КОМПЛЕКС ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ АНТЕННОГО ПОСТА ЗЕНИТНО-РАКЕТНОГО КОМПЛЕКСА

Полезная модель относится к комплексам электропитания подвижных объектов, оборудованных радиоэлектронной аппаратурой, а именно к комплексам электропитания мобильных радиоэлектронных систем оборонного назначения с базовым питанием от стационарных электрических сетей или от дизель-генераторов со стандартными общепромышленными параметрами вырабатываемой электроэнергии. Предлагаемое техническое решение, в частности, может быть использовано при модернизации антенного поста зенитно-ракетного комплекса «Печора 2М».
Известна система электропитания (см. патент на полезную модель RU №86361, дата публикации 27.08.2009) корабельной автоматизированной системы управления (КАСУ), содержащая устройство центрального управления, в состав которого входят центральная электронно-вычислительная машина (ЦЭВМ) и соединенная с ЦЭВМ панель управления, а также центральное распределительное устройство (ЦРУ) и, по меньшей мере, одно периферийное устройство связи с объектами управления, включающее, по меньшей мере, два канала, каждый из которых содержит модуль вычислителя, соединенный посредством резервированной интерфейсной магистрали локальной вычислительной сети с ЦЭВМ, модуль питания бортовой аппаратуры (МПБА), управляющие входы и информационные выходы которого подключены к соответствующим выходам и входам модуля вычислителя, источник вторичного электропитания (ИВЭП) МПБА, выход которого через контактор напряжения основного питания соединен с шиной питания МПБА, а также контактор напряжения аварийного питания, выход которого соединен с шиной питания МПБА, управляющий вход соединен с выходом панели управления по сигналу включения аварийного питания, а вход через блок развязки цепей аварийного питания соединен с входом аварийного питания ЦРУ, при этом ЦРУ содержит устройство  контроля и управления, центральный ИВЭП, соединенный с входом основного питания ЦРУ, а также блок коммутации питания вычислительной системы, входы основного и аварийного питания которого соединены соответственно с выходом центрального ИВЭП и входом аварийного питания ЦРУ, а выходы соединены с шиной питания вычислительной системы, к которой через блок развязки цепей питания вычислительной системы подключены входы питания ЦЭВМ и модулей вычислителей периферийных устройств связи с объектами управления, отличающаяся тем, что в ЦРУ дополнительно введен блок коммутации дежурного напряжения питания, входы основного и аварийного питания которого соединены соответственно с выходом центрального ИВЭП и входом аварийного питания ЦРУ, а соответствующие выходы соединены с входом преобразователя напряжения устройства документирования, с входом дежурного питания устройства контроля и управления и с шиной дежурного напряжения питания, которая через блок развязки цепей дежурного напряжения питания соединена с входами дежурного питания панели управления и периферийных устройств связи с объектами управления, кроме этого, устройство управления и коммутации содержит блок контроля напряжения аварийного питания, соединенный с входом аварийного питания ЦРУ, два блока контроля сопротивления изоляции, один из которых соединен с входом основного питания ЦРУ, а другой - с выходом центрального ИВЭП, и блок управления, входы которого по сигналам неисправности изоляции и выходы управляющих сигналов соединены с соответствующими входами и выходами блоков контроля сопротивления изоляции, а также блок сбора и обработки данных, выполненный на основе контроллера, связанного с ЦЭВМ посредством интерфейсной магистрали последовательного канала, при этом выходы блока управления, на которых формируются сигналы неисправности изоляции, соединены с соответствующими входами блока сбора и обработки данных, вход которого по сигналу неисправности аварийного питания соединен с выходом блока контроля напряжения аварийного питания, а вход по сигналу исправности основного питания соединен с соответствующим выходом центрального ИВЭП, который соединен также с соответствующими управляющими входами блока коммутации дежурного напряжения питания и блока коммутации питания вычислительной системы, управляющие входы которых по сигналу включения аварийного питания, а также управляющий вход блока коммутации питания вычислительной системы по сигналу включения комплекса соединены с соответствующими выходами панели управления, управляющий вход блока коммутации питания вычислительной системы по сигналу включения аварийного питания аварийного выброса соединен с соответствующим выходом блока сбора и обработки данных, выходы которого по сигналам неисправности изоляции и неисправности питания соединены с соответствующими индикаторами панели управления, а выход по сигналу включения устройства документирования соединен с соответствующим управляющим входом блока коммутации дежурного напряжения питания.
Данный аналог в качестве базового питания использует бортовую корабельную сеть достаточной мощности с частотой переменного тока 400 Гц. Эта особенность аналога не позволяет использовать его для электропитания мобильных радиоэлектронных комплексов оборонного назначения с базовым питанием от источников с общепромышленными параметрами вырабатываемой электроэнергии и с требованием получения, наряду с другими, вторичного силового напряжения частотой 400 Гц, которое используется для питания ряда функционально важных элементов комплекса (например, гироскопических приборов с бесколлекторным приводом). Кроме того, наличие в структуре системы электропитания центральной электронно-вычислительной машины (ЦЭВМ), делает всю систему уязвимой от неисправностей и поражений программного характера, что снижает ее надежность. По этой причине в современных системах и комплексах электропитания предпочтительным является применение многопроцессорной схемы управления и самодиагностики, построенной на базе микроконтроллеров.
Полезная модель имеет своей целью усовершенствование системы электропитания мобильных радиоэлектронных комплексов оборонного назначения с базовым питанием от стационарных электрических сетей или от дизель-генераторов со стандартными общепромышленными параметрами вырабатываемой ими электроэнергии. При использовании полезной модели достигается следующие технический результаты:
1. Увеличивается КПД комплекса электропитания антенного поста зенитно-ракетного комплекса (далее по тексту используется аббревиатура КЭП)
2. Обеспечивается электрическая защита всех, подключенных к КЭП, потребителей электроэнергии от перегрузок и коротких замыканий
3. Увеличивается надежность КЭП
4. Без применения ЦЭВМ обеспечивается встроенная диагностика элементов КЭП и сигнализация о его состоянии и о важнейших параметрах (готовности, аварийных режимах, о величинах токов и напряжений на выходе источников переменного и постоянного тока) с дистанционной передачей информации по интерфейсу RS-485.
Указанные технические результаты достигаются тем, что КЭП, электрически связанный, посредством разъемов с источником базового питания, с потребителями электроэнергии антенного поста и с его пультом управления, содержащий микроконтроллеры, микросхемы, реле, электровентилятор охлаждения, служебные вторичные источники питания, а так же другие компоненты слаботочной и силовой электроники имеет характерные особенности, которые определяют его новизну. Эти особенности заключаются в следующем: КЭП функционально включает в себя распределитель, инвертор, конвертор и блок коммутации, причем распределитель снабжен счетчиком моточасов, вход распределителя соединен с трехфазным источником базового питания, а выходы через первый и второй автоматические выключатели параллельно соединены с несколькими базовыми блочными разъемами и с инвертором, на входе которого установлен фильтр индустриальных помех, выход фильтра соединен одной фазой с входом первого микроконтроллера и, тремя фазами, соединен с входом трехфазного мостового выпрямителя, выход выпрямителя соединен с входом ограничителя стартового тока, выход ограничителя стартового тока через конденсатор соединен с источником вольтдобавки, входящим в состав конвертора, а через контрольную цепь первого датчика тока выход ограничителя стартового тока соединен с входом трехфазного IGВТ-моста, выход последнего соединен тремя фазами с тремя резисторами в цепях обратных связей, а так же, последовательно, через фильтр-пробку несущей частоты, через контрольную цепь датчика напряжения и через третий автоматический выключатель соединен с первым выходным блочным разъемом резисторы же цепей обратных связей замыкаются на соответствующие входы второго микроконтроллера, шесть управляющих выходов которого соединены с затворами полевых транзисторов IGВТ-моста через усилители управляющих напряжений, соединенных по цепям питания с входящим в состав инвертора двухполярным служебным источником, а пять других выходов соединены с входами первого микроконтроллера, еще два входа которого соединены соответственно с сигнальными выходами первого датчика тока и датчика входного напряжения, выходы первого микроконтроллера соединены так же через усилитель с сигнальной лампой включения, соединены так же с другими индикаторами самодиагностики и с входом контроллера-формирователя сигнала по протоколу RS-485, выход которого, в свою очередь, соединен с внешней шиной интерфейса RS-485; конвертор содержит источник вольтдобавки, который через конденсатор подключен по питанию к выходу датчика тока, а по управлению подключен к микроконтроллеру и своим выходом через конденсатор соединен с выходом ограничителя стартового тока, причем одна из вторичных обмоток силового трансформатора, входящего в состав источника вольтдобавки нагружена на схему выпрямления-стабилизации, которая шиной управления так же связана с третьим микроконтроллером, образуя силовой источник питания с управляемым и неуправляемым выходами, оба указанных выхода снабжены фильтрами низких частот, управляемый выход, снабженный силовым транзисторным модулем, вольтметром и вторым датчиком тока, сигнальная цепь которого замкнута на соответствующий вход третьего микроконтроллера, соединен через четвертый автоматический выключатель с третьим выходным блочным разъемом и через пятый автоматический выключатель и через амперметр соединен с третьим блочным разъемом подключения аккумуляторной батареи, неуправляемый же выход соединен с повышающим преобразователем, который связан шиной управления с третьим микроконтроллером, выход повышающего преобразователя соединен с питающим входом понижающего преобразователя, который связан входом управления с третьим микроконтроллером и выполняет функцию служебного внутреннего источника питания; блок коммутации содержит элементы, обеспечивающие гальваническую развязку и усиление команд антенного поста, а также элементы включением электровентилятора по команде второго микроконтроллера и связан с антенным постом посредством четвертого блочного разъема.
Обозначенная сущность полезной модели очевидно связана с заявленными техническими результатами, поскольку в предлагаемом техническом решении не используются электромашинные компоненты преобразования частоты, обладающие сравнительно низким КПД и низкой надежностью по сравнению с электронными компонентами, а встроенная диагностика элементов КЭП и сигнализация о его состоянии и важнейших параметрах с дистанционной передачей информации по интерфейсу RS-485 обеспечивается применением микроконтроллеров.
На Фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема КЭП с обозначением его функциональных блоков позициями.
КЭП функционально включает в себя распределитель (1), инвертор (2), конвертор (3), блок коммутации (4), электроэлементы индикации (5). Распределитель (1) снабжен счетчиком моточасов (6), вход распределителя (1) соединен с трехфазным источником базового питания (не показан), а выходы через первый (7) и второй (8) автоматические выключатели параллельно соединены с несколькими базовыми блочными разъемами «сеть 3ф. 220 В/50 Гц» (9) и с инвертором (2), на входе которого установлен фильтр индустриальных помех (10), выход фильтра (10) через ограничительный резистор (11) соединен одной фазой с входом первого микроконтроллера (12) и, тремя фазами, соединен с входом трехфазного мостового выпрямителя (13), выход выпрямителя (13) соединен с входом ограничителя стартового тока (14), выход ограничителя стартового тока (14) через конденсатор (15) соединен с источником вольтдобавки (16), входящим в состав конвертора (3), а через контрольную цепь первого датчика тока (17) выход ограничителя стартового тока (14) соединен с входом трехфазного IGВТ-моста (18), выход последнего соединен тремя фазами с тремя резисторами в цепях обратных связей (19), а так же, последовательно, через фильтр-пробку несущей частоты (20), через контрольную цепь датчика напряжения (21) и через третий автоматический выключатель (22) соединен с первым блочным разъемом (23) «сеть 3ф. 220 В/400 Гц», резисторы же цепей обратных связей (19) замыкаются на соответствующие входы второго микроконтроллера (24), шесть управляющих выходов которого соединены с затворами полевых транзисторов IGВТ-моста (18) через усилители управляющих напряжений (25), соединенных по цепям питания с входящим в состав инвертора двухполярным служебным источником (26), а пять других управляющих выходов соединены с входами первого микроконтроллера (12), еще два входа которого соединены соответственно с сигнальными выходами первого датчика тока (17) и ограничительным резистором (11), выходы первого микроконтроллера (12) соединены так же через усилитель (27) с сигнальной лампой включения (не показана), соединены так же с другими электроэлементами индикации (5) и с входом контроллера-формирователя сигнала по протоколу RS-485 (28), выход которого, в свою очередь, соединен с внешней шиной интерфейса RS-485. Конвертор (3) содержит источник вольтдобавки (16), подключенный по питанию к выходу первого датчика тока (17), по управлению к третьему микроконтроллеру (29) и своим выходом через конденсатор (15) соединен с выходом ограничителя стартового тока (14). Одна из вторичных обмоток (30) силового трансформатора, входящего в состав источника вольтдобавки (16) нагружена на схему выпрямления-стабилизации, которая шиной управления так же связана с третьим микроконтроллером (29), образуя вторичный силовой источник питания (31) с управляемым и неуправляемым выходами, оба указанных выхода снабжены фильтрами низких частот, управляемый выход, снабженный силовым транзисторным модулем (32), вольтметром (33) и вторым датчиком тока (34), сигнальная цепь которого замкнута на соответствующий вход третьего микроконтроллера (29), соединен через четвертый автоматический выключатель (35) с вторым выходным блочным разъемом (36) «сеть+27 В» и через пятый автоматический выключатель (37) и через амперметр (38) соединен с третьим блочным разъемом (39) «+27 В АКБ» подключения аккумуляторной батареи, неуправляемый же выход соединен с повышающим преобразователем (40), который связан шиной управления с третьим микроконтроллером (29), выход повышающего преобразователя (40) соединен с питающим входом понижающего преобразователя (41), который связан входом управления с третьим микроконтроллером (29) и выполняет функцию служебного внутреннего источника питания; блок коммутации (4) содержит элементы, обеспечивающие гальваническую развязку и усиление команд антенного поста, а также элементы, управляющие включением электровентилятора (42) по команде «ПЕРЕГРЕВ» с второго микроконтроллера (24). Блок коммутации (4) связан с антенным постом посредством четвертого блочного разъема (43).
КЭП функционирует следующим образом:
Через распределитель (1) трехфазное напряжение от источника базового питания поступает на фильтр индустриальных помех (10) инвертора (2) и выпрямляется трехфазным мостовым выпрямителем (13). Выпрямленное напряжение модулируется IGBT-мостом (18) по сигналам с усилителей управляющих напряжений (25), причем ШИМ-сигналы управления формирует второй микроконтроллер (24) по напряжению обратных связей с резисторов (19). Выходной фильтр-пробка несущей частоты (20) подавляет несущую частоту 14,4 кГц выходного напряжения, так что на выходе инвертора имеет место трехфазная система гармонических напряжений 220 В/400 Гц. Эти напряжения через контрольную цепь датчика напряжения (21) и через автоматический выключатель (21) подаются на первый блочный разъем (23) «сеть 3ф. 220 В/400 Гц» с которого осуществляется питание соответствующих элементов антенного поста. Кроме формирования ШИМ-сигналов управления IGBT-мостом, второй микроконтроллер (24) контролирует:
- температуру кристалла IGBT-моста (18), формируя при превышении 120°С сигнал «ПЕРЕГРЕВ», управляющий включением электровентилятора (43);
- величину сопротивления изоляции фаз выходного напряжения сразу после подачи напряжения электропитания;
- наличие сигнала усилителей управляющих напряжений (25) о коротком замыкании в IGВТ-мосте (18).
Первый микроконтроллер (12) контролирует:
- напряжение базового электропитания «~220 В 50 Гц», по сигналу с ограничительного резистора (11)
- ток нагрузки с первого датчика тока (17).
Сигнализация о состоянии КЭП и его параметрах передается на пульт управления комплексом по интерфейсу RS-485 через контроллер (28) подключенному к второму микроконтроллеру. На входы второго микроконтроллера поступают следующие сигналы о неисправностях с первого микроконтроллера (12):
- НЕИСПР И при несоответствии выходного напряжения требуемым значениям,
- КЗ И при коротком замыкании в IGВТ-мосте,
- ИЗОЛЯЦИЯ при сопротивлении изоляции выходных фаз менее 20 кОм,
- ПЕРЕГРЕВ при температуре кристалла IGВТ-моста свыше 120°С,
- сигнал по последовательному интерфейсу с выхода конвертора,
- сигналы антенного поста.
Первый микроконтроллер (12) формирует:
- сигнал тактирования последовательного интерфейса связи с конвертором (3),
- команду запрета формирования ШИМ вторым микроконтроллером (23),
- команды антенного поста.
Электропитание ±15 В первого датчика тока (17) и усилителей управляющих напряжений IGВТ-моста (18) производится выпрямлением напряжения ~16 В 50 кГц. В конверторе (3) источник вольтдобавки (16) формирует вольт-добавку и повышает напряжение электропитания +310 В до значения +360 В. Второй датчик тока (34) выдает сигнал о значении тока нагрузки. При превышении тока нагрузки значения 150 А конвертор переходит в режим токоограничения, снижая выходное напряжение до 21 В, после чего происходит размыкание выходной цепи по команде с третьего микроконтроллера (29) на источник питания (31). Повышающий преобразователь постоянного напряжения (40) повышает напряжение +27 В до значения +35 В, понижающий преобразователь (41) формирует вторичные гальванически развязанные напряжения: ±12 В, ~16 В 50 кГц и два стабилизированных напряжения +5 В. Эти напряжения используются для питания элементов КЭП.
Третий микроконтроллер (29) контролирует:
- наличие сигнала усилителей о коротком замыкании в источнике вольтдобавки (16),
- наличие напряжения электропитания
- ток нагрузки с второго датчика тока (34),
- выходное напряжение +27 В,
- напряжение +35 В повышающего преобразователя (40)
На вход микроконтроллера поступает сигнал тактирования последовательного интерфейса связи с инвертором (2).
Микроконтроллер формирует:
- ШИМ-сигналы управления источником вольтдобавки (16),
- сигнал управления усилителем полевого транзисторного модуля (32),
- сигнал по последовательному интерфейсу связи с инвертором (2),
- ШИМ-сигнал управления повышающего преобразователя (40),
- сигнал управления понижающего преобразователя (41),
сигналы о неисправностях:
- НЕИСПР К при несоответствии выходного напряжения требуемому значению,
- ТОК К при превышении тока нагрузки значения 150 А,
- КЗ К при коротком замыкании в источнике вольтдобавки (16),
блок коммутации (4) обеспечивает гальваническую развязку и усиление команд антенного поста с помощью трех усилителей, управляемых первым микроконтроллером (12), а также управляет включением электровентилятора (42) по команде «ПЕРЕГРЕВ» со второго микроконтроллера (24). Амперметр (38) показывает значение тока заряда аккумуляторной батареи.
Счетчик моточасов (6) запитывается от напряжения ~220 В 50 Гц и показывает наработку КЭП в рабочем режиме. Электроэлементы индикации (5) отображают текущее состояние режимов КЭП.