ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ АППАРАТУРЫ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ
POWER SUPPLY SOURCE FOR RADAR STATION EQUIPMENT

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электроснабжения, преобразующим входную трехфазную сеть в трехфазную сеть другого напряжения и другой частоты, и предназначено для формирования стабилизированной по напряжению трехфазной сети электропитания для различной аппаратуры радиолокационной станции (РЛС) в радиолокационных комплексах (РЛК).
Современным РЛС и РЛК предъявляются высокие тактико-технические требования. Для обеспечения высокой мобильности РЛС и РЛК устанавливаются требования по одной входной сети электропитания, например, три фазы 380 В 50 Гц. Между тем в РЛС используется аппаратура с электропитанием, отличным от электропитания входной сети, в частности три фазы 220 В 400 Гц, поэтому необходим источник, формирующий стабилизированную сеть из общей входной сети электропитания с малыми массогабаритными характеристиками и высоким коэффициентом полезного действия (КПД), при этом аппаратура изделий должна сохранять исправность и работоспособность при воздействии факторов, оговоренных в ГОСТах [1, 2, 3].
Известны электромашинные преобразователи частоты, где плавное регулирование частоты и амплитуды напряжения достигается изменением частоты вращения синхронного генератора с приводом по системе Д-Г (двигатель-генератор), например ПСЧ-15 ТУ ОБН.516.004, предназначенный для формирования сети электропитания три фазы 220 В 400 Гц. Недостатками такого устройства являются большая масса и габариты, низкая надежность работы за счет вращающихся масс, высокий звуковой шум при работе, низкий КПД, отсутствие регулирования выходного напряжения и частоты без изменения входной частоты сети, отсутствие селективной защиты, что тоже уменьшает надежность работы устройства.
Известны различные преобразователи частоты для питания и управления асинхронным двигателем, например, инверторы серии Х200 Hitachi [4]. Недостатком данных преобразователей является невысокая надежность работы, а именно отсутствие селективной защиты, при одновременной работе устройства на несколько N потребителей не обеспечивается стабилизация по напряжению при различной нагрузке, синусоидальное выходное напряжение сформировано в виде широтно-импульсной модуляции, что недопустимо для части потребителей. Поэтому данное устройство предназначено для питания только одного потребителя в виде электродвигателя и все настройки и защиты устройства конфигурируются под конкретный электродвигатель.
Известен преобразователь частоты 50/400 Гц [5], содержащий трехфазный трансформатор, на каждом стержне которого расположены четыре первичные обмотки, объединенные в две пары. Обмотки каждой пары соединены последовательно. К свободным концам каждой пары обмоток подключены встречно-параллельно соединенные транзисторы. Общая точка соединения обмоток и общая точка соединения встречно-параллельно соединенных транзисторов подключены к зажимам источника питания, причем первая пара обмоток подключена к фазным зажимам источника электропитания, а вторая пара - к линейным зажимам источника электропитания. Недостатком такого преобразователя является невысокая надежность работы, а именно наличие в выходной цепи кратных основной частоте гармоник, что отрицательно сказывается на работе потребителей, отсутствие возможности регулирования выходного напряжения, отсутствие селективной защиты и защиты устройства от аварийных токов.
Наиболее близким по техническому решению устройством (прототипом) является «Автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения» [6], который содержит однофазный автономный инвертор, построенный по мостовой схеме, выходной Г-образный LC-фильтр, систему управления, содержащую трансформаторно-выпрямительный блок, генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов, задающий генератор синусоидального напряжения, генератор типа кривой, два логических элемента И, два распределительно-усилительных блока. Недостатком такого устройства является невысокая надежность работы, а именно отсутствие селективной защиты и защиты устройства от аварийных токов, отсутствие ограничения токов заряда емкостного накопителя, а также отсутствие возможности регулирования выходного напряжения.
Техническим результатом изобретения является улучшение технических характеристик, а именно повышение надежности работы источника электропитания аппаратуры РЛС, увеличение КПД, стабилизация выходного синусоидального трехфазного напряжения с возможностью регулирования выходного напряжения и частоты, обеспечивающего ограничение входных пусковых токов емкостного накопителя, уменьшение акустического шума и массогабаритных показателей, контроль токов короткого замыкания в цепях нагрузки, селективная защита и защита от аварийных токов, а также обеспечение работоспособности при воздействии факторов по группе 1.3 ГОСТ В20.39.304-98 [3].
Указанный технический результат достигается тем, что в прототип, содержащий автономный инвертор, выполненный по мостовой схеме, выход которого соединен с входом LC-фильтра, а вход автономного инвертора подключен к выходу драйвера (функции которого в прототипе выполняют два распределительно-усилительных блока), входом соединенного с выходом системы управления, причем в предлагаемом источнике электропитания аппаратуры РЛС вместо однофазных используются трехфазные автономный инвертор и LC-фильтр, а в систему управления введены задатчик частоты, задатчик напряжения, формирователь характеристики, пропорционально-интегральный регулятор, формирователь широтно-импульсного сигнала управления и аналого-цифровой преобразователь, кроме того, в него дополнительно введены пусковое устройство и маломощный источник вторичного электропитания, параллельно подключенные к трехфазному источнику питания входной сети, выход пускового устройства подключен к входу мостового выпрямителя, соединенного с автономным инвертором через дроссель с емкостным накопителем, выход LC-фильтра по двум фазам соединен с двумя датчиками тока, вторые силовые выходы которых и третья фаза LC-фильтра соединены с силовой шиной, выходом подключенной к входам N устройств защиты и далее - к N потребителям, выход LC-фильтра по трем фазам также соединен с входом трехфазного трансформатора, выходом соединенного со вторым входом системы управления, первый, третий и четвертый входы которой соединены соответственно со вторым выходом маломощного источника вторичного электропитания и первыми выходами двух датчиков тока, а второй ее выход - со входом пускового устройства, при этом первый вход драйвера соединен с первым выходом маломощного источника вторичного электропитания, в системе управления второй выход задатчика частоты и выход задатчика напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя характеристики, вырабатывающего выходной сигнал, зависящий от напряжения и частоты задатчиков, первый выход которого подключен к первому входу пропорционально-интегрального регулятора, а второй выход - к пусковому устройству, второй вход пропорционально-интегрального регулятора в виде обратной связи по напряжению соединен через аналого-цифровой преобразователь с трехфазным трансформатором, а его выход соединен с первым входом формирователя широтно-импульсного сигнала управления, вторым входом соединенным с первым выходом задатчика частоты, а третьим и четвертым входами в виде обратной связи по току через аналого-цифровой преобразователь - к двум датчикам тока, выход формирователя широтно-импульсного сигнала управления подключен к драйверу.
Благодаря обратным связям по выходному напряжению и току без дополнительных преобразований в системе управления обеспечивается стабилизация синусоидального трехфазного выходного напряжения 220 В 400 Гц при подаче трехфазного питания 380 В 50 Гц, с погрешностью 0,5 В по напряжению и 0,1 Гц по частоте. С введением в систему управления задатчика частоты и задатчика напряжения появляется возможность регулирования выходного напряжения (от 2 В до 380 В) и частоты (от 0 до 2000 Гц) с выходной мощностью до 30 кВт, а введение пускового устройства обеспечивает ограничение входных пусковых токов, обратные связи по току и устройства защиты обеспечивают селективную защиту потребителей.
Отсутствие дополнительных преобразований в системе управления уменьшает количество элементов в ее составе, а следовательно, снижаются массогабаритные показатели. Управление автономным инвертором импульсами с широтно-импульсной модуляцией увеличивает КПД устройства. Уменьшение акустического шума достигается благодаря отсутствию в изобретении механически подвижных устройств.
Данное решение позволяет обеспечить стабилизированным трехфазным электропитанием более десяти различных типов нагрузок. Количество N нагрузок и, соответственно, выходных устройств защиты может быть изменено в сторону увеличения или уменьшения.
На фигуре 1 представлена структурная схема предлагаемого источника электропитания потребителей (до пятнадцати) радиолокационной станции и приняты следующие обозначения:
1 - пусковое устройство (ПУ);
2 - мостовой выпрямитель (В);
3 - дроссель;
4 - емкостной накопитель;
5 - автономный инвертор (АИ);
6 - LC-фильтр (Ф);
7 - драйвер (Д);
8 - трехфазный трансформатор (Т);
9 - система управления (СУ);
10 - маломощный источник вторичного электропитания (И);
11, 12 - два датчика тока (ДТ);
13 - выходная силовая шина;
14÷28 - устройства защиты (УЗ).
На фигуре 2 представлена структурная схема системы управления и приняты следующие обозначения:
29 - задатчик частоты (ЗЧ);
30 - задатчик напряжения (ЗН);
31 - формирователь характеристики (ФХ);
32 - пропорционально-интегральный регулятор (Р);
33 - формирователь широтно-импульсного сигнала управления (ФШ);
34 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Заявляемый источник электропитания аппаратуры РЛС содержит пусковое устройство 1 и маломощный источник вторичного электропитания 10, параллельно подключенные к трехфазному источнику питания входной сети 380 В 50 Гц, выход пускового устройства 1 подключен к входу мостового выпрямителя 2, соединенного через дроссель 3 с емкостным накопителем 4, а также с автономным инвертором 5, выполненным по мостовой схеме, подключенным ко входу LC-фильтра 6, выход которого по двум фазам соединен с входами двух датчиков тока 11, 12, вторые силовые выходы которых и выход третьей фазы LC-фильтра 6 подключены к входам силовой шины 13, выходы которой соединяются с входами пятнадцати трехфазных устройств защиты 14÷28, подключаемых затем к различным нагрузкам, причем выход LC-фильтра по трем фазам также соединен со входом трехфазного трансформатора 8, выходом подключенного ко второму входу системы управления 9. Первый вход системы управления 9 соединен со вторым выходом маломощного источника вторичного электропитания 10, а третий и четвертый ее входы - с первыми выходами двух датчиков тока 11, 12. Первый выход системы управления 9 подключен ко второму входу драйвера 7, выходом соединенного со входом автономного инвертора 5, а первым входом - с первым выходом маломощного источника вторичного электропитания 10. Второй выход системы управления 9 подключен ко входу пускового устройства 1.
Система управления содержит задатчик частоты 29 [7], первый выход которого подключен ко второму входу формирователя широтно-импульсного сигнала управления 33, а второй выход задатчика частоты 29 и выход задатчика напряжения 30 [7] подключены соответственно к первому и второму входу формирователя характеристики 31 [7]. Первый выход формирователя характеристики 31 соединен с первым входом пропорционально-интегрального регулятора 32 [7], а второй выход - со входом пускового устройства 1. Второй вход пропорционально-интегрального регулятора 32 соединен с первым выходом аналого-цифрового преобразователя 34, а выход - с первым входом формирователя широтно-импульсного сигнала управления 33, выход которого подключен к драйверу 7. Второй и третий выходы аналого-цифрового преобразователя 34 соединены соответственно с третьим и четвертым входами формирователя широтно-импульсного сигнала управления 33, а второй, третий и четвертый входы аналого-цифрового преобразователя 34 - с выходами трехфазного трансформатора 8 и двух датчиков тока 11, 12 соответственно.
Работа предлагаемого источника электропитания аппаратуры радиолокационной станции заключается в следующем.
На вход источника, а именно на пусковое устройство 1 и маломощный источник вторичного питания 10, подается переменное трехфазное напряжение 380 В 50 Гц. Маломощный источник вторичного питания 10, выполненный как AC/DC преобразователь [8], формирует электропитание драйвера 7 и системы управления 9, но на фигуре 2 питание элементов системы управления не показано. На фигуре 1 не показано питание двух датчиков тока 11 и 12, построенных на эффекте Холла [9]. В первый момент времени формирователь характеристики 31 системы управления 9 подает разрешающий сигнал на пусковое устройство 1 для подачи входного трехфазного напряжения 380 В 50 Гц на мостовой выпрямитель 2 с ограничением пускового тока емкостного накопителя 4 на заданном уровне. После зарядки емкостного накопителя 4, предназначенного для фильтрации напряжения и накопления энергии для работы устройства на потребителей с импульсной нагрузкой, через дроссель 3, который предназначен для фильтрации напряжения и ограничения импульсных токов при работе автономного инвертора 5, формирователь характеристики 31 системы управления 9 подает управляющий сигнал на пусковое устройство 1 для формирования входного напряжения без ограничения тока на мостовой выпрямитель 2.
После подачи электропитания с маломощного источника вторичного электропитания 10, в задатчике частоты 29 системы управления 9 формируются импульсы частотой, равной необходимой частоте выходного напряжения, в данном случае 400 Гц, а в задатчике напряжения 30 формируется цифровой сигнал пропорциональный выходному напряжению необходимому потребителям, в данном случае 220 В. Эти импульсы поступают на формирователь характеристики 31, который после подачи управляющего сигнала на пусковое устройство 1 для формирования входного напряжения без ограничения тока на мостовой выпрямитель 2 формирует цифровой сигнал, пропорциональный зависимости напряжения от частоты, поступающий на пропорционально-интегральный регулятор 32, где суммируется в цифровом коде с отрицательным знаком сигнала обратной связи по напряжению и частоте от трехфазного трансформатора 8, необходимого для формирования обратной связи по напряжению, через аналого-цифровой преобразователь 34. Задатчик частоты 29 также формирует цифровой сигнал для формирователя широтно-импульсного сигнала управления 33 с определенной частотой модуляции, в данном случае равной 16 кГц. Пропорционально-интегральный регулятор 32, преобразовав входные сигналы, поступающие с формирователя характеристики 31 и аналого-цифрового преобразователя 34, формирует сигнал, пропорциональный задаваемому выходному напряжению и частоте с учетом коррекции по обратной связи по напряжению, поступающий на формирователь широтно-импульсного сигнала управления 33, который в свою очередь преобразует их в импульсы управления и передает на драйвер 7. После гальванической развязки в драйвере 7 импульсы поступают на автономный инвертор 5, выполненный по мостовой схеме.
Драйвер 7 также обеспечивает формирование «мертвого времени» между импульсами управления транзисторов каждого плеча автономного инвертора 5 для его надежной работы [10].
Автономный инвертор 5 усиливает сигналы с драйвера 7, преобразуя напряжение с емкостного накопителя 4 так, что после усиления на выходе автономного инвертора 5 формируется модулированное трехфазное синусоидальное переменное напряжение [11] с действующим значением линейного напряжения 220 В и частотой 400 Гц, которое подается на LC-фильтр 6, служащий для фильтрации высокочастотной составляющей напряжения и обеспечения необходимого качества выходного синусоидального трехфазного напряжения.
Далее выходное трехфазное синусоидальное напряжение через два датчика тока 11 и 12, расположенных в двух фазах, поступает на выходную силовую шину 13 и затем через устройства защиты 14÷28 (в данном устройстве их 15) - к потребителям.
При изменении количества включенных потребителей происходит резкое изменение нагрузки, например, увеличение и, соответственно, уменьшение выходного напряжения, но за счет отрицательной обратной связи по напряжению, формируемой трехфазным трансформатором 8, через аналого-цифровой преобразователь 34 и пропорционально-интегральный регулятор 32, который увеличивает величину сигнала, передаваемого на формирователь широтно-импульсного сигнала управления 33, который, в свою очередь, увеличивает ширину импульсов управления, передаваемых на драйвер 7 и далее на трехфазный автономный инвертор 5, что приводит к повышению уровня выходного напряжения автономного инвертора 5 и, соответственно, повышает выходное напряжение до уровня, заданного задатчиком напряжения 30.
Для уменьшения выходного пускового тока при включении устройства на полную нагрузку в задатчике частоты 29 реализовано плавное, в течение (1±0,1) сек, увеличение частоты, а т.к. в формирователе характеристики 31 функция U/f=const, то это приводит к плавному увеличению частоты и напряжения за (1±0,1) сек на выходе устройства и, соответственно, уменьшению пускового тока.
Защита устройства построена следующим образом. При превышении допустимого тока устройства защиты 14÷28 отключают данную нагрузку, тем самым обеспечивая селективную защиту. При коротком замыкании в нагрузке предлагаемое устройство входит в режим стабилизации по току за счет обратных связей с датчиков тока 11 и 12, через аналого-цифровой преобразователь 34 на формирователь широтно-импульсного сигнала управления 33, который уменьшает ширину импульсов управления на драйвер 7 и далее на автономный инвертор 5 до величины стабилизации по току, допустимой на предлагаемое устройство. Причем защита настроена таким образом, что по времени в 1,5 раза превышает время срабатывания устройств защиты 14÷28. При превышении данного времени, по каким либо причинам, формирователем широтно-импульсного сигнала управления 33 снимаются импульсы управления драйвера 7 и, соответственно, с автономного инвертора 5, что обеспечивает защиту устройства от сквозных токов и токов короткого замыкания.
Для уменьшения массогабаритных характеристик устройства и повышения точностных характеристик система управления 9 выполнена на базе микроконтроллера 1867ВЦ5Т [12].
В настоящее время предлагаемый источник электропитания аппаратуры РЛС изготовлен и применяется в изделиях, выпускаемых предприятием.
Таким образом, за счет того, что в известное устройство, содержащее автономный инвертор, выполненный по мостовой схеме, LC-фильтр, драйвер и систему управления, причем в предлагаемом источнике электропитания аппаратуры РЛС вместо однофазных используются трехфазные автономный инвертор и LC-фильтр, а в систему управления введены задатчик частоты, задатчик напряжения, формирователь характеристики, пропорционально-интегральный регулятор, формирователь широтно-импульсного сигнала управления и аналого-цифровой преобразователь, кроме того, дополнительно введены пусковое устройство и маломощный источник вторичного электропитания, мостовой выпрямитель, дроссель, емкостной накопитель, два датчика тока, силовая шина, N устройств защиты и трехфазный трансформатор с вышеописанными связями, удалось повысить надежность и улучшить технические характеристики источника электропитания аппаратуры РЛС.
Список литературы
1. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: ИПК Издательство стандартов;
2. ГОСТ РВ 20.39.308-98. Требования стойкости к воздействию электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения. - М.: Госстандарт России, 1998 г.;
3. ГОСТ В20.39.304-98. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам. - М.: Госстандарт России, 1998 г.;
4. Инструкция по эксплуатации инвертора серии Х200, № NT301XA Март 2007. Hitachi Industrial Equipment Systems Co., Ltd.;
5. Патент на изобретение РФ №2433518 "Преобразователь частоты 50/400 Гц", МПК Н02М 5/297, опубл. 10.11.2011;
6. Патент на изобретение РФ №2421871 "Автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения", МПК Н02М 7/539, опубл. 12.05.2010;
7. Software library: spru 485a. Digital Control Systems Group, Texas Instruments, 2003;
8. Ефимов И.П. Источники питания РЭА: учебное пособие / Министерство образования российской федерации ульяновский государственный технический университет, 2002. УДК 629.1.055 (075) ББК 32.96-04я7;
9. Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1969-1978;
10. Creating a Sine Modulated PWM Signal Using the TMS320F240 EVM, APPLICATION REPORT: SPRA411, David Figoli, Texas Instruments;
11. Configuring PWM Outputs of TMS320F240 with Dead Band for Different Power Devices, APPLICATION REPORT: SPRA289, Mohammed S Arefeen, Texas Instruments;
12. Микросхемы интегральные 1867 ВЦ5Т. Техническое описание. КФДЛ.431299.013 ТО, 2007 г.