Система электропитания гидроакустического передающего тракта

Предлагаемое изобретение относится к области гидроакустической техники и электротехники и предназначено для использования в качестве системы электропитания устройств большой мощности в импульсном режиме работы.
Известны системы электропитания, например, описанные в книге Ю.С. Русина "Электропитание гидроакустической аппаратуры", Л.: Судостроение, 1986 г., содержащие силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с шинами переменного напряжения (220 В, 50 Гц) первичного электропитания, а вторичная обмотка через выпрямитель и емкостный накопитель с шинами электропитания гидроакустического передающего тракта (ГАПТ). Недостатком известных устройств являются большие габариты и вес из-за использования низкочастотного трансформатора (частота изменения напряжения первичной электросети 50 Гц). Кроме того, применение известных устройств в ГАПТ большой мощности (до 2…4 кВт во время излучения сигнала) со скважностью работы более 20…50 приводит к ухудшению энергетических характеристик аппаратуры из-за протекания через первичную обмотку трансформатора тока холостого хода (х.х.) в паузе между посылками.
Указанные недостатки ограничивают область применения таких устройств в гидроакустических комплексах автономного действия с ограниченным энергоресурсом и жесткими требованиями по тепловыделению передающей аппаратуры.
Известны системы электропитания, например, описанные в пат. США №4217632, 4251857, содержащие первый выпрямитель, входы которого подключены к шинам первичного электропитания, а выходы - через первый емкостный накопитель к шинам электропитания двухтактного транзисторного усилителя, входы которого соединены с формирователем импульсов, а выходы через импульсный трансформатор, второй выпрямитель и второй емкостный накопитель - с шинами электропитания ГАПТ. В таких устройствах транзисторный усилитель работает на высокой частоте переключений (около 5…20 кГц), что позволяет значительно уменьшить габарит выходного импульсного трансформатора. Однако использование известных решений связано с большим усложнением системы электропитания (наличие двух выпрямителей и двух емкостных накопителей), понижением эффективности и надежности работы. В частности, применение транзисторов для управления потоком энергии от первичного источника электропитания требует сложной схемы формирования и предварительного усиления импульсного напряжения. В двухтактном оконечном каскаде возможно протекание сквозных токов транзистор-транзистор, что также связано с понижением надежности устройства. Использование транзисторов для формирования импульсного напряжения в первичной обмотке трансформатора ограничивает уровень выходной мощности системы электропитания, который, как правило, не превышает 0,5…1 кВт. Таким образом, низкая надежность ограничивает применение транзисторных конверторов в системе электропитания ГАПТ с выходной мощностью во время посылки до 2…4 кВт.
Наиболее близким к предлагаемой системе электропитания является система, описанная в пат. W080/01023 МКИ H03F 3/21, Н02М 5/44 (международный патент).
ЭТ.
Устройство-прототип (фиг. 1) содержит силовой трансформатор 2, первичная обмотка которого через тиристорный ключ 1 соединена с шинами первичного электропитания, а вторичная обмотка через выпрямитель 3 и емкостный накопитель 4 подключена к шинам электропитания передающего тракта 5, причем вход управления тиристорного ключа 1 соединен с выходом фазосдвигающей цепи 6, вход которой подключен к соответствующей шине первичного электропитания, а вход управления - к шине эталонного напряжения U
k
ЭТ
Устройство-прототип работает следующим образом. Фазосдвигающая цепь 6 обеспечивает включение тиристорного ключа 1, выполненного на двух встречно-параллельно включенных тиристорах (фиг. 1), в моменты времени t с фазовым сдвигом относительно переходов через ноль напряжения первичной электросети . Величина Δϕ определяется уровнем эталонного напряжения U, поступающего на вход управления фазосдвигающей цепи 6, чем обеспечивается требуемый уровень выходного напряжения системы электропитания
Т
где K - коэффициент трансформации силового трансформатора 2,
М
0
Е - амплитуда напряжения первичной электросети (Е≈310 В).
k
вых
Начиная с момента t, тиристорный ключ 1 открыт, чем обеспечивается подключение к первичной обмотке трансформатора 2 напряжения первичной электросети и, соответственно, заряд емкостного накопителя до U (1). При переходе через ноль напряжения первичной электросети тиристорный ключ выключается. Как правило, для большой выходной мощности фазовый сдвиг выбирается из условия  (при Δϕ=0). При этом вольт-секундная площадь напряжения, поступающего в первичную обмотку трансформатора 2, в два раза меньше вольт-секундной площади полуволны первичной электросети. Указанное обстоятельство позволяет в устройстве-прототипе использовать силовой трансформатор 2 с меньшей индуктивностью первичной обмотки и тем самым уменьшить габарит силового трансформатора 2. Наличие тиристорного ключа 1 позволяет использовать устройство-прототип в качестве системы электропитания передающего тракта в импульсном режиме работы. Обеспечив выключение тиристорного ключа 1 в паузе между посылками, можно устранить потери, вызванные протеканием тока холостого хода и повысить эксплуатационный КПД системы.
Вместе с тем устройство-прототип выгодно отличается от известных устройств (пат. США №4217632, №4251857), использующих транзисторные ключевые элементы. Использование в прототипе тиристорного ключа позволяет обеспечить управление потоком энергии большого уровня мощности (до 2…4 кВт) при сравнительно простой схеме устройства.
Основным недостатком устройства-прототипа является большая амплитуда токов при включении устройства, величина которых может более чем в 5…10 раз превышать амплитуду номинального рабочего тока. Отмеченный недостаток обусловлен подключением напряжения заданной величины через тиристорный ключ 1, трансформатор 2 и выпрямитель 3 на емкостный накопитель, напряжение которого в начальный момент включения равно нулю. Указанное обстоятельство, особенно при импульсном режиме работы передающего тракта 5, приводит к периодической работе устройства-прототипа в режиме токовой перегрузки, что связано со значительным понижением надежности устройства-прототипа и ограничивает его применение для электропитания ГАПТ большого уровня мощности.
Целью настоящего изобретения является повышение надежности в импульсном режиме работы. Поставленная цель достигается в известном устройстве, содержащем силовой трансформатор, первичная обмотка которого через тиристорный ключ соединена с шинами первичного электропитания, а вторичная обмотка через выпрямитель и емкостный накопитель подключена к шинам электропитания передающего тракта, посредством введения в его состав управляемой схемы задержки, опорного генератора, накопителя, ограничителя, дифференцирующего устройства и дополнительного трансформатора, первичная обмотка которого соединена с шинами первичного электропитания, а вторичная обмотка через последовательно соединенные ограничитель и дифференцирующее устройство подключена к входу синхронизации накопителя и к входу управляемой схемы задержки, вход синхронизации которой соединен с выходом опорного генератора, выход - со входом управления тиристорного ключа, а разрядные входы управления соединены с разрядными выходами накопителя, установочный вход которого соединен с шиной сигнала управления.
Введение новых блоков и связей в состав известного устройства позволило в предлагаемой системе электропитания обеспечить заряд емкостного накопителя в режиме постоянного тока, тем самым уменьшить ток включения, величина которого превосходит значение номинального рабочего тока более чем на 20…30%. Тем самым в предлагаемом устройстве устраняются токовые перегрузки при импульсном режиме работы, чем достигается повышение надежности его работы. Совокупность вновь введенных блоков и связей ранее в устройствах рассматриваемого класса не использовалась, следовательно, предлагаемое устройство имеет новые признаки, применение которых приводит к достижению положительного эффекта.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведены структурные схемы устройства-прототипа и предлагаемого устройства, а на фиг. 3 иллюстрируются эпюры напряжений, поясняющие работу заявляемой системы электропитания.
Предлагаемое устройство (фиг. 2) содержит тиристорный ключ 1, трансформатор 2, выпрямитель 3, емкостный накопитель 4, выходы которого подключены к шинам электропитания передающего тракта 5, дополнительный трансформатор 6, ограничитель 7, дифференцирующее устройство 8, управляемую схему задержки 10, накопитель 9 и опорный генератор 11.
n
k
10
u
Функциональные схемы дифференцирующего устройства 8, накопителя 9 и управляемой схемы задержки 10 приведены на фиг. 4. Тиристорный ключ 1 предназначен для управления потоком энергии от первичной электросети через трансформатор 2 и выпрямитель 3 в емкостный накопитель 4. Тиристорный ключ 1 обеспечивает подключение первичной обмотки трансформатора 2 к первичному напряжению электропитания U с момента t поступления на вход управления тиристорного ключа 1 импульсного напряжения U (t≈20…50 мкс) с выхода управляемой схемы задержки (фиг. 3). Выключение тиристорного ключа 1 происходит при переходе через ноль напряжения первичного электропитания. Тиристорный ключ 1 выполняется на двух встречно-параллельно включенных тиристорах, управляющие электроды которых соединены с гальванически развязанными выходами схемы 10 задержки.
n
Силовой трансформатор 2 служит для трансформации напряжения первичной электросети, поступающего на его первичную обмотку через тиристорный ключ 1, в напряжение заданной величины, которое через выпрямитель 3 поступает в емкостный накопитель 4. Трансформатор 2 выполняется на требуемую выходную мощность из решета вольт-секундной площади полуволны первичного напряжения U.
Дополнительный трансформатор 6 служит для обеспечения напряжения вторичного электропитания задающей части системы и выполняется на уровень мощности около 10…20 Вт, и, следовательно, приводит к увеличению габаритов устройства не более чем на 5…10%. Вторичная обмотка трансформатора 6, подключенная ко входам ограничителя 7, используется для выделения переходов через ноль напряжения первичного электропитания.
7
n
Ограничитель 7 служит для преобразования напряжения, поступающего на его входы, в импульсный сигнал U типа меандр, фронт и спад которого определяется моментами перехода через ноль напряжения U. Ограничитель 7 может быть выполнен на усилителе-ограничителе с достаточно большим коэффициентом усиления (более 10).
8
7
9
Дифференцирующее устройство 8 предназначено для формирования коротких импульсов U, временное положение которых совпадает с фронтом и спадом импульсного напряжения U, формируемого ограничителем 7. Дифференцирующее устройство 8 может быть выполнено, например, в соответствии с функциональной схемой, приведенной на фиг. 4, где короткие импульсы, соответствующие фронту и спаду входного напряжения, поступают на вход через логический сумматор, выполненный на схеме "ИЛИ" (8.3). Накопитель 9 служит для формирования линейно-нарастающего двоичного кода S (фиг. 3), поступающего на разрядные входы схемы задержки 10. Накопитель 9 (фиг. 4) выполняется на n-разрядном двоичном счетчике 9.2, установочный вход "R" которого соединен с шиной сигнала управления, а вход синхронизации подключен к выходу схемы "И" (9.1), входы которой соединены с выходом дифференцирующего устройства 8 и выходом старшего разряда двоичного счетчика. Разрядность n двоичного счетчика определяется из условия:
о
где Т - период выходного импульсного напряжения опорного генератора 11,
п
п
Т - период первичного напряжения электропитания (Т≈20 мс).
10
k
u
3
9
Выполнение условия (2) необходимо для нормальной работы управляемой схемы 10 задержки, разрядные входы которой соединены с разрядными выходами накопителя. Управляемая схема 10 задержки выполняется на управляемом n-разрядном двоичном счетчике 10.1, "R-S" триггере 10.2, схеме "И" 10.3, одновибраторе 10.4 и однотактном предварительном усилителе 10.5 с трансформаторным выходом, вторичные обмотки которого подключаются к управляющим входам тиристоров, входящих в состав тиристорного ключа 1. Схема 10 задержки предназначена для формирования импульсов U (фиг. 3) включения (t) тиристоров длительностью t=20…50 мкс, определяемой одновибратором 10.4, через временной интервал  после предшествующего перехода через ноль  первичного напряжения электропитания. Длительность интервала τ определяется величиной S двоичного кода, поступающего с разрядных выходов накопителя 9, который определяет коэффициент деления счетчика 10.1:
9
Величина S выходного двоичного кода накопителя 9 изменяется по переходам через ноль первичного напряжения электропитания от максимальной величины
до минимальной величины:
Соответственно, длительность задержки τ также изменяется в пределах:
max
max
o
min
min
o
τ=S⋅T; τ=S⋅T
или с учетом (2):
y
9
max
3
п
о
y
n
9
Причем при отсутствии сигнала управления (U=0 фиг. 4) счетчик 9.2 накопителя 9 обнулен, что соответствует максимальной величине двоичного кода на его инверсных выходах S=S, и, следовательно, максимальной задержке τ=Т/2-Т. При поступлении сигнала управления (U=1, фиг. 4) с каждой полуволной первичного напряжения U питания величина S дискретно (на единицу) уменьшается, что соответствует уменьшению времени задержки на величину
9
8
9
min
3
min
n
Уменьшение кода S до минимальной величины (5) приводит к обнулению выхода старшего разряда 2 кода, что запрещает прохождение импульсов U через схему "И" 9.1 на вход синхронизации счетчика 9.2 и обеспечивает постоянную величину кода S=S и длительность задержки τ=τ. Описанный алгоритм работы накопителя 9 и управляемой схемы 10 задержки позволяет обеспечить режим заряда емкостного накопителя 4 без значительных токовых перегрузок.
y
Предлагаемая система электропитания работает следующим образом. Нагрузкой устройства является передающий тракт, что соответствует импульсному изменению потребляемой мощности. Для основных режимов работы гидроакустического комплекса характерна большая мощность потребления (2…4 кВт) во время посылки, длительность которой достигает 10…20 с, при скважности работы более 20…50. Во время паузы между посылками сигнал управления отсутствует (U=0), накопитель 9 обнулен, что соответствует максимальной задержке (6) включения тиристорного ключа 1. При этом к первичной обмотке трансформатора 2 приложено напряжение, амплитуда которого не превышает:
где Ω=2π⋅50 рад/сек,
3
max
τ=τ.
В частности, для разрядности двоичного кода n=4 с учетом (6) и (2)
где
n
Соответственно, вольт-секундная площадь напряжения в первичной обмотке трансформатора 2 не превышает 1% от четверти полуволны первичного напряжения U, что позволяет практически устранить потери в трансформаторе 2 во время паузы между посылками.
y
8
1
При поступлении сигнала управления (U=1) импульсы U с выхода дифференцирующего устройства 8, поступающие на вход синхронизации накопителя 9, приводят к уменьшению его выходного кода, что соответствует уменьшению времени задержки. Для каждого перехода через ноль первичного напряжения электропитания величина кода уменьшается на 1 и, следовательно, амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора U с каждой полуволной увеличивается на величину ΔU:
М
П
Причем величина ΔU, например для 4 разрядной системы, не превышает 10% от амплитуды Е напряжения U первичной электросети.
4
Отмеченное обстоятельство позволяет значительно уменьшить амплитуду тока i (фиг. 3) заряда емкостного накопителя 4. В частности, при допустимой амплитуде пульсаций выходного напряжения накопителя 4 в рабочем режиме до 5%, амплитуда тока заряда превышает амплитуду номинального тока не более чем на 20…30%. При этом заряд емкостного накопителя осуществляется не более чем за 8 периодов первичного напряжения электропитания.
4
Для меньшей амплитуды пульсаций выходного напряжения U, что обеспечивается увеличением емкости емкостного накопителя 4, выравнивание амплитуд зарядного и рабочего тока можно обеспечить повышением разрядности накопителя 9 и управляемой схемы 10 задержки. Например, при пульсациях напряжения до 1% разрядность системы должна быть обеспечена порядка n=6, причем время заряда в этом случае не превышает 32 периодов первичного напряжения электропитания. Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается устранение потерь в паузах между посылками и выполняется условие плавного заряда емкостного накопителя 4. Указанные преимущества выгодно отличают заявляемое техническое решение от известных решений и устройства-прототипа. В частности, при обеспечении отключения первичной электросети во время паузы между посылками, периодический заряд емкостного накопителя перед началом рабочего цикла в устройстве-прототипе связан с подключением максимального напряжения к первичной обмотке трансформатора, что приводит к токовым перегрузкам, при которых величина зарядного тока более чем в 5…10 раз больше величины номинального тока. Такие токовые перегрузки не позволяют обеспечить отключение первичной электросети на время паузы между посылками, что связано с ростом потерь и уменьшением эксплуатационного КПД устройства-прототипа до 50…70%.
В предлагаемом устройстве отмеченные недостатки устранены. Введение в состав известного устройства совокупности новых блоков и связей позволило значительно улучшить энергетические характеристики и повысить надежность заявляемого устройства и тем самым обеспечить его эффективное использование для электропитания ГА передающих трактов в импульсном режиме работы.
Так, если известное устройство при выходной мощности во время посылки до 4 кВт и скважности более 20 имеет эксплуатационный КПД менее 60% при токовых перегрузках более чем в 5 раз больших номинального тока, то предлагаемое устройство при тех же условиях имеет эксплуатационный КПД до 90% при превышении зарядного тока не более чем на 20…30% номинальной величины тока в рабочем режиме.
На предприятии изготовлен опытный образец и проведены экспериментальные испытания предлагаемого устройства, результаты которых подтвердили его преимущества по сравнению с известными техническими решениями.
Заявляемое техническое решение позволяет значительно улучшить энергетические показатели аппаратуры электропитания ГА передающих трактов, устранить токовые перегрузки, вызванные импульсным режимом его работы, и может быть эффективно использовано в гидроакустических комплексах большого и среднего уровня мощности.