Передающее устройство гидроакустического лага Российский патент 2023 года по МПК H04B1/02 G01S15/00 

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в качестве радиотехнических и гидроакустических передающих устройств, предназначенных, главным образом, для применения в составе гидроакустического лага ультразвукового диапазона частоты.

Известно, что абсолютные гидроакустические лаги (ГАЛ), основанные на эффекте Доплера, являются основным техническим средством измерения скорости подводных объектов, необходимой для решения навигационных и тактических задач [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. СПб.: Наука, с. 410]. Принцип действия ГАЛ основан на излучении многолучевого сигнала и дальнейшей обработке отклика от донной поверхности. При этом излучение и прием сигналов может проводиться практически непрерывно при использовании соответствующей частотной манипуляции в сравнительно узкой полосе (до 0,2 октав) ультразвукового диапазона. Задача определения абсолютной скорости объекта решается в условиях как мелкого так и глубокого моря глубиной от 100 м до 6000 м и более. В результате передающие устройства ГАЛ должны обеспечивать значительный динамический диапазон генерируемых сигналов с максимальным уровнем мощности до 10 кВА. Достижение такого уровня мощности, в том числе при длительных циклах излучения в условии ограниченного объема и энергопотребления аппаратуры, является сложной технической задачей, решение которой возможно только при использовании энергетически эффективных устройств усиления сигналов возбуждения гидроакустической излучающей антенны, построенных на основе ключевых усилителей и генераторов с известными принципами реализации [Артым А.Д. Усилители Класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980, с. 209]

В гидроакустических комплексах для режимов гидролокации и гидросвязи (ГЛ и ГС) при генерации сигналов большой мощности звуковых частот широко используются усилители класса D, где частота широтно-импульсной модуляции (ШИМ) превышает верхнюю частоту усиливаемых сигналов не менее чем в 20-30 раз [например: патент РФ №2188498. Двухканальный усилитель класса D. Опубл. 27.08.2002, патент РФ №2195687. Гидроакустический передающий тракт. Опубл. 27.12.2002]. Достоинством известных устройств является возможность реализации сложных амплитудно- и частотно-модулированных сигналов в широком динамическом диапазоне в условиях электропитания оконечных каскадов усилителей мощности непосредственно от сети объекта, что соответствует условию минимизации габаритов передающей аппаратуры. Однако, применение такого принципа построения гидроакустических передающих устройств большой мощности, как правило, не позволяет обеспечить генерацию ультразвуковых сигналов, необходимых для построения ГАЛ в ограниченных габаритах и заданной точности измерения абсолютной скорости. Даже при использовании потенциала многоканальной ШИМ [патент РФ №2195687] такие передающие тракты применяются в частотном диапазоне не выше 10-15 кГц, так как достаточно высокая частота переключений (выше 200 кГц) при электропитании от высокого напряжения объектовой сети приводит к недопустимому относительному уровню динамических потерь (более 20% от номинальной выходной мощности).

Уменьшить потери энергии в усилителе мощности (УМ) позволяет применение управляемого преобразователя от напряжения объектовой сети в напряжение электропитания оконечного каскада УМ в соответствии с установленным уровнем генерируемого сигнала, как предлагается в известных технических решениях, [См. патенты РФ: №2629748. Опубл. 1.08.2017; №2767315. Опубл. 17.03.2022.] описывающих реализацию системы электропитания импульсного усилителя мощности. Предложенные устройства содержат преобразователи напряжения с электропитанием от первичной сети, формирующие вторичные напряжения с быстроизменяющимся выходным напряжением, соответствующим огибающей выходного сигнала усилителя мощности. Причем в устройстве по патенту РФ №2767313 для этой задачи используется широтно-импульсный преобразователь с весьма сложной системой управления низкочастотным током заряда и разряда емкости фильтра нижних частот на выходе ключевого преобразователя напряжения, что представляется избыточным для электропитания усилителя мощности с квазинепрерывным режимом работы, характерным для гидроакустического лага.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство по патенту РФ №2629748, в котором для стабилизации напряжения электропитания усилителя мощности использована обратная связь по напряжению, что позволяет повысить точность регулирования генерируемого сигнала при работе усилителя мощности в клейпированном режиме (режим ограничения) соответствующем максимальной энергетической эффективности. Именно это обстоятельство весьма полезно при работе в диапазоне ультразвуковых частот с возможностью перехода усилителя мощности в режим ключевого генератора напряжения, и выгодно отличает устройство-прототип от известных технических аналогов.

Устройство-прототип, в соответствии со структурной схемой, приведенной на фиг. 1, содержит зарядное устройство 1 (ЗУ 1), емкостной фильтр 2 (ЕФ 2), ключевой преобразователь 3 напряжения (КПН 3), фильтр 4 нижних частот (ФНЧ 4), усилитель 7 мощности (УМ 7), цепь 5 обратной связи по напряжению (ОСН 5), широтно-импульсный преобразователь 6 (ШИП 6) со входом управления.

В соответствии с принципом действия в устройстве-прототипе на выходе КПН 3 формируется выходное напряжение Е, соответствующее максимальному уровню выходного сигнала УМ 7, определенному командой управления, поступающей на вход ШИП 6. Точность поддержания заданного уровня Е достигается компенсацией дестабилизирующих воздействий сигналом с выхода ОСН 5, поступающим на вход коррекции ШИП 6. При этом в оконечном каскаде УМ 7 достигается минимизация потерь энергии. Так, например, даже при использовании усилителя класса В при работе на активную нагрузку относительные потери могут быть обеспечены не более 25%, что является хорошим показателем для линейных усилителей, позволяющих обеспечить генерацию весьма высокочастотных сигналов. Вместе с тем попытки уменьшить потери энергии за счет перехода к более эффективным режимам работы в известном устройстве сталкиваются с препятствием, связанным с понижением надежности работы при перегрузке. Здесь следует отметить, что линейные усилители мощности, предполагаемые к применению в устройстве-прототипе относятся в основном к генераторам тока, и, как правило, имеют ограничения по выходной мощности и снабжены соответствующей защитой от перегрузок. При переходе к ключевым генераторам напряжения выходной ток при уменьшении нагрузки может возрастать весьма быстро до опасных значений, причем введение обратной связи по низкочастотному выходному току КПН 3, предлагаемое в патенте РФ №2767315 не позволяет реализовать ограничение выходного тока УМ 7 в силу наличия весьма значительной емкости ФНЧ 4. Выбор выходной емкости ФНЧ определяется условием эффективной работы КПН 3, частота которого, как правило, не превышает 30-50 кГц, что обеспечивает достаточно малый уровень потерь энергии (не более 5%).

Таким образом, устройство-прототип, рассчитанное только на использование линейного режима УМ 7, не позволяет использовать режим ключевой генерации ультразвуковых сигналов и как следствие обладает низкой энергетической эффективностью, большими габаритами и низкой надежностью вследствие значительного уровня тепловыделения. Выделенные недостатки известных технических решений ограничивают возможности их использования в составе ГАЛ.

Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы при сокращении габаритов и расширения возможности использования передающего устройства.

Технический результат изобретения заключается в использовании усилителя мощности в режиме высокоэффективного генератора напряжения при динамическом ограничении выходного тока и управлении напряжением электропитания для устранения перегрузки.

Технический результат достигается тем, что в известном передающем устройстве, содержащем зарядное устройство, включенное между шиной электропитания и емкостным фильтром, соединенным выходом с входом электропитания ключевого преобразователя напряжения, выход которого подключен через фильтр нижних частот к входу электропитания усилителя мощности и входу цепи обратной связи по напряжению, выход которой соединен с входом коррекции широтно-импульсного преобразователя, вход управления которого соединен с шиной управления, а выход - с входом управления ключевого преобразователя напряжения, посредством того, что в его состав введены новые признаки, а именно: датчик высокочастотного тока, резонансный фильтр, цепь обратной связи по току, детектор амплитуды и фазоимпульсный преобразователь, а усилитель мощности выполнен в виде высокочастотного двухканального ключевого усилителя, выход которого соединен через датчик высокочастотного тока и резонансный фильтр с шиной нагрузки, а первый и второй входы - с первым и вторым выходом фазоимпульсного преобразователя, вход управления которого соединен с шиной синхронизации, а вход коррекции - с другим входом коррекции широтно-импульсного преобразователя и выходом детектора амплитуды, подключенного входом через цепь обратной связи по току к выходу датчика высокочастотного тока.

В предложенном передающем устройстве гидроакустического лага реализация заявляемого технического эффекта обеспечивается совокупностью вновь вводимых блоков и связей.

Повышение энергетической эффективности достигается за счет перевода усилителя мощности в режим ключевой генерации с выделением полезного сигнала в нагрузке резонансным фильтром, рассчитанным на полосу высоких рабочих частот. При этом повышение надежности обеспечивается обратной связью по высокочастотному току через амплитудный детектор с динамической коррекцией действующего значения выходного импульсного напряжения и плавной низкочастотной коррекцией напряжения электропитания оконечного каскада усилителя мощности. Достоинства предлагаемого технического решения позволяют минимизировать тепловыделение и габариты передающего устройства, пригодного для использования в составе ГАЛ большой мощности.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где приведены структурная схема устройства-прототипа (фиг. 1), структурная схема заявляемого устройства (фиг. 2) и временные диаграммы, поясняющие принцип действия предлагаемого технического решения (фиг. 3).

Структурная схема заявляемого устройства (фиг.2) содержит: зарядное устройство 1 (ЗУ 1), емкостной фильтр 2 (ЕФ 2), ключевой преобразователь 3 напряжения (КПН 3), фильтр 4 нижних частот (ФНЧ 4), цепь 5 обратной связи по напряжению (ОСН 5), широтно-импульсный преобразователь 6 (ШИП 6), ключевой усилитель 13 мощности (КУМ 13), датчик тока 8 (ДТ 8), резонансный фильтр 12 (РФ 12), цепь 9 обратной связи по току (ОСТ 9), детектор 10 амплитуды (ДА 10), фазоимпульсный преобразователь 11 (ФИП 11)

Для пояснения принципа действия предлагаемого технического решения в режиме динамического ограничения выходного тока высокоэффективного генератора напряжения, реализованного на двухканальном ключевом усилителе мощности, на фиг. 3 приведены временные диаграммы сигналов со следующими обозначениями:

S - сигнал управления, поступающий на вход ШИП 6;

S_P - разностный сигнал, определяющий уровень широтно-импульсной модуляции m=t_и/T ШИП 6, где t_и - длительность импульса управления КПН 3 при постоянном периоде следования Т=20÷30 мкс, формируемого с учетом уровня сигнала управления и корректирующих сигналов с выходов ОСН 5 и ДА 10;

Е - выходное напряжение ФНЧ 4, поступающее на вход электропитания КУМ 7, пропорционально уровню m: Е=E_{o m}, где E_o - напряжение сети объекта, поступающее на вход электропитания КПН 3 через ЗУ 1 и ЕФ 2;

U_п - пилообразное напряжение с максимальной амплитудой U_пм удвоенной рабочей частоты, определенной сигналом на шине синхронизации ФИП 11 в относительно узкой полосе от 0,1 до 0,3 окт.;

U_р - корректирующий сигнал, формируемый в ФИП 11, как пороговая разность между установленным уровнем U₀, соответствующим допустимой величине I_д амплитуды выходного тока i рабочей частоты на выходах КУМ 13, и выходным сигналом амплитудного детектора:

где U_oн≥U_пм - заданный начальный уровень

V₁ - импульсный сигнал на первом входе управления КУМ 7 типа меандр, фронт и спад которого определяются поочередно фронтом сигнала синхронизации;

V₂ - импульсный сигнал на втором входе управления КУМ 7 типа меандр, сдвинутый во времени на длительность τ сигнала V_P, формируемого в ФИП по результату сравнения сигналов пилообразного напряжения U_п и разностного сигнала U_p:

где сигнал высокого уровня V_p=1 соответствует условию U_p>U_п;

i - выходной ток рабочей частоты на выходе КУМ 7 в нагрузку через резонансный фильтр

I_д - допустимый уровень амплитуды тока i;

U_B и U_A- выпрямленное напряжение с выхода ДТ 8 и выходное напряжение ДА 10 с выделенным пунктиром допустимым уровнем Uд_А;

ΔU_A - корректирующая величина выходного сигнала детектора амплитуды.

V - импульсное напряжение на выходе КУМ формируемое как сумма напряжений каналов ключевого усиления формируемых по нормированным величинам (V₁=±1; V₂=±1) сигналов управления.

Все структурные блоки, входящие в состав предложенного передающего устройства ГАЛ, выполняются по известным правилам, а их совокупное использование приводит к заявляемым техническим результатам.

Зарядное устройство 1 должно обеспечивать плавное включение напряжения объектовой сети на емкостной фильтр ЕФ 2 и дальнейшую передачу с минимальными потерями энергии на вход электропитания КПН 3. При средней выходной мощности передающего устройства (до 1-2 кВт) зарядное устройство может использовать линейный режим заряда с переключением в ключевой режим передачи энергии согласно патенту РФ №2752252 [Управляемое пусковое устройство. Опубл. 23.07.2021]. При большой выходной мощности (до 5-10 кВт) может быть предложен вариант реализации по патенту РФ №2751078 [Ключевой нормализатор напряжения. Опубл. 08.07.2021], позволяющий обеспечить плавное включение и ограничение напряжений в режиме импульсного преобразования.

Емкостной фильтр 2 предназначен для обеспечения функционирования КПН 3, характеризующегося импульсным потреблением, а также подавлением низкочастотных пульсаций напряжения объектовой сети, оказывающих принципиальное влияние на работу ГАЛ. Для минимизации габаритов электропитания КПН 3 должен быть адаптирован к высокому напряжению объектовой сети (до 600 В), что заставляет использовать в составе ЕФ 2 высоковольтные электролитические конденсаторы с суммарной емкостью сотни мкФ.

Ключевой преобразователь напряжения КПН 3 совместно с широтно-импульсным преобразователем ШИП 6, обеспечивающим комбинированную обратную связь по напряжению Е и по уровню выходного тока, могут быть реализованы на основе технического решения по патенту РФ №2739398 [Стабилизированный ключевой преобразователь напряжения. Опубл. 23.12.2020].

Фильтр нижних частот ФНЧ 4 реализуется на LC фильтре второго порядка с частотой среза F_c примерно в 10 раз ниже частоты переключений КПН при емкости нагрузки, достаточной для замыкания ВЧ выходного тока КУМ 7: Параметры L и С фильтра определяются из условий

где Т=20÷30 мкс - период ШИМ сигнала ШИП 6;

f _p - рабочая частота ГАЛ в диапазоне 30-120 кГц;

Z_min - минимальный импеданс нагрузки в полосе рабочих частот.

Двухканальный ключевой усилитель мощности КУМ 13 целесообразно выполнять по мостовой схеме на высоковольтных полевых транзисторах с оптоэлектронными драйверами импульсных сигналов, например в соответствии с техническим решением выполненным по патенту РФ №2716041 [Модуль высоковольтного ключевого усилителя. Опубл. 05.03.2020]. Для гальванической развязки согласования с нагрузкой может быть предусмотрен выходной трансформатор, характеристики которого для ультразвукового диапазона частот не влияют принципиально на массогабаритные показатели передающего устройства.

Таким же образом на трансформаторе тока может быть выполнен датчик тока ДТ 8, позволяющий с кратным запасом по индукции обеспечить преобразование ВЧ выходного тока в пропорциональное напряжение на входе цепи обратной связи по току ОСТ 9.

Резонансный фильтр РФ 12 предназначен для выделения из выходного импульсного напряжения первой гармоники рабочей частоты в узкой полосе, характерной для частотно-модулированного сигнала. При возбуждении гидроакустического излучателя, выполненного на пьезоактивных материалах, и характеризующегося сравнительно небольшим коэффициентом активной мощности cosϕ=0,3-0,5, обычно используется резонансный фильтр на фильтрующей индуктивности L_ф и собственной емкости нагрузки С_н. Соответственно параметр L_ф устанавливается из условия:

Детектор амплитуды ДА 10 выполняется на основе мостового выпрямителя и детектирующей емкости при весьма малом времени заряда τ_зар<1 мкс и значительным временем разряда τ_раз=1-3 мс, что обеспечивает малые пульсации сигнала коррекции ΔU_А по выходному току.

Цепи ОСН 5 и ОСТ 9 выполняются на основе резистивных аттенюаторов с заданными коэффициентами передачи, обеспечивающими требуемое значение глубины обратной связи без нарушения устойчивости работы передающего устройства ГАЛ.

Представленные варианты построения функциональных узлов передающего устройства подтверждает практическую реализуемость предлагаемого технического решения с уточнением параметров для достижения заявляемого технического результата.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Напряжение силового электропитания E_o от сети объекта через зарядное устройство ЗУ 1 и емкостной фильтр ЕФ 2 поступает на вход электропитания КПН 3, на выходе которого формируется стабилизированное напряжение Е, пропорциональное заданному уровню сигнала S, поступающему с шины управления на вход ШИП 6. При этом требуемый уровень стабилизации обеспечивается сигналом коррекции с выхода ОСН 5. В результате напряжение Е≈βS (где β - коэффициент передачи цепи ОСН 5), что обеспечивает соответствующую амплитуду выходного напряжения на нагрузке:

где K_рф и K_фим - коэффициент передачи РФ 12 на частоте f и коэффициент формы выходного импульсного напряжения КУМ 13, соответственно. Для амплитуды выходного тока КУМ 7 не более I_д выпрямленное выходное напряжение ДТ 8 U_в не превышает максимального значения U_ДА (фиг. 3), что соответствует сигналу коррекции по высокочастотному току ΔU_A=0. Соответственно разностный сигнал U_p формируемый в ФИП 11 превышает амплитуду пилообразного напряжения U_п и относительный уровень сигнала V_p=1. Соответственно сигналы V₁ и V₂ противофазны, а выходное напряжение КУМ 7 соответствует меандру. При увеличении амплитуды ВЧ тока КУМ i допустимого значения I_д выпрямленный сигнал U_B и соответственно напряжение U_A на выходе детектора амплитуды ДА 10 превышают уровень U_ДА (фиг. 3), что приводит к формированию корректирующего сигнала ΔU_A. В результате напряжение U_p уменьшается до диапазона изменения пилообразного напряжения в ФИП 11. Соответственно обеспечивается формирование импульсов сигнала V_p=0 длительностью т и соответствующий сдвиг фазы V₂ относительно V₁,. что приводит к уменьшению длительности импульсов результирующего импульсного напряжения V. Как следствие, обеспечивается уменьшение действующего значения и амплитуды выходного тока КУМ 13 при соответствующем уменьшении коэффициента формы.

где m - индекс временного (фазового) сдвига сигналов V₁ и V₂ на время m.

Следует отметить, что переход в режим фазо-импульсной модуляции (ФИМ) обеспечивая динамическое ограничение выходного тока, приводит к повышению динамических потерь энергии, связанных с переключением транзисторов оконечного каскада КУМ 7 с фазовым сдвигом относительно перехода через ноль выходного тока i (фиг.3)

Однако в предлагаемом устройстве такой режим весьма незначителен по длительности (не более 5-10 периодов рабочей частоты). Это обстоятельство обеспечивается передачей корректирующего сигнала ΔU_A на вход коррекции ШИП 6 по току, в результате чего обеспечивается плавное уменьшение индекса m_шим модуляции ШИП 6, чем достигается соответствующее уменьшение выходного напряжения Е [См. патент РФ №2739398] до уровня соответствующего установившемуся значению ΔU_A при индексе модуляции ФИП 11 m_фим=1.

Таким образом, реализуется динамическое ограничение выходного тока с последующим восстановлением формы результирующего импульсного напряжения V (типа меандр) обеспечивающей минимизацию динамических потерь энергии, в том числе в условиях значительного превышения ультразвуковой частоты генерируемого сигнала КУМ 7 над частотой переключений КПН 3, чем обеспечивается достижение заявляемого технического результата.

Так, если в устройстве-прототипе и известных технических аналогах при генерации мощных сигналов ультразвуковых частот КПД не превышает 80% в условиях превышения тока при динамической перегрузке более чем в 1,5-2 раза, то в предлагаемом устройстве результирующий КПД достигает 90% при динамическом ограничении выходного тока на уровне 10-30% от номинального значения. Выделенное преимущество позволяет повысить надежность работы передающего устройства в непрерывном режиме работы гидроакустического лага при двукратном уменьшении мощности тепловыделения, что обеспечивает на 20-40% сокращение габаритов при соответствующем повышении удельной мощности прибора.

В настоящее время на предприятии изготовлен опытный образец прибора, основанный на реализации заявляемого технического решения, результаты испытаний которого подтвердили преимущества предлагаемого передающего устройства гидроакустического лага, что обеспечивает его внедрение в ряде приоритетных заказов.

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в качестве передающего устройства для применения в составе гидроакустического лага ультразвукового диапазона частот. Техническим результатом является обеспечение использования усилителя мощности в режиме высокоэффективного генератора напряжения при динамическом ограничении выходного тока и управлении напряжением электропитания для устранения перегрузки. Такой результат достигается тем, что в состав передающего устройства гидроакустического лага дополнительно введены датчик высокочастотного тока, резонансный фильтр, цепь обратной связи по току, детектор амплитуды и фазоимпульсный преобразователь, а усилитель мощности выполнен на высокочастотном двухканальном ключевом усилителе, выход которого соединен через датчик высокочастотного тока и резонансный фильтр с шиной нагрузки, а первый и второй входы с первым и вторым выходами фазоимпульсного преобразователя, вход управления которого соединен с шиной синхронизации, а вход коррекции - с другим входом коррекции широтно-импульсного преобразователя и выходом детектора амплитуды, подключенного входом через цепь обратной связи по току к выходу датчика высокочастотного тока. 3 ил.

Передающее устройство гидроакустического лага, содержащее зарядное устройство, включенное между шиной электропитания и емкостным фильтром, соединенным выходом с входом электропитания ключевого преобразователя напряжения, выход которого подключен через фильтр нижних частот к входу электропитания усилителя мощности и входу цепи обратной связи по напряжению, выход которой соединен с входом коррекции широтно-импульсного преобразователя, вход управления которого соединен с шиной управления, а выход - с входом управления ключевого преобразователя напряжения, отличающееся тем, что в его состав введены датчик высокочастотного тока, резонансный фильтр, цепь обратной связи по току, детектор амплитуды и фазоимпульсный преобразователь, а усилитель мощности выполнен на высокочастотном двухканальном ключевом усилителе, выход которого соединен через датчик высокочастотного тока и резонансный фильтр с шиной нагрузки, а первый и второй входы с первым и вторым выходами фазоимпульсного преобразователя, вход управления которого соединен с шиной синхронизации, а вход коррекции - с другим входом коррекции широтно-импульсного преобразователя и выходом детектора амплитуды, подключенного входом через цепь обратной связи по току к выходу датчика высокочастотного тока.