации ключей.

Об эффективности НУ можно судить по коэффициенту рекуперации. Для нахождения значения коэффициента рекуперации НУ была снята по точкам рекупераци-

Рис. 4. Функциональная схема НУ с рекуперацией энергии в сеть постоянного тока: W _УС( s ) – ПФ усилителя-сумматора; W _КУ( s ) – ПФ корректирующего усилителя; W _ФИМ( s ) – ПФ фазоимпульсного модулятора; W_{I кл}( s ) – ПФ ИП по току ключа; W _Ф( s ) –ПФ входного фильтра; K _ДТ – коэффициент датчика тока; I _НУ –ток нагрузочного устройства;

U _оп – опорное напряжение, пропорциональное току нагрузки; е _I – сигнал рассогласования

Рис. 5. ЛАХ и ФЧХ НУ с рекуперацией энергии в сетьпостоянного тока

Рис. 6. Переходной процесс в режиме стабилизации требуемого тока нагрузки

онная характеристика НУ (рис. 7). Коэффициент рекуперации составил 85 % и почти линейно зависит от мощности P _НУ, потребляемой НУ.

Сравним потребляемую P _НУ и рекуперируемую P _рек мощности НУ (рис. 7) с мощностью P _ПИЭП, потребляемой от ПИЭП при коммутации тока НУ (см. рис. 6). Сравнение показывает, что мощность, потребляемая от ПИЭП, значительно меньше мощности, выделяемой на нагрузке.

Так как рекуперируемая энергия возвращается сразу в ВИЭП, минуя ПИЭП, от последнего потребляется только энергия, необходимая для компенсации потерьв имитаторе нагрузки и ВИЭП (1). Например, при требуемой нагрузке в 1,5 кВт, коэффициенте рекуперации 85 % и КПД вторичного источника 80 % от ПИЭП в установившемся режиме потребляется мощность600 Вт.

Таким образом, разработанная структура НУ позволяет существенно понизить потребление мощности от ПИЭП и решает проблему утилизации энергии НУ.