СОДЕРЖАНИЕ 

    Введение 

    Опыт  локальных войн и вооруженных  конфликтов последних лет («Буря в пустыне» 1991 год, «Лиса в пустыне» 1998 год, «Шок и трепет» 2003 год – в зоне Персидского залива; «Решительная (союзническая) сила» 1999 год в Югославии) показывает, что средства воздушного нападения стали играть решающую роль в достижении целей войны, а главным театром военных действий становится воздушно-космическая сфера, в которой будут развиваться решающие события вооруженного противоборства воюющих сторон.

    По  единому мнению ведущих военных  специалистов Запада и России, задачи борьбы с современными и перспективными средствами воздушного нападения, прикрытия войск и объектов от ударов с воздуха могут быть решены преимущественно средствами ПВО. В настоящее время существует вполне обоснованная точка зрения о том, что развитие средств и систем ПВО проходит в соответствии и под влиянием основных тенденций развития средств воздушного нападения.

    Зенитно-артиллерийские комплексы являются эффективным средством непосредственного прикрытия войск и объектов тыла от ударов вертолётов и низколетящих самолетов. В сравнении с зенитно-ракетными комплексами ближнего действия, зенитно-артиллерийские комплексы обладают рядом неоспоримых преимуществ, основными из которых считаются: малые время реакции и  стоимость боеприпасов, технологичность их изготовления в больших количествах, более простое техническое обеспечение, возможность борьбы с легкобронированными наземными целями, мобильность и возможность применения в условиях радиоэлектронных помех и д.р.

      Современное состояние экономики  России не позволяет провести полную замену устаревших образцов вооружения на новые, поэтому программа строительства Вооруженных Сил Российской Федерации на период с 2000 по 2010 г.г. предусматривает глубокую модернизацию техники, стоящей на вооружении.

    В 1962 году на вооружение ПВО Сухопутных войск принят всепогодный  самоходный 23-мм артиллерийский зенитный комплекс 2А6 «Шилка». После принятия ЗСУ–23-4 на вооружение этот комплекс прошел несколько модернизаций.

    Одной из основных систем любого ЗРК является система вторичных источников электропитания, которая во многом определяет эффективность работы зенитного комплекса в целом. В ходе эксплуатации ЗСУ–23-4 было установлено, что большой процент отказов в радиоэлектронной аппаратуре приходится на вторичные источники электропитания. Это обусловлено тем, что система вторичных источников питания построена на электронных лампах, которые обладают более низкой надежностью и КПД. В сравнении с полупроводниковыми приборами КПД электронных ламп даже теоретически не может быть больше 50%, а реальное его значение гораздо ниже за счет тепловых потерь. Тем не менее, ни один из этапов модернизации не затронул системы вторичных источников электропитания.

    В предлагаемой работе рассматривается  вопрос модернизации вторичных источников электропитания радиолокационной станции ЗСУ-23-4М1,  используя новые схемотехнические решения, замену электронных стабилизаторов с непрерывным регулированием импульсными, на полупроводниковой элементной базе.

    Такой подход позволит повысить коэффициент полезного действия вторичных источников электропитания и их надежность, при этом модернизация не будет связана с большими материальными затратами, так как себестоимость полупроводниковой элементной базы гораздо ниже электровакуумных приборов.

1. Анализ технических характеристик блока Т-27М ЗСУ-23-4М. Обоснование актуальности темы и постановка задачи на дипломное проектирование

1. Общая характеристика системы электропитания

      В настоящее время одним из направлений  развития вооружения войсковой ПВО  является модернизация зенитных комплексов. Одним из перспективных образцов вооружения в свете модернизации является ЗСУ-23-4М “Шилка”. Одним из элементов модернизации является система вторичных источников питания радиолокационной станции орудийной наводки 1РЛ33. В связи с этим целесообразно провести анализ вторичных источников питания 1РЛ33 с целью выбора путей модернизации на основе новой элементной базы и новых схемотехнических решений.

      Система вторичных источников питания 1РЛ33 состоит из блоков: Т-10М, Т-20М, Т-24М, Т-27М, Т-29, Т-52, Т-54М и служит для обеспечения блоков и систем РЛС 1РЛ33 выпрямленными токами стабилизированных и нестабилизированных напряжений.

      В состав блоков системы входят стабилизированные  выпрямители на напряжения: +75, -75, +120, +150, +250, +350, -650, -2000 В и нестабилизированные выпрямители на напряжения: 6,3, +4500, +6500  В. 

      Распределение выпрямительных токов по нагрузкам  в шкафах и блоках РЛС приведено  в схеме линий вторичных источников электропитания.

      Приборы встроенного контроля стабилизированных напряжений размещены в блоках Т-52 и Т-54М. Прибор ИП-1 блока Т-52 предназначен для контроля напряжений, выдаваемых блоком Т-10М. Стабилизированные напряжения блоков: Т-20М, Т-24М, Т-27М и Т-54М контролируется прибором ИП-1 блока т-54М.

      Блоки системы размещены в шкафах Т-42(блоки  Т-24М и Т-54М), Т-43 (блоки Т-10М, Т-29 и Т-52), Т-46 (блоки Т-20М и Т-27М) и соединяются сними с помощью  разъемов, расположенных на задней стенке шасси. Общая функциональная схема приведена в приложении 1.

      Электропитание  осуществляется от системы электропитание ЗСУ. Напряжение 220 В, 400 Гц трехфазной сети и +27 В бортовой сети с распределительного щита (РЩ) ЗСУ-23-4М поступает в шкаф Т-44 РЛС 1РЛ33. При включении выключателя НАКАЛ на пульте оператора дальности напряжение подается к шкафу Т-42, затем – к шкафам Т-43, Т-46 и блокам Т-24М, Т-54М; от шкафа Т-43 – к блокам Т-10М, Т-29 и Т-52; от шкафа Т-46 – к блокам Т-20М и Т-27М. Одновременно напряжение 220 В, 400 Гц поступает к накальным цепям всех блоков, а +27 В – к элементам коммутации РЛС.

      При появлении отрицательных напряжений на выходе стабилизированных выпрямителей смещения срабатывают блокировочные  реле в блоках: Т-10М, Т-20М, Т-24М и  Т-27М. Через 3…4 минуты реле времени  блока Т-27м срабатывает и напряжение +27 В поступает на контакты выключателя АНОДНОЕ и сигнальную лампу пульта оператора дальности. Загорание сигнальной лампочки указывает на возможность включения выпрямителей анодных напряжений.

      Для включения РЛС в аварийном  режиме (без выдержки времени) на лицевой панели блока Т-27м имеется кнопка ГОТОВНОСТЬ АВАРИЙНО, при нажатии которой срабатывает блокировочное реле блока Т-27 и напряжение +27 В поступает на контакты выключателя АНОДНОЕ и сигнальную лампу пульта оператора дальности. При установке этого выключателя в положение АНОДНОЕ контактор шкафа Т-44 срабатывает и электропитание подается на анодные выпрямители системы, а при нажатии кнопки ВЫСОКОЕ – на блок Т-29 (блок электропитания передатчика).

      По  цепи переменного тока РЛС потребляет мощность не более 10,5 кВт, по цепи постоянного тока +27 В – не более 1кВт.

      В каждом блоке системы размещены  несколько выпрямителей. Стабилизированные  выпрямители выполнены по функциональной схеме изображенной на рисунке 1.1. 

    Рисунок 1.1 Структурная схема стабилизированного выпрямителя 

      Нестабилизированные – по схеме на рисунке 1.2 

      Рисунок 1.2 Структурная схема нестабилизированного выпрямителя

      Стабилизированные выпрямители (за исключением выпрямителя  6,3 В; +6500 В и -2000 В) собраны по мостовой схеме на полупроводниковых диодах. В зависимости от величины обратного напряжения в плечи моста включены один или последовательно несколько диодов. В последнем случае для выравнивания обратного напряжения на диодах параллельно им включены резисторы.

      Для уменьшения переменной составляющей выпрямительного  напряжения на входе выпрямительных элементов включаются Г – образный, П – образный или емкостной  фильтр.

      Электронный стабилизатор напряжения служит для  подержания высокой стабильности выпрямленного  напряжения при изменении величины тока нагрузки и напряжения сети, осуществления регулирования напряжения в заданных пределах и снижения напряжения пульсаций. 

      1.2 Анализ технических характеристик  блока Т-27М ЗСУ-23-4М. 

      Блок  Т-27 предназначен для электропитания блоков: Т-3, Т-13, Т-14, Т-18, Т-19, Т-21, Т-22, Т-23, Т-28, Т-34М, Т-53 и состоит:

      из  стабилизированного выпрямителя +350В  на ток нагрузки 100мА; после резистора  R27-6  +300В при токе нагрузки 33мА;

      из  стабилизированного выпрямителя +150В  на ток нагрузки 180мА;

      из  стабилизированного выпрямителя +120В  на ток нагрузки 100мА;

      из  стабилизированного выпрямителя +75В  на ток нагрузки 180мА;

      из  стабилизированного выпрямителя -250В  на ток нагрузки 100мА;

      из  стабилизированного выпрямителя -150В  на ток нагрузки 100мА;

      из  электромеханического реле выдержки времени  типа ЭМРВ-27Б.

      Блок  расположен в шкафу Т-46.

      Блок  Т-27 выполнен на частично унифицированном  сборном шасси с передней панелью, на которой расположены предохранители, органы регулировок выходных напряжений и две ручки для удобства установки блока в шкаф.

      Стабилизированные выпрямители +150В на ток нагрузки 180мА, +350 на ток нагрузки 180мА, +350 на ток  нагрузки 100мА, -250В на ток нагрузки 100мА, -150В на ток нагрузки 100мА имеют  усилители постоянного тока с собственным источником опорного напряжения, выпрямители +75В на ток нагрузки 180мА, -75В на ток нагрузки 100мА и +120В на ток нагрузки 100мА – усилители постоянного тока с посторонним источником опорного напряжения.

      В состав блока Т-27М входит электромеханическое реле времени ЭМРВ-27Б. Реле срабатывает через 3…4 минуты после включения выключателя НАКАЛ на пульте оператора дальности. После срабатывания реле времени напряжение +27В через контакты электроблокировочных реле блоков Т-10М, Т-20М, Т-24М и Т-27М поступает на выключатель АНОДНОЕ и сигнальную лампу пульта оператора дальности. Одновременно срабатывает реле Р27-5 и разрывает цепь электропитания реле времени. Время выдержки устанавливается по шкале ЭМРВ-27Б. 

      1.3 Принцип работы стабилизированного  выпрямителя блока Т-27М ЗСУ-23-4М 

      Принцип работы стабилизатора рассмотрим на примере субблока У27-11 (приложение 2).

      Управление  регулирующей лампой осуществляется усилителем постоянного тока с собственным источником опорного напряжения (усилитель постоянного тока второй группы). Для получения опорного напряжения в схеме усилителе постоянного тока используется стабилитрон, который включён в катодную цепь лампы Л1. Конденсатор С2 шунтирует стабилитрон и уменьшает пульсации входного напряжения вследствие уменьшения внутреннего (динамического) сопротивления источника опорного напряжения.

      Для повышения стабильности усилителя  применена связь по входному напряжению через резистор R10. Потенциометром R7 делителя R6, R7, R8, R9 устанавливается требуемое выходное напряжение путём изменения смещения на управляющей сетке лампы Л1.

      Для повышения устойчивости схемы стабилизатора  напряжения к самовозбуждению на её выходе включён конденсатор С27-7. Схема электронного стабилизатора  работает следующим образом: регулирующая лампа, включённая последовательно с нагрузкой, выполняет роль переменного сопротивления, величина которого изменяется в зависимости от изменения выходного напряжения. Регулирование напряжения по управляющей сетке лампы Л10-1, а следовательно, и изменение величины её внутреннего сопротивления осуществляются автоматически через цепь обратной связи, в которую входит усилитель постоянного тока. При увеличении напряжения сети или уменьшении тока нагрузки возрастает потенциал на управляющей сетке и анодный ток лампы Л1. Увеличение анодного тока вызовет увеличение отрицательного напряжения на сетке регулирующей лампы, а следовательно, и падение напряжения на ней. Это падение напряжения увеличится настолько, насколько увеличилось напряжение на входе стабилизатора. В результате напряжение на выходе стабилизатора почти не изменяется. Аналогично понижение входного напряжения снизит падение напряжения на регулирующей лампе, а величина выходного напряжения практически не изменится.  
 

      1.4 Расчёт надёжности стабилизатора  напряжения блока Т-27М.

      Показатели надёжности и её расчёт 

      Надёжность  определяется как вероятность безотказной  работы P(t) в течении заданного промежутка времени t_p.

      Надежность  устройств электропитания является одним из важнейших эксплуатационных показателей. Под надежностью понимается способность устройств выполнять определенные функции и сохранять заданные характеристики в течение заданного времени в определенных условиях эксплуатации. Утрата этой способности называется отказом устройства.

      В зависимости от возникновения различают  внезапные (или полные) и постепенные (или допусковые) отказы. При внезапном  отказе устройства электропитания утрачивает свою способность выполнять заданные функции. При постепенном отказе происходит сравнительно медленной изменение характеристик  показателей устройства, в результате чего один или несколько показателей выходит за допустимые границы, хотя устройство продолжает функционировать.

      Таким образом, одно из основных свойств надежности – это безотказность в работе, то есть сохранение работоспособности в течение определенного времени работы без вынужденных перерывов.

      Отказ – это событие случайное, т. е. нельзя точно предсказать появление  отказа в любой интересующей нас  момент времени. Можно лишь говорить о вероятности появления отказа. Поэтому количественные характеристики надежности носят вероятностный характер.

         Рассмотрим некоторые из характеристик  надежности:

         Вероятность безотказной работы  P(t) определяется:

      где N – общие число одинаковых устройств, находящихся в эксплуатации;

      n(t) – число устройств, отказавших за время t.

      Для точного определения вероятности  безотказной работы  p(t) необходимо, чтобы выполнялось условие .

      Применительно к одному устройству физический смысл p(t) сводится к тому, что имеется 100 случаев из 100 возможных, что за время t устройство не откажет.

      Интенсивность отказов  определяется как

                                                                               1/ч,

        где  - число отказавших устройств на момент времени .

         Среднее время наработки на  отказ определяется по формуле:

      Во  многих случаях можно считать, что не зависит от времени. Поэтому интенсивность отказов является удобной характеристикой надежности, поскольку в отличие от p(t) она является не функцией, а некоторым числом. В тоже время, как вытекает из последнего соотношения, однозначно определяет вероятность безотказной работы:

      Устройство  электропитания состоит из связанных  компонентов (функциональных узлов, блоков, отдельных конструктивных элементов), каждый из которых имеет свои характеристики надежности и . В большинстве случаев у таких называемых не резервированных устройств полные отказы отдельных узлов, блоков и элементов приводят к отказу устройства электропитания в целом. При этом вероятность безотказной работы всего устройства будет определятся согласно выражению:

      Из  данного выражения следует, что  с ростом числа компонентов k вероятность безотказной работы p(t) весьма быстро уменьшается. Поэтому сложные многокомпонентные устройства электропитания могут иметь весьма низкую надежность, несмотря на высокую надежность отдельных компонентов.  

      Из  вышеуказанного следует, что для  обеспечения высокой надежности устройства электропитания в целом  при его проектировании необходимо использовать высоконадежные компоненты.

      Результаты расчёта надёжности стабилизатора напряжения блока Т-27М, произведенные в приложении Microsoft Excel, представлены в таблице 1.

      Из  полученных расчётов видно, что надёжность стабилизатора блока Т-27М достаточно низкая и вероятность безотказной работы на 10000 часов составляет 0,54.

       Таблица 1.

    Вывод

    Анализ  структуры и устройства вторичных  источников питания РЛС ЗСУ-23-4М  «Шилка» показывает, что их основу составляют линейные электронные стабилизированные  источники питания компенсационного типа. Несмотря на достаточно высокий коэффициент стабилизации, данные стабилизаторы обладают очень низкими КПД, долговечностью и надёжностью, тем не менее ни один из этапов модернизации не затронул системы вторичных источников электропитания.

    С целью повышения надёжности и  других характеристик целесообразно  электронные (ламповые) стабилизаторы  заменить на транзисторные с релейным регулированием.

    2.  Выбор и обоснование структурной схемы блока Т-27М ЗСУ-23-4М на новой элементной базе 

    Большинство источников электропитания не обеспечивают заданной стабильности напряжения и  тока в нагрузке без использования  стабилизаторов. Это обусловлено  тем, что нормальная работа большинства  радиоэлектронных средств невозможна без обеспечения постоянства  напряжения питания с определенной степенью точности. Поэтому для обеспечения вторичных источников питания заданной стабильности напряжений и токов, между источником электропитания, например выпрямителем, и нагрузкой включаются стабилизаторы напряжения (тока).

    Стабилизатором  напряжения (тока) называется устройство, которое предназначено для автоматического  поддержания постоянства напряжения (тока) в нагрузке при изменении  напряжения питающей сети, величины нагрузки, температуры окружающей среды и  при воздействии других дестабилизирующих факторов.

    Режим, обеспечивающий поддержание напряжения или тока на выходе электропитающих  установок с заданной степенью точности при воздействии различного рода дестабилизирующих факторов называется режимом стабилизации.

    Условно по стабильности питающего напряжения все радиоэлектронные средства можно  подразделить на три группы:

    малой стабильности (2…5%);

    средней стабильности (0,5…2%);

    высокой стабильности (менее 0,5%)

    Классификация стабилизаторов осуществляется по следующим признакам:

1. По роду тока – стабилизаторы постоянного и переменного тока;
2. По принципу работы – параметрические, компенсационные, комбинационные;
3. По виду регулирования – непрерывного и импульсного;
4. Мощности – маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до 500 Вт), мощные (500-5000 Вт).

    Широкое применение в современной радиоэлектронной аппаратуре получили вторичные источники  электропитания с импульсным регулированием. Это объясняется, в первую очередь, их высокими энергетическими и объемно-массовыми  показателями. Они строятся в основном на базе однотактных и двухтактных транзисторных преобразователей напряжения. Транзисторы в преобразователях работают в режиме переключения: это и объясняет высокие энергетические показатели источников с импульсным  регулированием.

    Применение  современной элементной базы позволяет  осуществлять преобразование энергии  на частотах до нескольких сотен килогерц, а в ряде случаев и выше.

    Работа  устройств  на повышенных частотах позволяет уменьшить объём и  массу электромагнитных элементов и ёмкость конденсаторов, тем самым повысить удельные объемно-массовые показатели.

    В импульсных источниках применяются  три способа регулирования:

1. Широтно-импульсный – период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) изменяется;
2. Частотно-импульсный – период коммутации не постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) постоянно;
3. Двухпозиционный (релейный) – период и относительное время, когда транзистор находится в области насыщения (отсечки), изменяются.

    Однотактные и двухтактные преобразователи  подразделяются на регулируемые и нерегулируемые.

    В зависимости от типа преобразователя  вход и выход его могут быть гальванически связаны или развязаны  через трансформатор.

    Однотактные регулируемые преобразователи с гальванической связью входа и выхода широко применяются как импульсные стабилизаторы постоянного напряжения и тока. В зависимости от построения силовой части преобразователи (стабилизаторы) можно подразделить: на схемы с последовательным включением дросселя и регулирующего транзистора; с последовательным включением дросселя и параллельным включением транзистора; с последовательным включением транзистора и параллельным включением дросселя.

    Схема преобразователя с последовательным включением дросселя и регулирующего транзистора, представленная на рисунке 2.1, позволяет получить на выходе напряжение меньше напряжения на входе.