Фильтрация помех в бортовых системах электропитания на основе ограничителя выбросов напряжения

Надежность системы вторичного электропитания (СВЭП) летательных аппаратов (ЛА) — один из основополагающих факторов безопасности полета, повышение которой достигается как применением высоконадежных комплектующих, так и оптимизацией структуры собственно СВЭП. Далее рассматривается СВЭП на основе ограничителя выбросов напряжения (ОВН) для авиационной бортсети постоянного тока напряжением 27 В с переходными отклонениями до 81 В (ГОСТ Р 54073-2010), ее преимущества по сравнению с традиционными.

Классификация ОВН, особенности их структуры, схемотехники и алгоритмы работы подробно рассмотрены в технической и патентной литературе [1–4]. По способу функционирования в режиме ограничения напряжения ОВН можно условно разделить на ОВН непрерывного способа ограничения и ОВН импульсного способа ограничения — импульсные ОВН [1]. Там же показано, что для нормализации значительной мощности наиболее перспективны ОВН импульсного типа. Далее речь пойдет только об ОВН импульсного типа.

На рис. 1 демонстрируется алгоритм работы ОВН импульсного способа ограничения напряжения серии МДН (изготовитель — ООО «АЭИЭП», Москва) при переходных процессах, имитирующих процессы в сети электропитания ЛА. Здесь и далее оранжевым цветом показаны осциллограммы входного напряжения, зеленым цветом — выходного.

Рис. 1. Работа ОВН во время имитации выброса входного напряжения с амплитудой 81 В

В нормальном режиме работы сети электропитания, когда входное напряжение находится в диапазоне 17–36 В, ОВН работает в установившемся режиме — выходное напряжение практически повторяет входное. Падение напряжения на ОВН не превышает 300 мВ при номинальном выходном токе. Выброс входного напряжения с амплитудой 81 В ограничивается на выходе ОВН на уровне 37 В, безопасных для нагрузки. При этом ОВН переходит в импульсный режим работы с КПД преобразования не менее 95%. Перегрева силовых элементов ОВН не происходит, поэтому длительность перегрузки значения не имеет.

При построении бортовой СВЭП она обычно «набирается» из модулей питания (МП) необходимой мощности и выходного напряжения. Для удовлетворения требований по уровню помех на входе устанавливаются соответствующие фильтры. В СВЭП на основе ОВН необходимость во входных фильтрах отпадает, поскольку их функции берет на себя ОВН. Сложность СВЭП при этом не возрастает, массогабаритные и удельные характеристики не ухудшаются, а функциональные возможности расширяются. Типовая функциональная схема бортовой СВЭП на основе ОВН представлена на рис. 2 [5].

Рис. 2. Функциональная схема СВЭП на основе ОВН

При построении СВЭП один модуль ОВН включается на входе для всей системы электропитания. Здесь СВЭП состоит из двух подсистем с одно- и двухканальными модулями питания МП1–МПn и МПn+1–МПn+k, которые подключены к выходам ОВН 1 и ОВН 2 соответственно. Каждая из подсистем управляется от блока управления (БУ). Нагрузкой МП являются потребители П1–Пn, которые могут получать электропитание и управление как от «своего» ОВН, так и от обоих (потребитель П2). И хотя основное назначение ОВН — ограничение низкочастотного выброса входного напряжения, СВЭП с ним в составе по сравнению с традиционными получает еще ряд полезных свойств, а именно:

• в установившемся режиме работы ОВН представляет собой отличный помехоподавляющий фильтр, коэффициент ослабления которого в диапазоне частот 50–300 кГц достигает 60 дБ;
• наличие входных конденсаторов позволяет улучшить качественные показатели входной сети и уровень помехоподавления ОВН;
• мгновенное значение тока через ОВН ограничено, что защищает потребителей Пn от неограниченных входных токов при запуске;
• при отказе одного из модулей МП, подсоединенных к ОВН, типа «КЗ по входу», ОВН квалифицирует это как короткое замыкание по выходу и переходит в режим релаксации. Средний ток в режиме релаксации, протекающий через прибор, не превышает 0,1–0,2 от максимального выходного тока. Этот режим безопасен для ОВН, и он может работать в нем длительное время без опасности перегрева, защищая входную сеть от перегрузки.

Рассмотрим подробнее особенности СВЭП на основе ОВН в части помехоподавления. В установившемся режиме работы ОВН серии МДН представляет собой управляемый фильтр. Сглаженная частотная характеристика коэффициента ослабления К_ОСЛ ОВН с максимальным выходным током 5 А показана на рис. 3.

Рис. 3. Частотная зависимость коэффициента ослабления КОСЛ ОВН серии МДН

Наибольшее ослабление вплоть до 60 дБ ОВН имеет в диапазоне 75–400 кГц, где располагаются первые, самые мощные гармоники модулей питания СВЭП. Таким образом, ОВН является эффективным фильтром помех от СВЭП в бортовую сеть. Со снижением частоты фильтрующие свойства данного ограничителя уменьшаются. На частотах в несколько кГц его вообще нельзя рассматривать как фильтр, что, однако, не препятствует его применению, поскольку современные МП работают на частотах от 100 кГц и выше и на этих частотах помехи не генерируют. В этом диапазоне помехи проходят через ОВН без ослабления, но значительно ослабляются схемой МП, так что на выходе МП у потребителей Пn низкочастотные составляющие помех также отсутствуют.

В динамическом же режиме работы (режиме ограничения входного напряжения) ОВН продолжает оставаться эффективным фильтром вплоть до самых низких частот. На рис. 4 показан результат помехоподавления ОВН в режиме ограничения выходного напряжения. Испытательная установка накладывает периодическую помеху с частотой 5–30 кГц и амплитудой около 50 В на выброс входного напряжения. При подключении генератора помех к ОВН уровень помехи на входе последнего уменьшается более чем вдвое — фильтрация на входном конденсаторе ОВН. При этом на выходе ОВН амплитуда пульсаций около 1 В на активной нагрузке. Подключение на выход МП уменьшает амплитуду помехи еще вдвое — работает входной фильтр модуля питания. Однако это уже лишнее, поскольку МП активно подавляет помеху такого уровня на входе.

Рис. 4. Помехоподавление ОВН помехи с частотой 10–30 кГц в режиме ограничения выходного напряжения

Аналогичные результаты в динамике получаются при подаче помехи частотой в единицы и сотни Гц.

На рис. 5 показан результат помехоподавления в частотном диапазоне 5–100 Гц. В этом случае входной конденсатор и внутренний фильтр ОВН не работают — слишком низкая частота. Помехоподавление осуществляется активной фильтрацией схемы ОВН. На выходе ОВН амплитуда пульсаций также около 1 В на активной нагрузке.

Рис. 5. Помехоподавление ОВН помехи с частотой 5–100 Гц в режиме ограничения выходного напряжения

В динамике ОВН можно рассматривать как фильтр с нижней частотой помехоподавления f_Н = 0. В самом деле, выброс входного напряжения 81 В в соответствии с ГОСТ Р 54073-2010 имеет продолжительность 1 с (условно половина периода), что соответствует частоте f = 0,5 Гц! На рис. 6 представлены осциллограммы ограничения и одновременной фильтрации входного напряжения, имитирующего напряжение в реальной бортовой СВЭП.

Рис. 6. Переходный процесс в бортовой СВЭП с выбросом 51 В и коммутационными помехами

Амплитудное значение выброса входного напряжения достигает 51 В, длительность переходного процесса чуть более 1 с. Нарастание и спад напряжения сопровождаются высокочастотными коммутационными помехами. Однако ОВН эффективно сглаживает их, фиксируя выходное напряжение на уровне около 37 В.

Таким образом, применение ОВН в составе бортовых СВЭП увеличивает надежность и помехоустойчивость последних, что повышает общую безопасность ЛА.