CC BY
93
УДК 62-83:621/.69
С.В. Хватов, проф., д-р техн. наук., зав. кафедрой, декан, (831) 436-93-79,
fae@nntu.nnov.ru (Россия, Н. Новгород, НГТУ),
В.Ф. Стрелков, ст. науч. сотр., канд. техн. наук, (831) 436-93-79,
fae@nntu.nnov.ru (Россия, Н. Новгород, ОАО ФНПЦ ННИИРТ),
Л.В. Тетенькин, асп., (831) 436-93-79,
fae@nntu.nnov.ru (Россия, Н. Новгород, НГТУ)
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ВРАЩЕНИЯ АНТЕННО-МАЧТОВЫХ УСТРОЙСТВ РЛС
Проведен анализ существующих электроприводов вращения антенно-мачтового устройства. Выявлены наиболее перспективные структуры регулируемого электропривода для РЛС с активной фазированной антенной решеткой. Предложены оптимальные режимы работы электропривода.
Ключевые слова: РЛС, высокие показатели, электропривод вращения, антенно-мачтовое устройство, передающее устройство, скорость ветра.
Одной из основных систем современных радиолокационных станций (РЛС) является электропривод вращения (ЭП) антенно-мачтового устройства (АМУ) [1]. Он участвует в определении такого важного технического параметра РЛС, как азимут цели. От качественной работы ЭП АМУ зависит эффективность работы всей РЛС. В связи с этим ЭП АМУ должен обеспечивать:
1) работу при больших динамические перегрузках, вызванных большой величиной инерционных масс (размах антенн достигает 40 м), а также действием ветра;
2) вращение с различными скоростями для различной скорости ветра, сканирование в секторе, установка на азимут, наведение на цель с высокой точностью и быстродействием и ее сопровождение;
3) высокие энергетические показатели, т.к. РЛС является автономным объектом с источником энергии ограниченной мощности;
4) высокие массогабаритные показатели в связи с необходимостью создания малогабаритных и мобильных РЛС.
5) повышенную надежность ввиду работы РЛС в тяжелых климатических условиях, в том числе в составе сухопутных и морских комплексов вооружения.
Выбор типа ЭП АМУ зависит также от геометрических размеров и массы АМУ, которые определяются следующими условиями:
1) требуемой дальностью действия РЛС;
2) мощностью и частотой следования ее зондирующих импульсов;
3) построением передающего устройства ПУ (пассивная - ПФАР -или активная - АФАР - фазированные антенные решетки).
Характерным для ЭП АМУ является график изменения момента нагрузки, показанный для одного оборота антенны на рис. 1 при трех значениях частоты вращения (па = 3, 6 и 12 об/мин) в соответствии с тремя значениями скорости ветра (Ув = 25, 15 и 10 м/с). Частота вращения АМУ должна снижаться при увеличении скорости ветра для уменьшения динамических нагрузок.
14000
12000
10000 - -
8000
1
** ч \ / / \ ~ 3
/ \ / /Г
* * » 1 # # / 1 // ' *А< 2 \ /— \
/ / / \ % % 1 V * \ ( 1 1 1 1 / 1 / // \ ъ \ \ \ \ / / , 1
\ 4 \ % V * V * \ Ч \ ч 1 / # / ! ] / / / / \ \ % Ч \ / / / / > 1 /
\л. * % « % \ \ / / * $ » 1 / 1
1 \ % % V \ ч У ✓ ' / * / / / »
3 0 6 0 9 0 120 0 1! ' \ 0 210\ 21 \ ч ю 2 1 /| 70 300 /ззо 3( * в
ч Ч \ \ * г У
6000
и
1 4000
2000
-2000 - -
-4000
Угол поворота, град
Рис. 1. Момент на валу АМУ при различных значениях па и Ув (1, 2, 3 - соответственно па = 3, 6 и 12 об /мин и Ув = 25,15 и 10 м/с)
При использовании ПФАР, решетка антенны практически состоит только из «вибраторов», излучающих зондирующий импульс. Передающее устройство (ПУ) и его источник питания (ИП), обеспечивающие получение полной мощности зондирующего импульса, находятся на некотором расстоянии от АМУ в передвижной кабине или контейнере. АМУ в этом случае имеет небольшую массу. Для его вращения применяют многоскоростные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (АД с КЗ), обеспечивающие необходимые скорости вращения АМУ, а для ограничения пусковых токов используются автотрансформаторы. Это обеспечивает снижение динамических перегрузок в АМУ, но увеличивает массо-габаритные показатели РЛС. Такой вариант ЭП применен в РЛС типа «Противник-Г», «Противник -Г1», «Небо», «Небо У», «Небо УЕ».
Развитие средств воздушного нападения повышает требования к системам воздушно-космической обороны по обнаружению низколетящих высокоскоростных объектов. В новом поколении РЛС с АФАР каждый модуль ПУ имеет ИП и работает на индивидуальный «вибратор». Все мо-
дули ПУ и их ИП расположены на решетке АМУ, размеры и масса которой существенно возрастают. В процессе вращения АМУ возникают большие динамические перегрузки, вызванные возрастанием момента инерции, а под действием ветра возникают еще и ветровые нагрузки. В таких условиях для избежания механических повреждений необходимо обеспечить плавность переходных процессов (пуск, торможение, реверс и переход с одной скорости вращения на другую).
В РЛС с АФАР применение многоскоростных АД с КЗ и автотрансформаторами невозможно, т.к. не обеспечивается снижение динамических перегрузок до необходимого уровня. Это может привести к разрушению конструкции АМУ [1]. К тому же, дискретное регулирование па не является оптимальным решением. Более целесообразно использование регулируемого электропривода (РЭП) с плавным изменением па в двигательном режиме ЭП и переходе ЭП при сильном ветре в генераторный режим.
Система ЭМУ-Д с двигателем постоянного тока, примененная в РЛС «П-18» и «П-18М», обеспечивает плавное регулирование па. Однако, сохраняется автотрансформаторный пуск АД с КЗ ЭМУ, а коллекторный двигатель ненадежно работает в полевых условиях
В настоящее время в современных РЛС с АФАР используются два типа РЭП переменного тока: частотно-регулируемый ЭП на базе АД с КЗ и ЭП на базе вентильного электродвигателя (ВД).
Выбор первого варианта обусловлен его хорошей энергетикой и низкой стоимостью АД с КЗ. Частотное регулирование обеспечивает необходимый диапазон изменения скорости вращения АМУ и требуемые динамические режимы.
Применение ВД на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами на роторе, обусловлено несколько лучшими, по сравнению ПЧ-АД, механическими характеристиками. Они практически идентичны РЭП постоянного тока. Однако надежность ВД, в связи с отсутствием коллектора и щеток, значительно выше, чем у РЭП постоянного тока. Масса и момент инерции ВД меньше, чем у АД с КЗ в частотно-регулируемом ЭП, однако стоимость его выше. Применение ВД позволило реализовать малогабаритные следящие ЭП АМУ обеспечивающие: различные скорости вращения, участие в определении азимута цели, сканирование в секторе, синхронное вращение и установку на азимут нескольких АМУ различного диапазона частот зондирующего импульса радиолокационного комплекса. Окончательный выбор одного из этих двух вариантов РЭП переменного тока определяется тактико-техническим заданием на РЛС. В РЛС «Небо-СВУ» и «Небо-М» применен вариант ЭП на базе ВД.
Структурная схема обоих вариантов РЭП состоит из трех основных блоков (силового, управляющего и интерфейсного) и для ВД дана на рис. 2.
Рис. 2. Структурная схема ЭП АМУ с ВД (Д, Г, В, ШИМ, УТ, М, МД, Р - соответственно дизель, синхронный генератор, выпрямитель с фильтром, ШИМ - регулятор, устройство торможения, электродвигатель, модули драйверов, редуктор)
В силовой части, вместо автономного инвертора системы ПЧ-АД с КЗ, в ВД применяется полупроводниковый коммутатор (ПК), управляемый от датчика положения ротора (Дп). Системы управления (СУ) обоих вариантов РЭП аналогичны и имеют обратные связи от датчика угла поворота или скорости (Дс), датчиков тока (Дт) и напряжения (Дн). Основным элементом интерфейсной части является пульт управления. Его ядро - микроконтроллер служит для задания и контроля основных параметров работы ЭП с АМУ РЛС.
Использование в АМУ только трех скоростей па снижает тактико-технические показатели РЛС. Следует иметь в виду, что в случае увеличения скорости ветра, если ЭП переходит с па=12 об/мин сразу на вдвое меньшую па=6 об/мин, то вдвое снижается точность сопровождения цели. Предложено новое техническое решение, защищенное приоритетным документом [2]. Сигнал с датчика изгиба полотна антенны (Дип), контролирующий прочность антенны через устройство коррекции скорости и ускорения (УК) подается на СУ ЭП. При этом новое значение скорости вращения устанавливается по условиям прочности антенны, управление становится более совершенным и цель чаще входит в зону электромагнитного излучения АМУ. Применение Дип позволяет также ускорить пере-
ходные процессы ЭП, сократить время выхода АМУ в заданный режим, что повышает качество работы РЛС в целом.
В соответствии с рис.1 за один оборот антенны значительно изменяется величина токов, потребляемых ЭП. Происходит нежелательная модуляция напряжения автономной сети. Возникают сложности в работе электроаппаратуры РЛС, а также в осуществлении эффективной защиты от перегрузок по току.
В современных РЛС, мощность ПУ соизмерима с мощностью ЭП АМУ подключенных к общей системе электроснабжения. ПУ имеют несколько режимов работы, когда изменяется частота и длительность зондирующих импульсов. При этом потребляемая ПУ средняя мощность изменяется в 1,5 - 2 раза. Таким образом, в автономной системе электроснабжения РЛС есть две соизмеримые по мощности и переменные по величине нагрузки (ЭП и ПУ). Каждая из них может составлять до 30.. .35 % мощности дизель-генератора. При совместном управлении их режимами можно изменять величину общего тока, потребляемого от дизель-генератора. Оптимальным, с точки зрения электромагнитной совместимости, является вариант, когда при возростании момента на валу ЭП АМУ мощность ПУ должна снижаться и наоборот.
В результате суммарная мощность ЭП и ПУ выравнивается, электромагнитная совместимость возрастает, что положительно влияет на эффективность работы РЛС в целом.
Список литературы
1. Стрелков В.Ф. Системы электропитания мощных РЛС // Радиопромышленность. 2001. №4. С. 23-32.
2. Система управления вентильным электродвигателем вращения антенны РЛС / В.П. Кириенко [и др.] Решение о выдаче патента на полезную модель от 18.01.2010 на заявку № 20091143394.
S. Hvatov, V. Strelkov, L. Tetenkin
Optimization of operating modes of electric drives of rotation of antenno-mast devices
RLS
An analysis of the existing electric drives of antenna and mast assembly rotation is presented. The most advanced controlled electric drive structures are found out for active phased antenna array radar. Optimal modes of electric drive operation are recommended.
Keywords: electric drive, optimal vector control, regulator synthesis methods.
Получено 06.07.10
