Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности электротехнических комплексов радиолокационных станций 19
1.1 Анализ структур электротехнических комплексов 19
1.2 Взаимосвязь характеристик, структур электротехнических комплексов и радиолокационных станций 40
1.3 Электромагнитная совместимость электротехнических комплексов 51
Вывод CLASS ы 54
Глава 2. Электроприводы систем вращения антенны 56 CLASS
2.1 Нерегулируемые электроприводы 56
2.2 Регулируемые электроприводы переменного тока 65
2.3 Система управления электроприводом вращения антенны с постоянной скоростью 81
2.4 Эффективный электропривод постоянной мощности с переменной скоростью вращения антенны 86
Выводы 98
Глава 3. Система автономного электроснабжения электротехнических комплексов 100
3.1 Исследование электромагнитной совместимости электротехнических комплексов при постоянной скорости вращения антенны 100
3.2 Исследование нестационарных режимов электротехнических комплексов при переменной скорости вращения антенны 120
3.3 Системы импульсного питания 128
3.4 Исследование частотного спектра тока электротехнических комплексов с системой импульсного питания 148
Выводы 154
Глава 4. Полупроводниковые преобразователи пассивной фазированной антенной решетки 157
4.1 Исследование гармонического состава тока низкочастотного полупроводникового преобразователя 157
4.2 Исследование процессов системы импульсного питания с низкочастотным полупроводниковым преобразователем 168
4.3 Исследование процессов в системе импульсного питания с высокочастотными полупроводниковыми преобразователями 177
Выводы 190
Глава 5. Высокочастотный полупроводниковый преобразователь системы импульсного питания активных фазированных антенных решеток 193
5.1 Электромагнитные процессы в полупроводниковом преобразователе с размагничивающей R-C цепью 193
5.2 Особенности процессов в полупроводниковом преобразователе с шунтирующим диодом в размагничивающей цепи 215
5.3 Коммутационные процессы в полупроводниковом преобразователе 222
5.4 Потери энергии в R-С цепях полупроводникового
5.5 Радиопомехи полупроводникового преобразователя 236
Выводы 240
Глава 6. Квазирезонансные преобразователи системы импульсного питания активных фазированных антенных решеток 242
6.1 Особенности электромагнитных процессов в квазирезонансных преобразователях с шунтирующим транзистором 242
6.2 Исследование режимов работы квазирезонансных преобразователей 250
6.3 Переход к относительным единицам. 267
6.4 Определение начальных условий при моделировании 274
6.5 Качественные характеристики квазирезонансных преобразователей 278
Выводы 285
Заключение 287
Список сокращений 290
Список литературы
- Взаимосвязь характеристик, структур электротехнических комплексов и радиолокационных станций
- Система управления электроприводом вращения антенны с постоянной скоростью
- Исследование частотного спектра тока электротехнических комплексов с системой импульсного питания
- Исследование процессов системы импульсного питания с низкочастотным полупроводниковым преобразователем
Введение к работе
Актуальность проблемы. Электротехнические комплексы являются
неотъемлемой составной частью систем более высокого уровня:
электротехнологических, электрофизических и радиотехнических. Такие
комплексы используются во всех отраслях промышленности. Среди
радиотехнических систем одной из сложнейших является радиолокационная станция (РЛС).Всоставэлектротехническихкомплексоввходят:системыэлектрообо рудования, электропривода, электроснабжения.
РЛС широко используются в мирных целях – дистанционное зондирование
поверхности Земли в интересах экологического мониторинга, геодезии и
картографии или геологии. Строители и геологи успешно эксплуатируют, так
называемые георадары для подповерхностного зондирования, с целью
обнаружения подземных пластов воды и нефти, электрокабелей и трубопроводов. Широко применяются РЛС для управления воздушным движением самолетов и вертолетов, как на трассах полета, так и в зоне аэропортов, метеорологии, в речном и морском флоте, для исследования космического пространства.
Важнейшее применение РЛС нашли в военных целях, особенно в воздушно-космической обороне страны.
В наши дни нет ни одной отрасли науки, техники и технологии, в которую РЛС не внесли бы существенный вклад.
Различают стационарные и передвижные РЛС, которые являются автономными. Система электроснабжения всех РЛС обеспечивает их питание, как от сети общего назначения, так и от синхронного генератора (СГ).
Все электротехнические комплексы(ЭТК) РЛС содержат системы:
автономного электроснабжения (САЭС), вращения антенны (СВА), импульсного
питания (СИП) передающих устройств (ПУ) с полупроводниковыми
преобразователями (ПП), обеспечения тепловых режимов (СОТР), вторичного питания (СВП) приемного устройства, устройств обработки информации о цели и др., блок бесперебойного питания (ББП).
Определяющее влияние на тактико-технические характеристики РЛС (дальность действия, скорость обзора, точность определения координат цели и т.д.) оказывает ЭТК и его наиболее мощные компоненты СИП, СВА, САЭС.
Вопросам системной разработки систем электроснабжения РЛС посвящено большое число научных исследований таких организаций нашей страны, как ФГУП «Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина», концерн ПВО «Алмаз-Антей» (Москва), ЗАО «ММП ИРБИС», ОАО «НПП ЭлТом», «Александр электрик».
В этих работах изложены принципы построения и основы теории ПП, систематизированы результаты исследований по данному направлению многих научных и конструкторских коллективов.
Вопросам разработки электропривода СВА РЛС посвящено большое число научных исследований таких организаций нашей страны, как «ВНИИЭ» (Москва),
ЗАО «ЭЛСИЭЛ» (Москва), «Электротекс» (Орел), «Электровыпрямитель» (Саранск), АО «ВНИИ«Сигнал» (Ковров).
Среди ВУЗов, учеными которых получены известные технические решения для систем электроснабжения радиоэлектронной аппаратуры и электроприводов, следует отметить МЭИ, МАИ, государственные технические университеты г.г. Санкт-Петербурга, Томска, Нижнего Новгорода, Иванова, Чебоксар, Саранска и др.
Работы по исследованию и разработке систем электроснабжения радиоэлектронной аппаратуры и электроприводов ведутся за рубежом. Хорошо известны полупроводниковые преобразователи различного назначения Института электродинамики (Украина), фирм Siemens, Jesslerund Gsell (Германия), Hill Grach am (Англия), Schneider Electric (Франция), Mitsubishi Electric, Toshiba, (Япония), Ross Hill Spellmann (США), Union Pumps (Канада), Water Corporation (Австралия), Hyndai (Корея) и ряда других.
Анализ существующих ситуаций в исследовании и разработке ЭТК, СИП, СВА, САЭС позволяет сделать вывод, о несомненной актуальности продолжения работ в направлениях связанных с появлением антенн с активной фазовой решеткой, с использование возможностей современной элементной базы передающих устройств и преобразователей электрической энергии, повышением требований к электромагнитной совместимости (ЭМС) отдельных систем комплекса и с внешней сетью электроснабжения общего назначения, надежности ЭТК, поиска новых подходов к управлению, обеспечивающих улучшение массогабаритных показателей, коэффициента полезного действия (КПД), формирование электромагнитных процессов в ЭТК, устраняющих возможности аварийно-защитных отключений цепей ЭТК.
В настоящее время недостаточно разработана общая теория этих комплексов: не изучены системные свойства и связи СИП, СВА и САЭС, в частности, влияние передающего устройства на питающую сеть ЭТК, а также зависимость изменения необходимой генерируемой мощности САЭС от изменения скорости вращения вала приводного двигателя, аналитически не исследованы электромагнитные процессы используемых в ЭТК низкочастотных, высокочастотных и квазирезонансных преобразователей электрической энергии; отсутствуют программные средства для многовариантного исследования стационарных и нестационарных режимов отдельных компонентов ЭТК; имеется необходимость разработки методов и программных средств определения параметров проектируемых устройств ЭТК.
В диссертации автор обобщает результаты проведенных им многолетних
исследований электротехнических комплексов РЛС и наиболее значимых систем:
автономного электроснабжения (САЭС), вращения антенны (СВА),
импульсного питания (СИП) передающих устройств (ПУ) с
низкочастотными, высокочастотными полупроводниковыми преобразователями (ПП) и квазирезонансными преобразователями (КРП).
Эти комплексы и системы находятся в эксплуатации в различных регионах страны и разработаны с участием автора исследования. Они создали предпосылки
для решения в полном объеме задач по разработке рациональных ЭТК, СИП, СВА, САЭС и создания на их основе новой аппаратуры РЛС.
Решение этих задач стало возможно при наличии разработанных автором
алгоритмов, специальных методов исследования, расчета и проектирования,
позволяющих с единой точки зрения проанализировать работу ЭТК, СИП с ПП,
СВА, САЭС с учетом всех физических,в центральных и приравненныхк ним
изданияхэлектромагнитных и электромеханических процессов. Поэтому
обобщение и дальнейшее развитие теории высокоэффективных ЭТК и их
компонентов с расширенными функциональными, улучшенными
энергетическими и массогабаритными показателями и методов управления ими являются актуальной научной проблемой.
Цель работы
Создание электротехнических комплексов РЛС на основе исследования
процессов, разработки новых структур ЭТК, содержащих системы автономного
электроснабжения, совместимых с сетями общего назначения, системы вращения
антенны, импульсного питания передающих устройств с низкочастотными,
высокочастотными, квазирезонансными преобразователями, на основе
определения рациональных режимов работы и параметров компонентов ЭТК, их технико-экономических показателей для повышения тактико-технических характеристик РЛС, расширения области их использования.
Задачи исследования
1. Анализ повышающихся требований к ЭТК и его компонентам,
обеспечивающих электромагнитную совместимость современных передающих
устройств активных фазированных антенных решеток, отдельных систем
комплекса и преобразователей электрической энергии с учетом использования
внешней сети электроснабжения общего назначения.
2. Имитационное и экспериментальное исследование зависимости
изменения необходимой генерируемой мощности САЭС от изменения скорости
вращения вала приводного двигателя.
3. Исследование математических моделей электромагнитных и
электромеханических систем ЭТК, разработка методов и средств управления,
обеспечивающих улучшение массогабаритных показателей, коэффициента
полезного действия, формирование электромагнитных процессов в ЭТК,
устраняющих возможности аварийно-защитных отключений цепей ЭТК.
4. Математическое и имитационное моделирование, экспериментальное
исследование системных свойств и связей СИП, СВА и САЭС в целях
определения влияния передающего устройства на питающую сеть ЭТК.
5. Аналитическое исследование электромагнитных процессов используемых
в ЭТК низкочастотных, высокочастотных и квазирезонансных преобразователей
электрической энергии. Имитационное и экспериментальное подтверждение
результатов исследований.
-
Разработка программных средств для многовариантного исследования стационарных и нестационарных режимов всех предложенных и разработанных компонентов ЭТК.
-
Разработка методов и программных средств определения параметров проектируемых устройств ЭТК.
Объект исследования
Объектом исследования является электротехнический комплекс РЛС в составе СИП, СВА и САЭС.
Предмет исследования
Предметом исследования являются зависимости изменения
необходимой генерируемой мощности САЭС от изменения скорости вращения вала приводного двигателя, стационарных и нестационарных режимов всех предложенных и разработанных компонентов ЭТК, методы и средства управления ими, обеспечивающие улучшение массогабаритных показателей, коэффициента полезного действия, формирование электромагнитных процессов в ЭТК, устраняющих возможности аварийно-защитных отключений цепей ЭТК, методы определения параметров проектируемых устройств ЭТК.
Методология и методы исследования
-
В работе применен системный подход, в основе которого рассмотрение объекта как системы: целостного комплекса взаимосвязанных компонентов; совокупности взаимодействующих объектов.
-
Предложено единое представление многовариантного состава ЭТК и его компонентов в задачах проектирования в виде каскадно-соединенных систем. Определен состав имитационных моделей компонентов ЭТК необходимых для проектных процедур и операций.
-
В работе использовались классические и современные методы расчета электромагнитных и электромеханических переходных процессов. Матрично-топологические методы применялись для описания электромагнитных процессов в системах управления каскадного преобразования параметров электроэнергии для потребителей с импульсным энергопотреблением. Методы численного интегрирования дифференциальных уравнений взяты за основу нахождения динамических процессов в кусочно-линейных системах полупроводниковых преобразователей.
4. Методы теории систем автоматического управления использованы при
исследовании электромагнитных процессов полупроводниковых
преобразователей и электромеханических процессов электроприводов вращения
антенн, систем автономного электроснабжения. Численные решения и результаты
моделирования получены при использовании современных программных средств.
5. Экспериментальные исследования проводились на макетах, опытных
образцах, серийных изделиях СИП с полупроводниковыми преобразователями,
электроприводах вращения антенн, системах автономного электроснабжения с использованием современных методов экспериментальных исследований преобразовательной техники.
6. Достоверность полученных результатов работы определяется
корректностью поставленных в ней задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, подтверждается многократными экспериментальными исследованиями на макетах, опытно-конструкторских образцах и серийных изделиях, а также внедрением и практическим использованием разработанных методов расчета, изделий опытно-конструкторских образцов и серийных изделиях.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами
Работа выполнялась в рамках отраслевых целевых программ, связанных с
созданием новых радиолокационных станций и, следовательно, их
электротехнических комплексов, включающих в себя системы импульсного питания, полупроводниковые преобразователи для электроприводов вращения антенн и системы автономного электроснабжения.
Программы новых разработок реализовывались «АО «Концерн ВКО
«Алмаз – Антей», «АО ФНПЦ «Нижегородский НИИ радиотехники» г. Нижний Новгород в рамках создания серийно выпускаемых РЛС (НЕБО, НЕБО-СВ, НЕБО-У, НЕБО-УЕ, П-18М) с пассивными фазированными антенными решетками, РЛС (НЕБО-СВУ, Ниобий), радиолокационного комплекса (НЕБО-1) с активными фазированными антенными решетками и передающими устройствами на базе СВЧ-полупроводниковых приборов и РЛС с передающим устройством на базе СВЧ-вакуумных приборов (Комплекция-14).
Диссертационная работа выполнена в рамках проектной части в сфере научной деятельности в 2014-2015г.г. НИР №8.2668.2014/К.
Научная новизна
1. Доказана необходимость включения в структуру САЭС синхронного
генератора в целях предотвращения срабатывания защиты путем уменьшения
влияния нестационарных режимов работы СВА постоянной скорости вращения
антенны РЛС.
-
Разработан способ снижения колебаний напряжения сети общего назначения без включения СГ за счет использования привода с переменной скоростью вращения.
-
Разработан способ управления инвертором РЭП с формированием сигнала, пропорционального переменной составляющей момента на валу электродвигателя.
-
Разработаны методы расчета параметров САЭС при учете упруго-вязких связей и люфта.
-
Получены и применены результаты аналитических исследований электромагнитных процессов в НЧ, ВЧ и КРП в целях определения параметров
цепей этих устройств, обеспечивающих устойчивую работу источников питания ПУ.
-
Предложена авторская методика и приведены результаты исследований по ней электромагнитных процессов в ОПП, обеспечивающих использование установленного объема трансформатора за счет достижения полного цикла перемагничивания, обоснованного выбора параметров размагничивающей и защитной RC-цепей для достижения минимальной рассеиваемой мощности не элементах схемы. Предложены методы обеспечения минимального тока коммутации транзистора ОПП для снижения радиопомех.
-
Разработан и исследован метод широтного регулирования выходного напряжения КРП, обеспечивающий возврат части энергии из резонансного контура в конденсатор входного фильтра.
-
Выявлены аналитические соотношения для определения токов и напряжений резонансного контура КРП с рекуперацией энергии, невостребованной нагрузкой. При этом достигается глубокое регулирование выходного напряжения при постоянной рабочей частоте, что обеспечивает в замкнутой системе автоматического регулирования поддержание предразрядного напряжения НК с заданной точностью.
Практическая ценность работы
-
Разработан регулируемый электропривод с переменной скоростью вращения, обеспечивающий снижение колебаний напряжения сети общего назначения без включения СГ.
-
Разработаны системы управления вращением антенны с переменной скоростью, защищенные 8-ю авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и 4-я патентами на полезные модели.
-
Разработана система управления инвертором РЭП с формированием сигнала, пропорционального переменной составляющей момента на валу электродвигателя.
-
Разработаны специализированные блоки-вычислители системы управления САЭС, для учета упруго-вязких связей и люфта в структуре СВА.
-
Предложен способ управления многомодульными ПУ, обеспечивающих диаграмму направленности, при совместной работе с РЭП переменной скорости вращения. Построена система управления многомодульными ПУ, обеспечивающих диаграмму направленности, при совместной работе с РЭП переменной скорости вращения.
-
Реализован РТН, обеспечивающий требования ТУ на СВЧ-вакуумный прибор по диапазону допустимых изменений выходного напряжения.
-
Предложены и реализованы алгоритмы расчета электромагнитных процессов в ОПП, обеспечивающих использование установленного объема трансформатора за счет достижения полного цикла перемагничивания, обоснованного выбора параметров размагничивающей и защитной RC-цепей для достижения минимальной рассеиваемой мощности не элементах схемы и
обеспечивающие минимальный ток коммутации транзистора ОПП для снижения динамических потерь и радиопомех.
-
Разработана и реализована система широтного регулирования выходного напряжения КРП, обеспечивающий возврат части энергии из резонансного контура в конденсатор входного фильтра. Предложена работоспособная схема КРП, обеспечивающая глубокое регулирование выходного напряжения при постоянной рабочей частоте в целях поддержания предразрядного напряжения накопительного конденсатора ПУ с заданной точностью.
-
Разработаны и апробированы программные средства определения внешних характеристик КРП, реализующие аналитические соотношения для определения токов и напряжений резонансного контура КРП с рекуперацией энергии, невостребованной нагрузкой.
Реализация результатов работы
Научные положения диссертационной работы, а также результаты теоретических и экспериментальных исследований и практические разработки внедрены «АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей», «АО ФНПЦ «Нижегородский НИИ радиотехники» г. Нижний Новгород:
– в рамках создания макетов в НИР, образцов ОКР, серийно выпускаемых РЛС с ПФАР («НЕБО», «Противник», «НЕБО-СВ», «НЕБО-У», «НЕБО-УЕ», «П-18М»), а также с АФАР (НЕБО-СВУ, Ниобий) и радиолокационного комплекса (НЕБО-1); ОКР «Комплекция-14».
Они применены:
- в электротехнических комплексах, системах автономного
электроснабжения; системах импульсного питания с низкочастотными и высокочастотными, квазирезонансными преобразователями; в регулируемых электроприводах систем вращения антенн РЛС: в РЛС с ПФАР и АФАР, с ПУ на базе СВЧ-полупроводниковых приборов и СВЧ-вакуумных приборов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на
Российской научно-технической конференции по электромагнитной
совместимости и электромагнитной безопасности (Санкт-Петербург, 2004, 2006,
2008); Всемирном электротехническом конгрессе (М., 2005); V Международной
молодежной научно-технической конференции, «Будущее технической науки» (Н.
Новгород, 2005); Х Нижегородской сессии молодых ученых, Технические науки
(Татинец/Н. Новгород, 2006); научно-технических конференциях «Актуальные
проблемы электроэнергетики», (Н. Новгород-2004, 2006, 2007, 2009, 2012, 2013),
(М./ Н. Новгород-2005, Известия академии инженерных наук им. А.М.
Прохорова); Всероссийских научно-технических конференциях по средствам
электропитания, (Санкт-Петербург, 2007, 2009, 2010); отраслевых научно-
технических конференциях «Радиолокация. Теория и практика» (М./Н.
Новгород, 2008, 2012); V Всероссийской научно-технической конференции
«Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем»,
(Чебоксары, 2009);V, V, V, V Международных (ХV, ХV, ХV, ХХ
Всероссийских) научно-технических конференциях по автоматизированному
электроприводу (Новосибирск-2004, Тула-2010, Иваново-2012, Саранск-
2014); научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнических средств межвидового назначения» (Нахабино/М., 1913).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 58 работ, в том числе 11 работ в изданиях входящих, в Перечень ведущих научных журналов и изданий, рецензируемых ВАК, 17 работ в материалах центральных и приравненных к ним конференций, 23 авторских свидетельства и патента на изобретения, 7 патентов на полезные модели.
Личный вклад соискателя
Приведенные в диссертации результаты являются составной частью проектных и научно-исследовательских работ, выполненных в «АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей», «АО ФНПЦ «Нижегородский НИИ радиотехники» г. Нижний Новгород под руководством и при участии автора, а также ряда инициативных работ. В работах, опубликованных в соавторстве общим объемом 75 печатных листов, соискателю принадлежат постановка задач, разработка теоретических и методологических положений, физических и математических моделей и методов, обобщение результатов и рекомендации по применению предложенных решений. Объем информации в указанных публикациях, принадлежащих лично автору составляет 45 печатных листов.
Структура и объем работы
Взаимосвязь характеристик, структур электротехнических комплексов и радиолокационных станций
При жесткой программе ДНА обычно перемещается по круговому, секторному винтовому или спиральному закону с постоянной или переменной скоростью. ДНА может перемещаться путем механического поворота антенны, изменением фазовой структуры электромагнитного поля в раскрыве антенны, производимого либо за счет электрического управления элементами антенны, изменяющими фазу (электрическое сканирование), либо за счет механического смещения за счет механического смещения отдельных элементов системы (электромеханическое сканирование).
Электромеханические и особенно электрические методы сканирования обеспечивают большую скорость перемещения ДНА. При переброске ДНА, электрическим методом сканирования, в направления, рассчитанные путем экстраполяции траекторий движения целей, скорость обзора возрастает. Вместе с тем мощность электропривода вращения антенны не возрастает. Нет необходимости в увеличении мощности передающего устройства его источника питания и машинного синхронного генератора системы электроснабжения.
Структуры ЭТК и РЛС РЛС с ПФАР и СВЧ-вакуумным прибором. До настоящего времени передающий тракт РЛС проектируется по классической структурной схеме: емкостной накопитель – импульсный модулятор – передающее устройство – антенна [13]. В качестве емкостного накопителя обычно использовался LC-фильтр. Импульсные модуляторы применялись двух типов «жесткие» или «мягкие». Передающие устройства выполняются на базе СВЧ-вакуумного прибора. Осуществлялось механическое сканирование ДНА, обеспечиваемое электроприводом вращения антенны. В качестве источника питания установленного на входе емкостного накопителя использовался высоковольтный выпрямитель с входным трехфазным напряжением 220В, 400 Гц, что позволяет в 2-3 раза уменьшить массу и габариты повышающего трансформатора выпрямителя. Таким образом, дизель электростанция РЛС должна иметь выходное напряжение 220В, 400 Гц.
В кабине передвижного шасси РЛС располагается аппаратура, а антенна устанавливается на антенно-мачтовом устройстве вне кабины. Передающее устройство соединяется с антенной СВЧ-трактом. Наличие такого соединения приводит к большим потерям мощности. КПД передающего тракта РЛС снижается на 30-50%.
Основными достоинствами РЛС с пассивной фазированной антенной решеткой (ПФАР) и СВЧ-вакуумным прибором являются: – небольшая длительность зондирующих импульсов; – простая и надежная схема; – низкая частота электромагнитных помех ПП; – КПД СВЧ-вакуумного прибора (эндотрона) достигает 35%; Основными недостатками ПФАР являются: – большие потери мощности в СВЧ-тракте, соединяющем передающее устройство с излучателями антенны (до 50%); – высокое напряжение питания СВЧ-вакуумных приборов достигающее 15-30 кВ; – наличие импульсного модулятора с КПД 0,65-0,7. – дизель-электростанция РЛС должна иметь в своем составе синхронный преобразователь частоты (СП) 380В/220В, 50Гц/400Гц с КПД 0,75-0,85. РЛС с ПФАР и СВЧ-полупроводниковыми приборами. В конце 90-х годов на структуры разрабатываемых РЛС оказали влияние следующие факторы [2]. Изменение военной доктрины и, следовательно, требований, предъявляемые к РЛС, привели к интенсивной разработке нового поколения многоцелевых высокомобильных изделий.
Структурные изменения в промышленности вызвали резкое сокращение Перечня ЭРИ военного назначения. В частности сократился перечень дизель-электростанций с выходным напряжением 220В, 400 Гц и СВЧ-электровакуумных приборов, используемых в передающих устройствах. Появление на внутреннем рынке страны таких импортных ЭРИ, как современные ИМС, полупроводниковые приборы стимулировало разработку и производство новых ЭВМ, высокочастотных преобразователей энергии и т. д., пригодных для использования в изделиях военного назначения.
Были проведены разработки РЛС с передающими устройствами, выполненными на базе СВЧ-полупроводниковых приборов. Кроме того, в них были применены дизель-электростанции с выходным напряжением 220В/50Гц или 380 В/50Гц. При проектировании РЛС это ликвидировало зависимость от не выпускаемых промышленностью уникальных СВЧ-вакуумных приборов.Кроме того был осуществлен переход от дизель-электростанций военного назначения к дизель-электростанциям двойного применения (380В, 50Гц). Из структуры РЛС были исключены импульсные модуляторы, что позволило на 20-30% повысить КПД передающего тракта.
Антенны выполнялись на базе пассивных фазированных антенных решеток (ПФАР). Каждый элемент решетки создает свою парциальную ДНА. Путем подбора количества, положения элементов, а также амплитуд и фаз полей формируется ДНА, состоящая из нужного количества лучей заданной формы. Сканирование ДНА происходит механически, путем поворота всей антенной системы (в пределах 360).
Система управления электроприводом вращения антенны с постоянной скоростью
Момент на валу электродвигателя имеет большую переменную составляющую. Номинальная мощность электродвигателя выбирается исходя из эквивалентного (среднеквадратичного) момента на валу электродвигателя (см. выражение 2.1.1) [94]. Наименьшая величина эквивалентного момента на валу электродвигателя будет при минимальной величине его переменной составляющей. В этом случае среднеквадратичный момент равен среднему моменту, а среднеквадратичная мощность на валу электродвигателя будет равна величине его средней мощности
Поскольку выбор электродвигателя осуществляется по величине его среднеквадратичного момента на валу то, запас по номинальной мощности электродвигателя составляет 25-30%. Таким образом, приходится применять более дорогой электродвигатель, имеющий большие массу и габариты. Следует также отметить, что вентильный электродвигатель имеет максимальный КПД и коэффициент мощности при номинальной нагрузке на валу. Следовательно, электродвигатель эксплуатируется не в оптимальном режиме.
Если выбор электродвигателя осуществляется по величине его
среднеквадратичного момента на валу, то требуется генератор с большей величиной номинального тока. Следовательно, генератор должен иметь определенный запас по мощности. Он также будет иметь большую стоимость, массу и габариты.
Наличие большой переменной составляющей мощности на валу электродвигателя обуславливает большую переменную составляющую мощности потребляемой им от СГ.
Переменная составляющая потребляемой электродвигателем мощности вызывает перегрузки СГ ограниченной мощности и обуславливает его неустойчивую работу. Снижается электромагнитная совместимость РЭП. Ухудшается тактическая характеристика РЛС – надежность (функциональная). Целесообразно оптимизировать работу электропривода вращения антенны с передающим устройством (ПУ) по совместному влиянию на систему электроснабжения. ПУ потребляет среднюю мощность, соизмеримую со средней мощностью электропривода вращения антенны [95-96]. ПУ имеет несколько возможных режимов работы, при которых изменяется частота зондирующих импульсов и их длительность. При этом средняя потребляемая ПУ мощность изменяется в 1,5-2 раза.
При наличии переменной мощности на валу электродвигателя автор предложил изменять режим работы передающего устройства. В результате суммарная мощность, потребляемая от дизель-генератора РЭП и ПУ сохраняется постоянной. Это предложенное автором новое техническое решение, защищено приоритетными документами [64-99].
Дальнейшим развитием структурной схемы РЭП переменного тока для вращения антенны является введение в нее датчика изгиба полотна антенны. В этом случае управление приводом становится более совершенным. Учитывается одна из особенностей антенны как объекта управления – ограниченная жесткость полотна антенны и несущей конструкции.
В результате всю механическую часть вращения антенны можно рассматривать как многомассовую упруго-вязкую систему. В этом случае использование только трех фиксированных скоростей вращения антенны и переход на одну из них по сигналу от датчиков тока, устанавливающих изменение нагрузки электродвигателя РЭП в зависимости от силы ветра, является необходимым, но не оптимальным решением.
Правильным критерием допустимых статических и динамических режимов электропривода следует считать механическую прочность конструкции полотна антенны. Упруго-вязкие связи оказывают большое влияние на характеристики РЭП в нестационарных режимах работы.
Традиционно СВА обеспечивает постоянную скорость вращения антенны, что, в свою очередь, при ветровой нагрузке, воздействующей на полотно антенны, вызывает появление переменной составляющей момента на валу электродвигателя и потребляемой им мощности [64, 99], что ведет к увеличению эквивалентного (среднеквадратичного) момента на валу электродвигателя его расчетной мощности, массы, габаритов и стоимости. Кроме того неравномерный характер потребления электрической энергии вызывает колебания работы всей РЛС.
Автор предложил новую систему управления электродвигателем вращения антенны РЛС. При изменении мощности на валу электродвигателя РЭП вращения антенны происходит изменение скорости вращения антенны. В результате среднеквадратичная мощность на валу электродвигателя остается равной средней мощности. Предложенное автором новое техническое решение, защищено приоритетными документами [64, 99]. напряжения питания СВА, снижая электромагнитную совместимость (ЭМС) РЭП и надежность
Таким образом, работа РЭП АФАР с относительно небольшим изменением скорости вращения антенны (10% за один оборот), допускаемым техническим регламентом эксплуатации РЛС, позволяет в 2,25 раза снизить пульсации, потребляемой им мощности, и на 26% уменьшить требуемую величину номинальной мощности электродвигателя РЭП. Уменьшение пульсаций потребляемой мощности повышает электромагнитную совместимость РЭП за счет снижения колебаний напряжения в сети электропитания, что увеличивает надежность (функциональную) и, кроме того, снижает расчетную мощность его силовой полупроводниковой части. Уменьшение номинальной мощности электродвигателя РЭП позволяет снизить его стоимость, массу и габариты и, при той же величине нагрузки, повысить его КПД
Отклонение скорости вращения антенны РЛС в допустимых пределах позволяет реализовать предложенное автором новое техническое решение, защищенное приоритетным документом [64].
Исследование частотного спектра тока электротехнических комплексов с системой импульсного питания
Таким образом, ЭТК включает в себя: СГ, СИП, ЭП и ПН. В известных работах [61, 62, 82] рассмотрены вопросы, связанные с технико-экономическими показателями СВА РЛС. Вместе с тем, к настоящему времени остаются недостаточно исследованными: - влияние ветровой нагрузки на режимы работы систем ЭТК, в том числе генераторный режим работы ЭП СВА; влияние упруго-вязких связей и люфта в ЭП на его работу; - процессы, происходящие при одновременном увеличении ветровой нагрузки на ЭП с упруго-вязкими связями и изменении режима работы СИП. - проблемы повышения тактико-технических характеристик РЛС [1] при улучшении технико-экономических показателей СВА [94].
В эквивалентной структурной схеме ЭТК (рисунки 3.1.1, 3.1.4) выделены две группы систем. Для первой из них (САЭС, СВА, СИП) характерно изменение параметров потребления (генерирования) электрической энергии, как в стационарном режиме, так и нестационарном при изменении ветровой нагрузки и режимов работы РЛС. Вторая группа, включающая в себя СВЭ, ББП и СОТР, в первом приближении, может рассматриваться как постоянная нагрузка (ПН) с неизменной потребляемой мощностью.
СВА является переменной нагрузкой, так как момент сопротивления на валу электродвигателя СВА изменяется в течение оборота антенны и зависит от скорости ветра, скорости вращения антенны и от ее конфигурации [89]. Мощность, потребляемая СИП, представляющей собой импульсную нагрузку [87], также величина переменная, зависящая от режимов работы РЛС. Функцию САЭС может выполнять либо трансформатор подстанции, питающийся от общепромышленной сети, либо синхронный генератор дизельэлектростанции.
СВА включает в себя ЭП на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ), где система управления, построена в синхронно-вращающейся системе координат с подчиненным регулированием параметров, причем внутренним контуром является контур тока по оси q, а внешним - контур скорости. Для минимизации тока статора, при требуемой величине момента нагрузки, задание на ток по оси d приравнивают нулю.
Аналитический расчет электромагнитных процессов в приведенной структурной схеме (рисунок 3.1.5), представляет собой достаточно сложную задачу из-за высокого порядка системы дифференциальных уравнений, описывающих их.
Структурная схема ЭТК с постоянной скоростью вращения антенны здесь: В – выпрямитель; Ф – фильтр; И – инвертор; ZК – полное сопротивление кабеля, ДПР – датчик положения ротора; ШИМ – широтно-импульсный модулятор; ПИ, ПИId , ПИIq – ПИ регуляторы в контурах угловой скорости и токов Id и Iq В этих условиях представляется целесообразным применение численных методов расчета, например, с использованием имитационных моделей пакета MATLAB Simulink, обладающего широкими функциональными возможностями. С этой целью разработана имитационная модель ЭТК (рисунок П.2.1.2), которая содержит САЭС (SPE), соединительный кабель ( zк ), СИП (SIP), ПН (PN) и СВА, в которую входят: СДПМ (Permanent Magnet Synchronous Machine), система управления им (System Control), а также блоки ветровой нагрузки(Wind Load) и учета упруго-вязких связей и люфта (uprugovaz). Работа СИП имитируется нагрузкой three-phaseseries RLC load, коммутируемой прерывателем Three Phas Breaker, а ПН - блоком three-phaseseries RLC load.
В отличие от модели, приведенной в [108], кроме блока учета упруго-вязких связей и люфта ЭП в нее введено устройство сброса энергии (УСЭ), которое представляет собой последовательно включенные транзистор и балластный резистор, подключенные параллельно конденсатору фильтра (на рисунке П.2.1.2 не показано).
Механическая часть электропривода представляет собой систему связанных масс [90], движущихся вращательно с различными скоростями. При нагрузке элементы системы (валы, опоры, зубчатые зацепления, канаты и т. п.) деформируются, так как механические связи не являются абсолютно жесткими. При изменениях нагрузки массы имеют возможность взаимного перемещения, которое при данном приращении нагрузки определяется жесткостью связи передающие вращение.
Математическая и имитационная модель ЭП с учетом упругих связей При рассмотрении выше упомянутых систем управления ЭП предполагалось, что кинематическая связь между двигателем и антенной не подвержена упругим деформациям. Считалось, что связь не содержит зазора, скорость двигателя и приведенная к валу двигателя скорость антенны равны между собой не только в установившемся режиме, но и в переходных процессах, а момент инерции привода является суммой моментов инерции двигателя, редуктора и приведенного к валу двигателя момента инерции антенны. Изменение момента нагрузки на антенне в этом случае эквивалентно изменению момента нагрузки на двигателе.
При моделировании необходимо учесть [110], что механическая часть электропривода представляет собой систему связанных масс, движущихся вращательно с различными скоростями. При нагружении элементы системы (валы, опоры, зубчатые зацепления, канаты и т. п.) деформируются, так как механические связи не являются абсолютно жесткими. При изменениях нагрузки массы имеют возможность взаимного перемещения, которое при данном приращении нагрузки определяется жесткостью связи передающие вращение.
Исследование процессов системы импульсного питания с низкочастотным полупроводниковым преобразователем
Помимо снижения динамических потерь при переключении данному классу преобразователей присущи все вышеперечисленные недостатки ключевых ПП. «Мягкое» переключение реализуется в мостовых, полумостовых [194] и в однотактных [194-195] ПП.
Недостатком однотактных ПП является то, что для обеспечения «мягкого» переключения в силовую цепь необходимо вводить дополнительный ключ и другие элементы. Также усложняется схема управления. В ПП увеличивается количество элементов, масса, габариты, стоимость.
Для того чтобы радиопомехи ПП не попадали в частотный диапазон СВЧ радиоимпульса 150-300 МГц, рабочая частота ПП выбирается большей 0,5 МГц [196-197]. Сдерживающим фактором для применения ПП с повышенной частотой являются проблемы в изготовлении планарных трансформаторов с высоковольтными обмотками [198-200]. В высокочастотных квазирезонансных преобразователях (КРП), используется резонансный контур образованный последовательно включенными резонансным конденсатором, дросселем и индуктивностью рассеяния трансформатора. Это позволяет формировать ток и напряжение приблизительно синусоидально формы позволяющий сократить ширину спектра и ослабить уровень радиопомех на 15-20дБ по сравнению с ШИМ-инверторами [201]. В настоящее время серийно производятся КРП как на низкое [202], так и на высокое выходное напряжение [201, 203-208]. КРП реализуются в мостовых [201], полумостовых [200] и в однотактных [201] ПП. В настоящее время, КРП широко применяются в системах импульсного питания передающих устройств с высоковольтными СВЧ-вакуумными приборами.
Результаты сравнительного анализа силовых элементов двухтактных и однотактных стабилизированных ПП, а также исследование практических схем показывают перспективность применения в электронной аппаратуре однотактных преобразователей, имеющих более простую схему управления и меньшее количество транзисторов [130].
В двухтактных ПП возможность несимметричного перемагничивания трансформатора требует дальнейшего увеличения количества элементов как силовой цепи [168], так и схемы управления [169, 170]. Автор создал схему двухтактного ПП улучшающую оппозиционное включение транзисторов в динамических режимах. Схема созданного автором двухтактного полупроводникового преобразователя защищена патентом [43]. Однотактные ПП стали занимать нишу, традиционно отводившуюся для двухтактных ПП мощностью единицы Вт – единицы кВт [178-180]. Это однотактные полумостовые и однотактные с размагничивающей обмоткой [209-217]. Схема созданного автором однотактного полумостовые полупроводникового преобразователя защищена патентом на изобретение [27]. Однотактные преобразователи с размагничивающей обмоткой применяются при входном напряжении не более =300В и частотой не более 100кГц [215]. Отмечается что, наиболее простой схемой и минимальными массогабаритными показателями обладают однотактные обратноходовые ПП [211, 212].
Основной индуктивный элемент - трансформатор работает в режиме накопления магнитной энергии, что приводит к увеличению его массы и габаритов. Трансформатор имеет большой ток намагничивания, что обеспечивает большую накапливаемую энергию в индуктивности рассеяния, поэтому для ее гашения требуются сложные демпфирующие цепи [213]. Происходит генерация радиопомех широкого спектра частот. Выходное напряжение имеет высокую величину пульсаций и, следовательно, установку сложного двухзвенного «П» -образного «LC» - фильтра. Это приводит к увеличению количества элементов, снижению надежности и КПД.
Однотактные прямоходовые ПП имеют меньшую энергию в индуктивности рассеяния при выключении транзистора, поскольку трансформатор работает в режиме перекачки энергии. Существуют два типа ПП: с активным элементом для уменьшения энергии в индуктивности рассеяния и с пассивными элементами [180, 182].
Недостатком однотактных ПП с активным элементом является то, что для обеспечения «мягкого» переключения в силовую цепь необходимо вводить дополнительный ключ и другие элементы. Также усложняется схема управления, требуется вводить дополнительную микросхему [175, 182]. В ПП увеличивается количество элементов, масса, габариты, стоимость.
Широко распространенным ПП с пассивными элементами для обеспечения «мягкого» переключения, является схема, где перемагничивание трансформатора осуществляется «R-C-VD – цепью» [185], либо с помощью паразитной емкости его обмоток (рисунок 3.3.4).
Для того чтобы обеспечить надежное двухквадрантное перемагничивание трансформатора и избежать перенапряжений на транзисторе в схему необходимо вводить дополнительные элементы и связи.