Многоканальное генераторное устройство для гидроакустики Российский патент 2024 года по МПК H01B7/10 

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидроакустических комплексах (ГАК) режимов гидролокации для возбуждения гидроакустических фазированных антенных решёток (ФАР).

Известны многоканальные излучающие тракты [Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальны проблемы. СПб: «Наука», 2004, 410 с.], содержащие многоканальные антенны из гидроакустических преобразователей, образующих каналы излучения с заданным амплитудным и фазовым распределением для управления диаграммой направленности ФАР. При этом для ГАК подводных лодок (ПЛ) наибольшее практическое применение находят гидроакустические антенны, обеспечивающие обзор подводной обстановки по трём направлениям: по бортам и носу носителя с угловым обзором ±60 градусов с необходимой зоной перекрытия. Для поочередного возбуждения преобразователей антенны, образующих каналы ФАР, излучающих гидролокационные сигналы по отдельным направлениям, согласно известному техническому решению [АС СССР №1840777. Передающий тракт гидроакустической станции. Опубл. 27.07.2009] используется многоканальное генераторной устройство (ГУ) с коммутатором направлений для возбуждения только активной зоны ФАР. Такой подход позволяет минимизировать необходимое число каналов передающего тракта, но ухудшает надёжность вследствие наличия коммутатора мощных сигналов и приводит к образованию энергонапряжённых приборов многоканальных ГУ со значительным тепловыделением в условиях одновременной работы всех каналов.

Предложенное в АС 1840777 использование в качестве каналов гидроакустического передающего тракта (ГАПТ) тиристорных генераторных устройств, характеризующихся пониженной энергетической эффективностью (КПД составляет не более 85%) и низкой полосой генерируемых сигналов (0,3-0,5 октавы), ещё более ограничило применение известного технического решения.

Известно техническое решение [Патент РФ №2195687. Гидроакустический передающий тракт. Опубл. 27.12.2002], в котором в качестве каналов ГУ используются низкочастотные ключевые усилители мощности с широтно-импульсной модуляцией по принятой классификации - усилители класса D [Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. М.: Связь, 1980, 207 с.]. В этом случае достигается повышение энергетической эффективности приборов ГУ (КПД составляет 90-93%) при расширении полосы частот до 1-2 октав. Исключение коммутатора направлений в таком тракте обеспечивается выбором суммарного числа каналов ГУ, равным общему числу каналов всех направлений ФАР. Несмотря на избыточность каналов передающего тракта для возбуждения активной зоны ФАР в известном техническом решении сохраняются энергонапряженные приборы ГУ, все каналы которых задействованы в заданном направлении излучения. Указанное обстоятельство приводит к повышенному тепловыделению и понижению надежности работы, особенно в длительных режимах излучения большой энергоёмкости. В частности, при суммарной выходной мощности каналов прибора ГУ до 60 кВА тепловыделение одного прибора ГУ может достигать 6 кВт, что кратно превышает допустимое тепловыделение типовой приборной стойки ГАК, которое составляет не более 2 кВт.

Наиболее близким по количеству общих признаков к предлагаемому изобретению является генераторного устройства из состава излучающего тракта ГАС [Патент РФ №2772672 Гидроакустический излучающий тракт, опубл 24.05.2022], его структурная схема приведена на фиг. 1.

В предложенном техническом решении уменьшить среднее тепловыделение в приборах ГУ позволяет структурирование каналов передающего тракта с распределением активных каналов по отдельным приборным стойкам с учетом направления излучения ФАР. Особенно эффективным применение такого решения является для типового построения акустических антенн режима гидролокации ГАК ПЛ, использующим поочередно одно из трёх активных направлений излучения: левый борт, правый борт и нос. При этом в каждом отдельном приборе ГУ реализуются три группы каналов при одновременной работе только одной группы, что позволяет почти в три раза уменьшить тепловыделение одной приборной стойки. В результате достигается повышение надежности передающей аппаратуры по сравнению с известными аналогами.

Устройство-прототип (фиг. 1) содержит три группы 1, 2 и 3 каналов ГУ, обеспечивающих возбуждение каналов ФАР в направлениях 1, 2 и 3 соответственно. Управление группами каналов ГУ реализует цифровое устройство 4 формирования сигналов (ЦФС), получающее управляющие сигналы от центрального вычислительного комплекса (ЦВК) ГАК. При заданном направлении излучения ФАР активируется соответствующая группа каналов многоканального ГУ, на входы которых с выхода цифрового устройства формирования сигналов 4 поступают входные сигналы с определённым амплитудным и фазовым распределением для управления диаграммой направленности ФАР бортовой либо носовой гидроакустической антенны. Входные сигналы усиливаются по мощности каналами многоканального ГУ в составе активированной группы, возбуждающих соответствующие каналы ФАР. В результате, при требуемой выходной мощности по трём направлениям в приборах ГАПТ достигается трёхкратное уменьшение результирующей мощности возбуждения активного направления ФАР. Вместе с тем, в многоканальном ГУ, (патент РФ №№2772672), предлагается использование централизованных устройств силового и сервисного электропитания, что существенно влияет на надёжность, энергетическую эффективность и габаритные размеры предающей аппаратуры ГАК. Использование централизованного устройства силового электропитания практически вдвое увеличивает относительные потери энергии при уменьшении удельной мощности прибора многоканального ГУ до 300 ВА/дм³, при образовании дополнительных электронапряжённых зон с повышенным тепловыделением, что ухудшает надёжность работы передающей аппаратуры. Это связано с тем, что централизованному устройству силового электропитания для обеспечения топологии электропитания всех групп каналов ГУ как правило предъявляется требование гальванической развязки, что приводит к необходимости использования конверторов большой мощности, КПД которых составляет не более 93-95%. При этом тепловыделение централизованного устройства преобразующего напряжение с требуемой выходной мощностью 20-30 кВт достигает более 1 кВт в ограниченной зоне, что существенно усложняет решение задачи теплоотвода и способствует снижению надежности работы приборной стойки многоканального ГУ при вероятности безотказной работы не более 0,99.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надёжности и энергетической эффективности многоканального ГУ при сохранении габаритных размеров передающей аппаратуры ГАПТ.

Технический результат изобретения - повышение надёжности и энергетической эффективности при сохранении габаритов достигается использованием децентрализованных устройств силового и сервисного электропитания в составе приборов многоканальных ГУ и использованием дополнительного режима функционирования пониженной мощности в условиях электропитания каналов ГУ от дополнительного напряжения устройства сервисного электропитания.

Для решения поставленной задачи в многоканальное ГУ, содержащее цифровое устройство формирования сигналов (ЦФС), вход которого соединен с шиной управляющих сигналов, а первый, второй и третий выходы - с входами управления первой, второй и третьей группы каналов ГУ, выходы которых подключены соответственно к входам групп каналов первого, второго и третьего направления ФАР, шину сервисного электропитания и шину силового электропитания, которые образованы от объектовой сети введены новые признаки, а именно: введен вторичный преобразователь напряжения, включенный между линией напряжения объектовой сети и шиной сервисного электропитания, а также n-канальное устройство силового электропитания, каждый i-ый канал которого выполнен на ключевом преобразователе напряжения (КПН), соединенном входом с линией напряжения объектовой сети через вход n-канального устройства силового электропитания, каждый i-ый выход которого соединен с выходом i-ого ключевого преобразователя напряжения, при этом каждая группа каналов усиления разделена на n подгрупп по k каналов усиления в каждой подгруппе, входы управления и сервисного электропитания которых соединены с входами управления и сервисного электропитания соответствующей группы каналов усиления, а входы силового электропитания каждой i-ой подгруппы первой, второй и третьей группы каналов ГУ подключены к i-ому выходу n-канального устройства силового электропитания, а также дополнительно введён узел n-канальной диодной развязки, n входов которого подключены к дополнительному выходу вторичного преобразователя напряжения, а выходы соединены с выходами n-канального устройства силового электропитания, при этом дополнительный выход ЦФС подключен ко входам управления КПН через вход управления n-канального устройства силового электропитания.

Технический результат от использования новой совокупности блоков и связей в заявленном решении достигается за счёт использования распределённого силового электропитания подгрупп каналов усиления, входящих в разные группы каналов ГУ в условиях выполнения многоканального устройства силового электропитания на высокоэффективных ключевых преобразователях напряжения. При этом выходная мощность каждого КПН не превышает мощности потребления одной активной группы каналов ГУ. В свою очередь распределение силового электропитания активной группы ГУ обеспечивается КПН устройства силового электропитания, чем достигается равномерное распределение тепловыделения в n-канальном устройстве силового электропитания, чем достигается повышение надёжности многоканального ГУ.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и фиг. 2, где приведены структурные схемы устройства-прототипа (фиг. 1) и заявляемого устройства (фиг. 2).

Заявленное многоканальное ГУ содержит группы 1, 2 и 3 каналов ГУ, разделённые на подгруппы 1.1, 1.2 …1.n, 2.1, 2.2, …2.n и 3.1, 3.2, … 3.n, цифровое устройство 4 формирования сигналов (ЦФС), вторичный преобразователь напряжения 5 и n-канальное устройство 6 силового электропитания, построенный на основе ключевых преобразователей напряжения (КПН) 6.1 …6.n, а также дополнительный узел 7
n-канальной диодной развязки. Основный узлы и блоки, входящие в состав заявляемого устройства выполняются по известным правилам, а их совокупное использование обеспечивает достижение технического результата.

Каналы усиления в составе подгрупп 1.1 … 1.n, 2.1 … 2.n и 3.1 … 3.n выполняются на основе высокоэффективных усилителей класса D, выполненных по одноканальной либо по двухканальной схеме [АС №1538223 Усилитель мощности класса D, опубл. 23.10.2009; патент РФ №2118498 Двухканальный усилитель класса D, опубл. 27.08.2002] с трансформаторным согласованием выхода с каналом гидроакустической ФАР. В условиях внедрения современной полупроводниковой элементной базы и высокоэффективных элементов фильтрации и согласования КПД каналов ГУ такого типа может достигать 95% при выходной мощности от 1 до 5 кВА. Подгруппы каналов могут быть объединены в функционально и конструктивно законченные модули усилителей мощности с теплоотводящими панелями, адаптированным к выбранной системе теплоотвода, например, на основе автономной воздушной вентиляции прибора ГУ. При этом в состав групп 1, 2 и 3 каналов ГУ входит ряд модулей усилителей мощности, установленных в приборной стойке исходя из условия равномерного охлаждения выходящим воздушным потоком.

Устройство ЦФС 4 выполняется по цифро-аналоговой схеме, адаптированной к интерфейсу шины управляющих сигналов и формированию входных сигналов команды на излучение группы каналов ГУ заданного направления ФАР. На вход ЦФС 4 от центрального вычислительного комплекса (ЦВК) ГАК поступают сигналы с заданным амплитудным и фазовым распределением в цифровом либо аналоговом виде и разовые команды, определяющие уровень мощности и цикл излучения. На выходах ЦФС 4 формируются аналоговые сигналы необходимого уровня, определяющие амплитуду и фазу напряжения сигналов возбуждения ряда каналов ФАР в каждом направлении излучения, а также команда включения (излучения) определённой группы (подгруппы) ГУ для установленного направления. Дополнительно ЦФС 4 формирует команду включения КПН из состава n-канального устройства 6, соответствующего рабочим подгруппам каналов усиления, задействованных в данном цикле излучения. При отсутствии команды включения КПН обеспечивается режим малой мощности излучения.

Реализация преобразователя 5 в составе прибора ГУ обеспечивает преобразование напряжения объектовой сети во вторичное гальванически развязанное сервисное напряжение, например 27 В, для сервисного электропитания функциональных узлов и блоков, а также для электропитания системы автономной воздушной вентиляции приборной стойки многоканального ГУ. Кроме того, преобразователь 5 должен поддерживать электропитание групп каналов ГУ в режиме малой мощности дополнительным напряжением, как правило составляющим не более 10% от номинального значения напряжения силового электропитания каналов ГУ. С учётом необходимости формирования ряда вторичных напряжений суммарной выходной мощностью до 500 Вт в качестве схемотехнической реализации вторичного преобразователя напряжения 5 может быть использовано известное техническое решение, [Патент РФ №2567849 Многоканальный трансформатор постоянного напряжения, опубл. 10.11.2015] с электропитанием через трехфазный выпрямитель от объектовой сети переменного тока.

Силовое электропитание каналов ГУ обеспечивается n-канальным устройством 6 силового электропитания, каждый i-ый канал которого реализуется на основе ключевых преобразователей напряжения. Для уменьшения потерь энергии в номинальном режиме работы КПН 6.1 … 6.n целесообразно реализовать на основе известных ключевых нормализаторов напряжения [патент РФ №2751078 Ключевой нормализатор напряжения, опубл. 08.11.2020], при формировании силового электропитания непосредственно от выпрямленного напряжения объектовой сети переменного тока. При этом относительный потери в каждом канале устройства 6 силового электропитания не превышают 1% от выходной мощности, номинальный уровень которой определяется мощностью потребления трёх подгрупп 1.i, 2.i и 3.i каналов ГУ, для уровня напряжения силового электропитания от 500 до 550 В.

Дополнительный узел 7 n-канальной диодной развязки должен обеспечивать поступление пониженного напряжения электропитания (не более 50 В) на входы силового электропитания подгрупп каналов ГУ в режиме малой мощности при отсутствии высокого напряжения электропитания. Такой узел может содержать n высоковольтных диодов с допустимым напряжением до 1000 В и максимальным током 5 А, достаточным для уровня мощности потребления одной подгруппы каналов ГУ с выходной мощностью не превышающей 1% номинальной выходной мощности.

Вместе с тем размещение устройства силового электропитания в составе приборной стойки ГУ исключает необходимость применения в составе ГАПТ отдельного прибора преобразования напряжения объектовой сети, в результате обеспечивается сокращение габаритов передающей аппаратуры в условиях оптимизации топологии звеньев преобразования параметров потока электроэнергии от объектовой сети в энергию сигналов возбуждения заданного направления гидроакустической ФАР. Решением этой задачи также служит размещение в приборной стойке вторичного преобразователя напряжения, обеспечивающего сервисное электропитание основных узлов многоканального ГУ. При этом реализуется конструктивная и функциональная законченность прибора многоканального ГУ.

Дополнительным преимуществом предлагаемого технического решения, направленным на повышение показателей надёжности, является обеспечение режима малой мощности излучения при электропитании всех групп каналов ГУ от пониженного напряжения, формируемого преобразователем 5 для передачи на входы электропитания подгрупп ГУ через узел 7. В таком режиме может быть проведён безаварийный контроль функционирования каналов ГУ для выявления и замены неисправных модулей на рабочие из состава запасного комплекта (ЗИП).

Здесь особо следует отметить, что разделение групп ГУ на подгруппы и применение многоканального устройства электропитания, реализованное в модульном построении прибора, облегчает формирование комплекта ЗИП, поиск неисправного модуля и быструю замену модулей для восстановления работоспособности ГАПТ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подключении к напряжению линии питания сети объекта преобразователь 5 формирует вторичное напряжение, необходимое для функционирования задающей части каналов ГУ в группах 1, 2 и 3. Далее ЦФС 4 по результатам обработки управляющих сигналов, поступающих от ЦВК ГАК, передаёт команду на включение необходимого числа КПН в n-канальном устройстве 6 силового электропитания, которое обеспечивает децентрализованное силовое электропитания подгрупп каналов ГУ: 1.1, 2.1,3.1; 1.2, 2.2, 2.3;… 1.n, 2.n, 3,n.

Выбор направления излучения ФАР и формирование сигналов на входах каналов усиления реализуется в ЦВК изделия и передается на шину управляющих сигналов ЦФС 4, на выходе которого формируются аналоговые входные сигналы для каналов ГУ. При формировании цикла излучения в установленном направлении ФАР одна (при узконаправленном излучении) или несколько (при широконаправленном излучении) подгрупп каналов ГУ обеспечивает высокоэффективное усиление входных сигналов и генерацию заданных сигналов возбуждения ряда каналов направления ФАР напряжением, соответствующим номинальной выходной мощности. Как правило, напряжение возбуждения каналов ФАР может достигать 1 кВ при полной выходной мощности канала от 1 до 3 кВА. При этом коэффициент активной мощности нагрузки в полосе рабочих частот составляет от 0,3 до 0,6. С учётом требований к мощности возбуждения, количества каналов и структуры построения гидроакустических антенн различного типа и исходя из ограничений максимально допустимого тепловыделения на одну приборную стойку уточняется количество подгрупп в каждой из трёх групп каналов ГУ и устанавливается необходимое число каналов устройства 6 силового электропитания. Согласно предлагаемому техническому решению число каналов устройства 6 силового электропитания, соответствующее числу подгрупп каналов ГУ должно составлять не менее 2 и не превышать 8. Такая децентрализация при общем числе каналов в каждом направлении ФАР более 12 (как правило, менее 32) позволяет структурировать реализацию приборов многоканальных ГУ по модульному принципу с целочисленным числом модулей ключевых усилителей мощности (модулей КУМ) в подгруппах групп каналов ГУ и модулей КПН из состава каналов устройства 6. При этом достигается распределения энергонапряжённых зон в составе прибора ГУ и обеспечивается оперативная замена неисправных модулей при выявлении возможной неисправности. Для этой цели, в рамках подготовки к режиму номинальной мощности излучения в предлагаемом приборе многоканального ГУ предусмотрен безаварийный режим контроля при пониженном напряжении электропитания. Режим малой мощности обеспечивается при отключении каналов силового электропитания (КПН 6.1, …6.n) при поступлении команды с дополнительного выхода устройства 4 управления на вход управления n-канального устройства 6 силового электропитания. При этом на входы силового электропитания подгрупп каналов усиления 1.1, 2.1, 3.1 … 1.n, 2.n, 3.n через узел n-канальной диодной развязки поступает напряжение низкого уровня с ограничением тока с дополнительного выхода вторичного преобразователя напряжения 5. Контроль функционирования каналов ГУ в таком режиме работы позволяет определить неисправные модули без расширения зоны выхода из строя и обеспечить восстановление работоспособности с использованием комплекта ЗИП ГАК. Соответственно, с учётом комплекта ЗИП ограниченной номенклатуры и в условиях предложенной схемы децентрализации силового электропитания подгрупп каналов ГУ показатели надёжности работы многоканального генераторного устройства кратно возрастают.

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет повысить надёжность передающей аппаратуры за счёт децентрализации энергоёмких узлов, равномерного распределения тепловыделения в приборной стойке и модульной реализации ограниченной номенклатуры для комплектования ЗИП ГАК. При этом введение n-канального устройства силового электропитания в состав прибора многоканального ГУ позволяет обеспечить оптимальную топологию и минимизацию габаритов передающей аппаратуры при использовании в качестве каналов n-канального устройства силового электропитания наиболее эффективных ключевых нормализаторов напряжения.

В результате использования предлагаемого изобретения обеспечивается повышение удельной мощности прибора ГУ не менее чем на 30% (до 500 ВА/дм³) по сравнению с устройствами аналогами и прототипом при повышении вероятности безотказной работы до 0,999 по сравнению с ранее достигнутой вероятностью 0,99. Причём результирующий показатель относительных потерь энергии в заявляемом устройстве не превышает 6% при КПД децентрализованного устройства силового электропитания до 98% по сравнению с относительными потерями в устройстве-прототипе до 10% при КПД централизованного устройства силового электропитания в известных технических решениях не более 95%.

Следовательно, подтверждается решение технической задачи настоящего изобретения, направленной на повышение надёжности и энергетической эффективности при сохранении габаритов многоканального ГУ для гидроакустики.

На предприятии разработаны и изготовлены опытные образцы приборов ГУ с выходной мощностью до 90 кВА, обеспечивающие возбуждение трёх направлений ФАР для разнотипных многоэлементных излучающих гидроакустических антенн, которые успешно прошли стендовые испытаний и находятся на этапе объектовых испытаний. Полученные результаты испытаний и данные оценки надёжности работы передающей аппаратуры на основе заявляемого технического решения подтвердили указанные технические преимущества, что имеет принципиальное значение для выполнения проектов ГАК для ВМФ России.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в гидроакустических комплексах (ГАК) режимов гидролокации для возбуждения гидроакустических фазированных антенных решёток (ФАР). Технический результат изобретения заключается в повышении надёжности и повышении энергетической эффективности при сокращении габаритов передающей аппаратуры гидроакустического комплекса. Для этого многоканальное генераторное устройство содержит три группы каналов усиления сигналов возбуждения в трех направлениях фазированных антенных решёток гидроакустического комплекса, цифровое устройство формирования сигналов, в котором группы каналов усиления разделены на подгруппы с децентрализованным силовым электропитанием от напряжения объектовой электросети переменного тока через ключевые преобразователи напряжения в составе каналов n-канального устройства силового электропитания с возможностью реализации контрольного режима малой мощности от вторичного преобразователя напряжения через узел многоканальной диодной развязки. 2 ил.

Многоканальное генераторное устройство, содержащее M каналов, объединенных в три группы по N каналов в каждой, обеспечивающих возбуждение ряда каналов фазированной антенной решетки в трёх направлениях, цифровое устройство формирования сигналов, выходы которого соединены с входами каждой из трёх групп каналов генераторного устройства, а вход соединен с шиной управляющих сигналов от центрального вычислительного комплекса ГАК, шину сервисного электропитания и шину силового электропитания, которые образованы от объектовой сети, отличающееся тем, что в его состав введен вторичный преобразователь напряжения, включенный между линией напряжения объектовой сети и шиной сервисного электропитания, а также n-канальное устройство силового электропитания, каждый i-ый канал которого выполнен на ключевом преобразователе напряжения (КПН), соединенном входом с линией напряжения объектовой сети через вход n-канального устройства силового электропитания, каждый i-ый выход которого соединен с выходом i-ого ключевого преобразователя напряжения, при этом каждая группа каналов усиления разделена на n подгрупп по k каналов усиления в каждой подгруппе, входы управления и сервисного электропитания которых соединены с входами управления и сервисного электропитания соответствующей группы каналов усиления, а входы силового электропитания каждой i-ой подгруппы первой, второй и третьей группы каналов ГУ подключены к i-ому выходу n-канального устройства силового электропитания, а также дополнительно введён узел n-канальной диодной развязки, n входов которого подключены к дополнительному выходу вторичного преобразователя напряжения, а выходы соединены с выходами n-канального устройства силового электропитания, при этом дополнительный выход ЦФС подключен ко входам управления КПН через вход управления n-канального устройства силового электропитания.