Пленарный доклад: Источники питания для систем связи и радиотехники

Проблемы и пути унификации и импортозамещения современных распределительных систем электропитания радиоэлетронной аппаратуры

Введение

Современная функциональная аппаратура (ФА), работая по прямому назначению, потребляет электрическую энергию необходимого качества. В тоже время, электропитание ФА непосредственно от доступных первичных источников, как правило, не возможно. В этой связи неизбежно возникает необходимость в дополнительных специализированных технических средствах, обеспечивающих ФА электрической энергией необходимого качества и в необходимом количестве. В простых случаях (малое число отдельных потребителей, простые сервисные функции и т.п.) описанная потребность реализуется использованием модулей источников вторичного электропитания (ИВЭП). Для более сложных задач, когда число независимых потребителей достаточно велико, требуется контроль состояния всех каналов передачи энергии, управление включением (отключением) отдельных каналов и т.п., говорят о системах вторичного электропитания (СВЭП).
Большое многообразие возможных вариантов построения СВЭП, существование различных подходов в практике проектирования систем электропитания позволяют предприятиям-проектировщикам видов вооружений кораблей ВМФ адаптировать аппаратуру СВЭП под «свои» (частные) требования. Очевидно, однако, что сложившаяся практика приводит в целом для отрасли, к увеличению номенклатуры оборудования (приборов и модулей питания), увеличению ЗИПа, усложнению ремонта и восстановления систем электропитания на современных и перспективных заказах. Важно также подчеркнуть, что отсутствие для отрасли общих технических решений по проблематике СВЭП снижает серийность рассматриваемых изделий, затрудняет создание их специализированного производства.
На основе анализа и систематизации требований, предъявленных к СВЭП в отрасли, анализа и систематизации известных технических решений может быть предложена общая концепция построения унифицированных агрегатируемых приборов и модулей, необходимых для построения СВЭП различных видов вооружений кораблей ВМФ.
На основе предложенной концепции сформулированы общие требования к архитектуре, приборам и модулям, базонесущим конструкциям (БНК), определяющие облик предлагаемых СВЭП и их составных частей.
Представленный в статье анализ СВЭП радиоэлектронного вооружения (РЭВ) выполнен с целью выявления общих для судостроительной отрасли (включающей различные разделы науки и техники: радионавигация, радиолокация, гидроакустика, радиосвязь, телекоммуникации, системы управления и т.д.) практики проектирования корабельных СВЭП, которые необходимо учитывать при выработке концепции построения унифицированной аппаратуры.
Анализ выполнен на основе материалов, представленных в литературе, в материалах проектов СВЭП, выполненных предприятиями – разработчиками различных типов РЭВ: ОАО «Концерн «НПО « Аврора», ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», ОАО «Концерн «Океанприбор», ОАО «СУП».
В части общих для отрасли технических требований представленный анализ опирается на следующие основные стандарты:

  • ГОСТ РВ 20.39.309-98. «Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Конструктивно-технические требования»;
  • ГОСТ РВ 20.39.304-98 «Требования стойкости к внешним воздействиям»;
  • ГОСТ 14254-96 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками»;
  • ГОСТ В 23 394-78, ГОСТ В 23 396-78, ГОСТ В 23 875-88, ГОСТ В 23 653-79 «Качество электроэнергии, термины и определения»;
  • ГОСТ В 25 803-91 «Радиопомехи индустриальные от оборудования и объектов военного назначения. Нормы и методы испытаний»;
  • ГОСТ 23 945.0-80 «Унификация изделий. Основные положения»;
  • ГОСТ 26632-98 «Уровни разукрупнения РЭС по функционально-конструктивной сложности».

Результаты анализа, отражающие современное состояние практики проектирования корабельных СВЭП и оказывающие существенное влияние на решения в части унификации аппаратуры приведены в следующих разделах:

  • организация первичного электропитания функциональной радиоэлектронной аппаратуры;
  • номенклатура и характеристики вторичных напряжений электропитания функциональной аппаратуры;
  • размещение аппаратуры корабельных систем вторичного электропитания;
  • обеспечение электромагнитной совместимости;
  • типовые функции и алгоритмы унифицированных модулей и приборов.

Организация первичного электропитания функциональной радиоэлектронной аппаратуры

На современных и перспективных заказах в соответствии с типом используемых на них электроэнергетических систем (ЭЭС) могут быть предусмотрены два основных типа первичных сетей, доступных для нужд РЭВ:

  • сеть постоянного тока напряжением 175…320 В;
  • трехфазная сеть переменного тока частотой 50 Гц и линейным напряжением 380 В.

На ряде заказов для нужд отдельных РЭВ в составе используемых электроэнергетических систем (ЭЭС) могут быть предусмотрены динамические или статические преобразователи частоты 50 Гц в 400 Гц. В данном случае для соответствующих РЭВ доступной становится первичная трехфазная сеть переменного тока частотой 400 Гц и линейным напряжением 220 В.

Возможны также варианты установки на заказах в составе ЭЭС понижающих корабельных трансформаторов типа ТСВМ. В этом случае электропитание РЭВ может быть организовано от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц и линейным напряжением 220 В.

Таким образом, при проектировании унифицированной СВЭП для перспективных заказов необходимо исходить из того, что возможны все четыре рассмотренных варианта: два «основных», наиболее часто реализуемых на практике и два «дополнительных».

На современном уровне развития преобразовательной техники теоретически возможно построение преобразователей инвариантных к частоте питающей сети. В этом случае может быть реализована СВЭП единая для всех вариантов первичного питания, однако подобный подход приведет к определенной избыточности оборудования, усложнит его эксплуатацию. С учетом изложенного, более предпочтительным представляется вариант с реализацией модификаций СВЭП под каждый тип первичной питающей сети.

При организации электропитания СВЭП должны обеспечиваться требования стандартов по электромагнитной совместимости, в том числе:

  • требования по уровням кондуктивных помех, распространяемых по цепям первичного электропитания (ГОСТ В 25803-91);
  • нормы эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока ГОСТ Р51317.3.2-99 (IEC 61000-3-2).

Изложенный материал описывает общее состояние вопроса организации первичного электропитания РЭВ кораблей ВМФ. Выше затронуты основные аспекты, которые так или иначе, могут повлиять на стратегию унификации СВЭП. Общая ситуация может быть оценена как «стабильная», характерная для всех видов РЭВ. В перспективе можно ожидать следующих тенденций ее развития:

  • постепенно будет осуществляться переход на электропитание РЭВ только от «основных» типов первичных систем; преобразователи частоты 400 Гц и понижающие трансформаторы из состава ЭЭС кораблей будут исключаться;
  • требования к аппаратуре СВЭП по электромагнитной совместимости будут ужесточаться;
  • энергия импульсов импульсно-коммутационных помех (ИКП), от которых должна быть защищена аппаратура СВЭП будет возрастать.

Отмеченные тенденции должны быть учтены при проектировании перспективной аппаратуры СВЭП.

Обеспечение надежности и ресурсных характеристик

Трудно переоценить важность обеспечения высоких надежностных и ресурсных характеристик современной РЭА.

Соответственно вопросы обеспечения надежности и ресурсных характеристик унифицированной аппаратуры СВЭП должны рассматриваться на трех уровнях: на уровне модулей, на уровне приборов, на уровне СВЭП.

На уровне модулей обеспечение высоких надежностных характеристик достигается за счет тщательного выбора необходимой элементной базы, обеспечением облегченных режимов работы комплектующих изделий. Характерной особенностью современной силовой преобразовательной техники является использование импульсных режимов работы силовых элементов: транзисторов, диодов, моточных изделий.

В импульсных режимах силовые элементы в моменты переключений испытывают значительные электрические и тепловые перегрузки, являющиеся основными причинами процессов деградирования изделий, а в ряде случаев и отказов. Предлагается при построении силовых модулей использовать схемотехнику, минимизирующую потери в силовых элементах при переключениях. Важно подчеркнуть, что использование предлагаемой в докладе схемотехники позволяет, также, снижать тепловые потери модулей, уменьшать уровень создаваемых ими радиопомех.

С учетом изложенного полагаем, что использование данной схемотехники для построения унифицированных модулей является принципиально необходимым.

На уровне приборов обеспечение надежности достигается за счет снижения локальных перегревов аппаратуры, обеспечиваемого конструкцией предлагаемых БНК.

На уровне СВЭП, в целом, обеспечение надежностных, ресурсных характеристик и живучести достигается за счет:

  • резервирования независимых первичных источников;
  • резервирования модулей и приборов;
  • организации контроля состояния СВЭП и ее элементов.

Вопросы обеспечения надежности на уровне системы тесно связаны с вопросами организации  агрегатирования. Технические решения в части обеспечения надежностных характеристик являются принципиальными в предлагаемой концепции построения СВЭП

Выводы

Основные положения предлагаемой концепции в следующем:

1. Современные и перспективные системы электропитания РЭВ кораблей ВМФ могут быть построены на основе предлагаемого унифицированного комплекта агрегатируемой аппаратуры: приборов и модулей.

2. Степень защиты по ГОСТ 14254-96:

  • IP-44 – для аппаратуры, содержащей аккумуляторные батареи;
  • IP-55 – для аппаратуры не содержащей аккумуляторные батареи.

3. Для реализации перечисленных в п.п.1…6 функциональных возможностей и требований принципиальными в рамках предлагаемой концепции являются:

  • необходимость построения силовых модулей с максимально возможным к. п. д.;
  • необходимость использования специализированных БНК приборов и модулей с высокой допустимой удельной мощностью рассеивания (не менее 150 Вт/этаж);
  • применение схемотехнических решений, минимизирующих потери на переключения, и уровни создаваемых электромагнитных помех;
  • применение технических решений, обеспечивающих необходимые запасы устойчивости агрегатируемых модулей и приборов.

4. На основе предлагаемой концепции может быть достигнут важный (актуальный) коммерческий результат – создан новый продукт: набор (базовый комплект) унифицированных агрегатируемых средств, имеющий хорошую перспективу широкого применения в отрасли.