СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ
SYSTEM OF RADIOLOCATING STATION POWER SUPPLY

Предлагаемое техническое решение относится к системам электропитания радиолокационных станций (РЛС).
Высокие тактико-технические и эксплуатационные требования, предъявляемые к современным РЛС, привели к необходимости создания новой системы электропитания РЛС с полупроводниковыми преобразователями.
Известна система электропитания РЛС [1], состоящая из основного и резервного дизель-агрегатов, ввода внешней сети, выходы которого подключены к трем входам силового щита, выход силового щита подключен к первому входу защитно-распределительного блока, а выход последнего - к входам выпрямителя передающего устройства (ПУ), понижающего автотрансформатора, пятого преобразователя типа АС-АС, преобразующего переменное напряжение в переменное, и шестого преобразователя типа AC-DC, преобразующего переменное напряжение в постоянное. Выход выпрямителя ПУ соединен с входами прямоходовых первых и вторых преобразователей типа DC-DC, преобразующих постоянное напряжение в постоянное. Выход первых преобразователей подключен к промежуточным широкополосным усилителям ПУ, а выход вторых - к мощным усилителям ПУ и входу третьих обратноходовых преобразователей, выходы которых соединены с приемными устройствами. Выход пятого преобразователя подключен к вентильному электродвигателю привода вращения антенно-мачтового устройства (АМУ), а выход шестого - к входу аккумулятора, выход которого подключен ко второму входу защитно-распределительного блока и входу ЭВМ.
Выход понижающего автотрансформатора подключен к четвертым обратноходовым преобразователям типа AC-DC, выходы последних - к аппаратуре РЛС.
Недостаток этой системы электропитания РЛС в том, что аппаратура РЛС питается от последовательно включенных трехфазного автотрансформатора и обратноходовых 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, т.е. снижается надежность РЛС.
В качестве базовой схемы преобразователя AC-DC используется схема обратноходового преобразователя (ОП) с несколькими выходами различного напряжения и суммарной выходной мощностью 30…50 Вт при массе 2,5 кг. Однако источникам электропитания на базе ОП свойственен ряд недостатков:
- относительно низкая частота преобразования энергии такого преобразователя (30 кГц) ограничивает возможность улучшения массогабаритных показателей;
- схемой ОП обеспечивается стабилизация по напряжению только наиболее мощного (основного) выхода, а для стабилизации напряжения на остальных выходах используются дополнительные линейные стабилизаторы, что приводит к снижению КПД;
- для исключения перенапряжения при работе коммутирующего транзистора ОП требуется установка сложных защитных цепей, что приводит к большим потерям мощности источника электропитания;
- при напряжении 220 В для улучшения гармонического состава тока, потребляемого ОП, и, следовательно, коэффициента мощности необходимо использовать активные корректоры мощности, что ухудшает массогабаритные показатели источников питания и уменьшает их надежность;
- источники питания с ОП не являются универсальными, кроме того, их необходимо устанавливать непосредственно у питаемой ими аппаратуры. При таком размещении при регулировке и наладке аппаратуры появляется опасность попадания высокого напряжения на низковольтные цепи и соприкосновения обслуживающего персонала с высоким напряжением, т.е. снижается надежность и электробезопасность системы электропитания.
Известна система электропитания радиолокационной станции [2] без обратноходовых преобразователей, состоящая из ввода внешней сети, подключенного к входу защитно-распределительного блока, к выходу которого подключены первые прямоходовые преобразователи типа AC-DC, питающие передающее устройство, второй преобразователь типа АС-АС, питающий привод вращения АМУ, третий преобразователь типа AC-DC, подключенный к аккумулятору, питающему ЭВМ, и пятые прямоходовые преобразователи типа AC-DC, к выходу которых подключены четвертые прямоходовые преобразователи типа DC-DC, питающие аппаратуру радиолокационной станции.
Введение в систему электропитания РЛС прямоходовых преобразователей определенного типа, включенных по предлагаемой схеме, позволило исключить автотрансформатор и получить требуемые для обеспечения работы аппаратуры РЛС напряжения при небольших массогабаритных показателях. При выходе из строя нескольких преобразователей сохраняется работоспособность РЛС, т.е. надежность системы электропитания повышается. Введение для питания радиолокационной аппаратуры прямоходовых преобразователей типа DC-DC, устанавливаемых рядом с аппаратурой и имеющих низкое входное напряжение, не представляет опасности для низковольтных цепей и обслуживающего персонала.
Однако из-за того, что в РЛС используется аналоговая аппаратура, имеющая низкий порог устойчивости к радиопомехам, возникает необходимость применения в системе электропитания источников вторичного электропитания (ИВЭП), имеющих радиопомехи, амплитуда и спектр частот которых ниже порога устойчивости рецепторов помех. Эта задача решается в системе электропитания РЛС [4].
Система электропитания РЛС [4] состоит из ввода внешней сети, подключенного к входу защитно-распределительного блока, первых прямоходовых преобразователей типа AC-DC, питающих передающее устройство, второго преобразователя типа АС-АС, питающего привод вращения АМУ, третьего прямоходового преобразователя типа AC-DC, подключенного к аккумулятору, питающему ЭВМ, последовательно включенных четвертых типа DC-DC и пятых типа AC-DC прямоходовых преобразователей, питающих аппаратуру РЛС, где входы первых, второго, третьего и пятых преобразователей подключены к выходам защитно-распределительного блока, а входы четвертых - к выходам пятых преобразователей. Система электропитания содержит также шестые резонансные преобразователи типа AC-DC, седьмые и восьмые резонансные преобразователи типа DC-DC, питающие, соответственно, приемное устройство и формирователь эталонных сигналов. При этом входы шестых резонансных преобразователей подключены к выходам защитно-распределительного блока, а входы седьмых и восьмых резонансных преобразователей - к выходам шестых.
Введение в схему резонансных преобразователей позволило получить систему электропитания, создающую радиопомехи, амплитуда и спектр частот которых ниже порога устойчивости аппаратуры РЛС, имеющей низкий порог устойчивости к радиопомехам.
Эта система электропитания РЛС является наиболее близким техническим решением и принимается за прототип.
Недостаток системы электропитания прототипа, как и остальных аналогов, заключается в том, что данные системы электропитания подвержены воздействию электромагнитных импульсов сети, имеющих естественное или искусственное происхождение, и воздействию электромагнитного оружия, что снижает область их применения, электробезопасность, надежность и, следовательно, электробезопасность и надежность всей РЛС.
Аппаратура изделий должна сохранять исправность и работоспособность при воздействии факторов, оговоренных в ГОСТах [5, 6, 7].
Электромагнитные импульсы в первичной сети (380 В, 50 Гц) могут быть вызваны естественными факторами:
- атмосферными явлениями, например ударом молнии;
- коммутационными процессами в сети;
- коротким замыканием двух фаз или фазы на землю и искусственными:
- передающими устройствами;
- радиолокационными станциями;
- электромагнитным оружием.
В электрической сети с номинальным напряжением 380/220 В из-за вышеперечисленных факторов возможны импульсные помехи амплитудой до 4 кВ, а допустимое напряжение транзисторов, применяемых в статических преобразователях системы электропитания РЛС, не превышает 1200 В [8]. Если не принимать меры по нейтрализации возникающих перенапряжений, система электропитания и другие электронные системы РЛС будут выведены из строя. Чувствительность к наличию электромагнитных импульсов в первичной сети снижает область применения систем электропитания, ее электробезопасность и надежность.
Электромагнитное оружие является наиболее эффективным средством вывода из строя электрических или электронных систем военного или промышленного назначения, т.к. в настоящее время разработаны средства и способы генерирования электромагнитных импульсов большой мощности, аналогичных импульсам, возникающим при ядерном взрыве [9].
Электромагнитное оружие является намеренным генерированием электромагнитной энергии, которая в виде шума или сигналов внедряется в электрические или электронные системы, приводя к нарушению функционирования или повреждению этих систем [10].
В настоящее время выпускается оборудование, способное генерировать очень короткие импульсы, способные эффективно воздействовать на сложную электронику РЛС. К такому оборудованию можно отнести магнетроны, клистроны, гиротроны, лазеры на свободных электронах, плазменные лучевые генераторы, а также виркаторы [11]. Современные интегральные микросхемы, микроконтроллеры, микропроцессоры, работающие на все более и более высоких частотах с низким напряжением, очень восприимчивы к электромагнитным возмущениям.
Проведенный анализ показывает, что простейшим каналом воздействия электромагнитного оружия на любое электронное оборудование РЛС являются провода первичного электропитания; цепи вторичного электропитания и далее любая электронная система РЛС [12].
Воздействие на провода первичного электропитания может осуществляться при непосредственном подключении к этим проводам или излучением на них коротких электромагнитных импульсов. Наиболее скрытным и эффективным является использование электромагнитного импульса, излучаемого при помощи антенны.
Отсутствие мер по противодействию электромагнитному оружию приводит к выходу из строя системы электропитания и других электронных средств РЛС, т.е. снижается область применения системы электропитания, ее электробезопасность и надежность, а следовательно, надежность всей РЛС.
Предлагаемое техническое решение позволяет устранить вышеуказанные недостатки, решается задача совершенствования системы электропитания РЛС и, таким образом, расширения области ее применения.
Технический результат - повышение надежности и электробезопасности системы электропитания и РЛС в целом.
Предлагаемая система электропитания РЛС состоит из ввода внешней сети, защитно-распределительного блока, первых прямоходовых преобразователей типа AC-DC, питающих передающее устройство, второго преобразователя типа АС-АС, питающего привод вращения АМУ, третьего прямоходового преобразователя типа AC-DC, подключенного к аккумулятору, питающему ЭВМ, последовательно включенных четвертых типа AC-DC и пятых типа DC-DC прямоходовых преобразователей, питающих аппаратуру РЛС, шестых резонансных преобразователей типа AC-DC, седьмых резонансных преобразователей типа DC-DC, питающих приемное устройство, и восьмых резонансных преобразователей типа DC-DC, питающих формирователь эталонных сигналов. Входы седьмых и восьмых преобразователей подключены к выходам шестых. В эту систему электропитания введены блок защиты от перенапряжений первичной сети и устройство защиты от электромагнитного оружия, причем вход блока защиты от перенапряжений первичной сети подключен к вводу внешней сети, а выход - к входу защитно-распределительного блока, выходы которого соединены с входами устройства защиты от электромагнитного оружия. Выходы устройства защиты от электромагнитного оружия подключены к входам первых, второго, третьего, четвертых прямоходовых преобразователей и шестых резонансных преобразователей, кроме того, защитно-распределительный блок и устройство защиты от электромагнитного оружия соединены цепью управления.
На чертеже представлена предлагаемая схема системы электропитания РЛС, где 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 AC-DC (в прототипе - это пятые прямоходовые преобразователи типа AC-DC);
8 - пятые прямоходовые преобразователи типа DC-DC (в прототипе - это четвертые прямоходовые преобразователи типа DC-DC);
9 - шестые резонансные преобразователи типа AC-DC;
10, 11 - седьмые и восьмые резонансные преобразователи типа DC-DC;
12 - блок защиты от перенапряжений первичной сети;
13 - устройство защиты от электромагнитного оружия;
14 - цепь управления.
Предлагаемая система электропитания РЛС состоит из ввода внешней сети 1, блока защиты от перенапряжений первичной цепи 12, защитно-распределительного блока 2, устройства защиты от электромагнитного оружия 13, первых преобразователей 3, питающих передающее устройство, второго преобразователя 4, питающего привод вращения АМУ, третьего преобразователя 5, подключенного к аккумулятору 6, питающему ЭВМ, последовательно включенных четвертых 7 и пятых 8 прямоходовых преобразователей, питающих аппаратуру РЛС, шестых резонансных преобразователей 9, седьмых резонансных преобразователей 10, питающих приемное устройство, и восьмых резонансных преобразователей 11, питающих формирователь эталонных сигналов, где входы первых 3, второго 4, третьего 5, четвертых 7 прямоходовых и шестых 9 резонансных преобразователей подключены к выходам устройства защиты от электромагнитного оружия 13, входы пятых 8 прямоходовых преобразователей подключены к выходам четвертых 7, а входы седьмых 10 и восьмых 11 резонансных преобразователей - к выходам шестых 9 резонансных преобразователей, цепь управления 14 соединяет защитно-распределительный блок 2 и устройство защиты от электромагнитного оружия 13.
Система электропитания РЛС работает следующим образом.
Электропитание РЛС обеспечивается подстанцией, имеющей на выходе трехфазное напряжение 380 В, 50 Гц, величина электромагнитных импульсов перенапряжений которого снижена до 2,5 кВ [13].
При подаче трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц на ввод внешней сети 1 трехфазное напряжение подается через блок защиты от перенапряжений первичной сети 12 на вход защитно-распределительного блока 2.
Блок защиты от перенапряжений первичной сети 12 состоит из четырех узлов [14]:
- узла отключения нагрузки;
- узла индикации;
- узла ограничения импульсных перенапряжений;
- помехоподавляющего фильтра.
При возникновении перенапряжений в первичной сети узел индикации информирует обслуживающий персонал о наличии и уровне этих перенапряжений, что позволяет при необходимости отключить ввод внешней сети 1 от подстанции и подключить его к подвижной дизельэлектростанции (ДЭС, которая на фигуре 1 не изображена) до выяснения и устранения причин появления этих перенапряжений.
Помехоподавляющий фильтр (с рабочей частотой до 1 МГц) [15] защищает систему электропитания от электромагнитных импульсов микросекундной длительности. Большая мощность нагрузки, приводящая к возникновению значительной паразитной емкости между входом и выходом фильтра, определяет конструктивные особенности фильтра и его низкую рабочую частоту. При установке блоков защиты от перенапряжений на входе каждой отдельной нагрузки системы электропитания можно применять более высокочастотные фильтры.
Если обслуживающий персонал не успевает отключить ввод внешней сети 1, а уровень импульсов перенапряжения, поступающих со стороны сети превышает заданную величину, то срабатывает узел ограничения электромагнитных импульсов перенапряжений. Этот узел реализуется на основе варисторов и дросселей и обеспечивает ограничение электромагнитных импульсов перенапряжения до 1 кВ. При протекании больших токов через варисторы узел отключения нагрузки, выполненный на основе защитного ключевого элемента, отключает нагрузку.
Узел индикации информирует о срабатывании узла ограничения импульсных перенапряжений и узла отключения нагрузки обслуживающий персонал, который отключает ввод 1 от внешней сети и подключает его к передвижной ДЭС до устранения перенапряжений в первичной сети. Ключевой элемент устанавливается в исходное состояние.
Выходы защитно-распределительного блока 2 соединены с входами устройства защиты от электромагнитного оружия 13, к выходам которого подключены другие элементы схемы электропитания. Защитно-распределительный блок 2 обеспечивает защиту этих цепей от токов короткого замыкания.
Устройство защиты от электромагнитного оружия 13 содержит
- узел индикации;
- широкополосные фильтры;
- узел отключения нагрузки.
При возникновении в первичной сети импульсов наносекундной длительности, вызванных применением электромагнитного оружия, узел индикации устройства защиты от электромагнитного оружия 13 информирует обслуживающий персонал о наличии и уровне этих импульсов, что позволяет при необходимости отключить ввод внешней сети 1 от сети 380 В 50 Гц и подключить его к передвижной ДЭС.
Защита от высокочастотных импульсов (до 50 ГГц), поступающих со стороны сети, реализуется на основе широкополосных фильтров. При этом для каждой нагрузки блока защиты от электромагнитного оружия 13 устанавливается индивидуальный широкополосный фильтр. Конструктивно такой фильтр должен устанавливаться как можно ближе к нагрузке. Это объясняется тем, что провода, соединяющие выход широкополосного фильтра с преобразователем, обладают паразитной индуктивностью и емкостью, что может привести к образованию резонансных контуров, усиливающих высокочастотные импульсы.
Узел отключения нагрузки контролирует уровни высокочастотных импульсов и в случае возникновения в ней импульсов, превышающих допустимый уровень, подает по цепи управления 14 сигнал в защитно-распределительный блок 2 для отключения нагрузки. После этого ввод внешней сети 1 отключают от сети и подключают к передвижной ДЭС, от которой РЛС питается до устранения причин появления импульсов наносекундной длительности, вызванных применением электромагнитного оружия. После подключения ввода внешней сети 1 к передвижной ДЭС ключевой элемент защитно-распределительного блока 2 устанавливается в исходное состояние.
При подаче трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц на преобразователь 5 начинается подзарядка аккумулятора 6 и включается ЭВМ, которая осуществляет управление работой РЛС.
Электропитание ЭВМ осуществляется постоянным напряжением. 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 в течение определенного времени осуществляется от аккумулятора 6. По истечении этого времени происходит отключение ЭВМ, но в результате такого отключения не происходит сброса информации, перерыва выдачи информации и выхода ЭВМ из строя, что повышает надежность РЛС.
При подаче трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц на входы преобразователей 3 на их выходах формируется постоянное напряжение, которое подается на передающие устройства.
При подаче трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц на вход преобразователя 4 осуществляется вращение вентильного электродвигателя привода АМУ. Преобразователь 4 при помощи транзисторов обеспечивает управление вентильным двигателем и получение требуемых пусковых и переходных режимов (переход с одной скорости вращения на другую), 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 для осуществления электропитания аппаратуры РЛС.
При мощности около 1,2 кВт масса преобразователей 7 достигает 3,6 кг, а КПД - 0,9. Пассивным корректором коэффициента мощности является индуктивно-емкостной фильтр. Активный корректор коэффициента мощности здесь не требуется, что повышает надежность данных преобразователей.
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 и 11. Резонансные преобразователи 10, 11 формируют требуемые постоянные напряжения 5, 6, 12, 15, 27 В и осуществляют питание приемного устройства и формирователя эталонных сигналов, которые относятся к аппаратуре, имеющей низкий порог устойчивости к радиопомехам.
Резонансные преобразователи могут быть выполнены как с частотно-импульсным управлением [16], так и с широтно-импульсным управлением [17].
Введение в систему электропитания блока защиты от перенапряжений первичной сети повышает ее стойкость к воздействию электромагнитных импульсов естественного и искусственного происхождения: молниевых разрядов, электростатических разрядов, радиопередающих средств, радиолокационных станций, высоковольтных линий электропередач, контактных сетей железных дорог, станций безобмоточного размагничивания.
Введение в систему электропитания устройства защиты от электромагнитного оружия повышает ее стойкость к воздействию электромагнитного импульса, вызванного электромагнитным оружием или ядерным взрывом.
Повышение стойкости системы электропитания РЛС к воздействию электромагнитных импульсов, имеющих естественное или искусственное происхождение, позволяет эксплуатировать РЛС в районах, где имеется угроза появления таких электромагнитных импульсов.
Таким образом, введение в систему электропитания блока защиты от перенапряжений первичной сети и устройства защиты от электромагнитного оружия расширяет область применения предлагаемой системы электропитания, повышает электробезопасность и надежность упомянутой системы, а следовательно, и всей РЛС.
Источники информации
1. «Система электропитания РЛС» / Кириенко В.П., Стрелков В.Ф., патент РФ на полезную модель №60803, H02J 3/02, H02S 9/00, опубл. 27.01.2007.
2. «Система электропитания радиолокационной станции» / Кириенко В.П., Стрелков В.Ф., патент РФ на изобретение №2329581, H02J 3/02, опубл. 20.07.2008.
3. Кириенко В.П., Стрелков В.Ф. Снижение радиопомех ИВЭП / Сборник докладов десятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. ЭМС-2008. Санкт-Петербург, 2008.
4. «Система электропитания радиолокационной станции» /Кириенко В.П., Стрелков В.Ф., патент РФ на изобретение, заявка №2007145887/09 (050292), решение о выдаче патента от 16.06.2008 г., H02J 3/02.
5. ГОСТ РВ 20.39.305-98. Требования стойкости к воздействию поражающих факторов ядерного оружия, ионизирующего излучения, ядерных установок и космического пространства. - М.: Госстандарт России, 1998 г.
6. ГОСТ РВ 20.39.308-98. Требования стойкости к воздействию электромагнитных полей и токов источников естественного и искусственного происхождения. - М.: Госстандарт России, 1998 г.
7. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: ИПК Издательство стандартов.
8. Агафонов A.M. Защита от наносекундных и микросекундных импульсных помех по цепям питания. / Сборник докладов девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. ЭМС - 2006. Санкт-Петербург, 2006.
9. Покаместов Е.В., Воскобович В.В., Новиков И.К., Алмазов В.В. Проблема устойчивости технических средств систем управления к воздействию СШП ЭМИ большой мощности. / Сборник докладов восьмой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. ЭМС - 2004. Санкт-Петербург, 2004.
10. Петровский В.И., Петровский В.В. Преднамеренные и непреднамеренные электромагнитные помехи и проблемы обеспечения безопасности объектов информации / Сборник докладов девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. ЭМС-2006. Санкт-Петербург, 2006.
11. Арчаков О.П., Кечиев Л.Н., Ольшевский А.Н., Степанов П.В. ЭМС - катастрофы электромагнитного характера в информационных системах. / Сборник докладов девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. ЭМС - 2006, Санкт-Петербург, 2006.
12. Покаместов Е.В., Воскобович В.В., Новиков И.К. Алмазов В.В. / Прогнозирование ожидаемой тактики применения электромагнитного воздействия и определения перечня возможных угроз объектам управления. / Сборник докладов восьмой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности. ЭМС - 2004, Санкт-Петербург, 2004.
13. Фоминич Э.Н., Громов О.И. Требования к устройствам защиты электрооборудования систем электроснабжения предприятий. / Сборник докладов девятой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности, ЭМС - 2006, Санкт-Петербург, 2006.
14. Хромов В.В., Муравьев А.В., Брусакова И.В., Дегтярев А.А. Защита от перенапряжений радиопередающих устройств. / Сборник докладов восьмой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности, ЭМС - 2004, Санкт-Петербург, 2004.
15. Темников В.А. Проектирование сетевых помехоподавляющих фильтров, эффективных в диапазоне пяти декад / Сборник докладов восьмой российской научно-технической конференции по электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности, ЭМС - 2004, Санкт-Петербург, 2004.
16. Мелешин В.И., Новинский В.Н. Транзисторные преобразователи напряжения с последовательным резонансным контуром. Электротехника, №8, Энергоатомиздат, М., 1990.
17. «Резонансный преобразователь с широтноимпульсной модуляцией» / Стрелков В.Ф. Патент РФ на изобретение №2110881, Н02М 7/515, 7/523, опубл. 10.05.1998.