СУДОСТРОЕНИЕ
ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СУДОВЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Г. П. Петров, докт. техн. наук (ВМИИ), К. Л. Козловский, Д. В. Тогатов (ЗАО «Инари-Технологии»), А. И. Петров (СПбГУ)
удк 621.311.6:681.527.7:629.5
Современное судно с позиций системного анализа представляет собой сложную иерархическую систему, состоящую из большого числа подсистем и комплексов, значительная часть которых характеризуется высокой степенью автоматизации. Для эффективной организации межсистемных взаимодействий и автоматизации отдельных процессов на судах широко используется вычислительная техника, как цифровая, так и аналоговая. К современным судовым системам автоматики и вычислительным комплексам (объединим их в рамках статьи общим термином — электронные устройства) предъявляется ряд жестких требований, важнейшие из которых количественно определяются надежностными и массогабаритными показателями. Кроме того, электронные устройства (ЭУ) должны удовлетворять требованиям электромагнитной совместимости.
Важнейшим составным элементом любого ЭУ является источник питания. Все используемые источники питания можно разделить на две группы: первичные и вторичные. На судах в качестве основных первичных источников энергии ЭУ в настоящее время используются сетевые. Гальванические элементы и аккумуляторные батареи в большинстве случаев обеспечивают резервное питание ЭУ. Процесс перевода ЭУ с основного на резервное питание сопряжен с решением задачи согласования входных параметров этих источников (токов и/или напряжений). Проблема согласования параметров между внутренними блоками и внешними устройствами ЭУ технически решается за счет применения вторичных источников энергии.
В зависимости от положенного в основу работы принципа преобразования энергии, источники питания принято делить на линейные (ЛИП) и импульсные (ИИП). Все еще широко используемые в схемах судовой автоматики ЛИП обладают рядом достоинств, наиболее существенные из которых — относительная простота, низкие выходные пульсации и шум, высокие показатели по величинам нестабильности напряжения и тока. Однако из-за использования на входе обычных трансформаторов, работающих на частотах 50(60) Гц, в рассматриваемом диапазоне мощностей (до 0,5 кВт) ЛИП имеют КПД, не превышающий 40—55%. Прин-
ципиальное отличие ИИП, позволяющее улучшить КПД до 75—85%, заключается в непосредственном преобразовании выпрямленного напряжения сети переменного тока без использования первичного трансформатора. ИИП строятся в основном на базе одно- и двухтактных транзисторных преобразователей. Наибольшее распространение в ИИП получил широтно-импульсный способ регулирования. Применение современной элементной базы позволяет осуществлять преобразование энергии на частотах от 10 кГц до 10 МГц. Однотактные преобразователи чаще всего используют в схемах с обратным включением выпрямительного диода (рис. 1). Такие преобразователи обычно называют «обратноходными», так как ток в выходной обмотке трансформатора появляется после того, как транзистор уже закрыт. Преимущество ИИП, построенных на таких преобразователях, состоит в том, что они обеспечивают больший диапазон входных напряжений (до ±50%), возможность построения источников тока и стабилизаторов мощности, большую надежность от короткого замыкания в цепи нагрузки, а также меньшую стоимость по сравнению с остальными типами ИИП. К недостаткам можно отнести меньший КПД, чем у двухтактных преобразователей, и меньшую удельную мощность. Реально «обратноходные» ИИП изготавливают на мощности до 100 Вт при частоте преобразования 30—50 кГц. На основе однотакт-ных преобразователей с прямым включением выпрямительного диода («прямоходные» источники), а также двухтактных преобразователей изготавливают ИИП на мощности от 50 до 500 Вт. Такие источники отличаются более высоким КПД, небольшими габаритами, меньшими пульсациями выходного напряжения, однако они более чувствительны к коротким замыканиям по выходу и имеют меньший диапазон входных напряжений. В настоящее время известно достаточно большое количество модификаций схем ИИП [1].
Кроме более высокого значения КПД, импульсные источники значительно превосходят ЛИП по удельным массогабаритным показателям. Еще одно важное преимущество ИИП — более широкий диапазон допустимых изменений напряжений на их входе — до ±20% номинального значения при прак-
МОРСКО! ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
СУДОСТРОЕНИЕ
Рис. 1. Типовая схема «обратноходового» преобразователя, используемого в импульсных источниках питания
тически неизменном КПД, что весьма актуально при работе ЭУ в автономных судовых электроэнергетических системах (ЭЭС). Для компьютерных применений существенным достоинством ИИП по сравнению с линейными аналогами является и более длительное время переходных процессов, характеризующихся временем удержания источника.
По роду входного и выходного напряжения (тока) различают три типа источников питания, как первичных, так и вторичных:
преобразователь — переменный/постоянный ток (AC—DC);
преобразователь — постоянный/постоянный ток (DC—DC);
преобразователь — постоянный/переменный ток (DC—AC).
В технической литературе за первыми двумя типами преобразователей исторически укоренился термин конвектор, последний тип обычно называют инвертором. Все они могут быть исполнены и как импульсные источники напряжения, и как импульсные источники тока.
В настоящее время выпуск ИИП занимает значительную долю мирового рынка электроники. По оценке зарубежных экономистов, в этом десятилетии он составляет около 8 млрд дол. ежегодно [2]. В последние годы выпуск ИИП осваивается и отечественной промышленностью. При этом создаваемые образцы при значительно более низкой стоимости не уступают зарубежным аналогам по основным техническим характеристикам, а по ряду позиций и превосходят их. В этой связи уместно вспомнить, что отечественное судостроение, и особенно кораблестроение, всегда ориентировалось на внутреннего производителя.
Для судовых ЭУ применение ИИП сулит, прежде всего, улучшение массогабаритных показателей — приблизительно до значений 120— 250 против 25—30 Вт/дм3 у линейных источников (рис. 2, кривая 7). Более того, для созданных ЗАО
«Инари-Технологии» источников серии ВР, предназначенных для работы в ЭУ с искусственным (воздушным) охлаждением, эти показатели могут быть существенно улучшены (рис. 2, кривая 2).
Несмотря на то, что источники серий BASE и ВР относятся к разряду конвекторов (AC/DC), благодаря наличию на входе выпрямительных мостов они обеспечивают нормальное функционирование при питании как от сети переменного, так и постоянного тока (при соблюдении приблизительного равенства действующих значений входных напряжений). Это свойство источников особенно ценно для ЭЭС двойного рода тока (подводные лодки).
V, дм'
о юо гоо зоо Р,Вт
Рис. 2. Зависимости габаритных характеристик (объема) импульсных источников, выпускаемых ЗАО «Инари-Технологии», серии BASE (7) и ВР (2) от их номинальной мощности
Отмеченные преимущества ИИП, хотя и являются существенными, не могут рассматриваться как достаточные для широкого внедрения ИИП в качестве источников питания судовых ЭУ. Для более аргументированного ответа на этот вопрос на кафедре электрооборудования корабля Военно-морского инженерного института (ВМИИ) совместно со специалистами ЗАО «Инари-Техно-логии» проведены испытания, позволившие с большей степенью обоснованности судить о надежностных характеристиках и оценить некоторые показатели электромагнитной совместимости ИИП.
В качестве объектов исследования были определены первичные ИИП перечисленных выше типов, а также вторичные ИИП типов SMALL, MIDDLE (рис. 3) и 2ТАКТ с входными напряжениями 12 и 27 В и стабилизированным напряжением на выходе 5 В, которые, по отзывам специалистов, хорошо зарекомендовали себя в электронных схемах спект-
Рис. 3. Импульсный источник питания MIDDLE-30 мощностью 30 Вт, Ц« = 27 В, и.ых = +5, ±18 В
ральных приборов, выпускаемых ОАО «ЛОМО».
Испытания проводились путем замены штатных ЛИП, используемых в системах автоматики ЭЭС судна и тренажерах (как с аналоговыми, так и с цифровыми блоками), имитирующих работу ЭЭС, на ИИП с соответствующими параметрами. Кроме того, оценивалась возможность работы ИИП в некоторых узлах автоматики судовых электроприводов и корабельных автоматических телефонных станций. Для ряда образцов ИИП специально создавались экстремальные условия работы, соответствующие ситуации запаривания отсека судна. Работа некоторых источников проверялась в условиях повышенной вибрации. В ходе проводимых исследований моделировались наиболее характерные переходные режимы работы автономной судовой сети: включение синхронных генераторов на параллельную работу, пуск мощных потребителей энергии, сброс нагрузки и др. Анализ полученных результатов показал, что в период испытаний на всех объектах не было отмечено случаев отказа или ложных срабатываний систем по причинам, связанным с ненадежной работой ИИП.
Оценка работы источников по некоторым параметрам ЭМС — показателям качества электроэнергии на входе и выходе ИИП — позволила установить, что по степени влияния на ЭЭС ИИП (рассматриваемого диапазона мощностей) аналогичны ЛИП. Трудность оценки выходных параметров ИИП заключалась в том, что в отличии от ЛИП, оцениваемых по среднеквадратичным значениям гармоник выпрямленного напряжения, импульсные источники принято оценивать по максимальному значению амплитуды между пиками выходного напряжения. Известно, что теоретически ИИП обладают более сильным шумовым фоном выходного напряжения [3]. Этот факт был от-
СУДОСТРОЕНИЕ 5'1WV
МОРСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
мечен и в ходе проведенных натурных испытаний. Однако схемные решения, разработанные и внедренные в ИИП специалистами «Инари-Техно-логии», позволили минимизировать их до уровней, сопоставимых с характеристиками линейных источников.
Таким образом, можно констатировать, что в рамках проведенных испытаний не выявлено принципи-
альных препятствий для использования ИИП в системах судовой автоматики и вычислительных комплексах. Учитывая большой объем применения
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.