Энергосберегающий имитационно-натурный комплекс для электрических испытаний систем электропитания космических аппаратов

Введение. Для проведения наземных испытаний систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА) используются имитационно -натурные комплексы (ИНК), в состав которых входят имитаторы первичного источника энергии (солнечной батареи), аккумуляторной батареи, различные нагрузочные устройства. Для обеспечения требуемого качества испытаний имитаторы должны воспроизводить с достаточно высокой точностью статические и динамические характеристики прототипов.

При создании ИНК мощных (свыше 10 кВт) энергосистем КА и проведении длительных (ресурсных) испытаний возникают две проблемы:

• -    обеспечение требуемой точности имитации статических и динамических характеристик источников электроэнергии СЭП, что важно для адекватности проводимых испытаний;

• - энергосбережение и уменьшение тепловыделений подсистемами комплекса, что важно для улучшения функциональных, эксплуатационных характеристик комплекса, массы и габаритов.

В существующих ИНК первая проблема решается применением непрерывных законов управления [1–3], что приводит к низкому коэффициенту использования электроэнергии (не более 50 %) и, как следствие, к большим тепловыделениям.

При решении второй проблемы используют импульсные методы управления [4] и рекуперацию электроэнергии в сеть переменного тока. При этом ухудшаются динамические характеристики имитаторов, а при обеспечении требований к качеству электроэнергии, усложняются схемы рекуператоров и увеличивается их стоимость. В последнее время с целью улучшения качества электропитания комплексов используются источники бесперебойного питания (ИБП). Но, даже в этом случае, при аварийном отключении сети переменного тока рекуперация становится невозможной, что является существенным недостатком этого способа.

В данной работе предложено решение указанных проблем: обеспечение требуемых динамических свойств и повышение использования энергии в мощных ИНК.

Для решения указанных проблем в энергосберегающем ИНК (ЭИНК), разработанном авторами, используются следующие новые подходы:

• – комбинация импульсных и непрерывных методов управления имитаторами энергоустановок и подсистем СЭП, что позволяет повысить коэффициент использования электроэнергии и обеспечить требуемые динамические свойства имитаторов;

  – рекуперация избыточной электроэнергии нагрузочных устройств в сеть постоянного тока системы электроснабжения комплекса, что позволяет повысить коэффициент использования электроэнергии, существенно уменьшить энергопотребление из сети переменного тока, уменьшить мощность источника электропитания ЭИНК и увеличить время работы ЭИНК от аккумуляторных батарей ИБП при отключении сети переменного тока.

Структура предлагаемого устройства. На рис. 1 представлена структурная схема ЭИНК [5], поясняющая использование метода рекуперации электроэнергии в сеть постоянного тока.

Fig. 1. ESAST structure:

RS – rectifier stabilizer, SAS – Solar array simulator, PS – tested power supply, LDER – load device with energy recuperation, LibS – Lithium-ion-battery simulator

Рис. 1. Структурная схема модуля ЭИНК:

ВС – выпрямитель-стабилизатор; ИСБ – имитатор солнечной батареи; СЭП – испытываемая система электропитания; НУРТ – нагрузочное устройство рекуперативного типа; ИАБ – имитатор аккумуляторной батареи

В первом режиме работы (освещенный участок траектории полета КА, заряд АБ) СЭП получает электроэнергию от ИСБ и осуществляет питание нагрузки и заряд ИАБ. НУРТ задает режим энергонагружения СЭП и возвращает потребленную энергию в общую сеть питания постоянного тока ЭИНК. ИАБ работает в режиме имитации заряда АБ и осуществляет рекуперацию избыточной энергии в общую сеть питания постоянного тока ЭИНК.

Во втором режиме работы СЭП (теневой участок траектории полета КА) ИСБ прекращает электропитание СЭП. ИАБ работает в режиме имитации разряда АБ и осуществляет электропитание СЭП. НУРТ задает режим энергонагружения СЭП и возвращает потребленную энергию в общую сеть питания постоянного тока ЭИНК.

В третьем режиме работы (освещенный участок траектории полета КА, пик мощности энергопотребления) электропитание СЭП осуществляется от ИСБ и ИАБ совместно. ИАБ также, как и в предыдущем случае работает в режиме имитации разряда АБ. НУРТ задает режим энергонагружения СЭП и возвращает потребленную энергию в общую сеть питания постоянного тока ЭИНК.

К достоинствам данного варианта структуры ЭИНК следует отнести относительно простую реализацию НУРТ, рекуперирующего потребленную энергию в одну общую для ИСБ и ИАБ сеть питания, и относительно высокие удельные энергетические характеристики ИАБ, использующего двунаправленный импульсный преобразователь (ИП).

Комбинирование импульсных и непрерывных методов управления имитаторами, позволяющее при относительно высоком коэффициенте полезного использования энергии обеспечить высокие динамические характеристики, заключается в следующем. Имитаторы (ИСБ, ИАБ и НУРТ) содержат быстродействующие непрерывные регуляторы, обеспечивающие регулирование выходного параметра имитатора (напряжение, ток, мощность и т.п.), и импульсные регуляторы, ограничивающие мощность рассеивания на непрерывных регуляторах и повышающие коэффициент полезного использования энергии.

Имитатор солнечной батареи. Основу ИСБ (рис. 2) составляет непрерывный стабилизатор тока (НСТ) с параллельным включением регулирующего элемента (НРЭ). НСТ состоит из следующих устройств: НРЭ, УС1, ДТ1. Для воспроизведения требуемых нелинейных вольтамперных характеристик СБ, НСТ охвачен функциональной обратной связью по напряжению (УФОС). Применение импульсного стабилизатора тока (ИСТ), протекающего через НРЭ, позволяет ограничить мощность рассеиваемую НРЭ. ИСТ состоит из следующих устройств: ИП, ШИМ, УС2, ДТ2, ИОН.

Fig. 2. Solar array simulator structure:

PC – pulse converter; PWM – pulse width modulation; SA – summing amplifier; Vref – voltage reference; ACE – analogue control element; FFD – functional feedback; VD – voltage divider; CS – current sensor

Рис. 2. Структурная схема ИСБ:

ИП – импульсный преобразователь; ШИМ – широтно-импульсный модулятор; УС – усилитель-сумматор; ИОН – источник опорного напряжения; НРЭ – непрерывный регулирующий элемент;

УФОС – устройство функциональной обратной связи; ДН – датчик напряжения, ДТ – датчик тока

Принцип работы ИСБ: УС1 сравнивает напряжение с ДТ1, пропорциональное выходному току ИСБ, с напряжением на выходе УФОС и формирует сигнал управления для НРЭ. УФОС вырабатывает уставку для НСТ в соответствии с заданной вольтамперной характеристикой (ВАХ) и текущим значением напряжения, измеренным ДН. УС2 сравнивает с опорным (ИОН) напряжение, пропорциональное току через НРЭ, полученное с ДТ2, и формирует управляющий сигнал для ИП, пропорциональный отклонению тока через НРЭ от требуемого значения.

Имитатор аккумуляторной батареи. Основу ИАБ (рис. 3) [6] составляет непрерывный стабилизатор напряжения (НСН) с параллельным включением НРЭ. НСН состоит из следующих устройств: НРЭ, УС1, ДН. Для воспроизведения требуемых нелинейных зарядно-разрядных характеристик АБ, НСН охвачен функциональной обратной связью по току (УФОС). Применение импульсного стабилизатора тока (ИСТ), протекающего через НРЭ, позволяет ограничить мощность рассеиваемую НРЭ. ИСТ состоит из следующих устройств: ДИП, ШИМ, УС2, ДТ2. ИОН.

Принцип работы ИАБ: УС1 сравнивает напряжение с ДН, пропорциональное выходному напряжению ИАБ, с напряжением УФОС и формирует сигнал управления для НРЭ. УФОС вырабатывает уставку для НСН в соответствии с заданной зарядно-разрядной характеристикой (ЗРХ) и текущим значением заряда, измеренным САЧ. УС2 сравнивает напряжение, пропорциональное току через НРЭ, полученное с ДТ2, с опорным и формирует управляющий сигнал для ДИП, пропорциональный отклонению тока через НРЭ от требуемого значения.

Fig. 3. Lithium-ion-battery simulator structure:

BPC – bi-directional pulse converter; PWM – pulse width modulation; SA – summing amplifier; Vref – voltage reference; ACE – analogue control element; FFD – functional feedback;

VD – voltage divider; CS – current sensor, AHC – amp hours counter

Рис. 3. Структурная схема ИАБ:

ДИП – двунаправленный импульсный преобразователь; ШИМ – широтно-импульсный модулятор; УС – усилитель-сумматор; ИОН – источник опорного напряжения; ДТ – датчик тока;

НРЭ – непрерывный регулирующий элемент; ДН – датчик напряжения; УФОС – устройство функциональной обратной связи; САЧ – счетчик ампер-часов

Нагрузочное устройство рекуперативного типа. Основу НУРТ (рис. 4) составляет НСТ с параллельным включением НРЭ. НСТ состоит из следующих устройств: НРЭ, УС1, ДТ1. Для воспроизведения требуемых нелинейных вольтамперных характеристик имитируемой нагрузки, НСТ охвачен функциональной обратной связью по напряжению (УФОС). Применение импульсного стабилизатора тока (ИСТ), протекающего через НРЭ, позволяет ограничить мощность рассеиваемую НРЭ. ИСТ состоит из следующих устройств: ИП, ШИМ, УС2, ДТ2, ИОН.

Fig. 4. Structure of load device with energy recuperation:

PC – converter; PWM – pulse width modulation; SA – summing amplifier; Vref – voltage reference;

ACE – analogue control element; FFD – functional feedback; VD – voltage divider, CS – current sensor

Рис. 4. Структурная схема НУРТ:

ДН – датчик напряжения; ДТ – датчик тока; УФОС – устройство функциональной обратной связи; УС – усилитель-сумматор; НРЭ – непрерывный регулирующий элемент; ИОН – источник опорного напряжения; ШИМ – широтно-импульсный преобразователь; ИП – импульсный преобразователь

Принцип работы НУРТ: УС1 сравнивает напряжение с ДТ1, пропорциональное входному току НУРТ, с напряжением на выходе УФОС и формирует сигнал управления для НРЭ. УФОС вырабатывает уставку для НСТ в соответствии с заданной ВАХ и текущим значением напряжения, измеренным ДН. УС2 сравнивает напряжение, пропорциональное току через НРЭ, полученное с ДТ2, с опорным и формирует управляющий сигнал для ИП, пропорциональный отклонению действующего значения тока через НРЭ от требуемого значения.

Энергосберегающий имитационно-натурный комплекс Разработанный авторами ЭИНК (рис. 5) содержит: ИСБ, ИАБ, НУРТ, быстродействующее устройство защиты (БУЗ), специализированный аппаратно-программный комплекс (АПК). В состав модуля ИБС входит 4 независимых канала, допускающих параллельное, последовательное соединение двух каналов и смешанное соединение. Каждый канал обеспечивает: изменение напряжения холостого хода от 20 до 200 В; изменение тока короткого замыкания от 0,1 до 7 А; задание формы ВАХ математически, таблицей, наклонами для ветвей напряжения и тока и зоной нелинейного перехода; изменение выходной емкости от 500 до 1000 нФ с шагом 100 нФ.

В состав модуля имитатора литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ) входят блоки: имитации зарядно-разрядных характеристик ИАБ; имитации изменения аналоговых датчиков напряжения каждого аккумулятора; имитации аналоговых датчиков температуры. Модуль ИАБ обеспечивает: изменение напряжения от 10 до 105 В; изменение тока заряда от 0 до 25 А; изменение тока разряда от 0 до 70 А; задание формы ЗРХ математически, таблицей; изменение активной составляющей внутреннего сопротивления от 5 мОм до 50 мОм, индуктивной составляющей – от 8 мкГн, до 80 мкГн.

Модуль НУРТ содержит 4 независимых канала, допускающих параллельное, последовательное соединение двух каналов и смешанное соединение. НУРТ обеспечивает: максимальную мощность канала 1500 Вт; изменение напряжения от 20 до 120 В; изменение тока от 0,1 до 20 А; наведение гармонических помех амплитудой 5 А в полосе до 300 кГц.

Fig. 5. ESAST:

1 – Hardware and software complex; 2 – Four SAS channels; 3 – PS; 4 – LibS; 5 – four LDER channels

Рис. 5. Внешний вид ЭИНК:

• 1    – АПК; 2 – четыре канала ИБС; 3 – источник электропитания; 4 – ИАБ; 5 – четыре канала НУРТ

Для подтверждения эффективности экспериментальных образов основных подсистем ЭИНК проведен сравнительный анализ технических и ценовых характеристик подсистем ЭИНК модульного типа с характеристиками подсистем зарубежных компаний [7–9] и подсистем энергосберегающих испытательных комплексов производства НИИАЭМ-ТУСУР [10–12], г. Томск, лидера в производстве испытательной техники для космических аппаратов в РФ.

Следует отметить, что основные преимущества разработанного ЭИНК с рекуперацией избыточной электроэнергии в сеть постоянного тока системы электроснабжения комплекса состоят в следующем:

• -    возможность уменьшения мощности источника электропитания комплекса минимум в два раза;

• -    сохранение работоспособности и увеличении длительности работы от источника бесперебойного питания при отключении промышленной сети переменного напряжения;

• -    существенное уменьшение массы и габаритов составных частей ЭИНК.

В табл. 1 приведены технические характеристики имитаторов литий-ионных аккумуляторных батарей: БИАБ -200ЛИ [10], производства НИИАЭМ –ТУСУР, г.Томск; ИАБ с параллельным соединением двух модулей, производства СибГУ, г. Красноярск и имитатор аккумуляторной батареи производства компании «АМЕТЕК» [7], США.

Таблица 1

Энергетические и массогабаритные характеристики имитаторов литий-ионных аккумуляторных батарей

№	Параметр	Размерно сть	БИАБ-200ЛИ ТУСУР	ИАБ СибГУ	Battery String Simulator, Ametek
1	Диапазон зарядного/ разрядного напряжения	В	40–110	10–120	120
2	Максимальная мощность в	Вт	12000	14700	18000

	режиме разряда
3	Дискретность регулировки зарядного/разрядного напряжения	В	0,1	0,1	Нет данных
4	Размах пульсаций выходного напряжения, не более	мВ	50	500	Нет данных
5	Максимальный зарядный ток	А	30	50	50
6	Максимальный разрядный ток	А	200 при напряжении не более 60В. 109 при напряжении 110В	140 во всём диапазоне напряжени й	150
7	Имитация зарядно/разрядных характеристик	---	нет	да	нет
8	Рекуперация в режиме заряда	---	нет	да	нет
9	Имитация датчиков напряжения	---	да	да	да
10	Имитация датчиков температуры	---	да	да	да
13	Удельный объем	м3/Вт	79,56х10-6	16,46х10-6	114,76х10-6
14	Удельная масса	кг/Вт	33,33х10-3	8,84х10-3	31,25х10-3

Из табл. 1 следует, что по основным техническим характеристикам ИАБ разработки СибГУ находится на уровне аналогов, а по массогабаритным характеристикам опережает аналоги.

В табл. 2 приведены технические характеристики имитаторов солнечных батарей сопоставимых по мощности: ИБС-200/7-4 [11], производства НИИАЭМ –ТУСУР, г. Томск; ИСБ-200-4К с параллельным соединением двух модулей, производства СибГУ, г. Красноярск и E4360 Keysight Technologies [8] с параллельным соединением четырёх модулей, содержащих восемь каналов.

Из табл. 2 видно, что ИБС разработки СибГУ по техническим характеристикам и функциям назначения занимает промежуточное положение между ИБС производства ТУСУР и Keysight Technologies. К недостаткам ИБС производства Keysight Technologies следует также отнести большую мощность тепловыделений при работе на токовой ветви ВАХ, недостаточную крутизну ВАХ на ветви напряжения, определяемую величиной последовательного сопротивления RS, недостаточно большое напряжение холостого хода-170В.

Таблица 2

Энергетические и массогабаритные характеристики имитаторов солнечных батарей

№	Параметр	Разме рность	ИБС-200/7-4 ТУСУР	ИСБ-200-4К СибГУ	E4360 Keysight Technologies
1	Диапазон регулирования Uхх	В	40 -210	20-210	20–170
2	Дискретность регулировки	В	0,1	0,1	0,048
3	Диапазон регулировки тока Iкз одного канала	А	0-8	0–7	0–3,8
4	Дискретность регулировки тока Iкз	А	0,01	0,01	0,0012

5	Погрешность  воспроизведения ВАХ, не более	%	5	2	Нет данных
6	Полоса частот воспроизведения адмитанса	Гц	Нет данных	100000	Нет данных
7	Погрешность  воспроизведения адмитанса, не более	%	Нет данных	5	Нет данных
8	Сопротивление последовательное            R S минимальное	Ом	0,3	0,3	1,72
9	Удельный объем	м3/Вт	87,71х10-6	43,20х10-6	30,36х10-6
10	Удельная масса	кг/Вт	32,74х10-3	16,43х10-3	14,75х10-3

В табл. 3 приведены технические характеристики сопоставимых по мощности имитаторов нагрузочных устройств: БИН-100 [12], производства НИИАЭМ-ТУСУР, г.Томск; НУК-120-4К с параллельным соединением двух модулей, производства СибГУ, г. Красноярск и EA-ELR 9250-70 Elektro-Automatik [9], ФРГ.

Нагрузочные устройства производства Elektro-Automatik имеют хорошие массогабаритные характеристики, но вызвано это тем, что, вследствие применения импульсных преобразователей, функция наведения тестовых синусоидальных и импульсных токов на шинах источников электропитания ограничена полосой частот, не превышающей нескольких килогерц. Для исследований помехоустойчивости и измерения импедансных частотных характеристик источников электропитания необходимо увеличение полосы частот до сотен килогерц, при этом требуется применение нагрузочных устройств непрерывного типа, что существенно ухудшает массогабаритные характеристики устройств. Это видно на примере нагрузочных устройств производства ТУСУР и СибГУ им. М.Ф. Решетнева.

Таблица 3

Энергетические и массогабаритные характеристики нагрузочных устройств рекуперативного типа

№	Параметр	Размерн ость	БИН-100 ТУСУР	НУК-120-4К СибГУ	EA-ELR    9250-70 Elektro-Automatik
1	Максимальное  входное напряжение	В	100	120	250
2	Диапазон входного тока	А	0-65	0-80	0-70
3	Дискретность регулировки	А	0,01	0,01	Нет данных
4	Размах синусоидального тестового тока нагрузки	А	0-15	0-16	Нет данных
5	Дискретность регулировки	А	0,1	0,1	Нет данных
6	Диапазон частот тестового сигнала	кГц	0,02-100	0-300	Нет данных
7	Имитация     нагрузки постоянного сопротивления	---	нет	да	да
8	Имитация     нагрузки постоянной мощности	---	нет	да	да
9	Рекуперация избыточной энергии	---	В промышлен ную   сеть	В сеть постоянного тока испытательного	В промышленную сеть переменного напряжения

			переменног о напряжения	комплекса
10	Возможность работы при отключении промышленной    сети переменного напряжения	---	Нет     без дополнитель ных устройств	да	нет
11	Удельный объем	м3/Вт	90,68х10-6	40,32х10-6	22,36х10-6
12	Удельная масса	кг/Вт	33,85х10-3	18,33х10-3	9,72х10-3

Заключение. По большинству параметров разработанные СибГУ основные подсистемы ЭИНК находятся на уровне технических характеристик мировых производителей, а по ряду функций назначения превосходят их. В частности, это касается динамических свойств: полосы частот воспроизведения импеданса АБ, адмитанса СБ, диапазона частот наведения тестового тока синусоидальной формы НУРТ, коэффициента использования электроэнергии.