Приборы и техника эксперимента, 2022, № 2, стр. 52-56

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИМПЕДАНСА ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ

Методы, позволяющие измерить импеданс э.п.а., можно поделить на методы, применяемые в э.п.а., работающей на переменном токе и постоянном токе [1–3]. Для измерения м.и. применимы методы относящиеся ко второй категории, в основе которых лежит общий принцип реализации. В данных методах предполагается подключение динамической нагрузки к выходу э.п.а. Получаемые под действием динамической нагрузки ток и напряжение, измеренные в определенных точках схемы, позволяют рассчитать м.и.., причем достаточно знать только переменные составляющие напряжения (U_{вых пер}) и тока (I_{вых пер}):

На рис. 1 представлена структурная схема комплекса измерения модуля импеданса и.б.с. Выходной каскад и.б.с. содержит шунтирующее сопротивление R_ш, выходную емкость C_вых и дифференциальное сопротивление выходного диода ${{R}_{{{{D}_{4}}}}}$. Эти данные входят в формулу расчета импеданса для участка напряжения:

Параллельно статической нагрузке Z_н к и.б.с. подключен измерительный комплекс высокочастотной нагрузки через устройство коммутации и сопряжения, с которого на осциллограф выводятся измерительные сигналы U_изм и I_изм. Генератором задается частота синусоидальной высокочастотной нагрузки. Статическая нагрузка Z_н определяет положение рабочей точки (A) на вольт-амперной характеристике (в.а.х.) и.б.с. (рис. 2) [4], вблизи которой с учетом небольшого отклонения положения, вызванного работой высокочастотной нагрузки, происходит измерение м.и. Возможность использования различных нагрузок Z_н позволяет адаптировать комплекс для измерения м.и. энергопреобразующей аппаратуры различной мощности.

В таблице 1 приведены основные параметры блоков измерительной схемы.

На рис. 3 для примера показаны осциллограммы выходных тока и напряжения для одного из положений рабочей точки на участке напряжения в.а.х. для значения частоты синусоидальной нагрузки, равной 500 Гц. В соответствии формуле (1) м.и. равен 0.25 Ом.

На рис. 4 представлены расчетный и измеренные модули импеданса и.б.с. для положения рабочей точки на участке напряжения при разных значениях C_вых в логарифмическом масштабе частоты.

Расчетное значение модуля импеданса и.б.с. при большей величине C_вых увеличивается относительно аналогичного значения модуля импеданса при меньшей величине C_вых, что так же закономерно следует из формулы (2). Данные измерений дают более точное представление о модуле импеданса и.б.с. благодаря тому, что учитываются фактические значения активных и реактивных составляющих импеданса и распределенные параметры. Последние образуют параллельные контуры, являющиеся причиной резонансов, проявляющих себя в диапазоне частот 0.1–2 МГц, где можно наблюдать волнообразное увеличение м.и. Кривые измеренных модулей импедансов и.б.с. практически одинаковы, что обусловлено фактическими параметрами резонансных контуров.

Стоит отметить, что описанный комплекс также может быть использован для исследования реакции регуляторов э.п.а. систем электроснабжения космических аппаратов, хотя и не обладает всем необходимым функционалом для полноты исследования.

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ

Для оценки качества стабилизации выходных параметров э.п.а. необходимо снять переходный процесс стабилизируемой величины при возмущающем воздействии, вызванном изменением нагрузки. Э.п.а. систем электроснабжения космических аппаратов работает в специфичных режимах, характеризуемых резкой сменой нагрузки. Так для и.б.с., взятого в качестве примера, возможны вариации взаимных переходов как из режимов работы короткого замыкания или холостого хода к номинальному, так и между этими режимами. При этом пиковые значения мощности могут достигать нескольких единиц киловатт при величинах тока и напряжения в десятки и даже сотни единиц ампер и вольт. Известные способы, предназначенные для снятия переходных процессов э.п.а., в полной мере не позволяют отработать упомянутые выше режимы работы. В работе [1] описан способ получения переходного процесса, основанный на устройстве комбинированного применения, предназначенного также для определения внутреннего импеданса э.п.а. Аппаратная часть и топология силовой схемы, в основе которых лежит операционный усилитель, не позволяют добиться как удовлетворительной мощности нагрузки, так и отработки необходимых режимов.

Для реализации поставленной задачи необходимо использовать решения, в основе которых лежит работа транзисторов в ключевом режиме. В источниках [5, 6] предложенные решения в принципе могут быть использованы для получения необходимого изменения мощности на нагрузке, но не позволяют добиться отработки определенных режимов работы.

На рис. 5 представлена схема подключения частотно регулируемой нагрузки (ч.р.н.), в основе которой лежит работа транзистора T₁ в ключевом режиме с заданной частотой  f_ч.р.н.. Предложенная схема позволяет отработать необходимые режимы работы и.б.с. с требуемой мощностью. По своей топологии схема в некоторых вариантах исполнения может представлять собой топологию повышающего преобразователя, если учесть, что импеданс нагрузки Z_н может содержать индуктивность L, величина которой зависит от типа применяемой нагрузки. На индуктивности, входящей в Z_н, при коммутации транзистора T₁ выделяется энергия:

где I – величина тока выхода и.б.с. Через диод D₁ происходит отвод данной энергии на емкость C₁ с последующим разрядом на нагрузке Z_р.

Варьируя величиной нагрузок Z_н и Z_р и вводя в схему источник напряжения U_хх, можно добиться перехода между требуемыми режимами работы.

Для того чтобы и.б.с. работал со сменой режимов, соответствующих короткому замыканию и номинальному, необходимо выбрать величину нагрузки Z_н, равную нулевому значению, а величина нагрузки Z_р должна быть рассчитана в соответствии с номинальным значением тока и напряжения и.б.с. Режиму короткого замыкания будет соответствовать замкнутое состояние транзистора T₁, а номинальному режиму – разомкнутое. При этом следует учитывать, что номинальный режим после закрытия транзистора T₁ установится через некоторое время, пропорциональное величине емкости С₁.

Для того чтобы один из режимов работы и.б.с. соответствовал холостому ходу, в схему нужно ввести источник напряжения U_хх в соответствии с рис. 5. При этом уровень напряжения U_хх должен быть выше уровня напряжения выхода и.б.с. Очевидно, что в таком случае диод D₁ будет заперт, а ток выхода и.б.с. при разомкнутом состоянии транзистора T₁ будет равен нулю, что соответствует режиму холостого хода.

На рис. 6 в качестве примера приведены осциллограммы переходных процессов регулятора и.б.с. и стабилизируемого тока – 8 А, полученные с помощью частотно регулируемой нагрузки.

В данном случае осциллограммы сняты при переходе и.б.с. из режимов работы холостого хода в режим короткого замыкания. С помощью снятых осциллограмм можно оценить характер реакции регулятора и качество стабилизации тока.

По осциллограмме тока можно определить следующие критерии качества (с учетом масштабов: для времени 500 мкс/клетка, для тока – 250 мА/клетка):

– максимум ошибки регулирования (перерегулирование) e_max = 355 мА;

– момент времени T_max = 60 мкс, при котором ошибка достигает своего максимума;

– статическую ошибку e₀ = 10 мА;

– время установления T_{уст_0.02} = 710 мкс, при котором ошибка не превышает 2% от стабилизируемой величины [7].

ВЫВОДЫ

Представленный комплекс позволяет проводить измерения с достаточно высокой точностью, учитывая все нюансы распределенных параметров импеданса э.п.а. Проведенный анализ методов измерения модуля импедансов э.п.а. обосновывает используемый способ.

Для оценки качества переходных процессов энергопреобразующей аппаратуры для испытания систем электроснабжения космических аппаратов предложено устройство частотно регулируемой нагрузки. Данное устройство представляет модификацию решений, в основе которых лежит работа транзистора в ключевом режиме, адаптированную к энергопреобразующей аппаратуре электроснабжения космических аппаратов с учетом необходимой мощности и особенностей режимов работы.