СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2008 года по МПК H02J3/02 

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 переменным током мощной радиосистемы [1].

Недостатком системы электропитания переменным током является то, что для электропитания передающего устройства и другой аппаратуры необходимо применять стабилизаторы переменного напряжения, высоковольтные и высокопотенциальные трансформаторы с входным напряжением 380 В, 50 Гц и фильтры выпрямителей, что приводит к большой массе и габаритам системы электропитания РЛС.

Известна система электропитания радиолокационной станции [2], состоящая из основного и резервного дизель-агрегатов, понижающего трансформатора, ввода внешней сети, силового щита, защитно-распределительного блока, источника питания защитно-распределительного блока, стабилизатора переменного напряжения, источника питания цепей накала передающего устройства (ПУ), высоковольтного выпрямителя ПУ (ВВВ ПУ), источника питания приемного устройства, источников питания аппаратуры РЛС, источника питания привода вращения антенно-мачтового устройства (АМУ), источников питания индикатора кругового обзора.

Недостаток этой системы электропитания в том, что ВВВ ПУ имеет высокий уровень пульсации выходного напряжения, для уменьшения которого необходимо использование фильтрующего устройства. Даже при наличии фильтрующего устройства пульсации на выходе ВВВ вызывают высокий уровень динамической нестабильности выходного напряжения, что приводит к высокой фазовой нестабильности передающего устройства, наличие которой уменьшает разрешающую способность РЛС, что, в свою очередь, снижает ее технические и эксплуатационные характеристики.

Для обеспечения работы системы электропитания применено большое количество источников питания с использованием трансформаторов, выпрямителей, стабилизаторов, что приводит к увеличению массы и габаритов системы электропитания.

Для управления электродвигателем вращения АМУ используется большое количество электрооборудования, что также увеличивает массу и габариты системы, снижает надежность.

При кратковременном отключении внешней сети 380 В, 50 Гц или дизель-агрегата напряжение на выходе источника питания защитно-распределительного блока становится равным нулю, РЛС выключается. После отключения требуется повторное включение по заданной программе, что приводит к снижению надежности работы РЛС.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является система электропитания РЛС [3], 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 ПУ, приемное устройство, аппаратуру РЛС и привод вращения АМУ, в нее 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 системы электропитания прототипа 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 [4].

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 [5]. Улучшение гармонического состава потребляемого тока может быть получено при использовании активных корректоров коэффициента мощности [6], 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 системы электропитания прототипа 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 системы электропитания прототипа. Кроме того, при выходе из строя в схеме прототипа выпрямителя, питающего DC-DC преобразователи, все передающие устройства теряют работоспособность. Это снижает надежность системы электропитания.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решается задача совершенствования системы электропитания РЛС и расширения области ее применения.

Технический результат - повышение КПД, коэффициента мощности, надежности, электробезопасности, унификация и уменьшение массы.

Этот технический результат достигается тем, что в системе электропитания радиолокационной станции, состоящей из ввода внешней сети, подключенного к входу защитно-распределительного блока, первых преобразователей, питающих передающее устройство, второго преобразователя, питающего привод антенно-мачтового устройства, третьего преобразователя, подключенного к аккумулятору, питающему ЭВМ, четвертых преобразователей, питающих аппаратуру радиолокационной станции, где входы второго и третьего преобразователей подключены к выходу 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 вход четвертых преобразователей подключен 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 аппаратуры РЛС, исключить автотрансформатор. При небольших массогабаритных показателях такие преобразователи обеспечивают требуемые выходные параметры, в том числе и электромагнитную совместимость. При выходе из строя нескольких первых преобразователей и, следовательно, передающих устройств сохраняется работоспособность РЛС, что повышает надежность системы электропитания.

На чертеже представлена предлагаемая схема системы электропитания РЛС. Приняты следующие обозначения:

1 - ввод внешней сети;

2 - защитно-распределительный блок;

3 - первые прямоходовые преобразователи типа AC-DC (в прототипе - вторые прямоходовые типа DC-DC);

4 - второй прямоходовый преобразователь типа АС-АС (в прототипе - это пятый прямоходовый типа АС-АС),

5 - третий прямоходовый преобразователь типа AC-DC (в прототипе - шестой прямоходовый преобразователь типа AC-DC);

6 - аккумулятор;

7 - четвертые прямоходовые преобразователи типа DC-DC (в прототипе - это четвертые обратноходовые преобразователи типа AC-DC);

8 - пятые прямоходовые преобразователи типа AC-DC (в прототипе функционально такого преобразователя нет).

Предлагаемая система электропитания РЛС состоит из ввода внешней сети 1, который подключен к входу защитно-распределительного блока 2, первых прямоходовых преобразователей 3 типа AC-DC, преобразующих переменное напряжение в постоянное и питающих передающие устройства, второго прямоходового преобразователя 4 типа АС-АС, преобразующего переменное напряжение в переменное и питающего привод АМУ, третьего прямоходового преобразователя 5 типа AC-DC, преобразующего переменное напряжение в постоянное, подключенного к аккумулятору 6, питающему ЭВМ, четвертых прямоходовых преобразователей 7 типа DC-DC, преобразующих постоянное напряжение в постоянное и питающих аппаратуру радиолокационной станции. Входы второго 4 и третьего 5 преобразователей подключены к выходу защитно-распределительного блока 2. В систему электропитания РЛС введены пятые прямоходовые преобразователи 8 типа АС-DC, преобразующие переменное напряжение в постоянное, причем вход четвертого преобразователя 7 подключен к выходу пятых преобразователей 8, а вход первых 3 и пятых 8 - к выходам защитно-распределительного блока 2.

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 однотакткого 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 антенно-мачтового устройства. Преобразователь 4 при помощи транзисторов обеспечивает бесконтактное переключение обмоток вентильного двигателя мощностью 25 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 и индуктивно-емкостном фильтре входного выпрямителя его коэффициент мощности составляет 0,9. 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

Поскольку прямоходовые преобразователи 8 устанавливаются в нижней части стойки (шкафа), а преобразователи 7 - 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 прямоходовых преобразователей типа AC-DC с выходным напряжением 27 В, к которым подключены DC-DC преобразователи, позволяет получить требуемые напряжения для обеспечения работы аппаратуры РЛС, повысить КПД, коэффициент мощности, надежность, электробезопасность, унификацию и уменьшить массу элементов упомянутой системы электропитания. Использование в системе электропитания прямоходовых преобразователей типа AC-DC с выходным напряжением 28 В позволяет обеспечить питание передающих устройств РЛС, расширить область применения вышеупомянутой системы, повысить ее надежность.

Источники информации

1. «Устройства электропитания мощных радиосистем» под ред. А.А.Ткачева. «Энергия», Москва, 1972, рис. В-1.

2. «Подвижная радиолокационная станция П-18». Военное издательство Министерства обороны СССР. Москва, 1978.

3. «Система электропитания РЛС» - патент РФ на полезную модель № 60803, Н02S 3/02, Н02S 9/00, опуб. 27.01.2007.

4. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов в источниках вторичного электропитания: справочник. М.: Радио и связь, 1992 г.

5. Иванов B.C. и Панфилов Д.И. Компоненты силовой электроники фирмы MOTOROLA. M., 1998.

Предложена система электропитания радиолокационной станции, состоящая из ввода внешней сети, подключенного к входу защитно-распределительного блока, первых преобразователей, питающих передающее устройство, второго преобразователя, питающего привод антенно-мачтового устройства, третьего преобразователя, подключенного к аккумулятору, питающему ЭВМ, четвертых преобразователей, питающих аппаратуру радиолокационной станции, причем входы второго и третьего преобразователей подключены к выходу 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 вход четвертых преобразователей подключен к выходу пятых, а вход первых и пятых - к выходам защитно-распределительного блока. Технический результат: система позволяет получить требуемые напряжения, повышается ее КПД, коэффициент мощности, надежность, электробезопасность. 1 ил.

Система электропитания радиолокационной станции, состоящая из ввода внешней сети, подключенного к входу защитно-распределительного блока, первых преобразователей, питающих передающее устройство, второго преобразователя, питающего привод антенно-мачтового устройства, третьего преобразователя, подключенного к аккумулятору, питающему ЭВМ, четвертых преобразователей, питающих аппаратуру радиолокационной станции, причем входы второго и третьего преобразователей подключены к выходу защитно-распределительного блока, отличающаяся тем, что 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 вход четвертых преобразователей подключен к выходу пятых, а вход первых и пятых - к выходам защитно-распределительного блока.