Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Квазирезонансный преобразователь системы импульсного питания РЛС

https://doi.org/10.38013/2542-0542-2015-2-27-32

Полный текст:

Аннотация

Представлен квазирезонансный преобразователь системы импульсного питания сверхвысокочастотной лампы передающего устройства радиолокационной станции с широтным регулированием выходного напряжения. Рассмотрены особенности его работы, приведены математическая модель, внешние характеристики и некоторые результаты имитационного моделирования в разомкнутой и замкнутой по выходному напряжению системе.

Для цитирования:


Долов В.Н., Стрелков В.Ф., Ваняев В.В., Кочнев А.А. Квазирезонансный преобразователь системы импульсного питания РЛС. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(2):27-32. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2015-2-27-32

For citation:


Dolov V.N., Strelkov V.F., Vanyaev V.V., Kochnev A.A. Quasi-resonant inverter power pulsed radar system. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(2):27-32. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2015-2-27-32

Необходимость разработки активной фази­рованной антенной решётки радиолокацион­ной станции (РЛС) с шириной спектра частот радиоимпульса 1÷10 ГГц инициировала соз­дание передающих модулей на базе сверхвы­сокочастотных (СВЧ) ламп, которые по сравне­нию с СВЧ транзисторными модулями имеют более широкую полосу, более высокий (до 60÷80 %) кпд, большую скважность и почти вдвое меньшую стоимость. Это обстоятельство потребовало разработки для такого рода на­грузок соответствующих систем импульсного электропитания (СИП) повышенного напря­жения, которые, как правило, функционируют по принципу накопления и импульсного вы­деления энергии, запасаемой в электрическом поле накопительного конденсатора (НК) [1-3].

Одним из основных звеньев СИП явля­ется зарядный преобразователь (ЗП), который осуществляет зарядку НК путём преобразова­ния потока электрической энергии, потребля­емой из питающей сети. По мнению авторов, среди многообразия разработанных к насто­ящему времени схем решений ЗП наиболее полно условиям применения в системах элек­тропитания РЛС отвечают ЗП на базе квазире- зонансного преобразователя (КРП) с фиксиро­ванной рабочей частотой.

Колебательный характер тока в силовых цепях КРП существенно снижает коммутаци­онные потери в транзисторах и упрощает ре­шение задачи электромагнитной совместимо­сти [2, 3]. Сопутствующее этому сокращение ширины спектра и уровня радиопомех приво­дит к снижению шумов, распространяющихся в цепях РЛС кондуктивным и индуктивным путём, а также улучшает тактико-технические характеристики РЛС: дальность действия, чув­ствительность и точность определения коорди­нат цели. Кроме того, построение КРП по схе­ме последовательного резонансного инвертора с обратными диодами повышает надёжность СИП в аварийных режимах КЗ в цепи нагрузки за счёт естественного ограничения тока инвер­тора в этом режиме.

Применение КРП в СИП, а также во вторичных источниках электропитания ино­го назначения, используемых в РЛС, требу­ет регулирования их выходного напряжения. Традиционно эта задача решается методом частотного регулирования [2, 3]. Недостаток метода в том, что доза энергии, передаваемой в нагрузку на периоде рабочей частоты КРП, не может быть изменена, что увеличивает не­стабильность предразрядного напряжения НК в СИП при относительно небольших значени­ях его ёмкости.

Авторами разработаны схемы решения КРП на основе последовательного резонансно­го инвертора с обратными диодами и широт­ным регулированием выходного напряжения [4-6], лишённые отмеченного недостатка.

В КРП, выполненном по мостовой схеме (рис. 1), широтное регулирование напряжений на обмотках трансформатора TV и выходного напряжения КРП реализуется за счёт измене­ния фазы отпирания шунтирующего транзи­стора VTШ относительно моментов отпирания диагональных транзисторов VT1, VT4 и VT3, VT2. При отпирании транзистора VTШ в тре­буемый момент передача энергии в нагрузку прекращается, что обеспечивает повышенную точность поддержания предразрядного напря­жения НК. При этом часть энергии, накоплен­ной в реактивных элементах силового контура, возвращается в источник питания или в кон­денсатор входного фильтра.

 

Рис. 1. Электрическая схема КРП

 

Для установления особенностей работы и определения основных характеристик этого устройства приняты следующие допущения:

  • вентильные элементы обладают свой­ствами идеальных ключей;
  • ток намагничивания и активные сопро­тивления обмоток трансформатора TV равны нулю, а коэффициент трансформации - еди­нице;
  • потери мощности КРП сосредоточены в активном сопротивлении последовательного резонансного контура;
  • пульсации напряжения НК равны нулю.

Как показывает анализ процессов при сделанных допущениях, для работы рассма­триваемого устройства в самом общем случае характерны шесть различных временных интервалов, соответствующих различным углам отпирания транзистора VTШ и сочетаниям со­стояний ключевых элементов S1÷S4, SШ и ди­одного моста VD эквивалентной схемы (рис. 2).

 

Рис. 2. Эквивалентная схема КРП

 

При снятых импульсах управления с клю­ча SШ в каждом полупериоде работы преобра­зователя чередуются интервалы «1» и «2» про­водящего состояния ключей £1, £4 или S2, S3. На интервале «1» происходит подзарядка кон­денсатора C1 от источника питания Uп (прира­щение его энергии ΔWC1  > 0) через транзисторы одной из диагоналей, а на интервале «2» - ча­стичная разрядка через обратные диоды этой диагонали. На обоих интервалах происходит передача энергии в цепь нагрузки (приращение выделяемой в ней энергии ΔWн>0).

При отпирании ключа SШ с фазовым сдвигом  относительно момента включения транзисторов одной диагонали и поддержании его в открытом состоянии до момента отпирания транзисторов другой ди­агонали поочередно следуют интервал «1», затем интервал «3», на котором происходит «мягкая» коммутация тока резонансного кон­тура с цепи «Lк - VD - нагрузка» на ключ SШ. При снижении тока нагрузки iн до нуля про­цесс коммутации заканчивается и начинается интервал «4», на котором продолжают прово­дить транзисторы одной диагонали и ключ SШ. Интервал «5» начинается с момента, когда ток в контуре имеет обратное направление, проте­кая через обратные диоды этой же диагонали.

При отпирании ключа SШ с фазовым сдвигом  начинается интервал «6», на кото­ром, как и на интервале «3», происходит про­цесс коммутации тока резонансного контура на ключ SШ. По окончании интервала «6» в работе остаются обратные диоды и ключ SШ.

Система уравнений, описывающих элек­тромагнитные процессы в КРП на интервалах непрерывности, может быть представлена в виде:

где k1÷k3 - коэффициенты, значения которых определяются текущей конфигурацией экви­валентной схемы КРП;

U0j - начальное значение напряжения кон­денсатора C1 на j-м интервале непрерывности;

U*н - напряжение нагрузки, приведённое к первичной обмотке трансформатора.

Состояния ключей S1÷S4, SШ и диодного моста VD эквивалентной схемы КРП, соответ­ствующие одному полупериоду выходного на­пряжения инвертора, представлены в таблице (цифра 1 соответствует замкнутому состоянию ключа, 0 - разомкнутому).

Кроме того, в таблице приведены значе­ния коэффициентов k1÷k3 уравнений системы (1), а также показан характер изменения энер­гии ΔWC1 и ΔWн конденсатора C1 и нагрузки (+ - увеличение энергии; - - уменьшение энергии; 0 - энергия не изменяется).

В результате решения системы уравне­ний (1) на интервалах непрерывности с учетом данных таблицы выведены аналитические рекуррентные соотношения для определения токов и напряжений на элементах силового контура КРП при различных углах отпирания шунтирующего ключа SШ. Полученная матема­тическая модель позволила выявить основные закономерности процессов, происходящих в преобразователе на интервалах непрерывно­сти, определить количественную взаимосвязь между параметрами элементов силового конту­ра и режимами работы КРП, рассчитать внеш­ние и другие интегральные характеристики, необходимые для его инженерного расчёта.

 

Состояния ключей, значения коэффициентов уравне­ний на интервалах непрерывности, изменения энергии конденсатора C1 и нагрузки

Ключи и коэффициенты

Интервалы

1

2

3

4

5

6

S1, S4

1

1

1

1

1

1

S2, S3

0

0

0

0

0

0

VD

1

1

1

0

0

1

SШ

0

0

1

1

1

1

k1

1

-1

1

1

-1

-1

k2

1

1

0

0

0

0

k3

0

0

1

0

0

1

∆WC1

+

-

+

+

-

-

∆Wн

+

+

+

0

0

0

На рис. 3 приведены статические внеш­ние характеристики рассматриваемого устрой­ства в относительных единицах и соответству­ющие им кривые тока i резонансного контура, построенные при различных значениях угла β и малых значениях R.

 

Рис. 3. Статические внешние характеристики КРП

 

Внешние характеристики нелинейные и имеют характерные участки, соответствующие работе КРП в режимах, близких к режимам источника напряжения и тока. Из приведён­ных зависимостей следует, что КРП с шунти­рующим транзистором обеспечивает глубокое регулирование выходного напряжения при по­стоянной рабочей частоте, что обеспечивает в замкнутой системе автоматического регулиро­вания (САР) поддержание предразрядного на­пряжения НК с заданной точностью.

На рис. 4 представлены траектории дви­жения рабочей точки в плоскости приведённых к первичной обмотки трансформатора значе­ний напряжения u и тока i НК, полученные на имитационной модели полумостового КРП при его зарядке в разомкнутой и замкнутой по выходному напряжению САР. Траектория на рис. 4б соответствует периодическому режи­му работы ВИП с замкнутой САР в режиме частичной разрядки НК.

 

Рис. 4. Траектории процесса зарядки НК

 

Из рис. 4б следует, что в замкнутой САР подзарядка НК происходит при разомкнутом ключе SШ и максимальном выходном токе. При этом КРП в течение практически всего интер­вала паузы между зондирующими импульсами РЛС работает в режиме источника тока, и толь­ко в течение краткого предразрядного интерва­ла, когда в работу вступает отрицательная об­ратная связь, рабочая точка последовательно, в порядке уменьшения, быстро проходит раз­личные значения угла β от 2π или иного мень­шего установленного значения до некоторого минимального, соответствующего требуемому выходному напряжению.

Таким образом, при использовании опи­сываемого КРП в составе СИП длительность работы SШ невелика и его введение в схему практически не изменяет энергетические и иные показатели КРП, которые соответствуют показателям известных преобразователей на базе последовательных резонансных инверто­ров с частотным регулированием выходного напряжения.

Выводы

  1. Предложенный зарядный преобразователь НК на базе КРП с широтным регулировани­ем напряжения позволяет повысить точность поддержания предразрядного напряжения НК.
  2. Разработанная математическая модель зарядного преобразователя позволила выявить основные закономерности происходящих в нём электромагнитных процессов, дать их количе­ственную оценку и получить его важнейшие интегральные характеристики.
  3. Пониженные потери в ключевых эле­ментах с «мягкой» коммутацией и уровень радиопомех, свойственные КРП, естественное ограничение тока в аварийных режимах КЗ в цепи нагрузки, а также возможность широтно­го регулирования выходного напряжения дела­ет перспективным применение рассматривае­мого устройства в СИП передающих модулей РЛС с НК относительно небольшой ёмкости.

Список литературы

1. Долов В. Н., Стрелков В. Ф., Ваняев В. В., Копелович Е. А. Электропитание клистрона передающего модуля РЛС // Состояние и перспективы развития электротехнических средств межвидового назначения : материалы науч.-практ. конф. М.: Федеральное государственное казенное учреждение «3 ЦНИИ Минобороны России», 2013. С. 56–60.

2. Полищук А. Г. Высокоэффективные источники вторичного электропитания высокого напряжения для радиопередающих устройств СВЧ. // Силовая электроника. 2004. № 2. С. 66–70.

3. Калистратов Н. П., Коган В. Л., Сорокин Ю. К. Высоковольтный источник питания ЛБВ // Электрическое питание. 2007. № 7. С. 59–64.

4. Стабилизированный квазирезонансный преобразователь: Пат. 2 417 510 Россия, МПК Н 02 М 7/ 53846; Опубл. 27.04.2011, Бюл. № 12. Рус.

5. Стабилизированный квазирезонансный преобразователь: Пат 2 418 355 Россия, МПК Н 02 М 7/ 53846; Опубл. 10.05.2011, Бюл. № 13. Рус.

6. Стабилизированный квазирезонансный преобразователь: Пат. 2 510 862 Россия, МПК Н 02 М 3/ 335, Н 02 М 7/ 53846; Опубл. 10.04.2014, Бюл. № 10. Рус.


Об авторах

В. Н. Долов
ОАО «ФНПЦ «ННИИРТ»
Россия

Долов Василий Николаевич – начальник отдела

Область научных интересов: разработка источников вторичного электропитания специального назначения.

г. Нижний Новгород



В. Ф. Стрелков
ОАО «ФНПЦ «ННИИРТ»
Россия

Стрелков Владимир Федорович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Область научных интересов: разработка источников вторичного электропитания специального назначения.

г. Нижний Новгород



В. В. Ваняев
НГТУ им. Р. Е. Алексеева
Россия

Ваняев Валерий Владимирович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика»

Область научных интересов: разработка источников вторичного электропитания специального назначения.

г. Нижний Новгород



А. А. Кочнев
НГТУ им. Р. Е. Алексеева
Россия

Кочнев Алексей Александрович – магистрант кафедры «Электрооборудование, электропривод и автоматика»

Область научных интересов: разработка источников вторичного электропитания специального назначения.

г. Нижний Новгород



Для цитирования:


Долов В.Н., Стрелков В.Ф., Ваняев В.В., Кочнев А.А. Квазирезонансный преобразователь системы импульсного питания РЛС. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2015;(2):27-32. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2015-2-27-32

For citation:


Dolov V.N., Strelkov V.F., Vanyaev V.V., Kochnev A.A. Quasi-resonant inverter power pulsed radar system. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2015;(2):27-32. (In Russ.) https://doi.org/10.38013/2542-0542-2015-2-27-32

Просмотров: 197


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)