Повышение эксплуатационной надежности систем электропитания радиолокационных АФАР

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ АФАР

Н.А. Кушнерев

АО «Концерн «Вега»,

М.В. Родин

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Москва, Россия

В докладе рассмотрены причины снижения эксплуатационной надежности систем электропитания радиолокационных АФАР и исследованы вопросы использования серийно выпускаемых унифицированных преобразователей напряжения в их составе. Отмечена необходимость учета переходных процессов, а также ограничения выходного тока преобразователей напряжения при разработке систем электропитания радиолокационных АФАР. На основе результатов собственных работ авторов предложены способы повышения надежности рассматриваемых систем электропитания.

Ключевые слова: радиолокационная система; активная фазированная антенная решетка; система электропитания.

N.A. Kushnerev, M.V. Rodin

IMPROVING OPERATIONAL RELIABILITY IN POWER SUPPLY SYSTEMS OF RADAR AESA

The report analyzes the reasons for the reduction of operational reliability in power supply systems of radar AESA. which use standardized commercially available voltage converters. The need to take into account transient processes, as well as the limitations of the output current of voltage converters in the design of power supply systems for advanced radar AESA is noted. Based on the results of the authors' own work, the ways to improve the reliability of the power supply systems are proposed.

Keywords: radar system; active electronically scanned array; power supply system.

Введение

Передающий тракт импульсных радиолокационных систем (РЛС) комплексов дистанционного мониторинга окружающего пространства (далее - комплексов мониторинга), а также бортовых радиоэлектронных систем управления (РЭСУ) носителем и оружием все чаще выполняют распределенным за счет применения активных фазированных антенных решеток (АФАР) [1-3]. Независимо от структуры и сложности организации АФАР важнейшей ее составной частью, значительно влияющей на энергопотребление от системы электроснабжения (СЭС) комплекса (или носителя в случае бортовых РЛС) и возможность обеспечения необходимого энергетического потенциала РЛС, является система электропитания (СЭП).

При разработке СЭП современных и перспективных радиолокационных АФАР преимущественно находят применение серийно выпускаемые унифицированные преобразователи типа DC-DC (ПН) со стабилизацией выходного напряжения. В совокупности с накопителями электроэнергии (НЭ) они обеспечивают электропитание наиболее энергопотребляющей части АФАР и РЛС в целом - приемо-передающих модулей (ППМ), выходной усилитель мощности (УМ) передающего канала которых представляет собой для ПН импульсную нагрузку.

Однако представленные на отечественном и зарубежном рынках ПН не предназначены для работы с НЭ большой емкости, импульсной нагрузкой, а также не обеспечивают оперативной регулировки их выходного напряжения. В первую очередь, это связано с тем, что режим ограничения выходного тока в таких ПН является скорее аварийным, нежели штатным - и корректная безотказная работа в таком режиме производителем, как правило, не контролируется. В то же время режим ограничения выходного тока ПН при его работе в составе ППМ является штатным и многократно повторяющимся, что делает крайне нежелательным практическое применение представленных на рынке ПН из-за снижения их эксплуатационной надежности, а значит, и надежности СЭП в целом.

Вместе с тем применение серийно выпускаемых унифицированных ПН в СЭП радиолокационных АФАР обуславливает повышенные требования к их защите от воздействия переходных процессов, имеющих место в СЭП. Они вызывают перенапряжения и токовые перегрузки на входе и выходе ПН, что также ведет к снижению надежности СЭП.

Цель данной работы - предложить способы повышения надежности СЭП радиолокационных АФАР, обеспечивающие снижение амплитуды переходных процессов в узлах СЭП и позволяющие адаптировать серийно выпускаемые унифицированные ПН для применения в составе СЭП.

Причины снижения надежности систем электропитания АФАР

Анализ отказов узлов СЭП ряда радиолокационных АФАР, проведенный авторами, показывает, что среди всех причин отказов главенствующей является превышение амплитуды переходных процессов в СЭП величин токов и напряжений, максимально допустимых для ПН, что приводит преимущественно к выходу их из строя ПН.

Все переходные процессы в СЭП радиолокационных АФАР можно свести в три группы:

1. Броски тока потребления от СЭС при включении ППМ и связанные с этим броски напряжения электропитания отдельных ППМ.

2. Броски тока потребления от СЭС при изменении режима работы АФАР, управлении выходной мощностью ППМ и сканировании лучом диаграммы направленности антенной решетки.

3. Пульсации тока потребления от СЭС.

Рассмотрим для примера упрощенную типовую СЭП АФАР из состава бортовой импульсной РЛС. Ее структура приведена на рисунке 1 - это частично децентрализованная СЭП с промежуточной высоковольтной шиной постоянного тока. В схеме на рисунке 1 показан только один канал электропитания выходного УМ передающего канала ППМ.

Преобразование переменного напряжения бортовой сети 200 В 400 Гц в постоянное 270 В осуществляется AC-DC преобразователем. Далее с выхода AC-DC преобразователя через кабельную сеть и распределительную систему напряжение промежуточной шины 270 В поступает на входы ПН, входящих конструктивно в ППМ. Как правило, кабельная сеть имеет протяженность от единиц до десятков метров, а распределительная система содержит схемы фильтрации, коммутации, защиты от перегрузки по току и т. д.

Рис.1. Структурная схема системы электропитания АФАР

На выходе каждого ПН установлен индуктивно-емкостный НЭ L_нэ-С_нэ. Как правило, ПН управляется внешней командой включения, которая разрешает или запрещает выдачу выходного напряжения. Для управления выходной мощностью ППМ напряжение на выходе ПН является регулируемым и задается кодом, поступающим из контроллера ППМ. Функциональная схема тракта электропитания выходного УМ передающего канала ППМ приведена на рисунке 2. В схеме на рисунке U_рег - код, поступающий от контроллера; U_вх и U_вых - напряжения на входе ПН и выходе НЭ соответственно.

Рассмотрим далее работу ПН в составе СЭП.

электропитание радиолокационный антенная решетка

Рис.2. Функциональная схема тракта электропитания выходного УМ

Переходные процессы и способы их снижения

При наличии в цепи постоянного тока 270 В механических или электронных коммутаторов подключение выхода AC-DC преобразователя к распределительной системе происходит за короткое время. При этом на ПН не подан сигнал включения - и он потребляет минимальный ток (далее - дежурный режим). Эквивалентная схема СЭП для этого случая приведена на рисунке 3. В схеме U - напряжение на выходе AC-DC преобразователя; R₀ - эквивалентное внутреннее сопротивление AC-DC преобразователя; R_п - суммарное сопротивление кабельной сети и распределительной системы; R_Н - эквивалентное входное сопротивление всех ПН в дежурном режиме; L_п - суммарная индуктивность кабельной сети и распределительной системы; C_Н - суммарная входная емкость всех ПН; K - коммутатор.

Рис.3. Эквивалентная схема СЭП

Пусть на выходе AC-DC преобразователя наличествует напряжение постоянного тока 270 В. После замыкания коммутатора K возникает затухающий колебательный процесс в электрическом контуре, образованном индуктивностью L_п и емкостью С_Н. При значительной протяженности кабельной сети амплитуда этого колебательного процесса становится столь большой, что нередко приводит к пробою входных конденсаторов ПН из-за перенапряжения. На рисунке 4а в качестве примера приведена осциллограмма напряжения на входе ПН при подключении AC-DC преобразователя к кабельной сети длиной 50 м.

а б

Рис.4. Осциллограммы напряжения на входе ПН: без плавного запуска (а) и при его наличии (б) в AC-DC преобразователе

Как видно из осциллограммы, максимальное напряжение на входе ПН достигает 665 В при номинальной величине 270 В. Очевидно, столь большое превышение напряжения промежуточной шины недопустимо, так как может привести к электрическому пробою элементов во входных цепях ПН.

В то же время, если исключить механическую (электронную) коммутацию цепи постоянного тока 270 В в процессе работы АФАР (то есть AC-DC преобразователь должен быть постоянно подключен к промежуточной шине) и осуществлять дистанционное включение AC-DC преобразователя, оснащенного схемой плавного запуска (обеспечивает постепенное нарастание выходного напряжения), подачей команды включения, то колебательного процесса практически не происходит, что отражено на рисунке 4б.

После подачи напряжения на вход ПН от контроллера поступает команда включения. В этот момент времени НЭ полностью разряжен и, как нагрузка ПН, представляет собой короткое замыкание. Большинство серийно выпускаемых моделей ПН в этом случае переходят в режим циклического перезапуска, что не позволяет им зарядить НЭ, что ограничивает применение таких ПН в составе ППМ. Некоторые ПН (например, производства фирмы «Vicor») переходят в режим ограничения выходного тока и осуществляют заряд НЭ, хотя производитель считает такой режим нежелательным.

После заряда конденсатора ПН переходит в режим стабилизации напряжения - и его выходной ток уменьшается до номинального значения или холостого хода. ПН потребляет максимальный ток в конце заряда НЭ, когда выходное напряжение ПН максимально. Осциллограмма тока потребления ПН при заряде НЭ приведена на рисунке 5а.

Учитывая, что заряд НЭ всех ПН при одновременном включении происходит так же одновременно, величина тока, потребляемого от AC-DC преобразователя, превышает номинальную в несколько раз. Такой режим работы является нежелательным и обычно приводит к перегрузке AC-DC преобразователя, что в целом снижает надежность СЭП.

Для снижения амплитуды броска тока потребления от AC-DC преобразователя целесообразно организовать ступенчатое включение всех ПН, разбив их на несколько групп. При количестве групп более трех амплитуда броска тока становится приемлемой и, как правило, не превышает среднего тока потребления на 20-25%.

Осциллограмма тока потребления группы из четырех включаемых ступенчато ПН при заряде НЭ приведена на рисунке 5б.

а б

Рис.5. Осциллограммы тока потребления ПН при заряде НЭ: одновременное (а) и ступенчатое (б) включение ППМ

Как видно из рисунка, пиковый ток потребления лишь незначительно превышает среднее его значение, что исключает перегрузку AC-DC преобразователя, а значит, повышает надежность СЭП.

После заряда НЭ до требуемого напряжения и до начала работы АФАР на передачу ПН переходит в режим, близкий к холостому ходу. Подобная ситуация возникает и при изменении режима работы АФАР, а также при прохождении лучом АФАР сектора с запретом излучения. В этом случае имеет место колебательный процесс в электрическом контуре, образованном накопительными конденсатором и дросселем. В зависимости от параметров НЭ пиковая величина выходного тока ПН может в несколько раз превышать среднее значение при работе АФАР на передачу, что приводит к перегрузке ПН по току. Осциллограмма входного тока ПН при работе АФАР на передачу приведена на рисунке 6а.

Учитывая, что рассматриваемый переходный процесс происходит одновременно во всех ППМ, это приводит к значительному броску тока, потребляемого от AC-DC преобразователя.

Для уменьшения броска тока могут быть предложены несколько способов, основанных либо на смещении по времени начала передачи групп ППМ, либо на плавном нарастании тока потребления выходного УМ в передающем канале каждого ППМ, что не всегда реализуемо.

В простейшем случае все ППМ могут быть разделены на две равные группы с временем начала передачи, смещенном в одной группе относительно другой на половину периода колебаний тока.

Форма тока потребления группой ППМ от AC-DC преобразователя в этом случае будет иметь вид, показанный на рисунке 6б. Как видно из рисунка, амплитуда броска тока в начале работы АФАР на передачу уменьшена с 80% от среднего значения до 10-15%, что можно считать допустимым.

а б

Рис.6. Осциллограммы входного тока ПН при работе АФАР на передачу: без (а) и со смещением времени начала передачи (б)

В ряде практических приложений с целью создания и быстрого изменения амплитудного распределения АФАР применяют оперативную регулировку выходной мощности ППМ путем изменения напряжения электропитания выходного УМ в передающем канале ППМ [4]. В этом случае ПН должен обеспечивать максимально быстрое изменение выходного напряжения до требуемой величины. В процессе регулировки при снижении величины выходного напряжения ПН на некоторое время переходит в режим, близкий к холостому ходу, а излишняя энергия, запасенная в НЭ, расходуется на электропитание выходного УМ до момента достижения напряжения на НЭ требуемого значения. При увеличении выходного напряжения часть выходного тока ПН расходуется на электропитание выходного УМ, другая часть - на заряд НЭ до требуемой величины. Так как уменьшение скорости регулировки напряжения нежелательно, то при увеличении выходного напряжения ПН используют максимально возможную выходную мощность, при этом происходит перегрузка ПН по току.

Для снижения амплитуды бросков тока, потребляемого от AC-DC преобразователя, при регулировке выходных напряжений ПН целесообразно объединять таким образом, чтобы при изменении амплитудного распределения АФАР половина ПН в группе осуществляла перестройку выходных напряжений «вверх», а вторая половина - перестройку «вниз». В этом случае амплитуда броска тока, потребляемого группами ПН от AC-DC преобразователя, будет минимальной.

В течение длительности формируемого зондирующего радиоимпульса в ПН происходит разряд НЭ на некоторую величину напряжения ?U, называемую обычно "сколом". В том случае, если разработчик ПН не использует дроссель в составе НЭ или выбирает его слишком малой индуктивности, имеет место модуляция тока, потребляемого как от ПН, так и от AC-DC преобразователя. Модуляция тока потребления более 10-20% от среднего значения является, как правило, недопустимой для бортовой радиоэлектронной аппаратуры [5]. На рисунке 7а приведена осциллограмма тока, потребляемого ПН от AC-DC преобразователя, при неправильно выбранной (слишком малой) индуктивности дросселя. Как видно из рисунка, размах пульсации тока потребления ?I составляет около 90% от среднего значения I_ср.

При правильно выбранной индуктивности дросселя форма тока, потребляемого от AC-DC преобразователя, будет иметь вид, приведенный на рисунке 7б.

а б

Рис. 7. Осциллограммы тока потребления ПН от AC-DC преобразователя: малая (а) и достаточная индуктивность токоограничивающего дросселя (б)

Для обеспечения допустимого уровня пульсации тока потребления ПН индуктивность дросселя должна составлять не менее

(1)

где I_И - импульсный ток нагрузки; ДI - допустимый размах пульсации тока нагрузки; T - период повторения зондирующих радиоимпульсов; С_нэ - ёмкость накопительного конденсатора.

На практике величину ДI следует выбирать не более 10…20% от величины I_И. В то же время слишком малая величина ДI нежелательна, так как это приводит к увеличению массы и габаритов дросселя НЭ, а также амплитуды и длительности переходных процессов в НЭ при работе АФАР на передачу.

Ограничение выходного тока преобразователя напряжения

Как было показано выше, при работе ПН в составе СЭП имеют место переходные процессы, которые часто приводят к перегрузке ПН по выходному току.

Так как влиять на режимы работы серийно выпускаемых унифицированных ПН разработчик, как правило, не может, то с целью повышения надежности СЭП представляется необходимым между ПН и НЭ установить активный регулирующий элемент, ограничивающий ток на уровне, меньшем максимально допустимого для используемого ПН. В качестве такого регулирующего элемента может быть использован мощный полевой транзистор типа МОП. Такие транзисторы имеют очень малое сопротивление открытого канала сток-исток, что практически исключает энергетические потери при работе в установившемся режиме. В то же время МОП транзисторы позволяют рассеивать значительную мощность во время переходного процесса при заряде НЭ.

Структурная схема ограничителя выходного тока ПН представлена на рисунке 8. В схеме на рисунке ДТ - датчик тока, РЭ - регулирующий элемент, СУ - схема управления.

Рассмотрим выбор регулирующего транзистора ограничителя выходного тока ПН. Исходными данными являются максимальное выходное напряжение ПН U_макс, средний ток нагрузки I_н.ср, максимальный выходной ток ПН I_макс и емкость накопительного конденсатора C_нэ.

Рис. 8. Структурная схема ограничителя выходного тока ПН

Для обеспечения корректной работы схемы необходимо выбрать порог ограничения тока бомльшим, чем средний ток нагрузки, и мемньшим, чем максимальный выходной ток ПН. Целесообразно выбрать величину порога тока ограничения, близкую к среднему арифметическому среднего тока нагрузки и максимального выходного тока ПН:

. (2)

Пиковая мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе, составит

. (3)

Максимальное время работы схемы в режиме ограничения тока может быть найдено как:

, (4)

где - среднее эквивалентное сопротивление нагрузки.

Исходя из полученного времени ограничения t_макс, пиковой рассеиваемой мощности P_макс и максимального выходного напряжения преобразователя U_макс следует выбрать регулирующий транзистор по области безопасных режимов, приведенной в документации на него.

Необходимо отметить, что применение ограничителя тока является компромиссным решением, направленным на адаптацию унифицированных ПН для работы в составе СЭП. Такое решение не является оптимальным с точки зрения массогабаритных показателей и показателей надежности СЭП. В то же время разработка ПН, предназначенного для работы с емкостными НЭ и импульсной нагрузкой и обеспечивающего корректную работу в режиме ограничения тока, позволит исключить необходимость введения схем ограничения тока в состав СЭП.

Для примера, осциллограммы, иллюстрирующие работу ПН без и с ограничителем выходного тока во время заряда НЭ при включении, приведены на рисунке 9. На рисунке 9а синим цветов показано напряжение на выходе ПН, красным - на выходе ограничителя, желтым - выходной ток ПН. Как видно из осциллограмм, амплитуда броска тока при использовании ограничителя сократилась с 8,6 А до 4,4 А при допустимом максимальном токе нагрузки ПН 5,2 А.

аб

Рис. 9. Заряд накопительного конденсатора при включении ПН по команде от контроллера: без ограничителя тока (а) и с ограничителем тока (б)

Предложенное схемотехническое решение позволяет не только обезопасить ПН от работы в аварийных режимах при переходных процессах, но и позволяет использовать в составе ППМ широкую номенклатуру серийных ПН, не способных включаться на НЭ большой емкости по причине циклического перезапуска схем защиты.

Заключение

Для обеспечения высоких показателей надежности СЭП радиолокационных АФАР необходимо учитывать наличие совокупности переходных процессов, возникающих в них при различных режимах работы РЛС, а также перегрузку по выходному току используемых преобразователей напряжения. Резюмируя полученные в работе результаты, отметим следующее.

1. Для снижения амплитуды переходных процессов, возникающих при включении напряжения промежуточной высоковольтной шины, до безопасных величин необходимо исключить коммутацию AC-DC преобразователя к ПН с помощью механических и электронных коммутаторов во время работы АФАР. Подача напряжения промежуточной шины в этом случае должна осуществляться по команде включения AC-DC преобразователя, выход которого постоянно подключен к промежуточной шине. При этом AC-DC преобразователь должен иметь схему плавного запуска, обеспечивающую постепенное нарастание выходного напряжения при подаче команды включения.

2. Для снижения амплитуды бросков тока потребления ПН от промежуточной высоковольтной шины целесообразно организовать ступенчатое включение ППМ, а также смещать по времени начало работы ППМ на передачу.

3. Для снижения амплитуды бросков тока потребления ПН от промежуточной высоковольтной шины при регулировке выходной мощности ППМ за счет изменения напряжения электропитания выходного УМ передающего канала ППМ целесообразно объединять ПН таким образом, чтобы половина ПН в группе осуществляла перестройку выходных напряжений «вверх», а вторая половина - перестройку «вниз».

4. Обеспечение допустимого уровня пульсации тока потребления ПН от промежуточной высоковольтной шины достигается правильным выбором индуктивности дросселя накопителя.

5. Предложенный ограничитель тока необходимо использовать совместно с серийно выпускаемыми унифицированными ПН для обеспечения рекомендованных производителем режимов работы последних и, как следствие, для повышения надежности СЭП.

6. Применение ограничителя тока является компромиссным решением, направленным на адаптацию унифицированных ПН для работы в составе СЭП. Такое решение не является оптимальным с точки зрения массогабаритных показателей и показателей надежности. В то же время разработка ПН, предназначенного для работы с емкостными накопителями электроэнергии и импульсной нагрузкой и обеспечивающего корректную работу в режиме ограничения тока, позволит исключить необходимость введения схем ограничения тока в состав СЭП.

Литература

1. Верба В.С. Радиолокационные системы авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения. Принципы построения, проблемы разработки и особенности функционирования. М.: Радиотехника, 2014. - 536 с.

2. Белый Ю.И. Антенны и радары с электронным управлением лучом / Белый Ю.И., Езопов А.В., Кауфман Г.Ф., Синани А.И., Усманов Р.Р. и др. М.: Радиотехника, 2016. - 234 с.

3. Канащенков А.И. Радиолокационные системы многофункциональных самолётов. Т.1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолётов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов / Колтышев Е.Е., Татарский Б.Г., Самарин О.Ф., Канащенков А.И., Меркулов В.И. и др. М.: Радиотехника, 2006. - 656 с.

4. Королев А.В., Кушнерев Н.А., Родин М.В. Об электропитании выходных усилительных каскадов приёмо-передающих модулей импульсных РЛС с АФАР // Электропитание, 2016, № 2. - С. 33-41.

5. Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. Л.: Энергоиздат, 1981. - 160 с.

References

1. Verba, V. S. Radars for airborne warning and control systems. Principles of construction, problems of development and features of functioning. M.: Radiotekhnika, 2014. - 536 p.

2. Beliy, Y. I. Radars and antennas with electronic beam control / Beliy Y.I., Ezopov A.V., Kaufman G.F., Sinani A.I., Usmanov R.R. et al. M.: Radiotekhnika, 2016. - 234 p.

3. Kanashchenkov A.I. Radar systems of multifunctional aircraft. Vol.1. Radar - information basis of multifunctional aircraft hostilities. Systems and algorithms for primary processing of radar signals / Kanashchenkov A.I., Koltyshev E.E., Samarin O.F., Merkulov V.I., Tatarskiy B.G. et al. M.: Radiotekhnika, 2006. - 656 p.

4. Korolev, A. V. About power supply of power amplifier of TRM in radar AESA / Korolev A. V., Kushnerev N. A., Rodin M. V. // Elektropitanie, 2016, No. 2. - Pp. 33-41.

5. Knish, V. A. Semiconductor converters in the systems of the charge storage capacitors. L.: Energoizdat, 1981. - 160 p.

Размещено на Allbest.ru