Широкое распространение в современных технических системах сложного радиоэлектронного оборудования, прежде всего имеющего в своем составе средства вычислительной техники, предопределяет необходимость совершенствования традиционных и поиск новых подходов к построению источников и систем электропитания радиоэлектронной аппаратуры. В качестве входного звена традиционных систем вторичного электропитания (СВЭП) радиоэлектронной аппаратуры используются неуправляемые мостовые (однофазные или трехфазные) выпрямители с емкостным фильтром. Основными их преимуществами, определившими масштабы применения указанных выпрямителей, являются высокое, близкое к абсолютному, значение КПД и хорошие массогабаритные показатели. Наряду с этими преимуществами, таким устройствам присущи те же недостатки, которые характерны для всех устройств преобразовательной техники. Как известно, значительные уровни гармонических составляющих, генерируемых их силовой частью, затрудняют согласование данных преобразователей с питающей сетью и потребителями (см. первую главу).
Следует напомнить некоторые количественные характеристики несинусоидальности, вызываемой такими выпрямительными нагрузками, которые (характеристики) были определены в данной работе, а также в ряде публикаций.
В частности, в четвертой главе было показано, что в сетях НН однофазные выпрямители с емкостным фильтром (источники электропитания средств компьютерной техники) вызывают значительные искажения синусоидальности кривых напряжений. При их массовом использовании в электрических сетях зданий коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на зажимах наиболее удаленных электроприемников может превышать 15 % (в основном за счет напряжения гармоник, кратных трем). В работе [37] приведены результаты анализа энергопотребления импульсного источника электропитания электронной техники, т.е. определены составляющие полной мощности на входе однофазного выпрямителя с емкостным фильтром. При этом установлено, что значение коэффициента мощности рассматриваемой выпрямительной нагрузки при питании от сети бесконечной мощности составляет около 0,5 (в основном за счет наличия мощности искажения). При подключении выпрямителя к сети ограниченной мощности изменится значение высших гармоник и, соответственно, значения составляющих полной мощности, что приведет к некоторому увеличению коэффициента мощности до 0,6—0,7. В работе [25] приведены экспериментальные и расчетные характеристики фазных токов трехфазных мостовых выпрямителей с емкостным фильтром. Показано, что нагрузки такого типа, если не применять никаких фильтрующих устройств, генерируют в сеть значительные токи высших гармоник (в основном пятой и седьмой — каждая до 80—90 % основной). При этом расчетные значения коэффициента искажения синусоидальности кривой тока К, составляют 140—180 %, а экспериментальные значения коэффициента мощности на входе — 0,43—0,66 (в зависимости от мощности нагрузки).
В работе [51] рассмотрены принципы построения и проведен сравнительный анализ современных систем электропитания сложных радиоэлектронных комплексов (РЭК). При этом, исследования в области электропитания ответственных потребителей показывают, что существующие традиционные СВЭП не могут удовлетворять возрастающим требованиям по массе, объему, потерям энергии, металлоемкости, ресурсу надежности. В то же время, анализ тенденций развития современных автономных СЭС, в том числе, комплексов связи, вычислительных, радиотехнических и навигационных устройств и систем, свидетельствует о том, что достижение их высокой эффективности при существенном уменьшении массы и объема невозможно без обязательного решения вопросов ЭМС с источником электрической энергии или сетью, с одной стороны, и нагрузкой — с другой. Иными словами, необходим подход, учитывающий параметры и взаимодействие всех элементов, входящих в СЭС: от источников до нагрузок. Необходимость такого подхода определяется тем, что повышение эффективности отдельных элементов, например, использование СВЭП с бестрансформаторным входом, имеющих массу и объем в несколько раз меньше электромашинных или трансформаторно-выпрямительных, может не привести к повышению эффективности СЭС в целом. Это объясняется необходимостью проведения дополнительных (как было отмечено выше) мероприятий по обеспечению ЭМС, в частности, увеличения мощности источника электропитания. Поэтому существенное уменьшение массы или объема СЭС с учетом соизмеримости масс и объемов ее составляющих может быть достигнуто только при снижении массогабаритных показателей всех или большинства устройств, необходимых для ее построения.
Таким образом, решение комплексной проблемы повышения эффективности СЭС напрямую связано с задачей обеспечения ЭМС входящих в СВЭП преобразователей с питающей сетью. Существующее в практике противоречие между требованием уменьшения массы и объема всего электроэнергетического комплекса и необходимостью увеличения мощности питающих генераторов (трансформаторов) может быть разрешено использованием в качестве входных звеньев СВЭП преобразователей с улучшенной ЭМС. Высокая ЭМС указанных преобразователей обеспечивается за счет потребления из сети практически синусоидальных и симметричных токов при коэффициенте мощности, близком к единице.
В работах [120, 122] предложена математическая модель цепи идеального преобразователя (четырехполюсника) с активным входным сопротивлением при выходном постоянном напряжении, т.е. осуществлен синтез преобразователя переменного напряжения в постоянное при отсутствии токов высших гармоник и реактивной мощности на входе. Полученные аналитические выражения для изменяющихся коэффициентов передачи четырехполюсников описывают теоретическую возможность выполнения данного преобразования переменного синусоидального напряжения в постоянное без применения реактивных накопительных элементов, которая, однако, на практике не была реализована.
Рис. 6,1, Схема однофазного выпрямителя с принудительным формированием кривой потребляемого тока
В работах [135, 161] рассмотрен подход к построению указанных преобразователей, заключающийся в применении схем с малыми индуктивностями во входных цепях и использовании импульсного регулирования на повышенной частоте, обеспечивающего принудительное формирование входного тока, как правило, повторяющего форму входного напряжения.
Принцип реализации такого преобразования может быть проиллюстрирован с использованием схемы (рис. 6.1), которая вызывает наибольший интерес у разработчиков подобной техники. В ее основу положено использование неуправляемого мостового выпрямителя (о котором говорилось выше) и подключенного к его зажимам на стороне постоянного тока одноключевого импульсного регулятора с последовательным дросселем L и параллельным транзисторным ключом VT, Принцип действия рассматриваемой схемы основан на высокочастотной коммутации транзисторного ключа VT, обеспечивающего накопление энергии в магнитном поле дросселя L и последующую ее отдачу через разделительный диод VD в выходной емкостной фильтр и нагрузку. Алгоритм управления транзисторным ключом выбирается таким, чтобы обеспечить на основании информации о мгновенных значениях эталонного сигнала (в качестве которого используется сигнал, пропорциональный мгновенному напряжению питающей сети) и входного тока принудительное формирование кривой потребляемого тока, повторяющего форму эталонного сигнала. Регулирование потребляемой от сети мощности и, следовательно, входных токов и уровня выходного напряжения осуществляется по сигналам отрицательной обратной связи с выходных зажимов преобразователя.
В результате форма кривой входного тока преобразователя становится близкой к синусоидальной. Значение К, ограничено единицами процентов, поэтому влияние на форму кривой питающего напряжения и другие потребители электроэнергии будет незначительным. Значение коэффициента мощности, которое определяется в основном гармоническим составом кривой входного тока, для такого преобразователя изменяется (в зависимости от мощности нагрузки) в пределах от 0,99 до 1,0. Наконец, при симметричном включении выпрямителей с принудительным формированием кривой потребляемого тока на фазные напряжения трехфазной четырехпроводной сети ток в нулевом проводе отсутствует. Таким образом, данные выпрямители со стороны входных зажимов эквивалентны линейной активной нагрузке.
Известно, что чрезвычайно актуальным является вопрос ЭМС для автономных, в частности, судовых электроэнергетических систем и судового электрооборудования. При этом актуальность определяется не только постоянным увеличением на судах удельного веса преобразовательных устройств, когда суммарная мощность силовой полупроводниковой техники приближается к мощности источников электроэнергии, но и качественным изменением роли силовых полупроводниковых преобразователей, когда на ряде типов судов они становятся одними из основных элементов, определяющих структуру СЭС. В ее состав входят разнообразные как по назначению, так и по принципам построения преобразовательные устройства, которые генерируют высшие гармоники тока и напряжения, воздействуя на устройства, комплексы и системы судовой СЭС. При этом особую группу судовых электроприемников составляют радиоэлектронные устройства и системы, обеспечивающие гидроакустику, навигацию и радиосвязь судна. Известно, что эти системы, а также ЭВМ, как правило, наиболее чувствительны к качеству потребляемой электроэнергии, поэтому даже сравнительно низкий уровень высших гармоник в питающих напряжениях может приводить к функциональным нарушениям и сбоям в работе такого оборудования. Кроме того, чрезвычайно важным для судовых СЭС является решение проблемы вынужденного завышения установленной мощности и массогабаритных показателей энергооборудования в результате его загрузки неактивными составляющими полной мощности, в первую очередь, мощностью искажения, вызываемой высшими гармониками тока и напряжения.
Для иллюстрации преимуществ систем электропитания с улучшенной ЭМС проведем сравнительный анализ энергетических показателей СВЭП одного из судовых РЭК. В состав данного РЭК входят 5 основных систем: управления антенным постом, информационно-вычислительная, отображения информации, приемных и передающих устройств.
Электропитание оборудования РЭК осуществляется от судовой трехфазной сети переменного тока с междуфазным напряжением 220 В (частота 50 Гц), Для питания систем, входящих в РЭК, требуется широкий спектр напряжений постоянного тока, которые вырабатываются преимущественно импульсными источниками вторичного электропитания с бестрансформаторным входом.
Для проведения указанного анализа предлагается подход, при котором энергетические показатели СВЭП определяются по результатам расчета энергопотребления выпрямителя с известными параметрами. В результате проведенного анализа и расчетов эквивалентного трехфазного выпрямителя с емкостным фильтром (входной цепи рассматриваемой СВЭП) было установлено, что при средней мощности нагрузки 2 кВт полная мощность достигает 3,5 кВ А. При этом амплитуда мгновенной мощности достигает 3,4 кВт, действующее значение фазного тока на входе выпрямителя составляет 9 А при амплитудном значении 22 А, что обусловлено его импульсным характером. Приведенные результаты, а также полученные ранее параметры несинусоидальности, вызываемой указанным выпрямителем, достаточно наглядно иллюстрируют характер и степень влияния рассматриваемой СВЭП на бортовую сеть судна. Это влияние приводит (без учета нарушений в работе чувствительного оборудования) к дополнительным потерям в элементах СЭС судна и перерасходу топлива дизеля судовой электростанции.
Структурная схема предлагаемой современной СВЭП с улучшенной ЭМС приведена на рис. 6.2. Здесь: 1 — преобразователь переменного напряжения в промежуточное постоянное с принудительным формированием синусоидального входного тока; 2 — источники вторичного электропитания, преобразующие промежуточное постоянное напряжение в постоянные напряжения для питания судовых радиоэлектронных систем 3\ 4— промежуточный инвертор для питания стандартных потребителей переменного тока (компьютеры, измерительные приборы) 5; 6 — осветительная и вентиляторная нагрузка.
Рассмотрим энергетические характеристики данной СВЭП с учетом того, что форма входного тока синусоидальная, а по фазе он совпадает с входным напряжением. Тогда максимальная мощность в фазе входной цепи преобразователя будет составлять 1,34 кВт. Амплитудное значение фазного тока при номинальном фазном напряжении 127 В равна 7,6 А, а его действующее значение — 5,4 А. Среднее значение полной мощности равно активной, т.е. составляет 2 кВт. Сравнивая полученные результаты для двух вариантов рассматриваемой СВЭП, нетрудно видеть, что применение СВЭП с улучшенной ЭМС дает положительный эффект, который заключается в следующем: почти в 2 раза уменьшается полная мощность.
Рис. 6.2. Структурная схема СВЭП с улучшенной электромагнитной совместимостью
Следует отметить, что общее потребление электроприемников рассматриваемого судна составляет около 30 кВ А, из которых около 20 % приходится на радиоэлектронное оборудование, которое можно рассматривать как нелинейную (выпрямительную) нагрузку. Известно, что при такой доле выпрямительной нагрузки питающих напряжений составляет 10—15 %, что негативно сказывается на работе электропривода и генератора переменного тока. Кроме того, амплитудные значения фазных токов СЭС судна будут существенно превышать их действующие значения. Традиционно указанные проблемы в существующих СЭС решают увеличением установленной мощности генератора переменного тока. В связи с этим использование предлагаемых СВЭП позволяет кроме обеспечения ЭМС судовых электроприемников снизить установленную мощность генератора, что существенно улучшает массогабаритные показатели СЭС. Однако такой положительный эффект может быть достигнут лишь при комплексном использовании СВЭП с улучшенной ЭМС для всех РЭК (навигации, локации, связи и пр.) судна.
Таким образом, приведенные результаты сравнительного анализа энергетических показателей разных СВЭП наглядно показывают преимущества систем электропитания с улучшенной ЭМС. Подобный анализ можно провести с учетом состава электроприемников, особенностей построения и конкретных параметров СЭС любого объекта. Полученные результаты позволяют оценить энергопотребление как в процессе эксплуатации, так и при разработке новых перспективных систем электропитания радиоэлектронной аппаратуры.
