Основные научные проблемы построения отечественных агрегатированных (сложных) приборов и распределенных систем вторичного электропитания и причины отставания их характеристик от современных зарубежных аналогов

«Надо вести анализ полных радиоэлектронных систем и на основе результатов этого анализа формировать требования к конкретным устройствам» Ю. И. Конев

Сегодня ни одна из окружающих нас радиоэлектронных систем в промышленном оборудовании, вооружении и военной технике (ВиВТ) не может существовать без электропитания. Отказ системы электропитания приводит к прекращению работы питаемого оборудования. Поэтому ни одна система не может быть надежнее своей системы электропитания. То есть электропитание является условием и средой функционирования всех технических радиоэлектронных средств и систем.

Качество электрической энергии питания и надежность работы источников электропитания (ИП) определяют качественные, массогабаритные характеристики и надежность работы аппаратуры. ИП занимают до 60–80 % габаритов радиоэлектронных систем (РЭС) и половина отказов в работе РЭС происходит по вине ИП.

Непрерывное расширение областей применения систем вторичного электропитания (СВЭП), возрастание требований к качеству преобразуемой ими энергии, появлению новых агрегатиро-ванных (составных, сложных) приборов, новых структур электропитания, все более широкая организация распределенных систем электропитания с двух или трехкратным преобразованием энергии практически во всех областях техники (телекоммуникационной, связной, радиолокационной, гидроакустической, офисной, системах управления и т. д.) ставит перед теорией и практикой создания СВЭП новые все усложняющие проблемы, выявляя их недостаточную проработку. К ним в первую очередь относятся вопросы устойчивости и электромагнитной совместимости (ЭМС).

Постоянный и быстрый рост энерговооруженности РЭС промышленного применения и ВиВТ, наличие большого количества противоречивых требований к СВЭП (например, постоянное требование снижения массогабаритных параметров и улучшения ЭМС при одновременном увеличении выходной мощности) вынуждает применять в составе СВЭП большой набор электронных устройств, разрешающих эти противоречия, но и резко усложняющие СВЭП. На рис. 1 приведена функциональная схема импульсного источника питания, преобразующего переменное напряжение в постоянное (AC/DC преобразователь). Современный AC/DC преобразователь содержит устройство защиты от импульснокоммутационных помех, сетевой фильтр радио © Дмитриков В.Ф., Шушпанов Д.В., 2018

Рис. 1. Схема транзисторного AC/DC преобразователя

а )

б )

Рис. 2. Распределенная система электропитания: а ) с шиной переменного тока; б ) с шиной постоянного тока

помех (ФРП), устройство плавного запуска, сетевой низкочастотный выпрямитель (СВ и), корректор коэффициента мощности (ККМ) с накопительным конденсатором С2, высокочастотный преобразователь напряжения (ПН), трансформаторно-выпрямительное устройство, силовой сглаживающий фильтр (СФ).

При разработке даже отдельных транзисторных преобразователей электроэнергии (модулей) и особенно агрегатированных (составных, сложных) приборов и распределенных систем электропитания одной из наиболее важных и сложных проблем, которые необходимо решить – это проблемы их устойчивости. Решение проблемы устойчивости современных им- пульсных ИП усложняется тем, что они имеют многоконтурные отрицательные обратные связи (ООС) и являются дискретно-нелинейными замкнутыми системами, сложность исследования их общеизвестна и теория их анализа и синтеза развивается. В настоящее время они являются наиболее сложными устройствами в теории автоматического управления.

Одна из основных причин возбуждения модулей, агрегатируемых (составных) приборов, распределенных систем электропитания заключается в том, что все ИП со стабилизированным выходным напряжение, т. е. с ООС имеют комплексные входные и выходные сопротивления с отрицательной резистивной составляющей диф-

Рис. 3. Каскадное соединение четырехполюсников

ференциального входного сопротивления. При интегрировании системы из отдельных модулей, устойчиво работающих на резистивную нагрузку, очень часто приходит возбуждение и выход из строя всей системы.

Как отмечалось выше, практически во всех отраслях промышленности и техники, ВиВТ находят широкое применение распределенные системы электропитания (РСП) или агрега-тированные приборы, в которых используется стабилизированные «шины» бесперебойного электропитания переменного или постоянного тока, запитываемые от первичного источника с помощью мощного централизованного ИП AC/ DC или DC/DC. От «шины» бесперебойного электропитания, требуемой величиной и качеством выходного напряжения, в которой отсутствуют импульсно-коммутационные помехи, существующие в первичной сети, запитываются распределенные в пространстве функциональные РЭС с помощью распределенных ИП (рис. 2). Таким образом в РСП или агрегатированных приборах, осуществляющих двух- или трехкратное преобразование электрической энергии, производится каскадное соединение ИП (рис. 3). Рассчитывая передаточную характеристику каскадного соединения четырехполюсников с помощью матриц А-параметров, можно показать, что передаточная функция двух каскадно соединенных четырехполюсников H(jto) зависит не только от передаточной характеристики каждого четырехполюсника H1(jto) и H2(jto), но и от выходного комплексного сопротивления первого четырехполюсника zBhxCjto) и входного комплексного сопротивления второго четырехполюсника ^В2Х(jto) [1 — 17]:

H ( j to ) =

H 1 ( j to)| _xx H 2 ( j to )

¹ + Z ВЫХ⁽ j ^to)/ Z ВХ⁽ j ^{to )}

Входные и выходные сопротивления ИВЭП зависят от сопротивления нагрузки, напряжения питания, параметров силового сглаживающего фильтра, частоты и т. д. Вещественная часть комплексного входного сопротивления ИВЭП с ООС отрицательна. Поэтому, если при некоторых параметрах каскадно-соединенных ИВЭП выполняется равенство ZВВЫ^хСjto)/Z(2Х (jto) =-1, то в системе возникает автоколебательный режим и она выйдет из строя. Поэтому РСП, агре-гатированные приборы вторичного электропитания являются потенциально неустойчивыми. В РСП, состоящей из абсолютно устойчивых модулей с запасами устойчивости по амплитуде и фазе каждого модуля, часто происходит возбуждение и выход из строя всей системы из-за изменения zBhxCjto) и ZВ2Х (jto) во время ее эксплуатации и изменения напряжения питания, параметров нагрузки, импульсно-коммутационных помех на входе РСП и т. д.

Таким образом, при проектировании устойчивых агрегатированных приборов, РСП необходимо, во-первых, проектировать отдельные модули ИВЭП при работе на реальную линейную или нелинейную комплексную нагрузку, статическую или динамическую (изменяющуюся во времени) с достаточным запасом устойчивости по амплитуде и фазе, во-вторых, проектировать агрегатированный прибор или РСП, таким образом, чтобы не выполнялось условие (1) во время эксплуатации системы при работе на реальные нагрузки, которые представляют собой РЭС.

На сегодняшний день существует неправильная отечественная практика, когда производитель СВЭП проектирует их на резистивную нагрузку. Он, как правило, не знает кому продает свои источники и на какую нагрузку они должны работать.

Также на сегодняшний день ни одна из отечественных фирм производителей СВЭП не приводит в ТУ комплексные входные и выходные сопротивления модулей, запасы устойчивости по амплитуде и фазе даже для ИВЭП с приемкой «5». Эти характеристики приводятся зарубежными фирмами, производящими ИВЭП «Military», а измерительное оборудование производится с 1985 г. различными зарубежными фирмами [17]: Venable Instruments (США), NF Corporation (Япония), Newtons4th Ltd (Великобритания), Powertek (Сингапур), Solartron Analytical (Великобритания), AP Instruments (США), OMI-CRON Lab (офисы в более чем 50 странах).

Для создания отечественных систем вторичного электропитания (агрегатированных приборов, распределенных систем электропитания) для радиоэлектронных систем ВиВТ (АФАР радиолокационных станций, насчитывающих тысячи и десятки тысяч модулей источников питания; радиоэлектронных систем надводных кораблей и подводных лодок, насчитывающих тысячи источников питания; авиационно-космических комплексов; систем связи и телекоммуникаций и т. д.) на уровне систем электропитания мировых лидеров (Vicor, Interpoint и др.) необходимо выполнить следующие задачи:

– разработать теорию системного анализа устойчивых СВЭП с учетом структурно-параметрических схем замещения первичных источников электропитания и реальных комплексных нагрузок (линейных или нелинейных, статических или динамических);

– разработать технологии преобразования энергии, обеспечивающих максимум КПД в соответствии с современными международными стандартами для всего диапазона нагрузок;

– разработать ГОСТы для современных СВЭП с указанием необходимых запасов устойчивости по амплитуде и фазе при работе на различные комплексные нагрузки (линейные или нелинейные, статические или динамические);

– разработать парк измерительных приборов для измерения частотных характеристик петлевого усиления, входных и выходных сопротивлений СВЭП.

Поскольку решение данных фундаментальных проблем невозможно осуществить существующим отечественным фирмам, то необходимо создание головной государственной организации по разработкам систем вторичного электропитания на базе предприятия ГК «Ростех», а также привлечение специалистов и ученых секции РАН «Научные проблемы электропитания» отделения «Электрофизика, энергетика, электротехника».