СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

Решение относится к системам электропитания радиолокационных станций (РЛС).
Высокие тактико-технические и эксплуатационные требования, предъявляемые к современным РЛС, привели к необходимости разработки и создания нового поколения РЛС. Следствием этого явилась необходимость создания новой системы электропитания с полупроводниковыми преобразователями.
Известна система электропитания РЛС [1], состоящая из основного и резервного дизель-агрегатов, ввода внешней сети, выходы которых подключены к трем входам силового щита, выход которого подключен к первому входу защитно-распределительного блока, напряжение с которого подается на передающее устройство (ПУ), приемное устройство, аппаратуру РЛС и привод вращения антенно-мачтового устройства (АМУ), введены: выпрямитель ПУ, первые, вторые, третьи преобразователи типа DC-DC, преобразующие постоянное напряжение в постоянное, понижающий автотрансформатор, четвертые преобразователи типа AC-DC, преобразующие переменное напряжение в постоянное, пятый преобразователь типа АС-АС, преобразующий переменное напряжение в переменное, шестой преобразователь типа AC-DC, преобразующий переменное напряжение в постоянное, и аккумулятор. Выход защитно-распределительного блока соединен с входом выпрямителя ПУ, с входом понижающего автотрансформатора, с входом пятого преобразователя, с входом шестого преобразователя. Выход выпрямителя ПУ соединен с входами первых и вторых преобразователей, выход понижающего автотрансформатора соединен с входом четвертых преобразователей, выход пятого преобразователя соединен с вентильным электродвигателем привода вращения АМУ, выход шестого преобразователя соединен с входом аккумулятора. Выход первых преобразователей соединен с промежуточными широкополосными усилителями ПУ, выход вторых преобразователей соединен с мощными усилителями ПУ и с входом третьих преобразователей, выход которых соединен с приемными устройствами. Выход четвертых преобразователей соединен с аппаратурой РЛС. Выход шестого преобразователя соединен с входом аккумулятора, выход которого соединен со вторым входом защитно-распределительного блока и с электронно-вычислительной машиной.
Недостаток этой системы электропитания РЛС заключается в том, что аппаратура РЛС питается от последовательно включенных трехфазного автотрансформатора и AC-DC преобразователей.
Трехфазный автотрансформатор 380/220 В, 50 Гц имеет большую массу. При мощности нагрузки 6 кВт его масса равна 50 кг. При выходе из строя этого автотрансформатора прекращается работа всей аппаратуры РЛС, что снижает ее надежность.
Установленные преобразователи AC-DC преобразуют переменное однофазное напряжение 220 В, 50 Гц в постоянное напряжение 5, 6, 12, 15, 27 В.
В качестве базовой здесь используется схема обратноходового преобразователя с несколькими выходами различного напряжения и суммарной выходной мощностью 30...50 Вт при массе 2,5 кг.
При формировании входного постоянного напряжения 300 В в постоянное напряжение 5 В коэффициент трансформации импульсного трансформатора должен быть равен 60. При таком большом коэффициенте трансформации имеет место большая величина индуктивности рассеяния. Следовательно, при коммутации силового транзистора на нем возникают большие перенапряжения. Для обеспечения работы коммутирующего транзистора обратноходового преобразователя требуется установка сложных защитных цепей, что обуславливает большие потери мощности и снижение КПД [2].
Наиболее мощный выход преобразователя стабилизирован по напряжению. Поскольку остальные выходы преобразователя не стабилизированы, в схему введены линейные стабилизаторы. Такие AC-DC преобразователи имеют довольно низкий КПД -0,5...0,7.
После входного выпрямителя преобразователя с однофазным электропитанием 220 В, 50 Гц и мощности нагрузки до 100 Вт устанавливается конденсатор входного фильтра емкостью 200...300 мкФ. Это приводит к высокому содержанию гармоник в потребляемом токе и соответственному снижению коэффициента мощности до величины 0,5...0,7 [3]. Улучшение гармонического состава потребляемого тока может быть получено при использовании активных корректоров коэффициента мощности, позволяющих получить коэффициент мощности 0,99.
Однако установка корректоров коэффициента мощности для преобразователей мощностью до 50 Вт нерациональна, поскольку приводит к относительно большому увеличению их массогабаритных показателей, снижению надежности.
При суммарной мощности AC-DC преобразователей, осуществляющих электропитание аппаратуры РЛС 5...6 кВт, происходит значительное искажение формы потребляемого системой электропитания РЛС тока по первичной сети и, следовательно, снижение коэффициента мощности всей системы электропитания РЛС.
Недостатком применения таких AC-DC преобразователей является то, что они располагаются во всех отсеках стоек (шкафов) непосредственно у питаемой ими аппаратуры. При регулировке и наладке аппаратуры возникает опасность подачи высокого напряжения 220 В на низковольтные цепи, что вызывает выход из строя низковольтной аппаратуры и снижает надежность электропитания РЛС. Кроме того, имеет место опасность соприкосновения регулировщиков и наладчиков с высоким напряжением 220 В при регулировке и наладке аппаратуры РЛС, что снижает электробезопасность.
Поскольку рассматриваемые AC-DC преобразователи разрабатываются для электропитания конкретной аппаратуры, для определенного изделия, затруднительно применение этих преобразователей в других изделиях, что снижает возможность их унификации. Другим недостатком рассматриваемой системы электропитания является то, что для питания передающих устройств используются преобразователи типа DC-DC. Для обеспечения работы таких преобразователей необходимы внешние выпрямители для преобразования трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц в постоянное 500 В. Однако конструктивные особенности АМУ не всегда позволяют установить такие выпрямители. Это ограничивает область применения рассматриваемой системы электропитания. Кроме того, при выходе из строя в схеме прототипа выпрямителя питающего DC-DC преобразователи, все передающие устройства теряют работоспособность. Это снижает надежность системы электропитания.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является система электропитания радиолокационной станции [4], состоящая из ввода внешней сети, подключенного к входу защитно-распределительного блока, первых преобразователей, питающих передающее устройство, второго преобразователя, питающего привод вращения АМУ, третьего преобразователя, подключенного к аккумулятору, питающему ЭВМ, четвертых и пятых прямоходовых преобразователей, питающих аппаратуру РЛС, где входы первых, второго, третьего и пятых преобразователей подключены к выходам защитно-распределительного блока, использованы первые преобразователи типа AC-DC, преобразующие переменное напряжение в постоянное, четвертые прямоходовые преобразователи типа DC-DC, преобразующие постоянное напряжение в постоянное, и введены пятые прямоходовые
преобразователи типа AC-DC, преобразующие переменное напряжение в постоянное, причем, входы четвертых преобразователей подключены к выходу пятых, а вход первых и пятых - к выходам защитно-распределительного блока.
Введение в систему электропитания РЛС прямоходовых преобразователей указанного типа и включенных по предлагаемой схеме, позволяет получить требуемые напряжения для обеспечения работы аппаратуры РЛС, исключить автотрансформатор. При небольших массогабаритных показателях такие преобразователи обеспечивают требуемые выходные параметры. Пятые преобразователи типа AC-DC имеют мощность 0,5...1 кВт и входное трехфазное напряжение 380 В, 50 Гц, что позволяет использовать в их схеме сравнительно простые пассивные корректоры коэффициента мощности, это повышает их коэффициент мощности (практически до 0,95), а за счет улучшения формы потребляемого тока и электромагнитную совместимость. При выходе из строя нескольких первых преобразователей и, следовательно, передающих устройств, сохраняется работоспособность РЛС, что повышает надежность системы электропитания.
Недостаток системы электропитания прототипа заключается в том, что аппаратура РЛС питается только от последовательно включенных преобразователей типа AC-DC и DC-DC.
Высокие скорости изменения тока и напряжения в цепях МДП - транзисторов преобразователей при их включении приводят к процессу ударного возбуждения. Этот процесс формирования радиопомехи может быть представлен в виде затухающих колебаний. Спектр частот этих колебаний достигает нескольких сотен мегагерц.
В современных РЛС используется аппаратура, имеющая низкий порог устойчивости к радиопомехам. В основном это усилители, работающие в линейном режиме. Поступающие на их вход радиопомехи усиливаются и нежелательным образом влияют на работу аппаратуры, что ухудшает технические характеристики РЛС и ограничивает область использования системы электропитания.
Так при проникновении радиопомех на вход усилителя приемного устройства РЛС ухудшается работа аппаратуры, осуществляющей обработку информации, получаемой от усилителя. Точность определения расстояния до цели в этом случае составляет только 10%. На 10...15% снижается дальность обнаружения цели. (5)
В прямоходовых преобразователях принятие мер по уменьшению крутизны фронта тока цепи сток-исток МДП - транзисторов при их включении и установка специальных фильтров уменьшает уровень радиопомех. Однако при этом увеличиваются динамические потери МДП - транзисторов и, следовательно примерно
на 5% уменьшается КПД преобразователя. Также увеличивается масса и габариты преобразователя.
При воздействии радиопомех на эталонные сигналы значительно увеличивается фазовая нестабильность различных систем. Так на малой высоте неподвижные цели принимаются за подвижные. Ухудшаются технические характеристики РЛС.
Таким образом, возникает необходимость применения в системе электропитания РЛС источников вторичного электропитания (ИВЭП), которые создают радиопомехи, амплитуда и спектр частот которых ниже порога устойчивости рецепторов помех.
Для обеспечения качественного электропитания вышеупомянутых систем могут быть использованы ИВЭП, имеющие следующую структурную схему: понижающий однофазный трансформатор, выпрямитель, фильтр, линейный стабилизатор. Однако недостатком таких ИВЭП является большие масса и габариты. Удельная мощность таких ИВЭП составляет всего 25 Вт/кг. Линейные стабилизаторы имеют довольно низкий КПД. В зависимости от величины мощности и выходного напряжения их КПД равен 0,45...0,6.
Таким образом, применение ИВЭП, выполненных а базе ключевых преобразователей типа AC-DC и DC-DC в системах РЛС, чувствительных к радиопомехам, приводит к ухудшению технических характеристик РЛС, а использование ИВЭП, выполненных а базе линейных стабилизаторов, приводит к уменьшению КПД и ухудшению массогабаритных показателей.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решается задача совершенствования системы электропитания РЛС и расширения области ее применения.
Технический результат - повышение КПД, уменьшение массы и габаритов.
Этот технический результат достигается тем, что в системе электропитания РЛС, состоящей из ввода внешней сети, подключенного к входу защитно-распределительного блока, первых преобразователей, питающих передающее устройство, второго преобразователя, питающего привод вращения АМУ, третьего преобразователя, подключенного к аккумулятору, питающему ЭВМ, четвертых и пятых прямоходовых преобразователей, питающих аппаратуру РЛС, где входы первых, второго, третьего и пятых преобразователей подключены к выходам защитно-распределительного блока, а входы четвертых преобразователей подключены к выходам пятых, введены шестые резонансные преобразователи, преобразующие переменное напряжение в постоянное, седьмые резонансные преобразователи,
преобразующие постоянное напряжение в постоянное и питающие приемное устройство, восьмые резонансные преобразователи, преобразующие постоянное напряжение в постоянное и питающие формирователь эталонных сигналов, входы шестых преобразователей подключены к выходам защитно-распределительного блока, входы седьмых и восьмых преобразователей - к выходам шестых преобразователей.
Резонансные преобразователи практически не генерируют помех, т.к. коммутация МДП-транзисторов их силовых цепей происходит при нулевом напряжении сток-исток и при отсутствии тока в цепи сток-исток. Отсутствуют высокие скорости изменения тока и напряжения в цепях МДП-транзисторов. В период их проводимости в цепи сток-исток протекает ток синусоидальной формы. Обеспечение электромагнитной совместимости системы электропитания и аппаратуры РЛС позволяет повысить точность определения расстояния до цели и увеличить дальность обнаружения цели на 10-15%, т.е. улучшить технические характеристики РЛС.
При такой коммутации МДП-транзисторов значительно снижаются их динамические потери, что повышает КПД преобразователя до 0,95.
Удельная мощность ИВЭП, выполненных на базе резонансных преобразователей, соизмерима с удельной мощностью прямоходовых преобразователей. На фигуре представлена предлагаемая схема системы электропитания РЛС. Приняты следующие обозначения:
1 - ввод внешней сети;
2 - защитно-распределительный блок;
3 - первые прямоходовые преобразователи типа AC-DC;
4 - второй прямоходовый преобразователь типа АС-АС;
5 - третий прямоходовый преобразователь типа AC-DC;
6 - аккумулятор;
7 - четвертые прямоходовые преобразователи типа DC-DC;
8 - пятые прямоходовые преобразователи типа AC-DC;
9, 10, 11 - шестые, седьмые, восьмые резонансные преобразователи.
Предлагаемая система электропитания РЛС, состоит из ввода внешней сети 1, подключенного к входу защитно-распределительного блока 2, первых прямоходовых преобразователей 3 типа AC-DC, питающих передающее устройство, второго прямоходового преобразователя 4 типа АС-АС, питающего привод вращения АМУ, третьего прямоходового преобразователя 5 типа AC-DC, подключенного к аккумулятору 6, питающему ЭВМ, последовательно включенных четвертых 7 прямоходовых типа DC-DC и пятых 8 прямоходовых преобразователей типа AC-DC,
питающих аппаратуру РЛС. Входы первых 3, второго 4, третьего 5 и пятого 8 преобразователей подключены к выходам защитно-распределительного блока 2, а входы четвертых 7 преобразователей подключены к выходам пятых 8. Введены шестые резонансные преобразователи 9, седьмые резонансные преобразователи 10, питающие приемное устройство и восьмые резонансные преобразователи 11, питающие формирователь эталонных сигналов, входы шестых резонансных преобразователей 9 подключены к выходам защитно-распределительного блока 2, входы седьмых 10 и восьмых 11 резонансных преобразователей - к выходам шестых резонансных преобразователей 9.
Система электропитания РЛС работает следующим образом.
При подаче трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц на ввод внешней сети 1 трехфазное напряжение подается на вход защитно-распределительного блока 2 и далее на другие элементы электропитания, обеспечивая защиту этих цепей от токов короткого замыкания.
При подаче трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц на преобразователь 5 начинается подзарядка аккумулятора 6 и включается ЭВМ, которая осуществляет дальнейшее управление РЛС.
Электропитание ЭВМ осуществляется постоянным напряжением 26 В. При уменьшении или увеличении напряжения 380 В на входе преобразователя 5 напряжение, подаваемое на ЭВМ, практически не изменяется из-за наличия аккумулятора 6. При аварийном отключении напряжения 380 В электропитание ЭВМ осуществляется от аккумулятора 6 в течение установленного времени, по истечении которого происходит отключение ЭВМ. В результате отключения не происходит сброса информации, перерыва выдачи информации и выхода ЭВМ из строя, что повышает надежность системы электропитания.
При подаче трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц на входы преобразователей 3 формируется постоянное напряжение 28 В, которое с выходов преобразователей 3 подается на передающие устройства. Преобразователи 3 выполнены на базе однотактного, прямоходового преобразователя без размагничивающей обмотки с одним коммутирующим транзистором. Их суммарная мощность 15 кВт.
При подаче трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц на вход преобразователя 4 осуществляется вращение вентильного электродвигателя привода АМУ. Преобразователь 4 при помощи транзисторов обеспечивает бесконтактное переключение обмоток вентильного двигателя мощностью 10 кВт, требуемые пусковые
и переходные режимы (переход с одной скорости вращения на другую) скорости вращения, высокую надежность.
При подаче трехфазного напряжение 380 В, 50 Гц на вход преобразователей 8, с их выхода постоянное напряжение 27 В поступает на входы преобразователей 7. Эти преобразователи формируют на выходе требуемые постоянные напряжения 5, 6, 12, 15, 27 В. Полученным рядом напряжений осуществляется электропитание аппаратуры РЛС.
При мощности прямоходовых преобразователей около 1,2 кВт их масса достигает 3,6 кг, а КПД - 0,9. При трехфазном входном напряжении 380 В преобразователя 8 в индуктивно-емкостном фильтре входного выпрямителя его коэффициент мощности достигает 0,95. Индуктивность входного фильтра является пассивным корректором коэффициента мощности. Активный корректор коэффициента мощности здесь не требуется. Это повышает надежность преобразователя.
Преобразователи 8 представляют собой унифицированные модули, разрабатываемые или изготавливаемые специализированными предприятиями. При выходном напряжении 5 В их КПД составляет 0,78.
При подаче трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц на входы резонансных преобразователей 9 с их выходов постоянное напряжение 27 В поступает на входы резонансных преобразователей 10, 11. С их выходов постоянное напряжение 27 В поступает на входы резонансных преобразователей 10, 11. Резонансные преобразователи 10, 11 формируют на выходе требуемые постоянные напряжения 5, 6, 12, 15, 27 В. Полученным рядом напряжений осуществляется питание аппаратуры РЛС, в состав которой входят линейные усилители, имеющие низкий порог устойчивости к радиопомехам. К такой аппаратуре может быть отнесено приемное устройство и формирователь эталонных сигналов (возбудитель).
Резонансные преобразователи 9, 10, 11 выполняются с частотно-импульсным управлением. Также здесь могут использоваться резонансные преобразователи с широтно-импульсным управлением.
Поскольку прямоходовые преобразователи 8 и резонансные преобразователи 9 устанавливаются в нижней части стойки (шкафа), а преобразователи 7 и резонансные преобразователи 10, 11 - непосредственно у потребителей, при регулировке исключается возможность подачи высокого напряжения 380 В на низковольтную аппаратуру. Также снижается опасность соприкосновения регулировщиков и наладчиков с высоким напряжением 380 В. Это повышает надежность и электробезопасность системы электропитания.
Таким образом, введение в систему электропитания резонансных преобразователей с выходным напряжением 27 В, к которым подключены резонансные преобразователи с выходным напряжением 5, 6, 12, 15, 27 В, позволяет получить требуемые напряжения для обеспечения работы аппаратуры РЛС, имеющей низкий порог устойчивости к радиопомехам. Расширяется область применения предлагаемой системы электропитания радиолокационной станции, повышается КПД, уменьшается масса элементов упомянутой системы.
Источники информации:
1. «Система электропитания РЛС» / Кириенко В П., Стрелков В.Ф., - патент РФ на полезную модель №60803, Н02J 3/02, Н02S 9/00, опуб. 27.01.2007.
2. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов в источниках вторичного электропитания: справочник. М., Радио и связь, 1992 г.
3. Иванов B.C. и Панфилов Д.И. Компоненты силовой электроники фирмы MOTOROLA. М., 1998.
4. «Система электропитания радиолокационной станции» / Кириенко В П., Стрелков В.Ф., - патент РФ на полезную модель №65695, Н02J 3/02, опуб. 10.08.2007.
5. Кириенко В.П., Стрелков В.Ф., Электромагнитная совместимость ИВЭП / Сборник докладов девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности, ЭМС-2006.