Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2006, № 9 (отд.)

Л.Д. Певзнер 
В.Г. Костиков 
O.K. Березин 
A. А. Скрипко 
B. Г. Рябухина 

И С С Л Е Д О В А Н И Е 
Б Ы С Т Р О Д Е Й С Т В У Ю Щ Е Й 

З А Щ И Т Ы 
И У С Т О Й Ч И В О С Т И 
П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л Е Й 
П Р И А В А Р И Й Н Ы Х 
Р Е Ж И М А Х 
А П П А Р А Т У Р Ы С В Ч 
о 

2 
m 
>х 
2 
z л 
ш 

МОСКВА 

ИЗДАТЕЛЬСТВО м о с к о в с к о г о 

ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 

2006 

А 

УДК 622 
ББК 33.1:32.965 
П23 

Певзнер Л.Д., Костиков В.Г., Березин O.K., 
Скрипко А.А., Рябухина В.Г. 

П 23 
Исследование быстродействующей защиты и устойчивости преобразователей напряжения при аварийных режимах аппаратуры СВЧ: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. — 2006. — № 9. 

— 42 с. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2006.— 41 с. 

ISSN 0236-1493 

Дан анализ схем и режимов устройств защиты от аварийных режимов аппаратуры СВЧ. Приведены результаты исследования устойчивости тиристорного коммутатора в системе зашиты аппаратуры СВЧ. Уделено внимание обеспечению устойчивости преобразователей напряжения при аварийных режимах в высоковольтных цепях. 

Для специалистов, работающих в области автоматики и управления 
в технических системах; может быть полезна студентам и аспирантам. 

УДК 622 
ББК 33.1:32.965 

ISSN 02336-1493 
© Л.Д. Певзнер, В.Г. Костиков, O.K. Березин, 

А.А. Скрипко, В.Г. Рябухина, 2006 
© Издательство МГГУ, 2006 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2006 

ВВЕДЕНИЕ 

Аппаратура СВЧ находит применение в передающих устройствах радиолокационных станций, медицинских установках, геологоразведке и т.д. На рис.1 в качестве примера приведена типовая схема мощного передающего устройства мобильной радиолокационной станции, где в качестве выходного 
электровакуумного СВЧ прибора применяют клистрон, лампу 
бегущей волны, магнетрон или сочетание их. 

Для обеспечения электроэнергией СВЧ приборов используют высоковольтный преобразователь ВП, выполненный по 
традиционной схеме и содержащий высоковольтный трансформатор TV 1, выпрямитель В, регулирующую лампу VL1, кон
Рис. 1. Структурная схема передающего устройства РЛС с высоковольтным 
СВЧ прибором 

3 

дснсагор C I . Последний выполняет функции сглаживающего 
фильтра, ограничивающего уровень гармонических составляющих выходного напряжения до заданного значения, и накопительной емкости для обеспечения стабильности выходных 
импульсов. В данной схеме используется сеточное управление 
СВЧ прибором VL2, для чего служит модулятор М с подмодулятором и источниками электропитания ИЭП1...ИЭПЗ. 

Приведенная на рис. 1 система решает задачу поддержания управляемой переменной (выходной мощности СВЧ) на 
заданном уровне [ I ] . Регулирующая лампа V L I обеспечивает 
стабилизацию напряжения, подаваемого на СВЧ прибор, при 
помощи отрицательной обратной связи с выхода ВП. Необходимая для работы СВЧ прибора мощность достигает десятков 
киловатт [2]. 

В процессе эксплуатации аппаратуры имеют место электрические пробои в СВЧ приборах [3] и в волноводных трактах [4, 5], что приводит к авариям при несвоевременном устранении этого режима. При возникновении пробоя токи высоковольтного преобразователя и силовой цепи СВЧ прибора 
нарастают с большой скоростью и протекают до момента от

: 

ключения высокого напряжения. При ограниченной мощности 
системы электроснабжения (что характерно для мобильной аппаратуры) из-за чрезмерного увеличения выходного тока происходит резкое снижение.ее выходного напряжения, что вызывает сбои в работе вычислителя, синхронизатора и других 
систем. При подобных сбоях пропадают импульсы запуска модулятора, отсутствие которых приводит к прохождению непрерывного тока в силовой цепи СВЧ прибора до момента отключения цепи устройством защиты. При недостаточном быстродействии защитного устройства этот ток может достигать таких значений, при которых выделяемая в приборе и высокочастотном тракте мощность существенно превышает допустимую и вызывает их разрушение. 

При аварийном режиме входные цепи преобразователя 
напряжения отключаются от системы электроснабжения контактным аппаратом К1, обеспечивающим разрыв цепей с галь
4 

ванической развязкой. Таким образом, аварийный ток протекает через высоковольтный преобразователь с момента возникновения электрического пробоя в высоковольтных цепях 
до момента разрыва входных цепей. В реальной аппаратуре 
это время может достигать 100 мс. При таком длительном 
протекании аварийного тока работоспособность аппаратуры 
не гарантируется, поэтому необходима разработка устройства 
защиты, обладающего достаточным быстродействием. 
Построение и режим работы устройства защиты определяет режимы и надежность работы всей аппаратуры. Ниже приведены 
результаты 
исследований 
и разработок устройств 
защиты 
мощной высоковольтной аппаратуры и рассмотрены особенности режимов работы преобразователей напряжения с учетом 
выбранной схемы защиты. 

Исследования проведены в рамках выполнения технического задания на разработку передающего устройства радиолокационной станции. 

1. АНАЛИЗ СХЕМ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ 
УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ 
АППАРАТУРЫ СВЧ 

Задача обеспечения защиты мощной высоковольтной аппаратуры СВЧ может быть решена различными способами [6 
— 9]. В результате сравнительного анализа установлено, что 
малое время срабатывания при ограничениях на размеры и 
массу устройств защиты обеспечивается при помощи закорачивания цепей электропитания приборов СВЧ. 

На рис. 2 приведена схема, в которой при помощи короткозамыкателя КЗ, построенного на мощных полупроводниковых приборах (тиристорах), осуществляется закорачивание низковольтных цепей системы электроснабжения по сигналу от датчика тока ДТ. После срабатывания КЗ система электроснабжения отключается контактным аппаратом К. Предполагается, что в этой схеме аварийный ток протекает в цепях 
прибора СВЧ лишь в течение времени срабатывания КЗ, а ток 

5 

Рис. 3. Система защиты с короткозамыкателем в выходной цепи высоковольтного преобразователя 

короткого замыкания в цепях системы электроснабжения — в 
течение времени отключения контактного аппарата. Однако 
запасенная в трансформаторе, фильтре и накопительной емкости энергия продолжает поступать в прибор СВЧ после закорачивания системы электроснабжения. 

Поэтому принят вариант схемы защиты, показанный на 
рис. 3, где короткозамыкатель включен на стороне высокого 
напряжения. При отсутствии сигнала от датчика тока ДТ транзистор VT16 закрыт и уровень напряжения на конденсаторе 
С1 определяется напряжением стабилитрона VD2. Когда ток в 
цепи прибора СВЧ достигает заданного предельного значения, 
сигнал датчика тока открывает транзистор VT16 и предварительно заряженный конденсатор С1 разряжается на первичную обмотку трансформатора TV1. Ток разряда конденсатора 

7 

создает импульсы токов во вторичных обмотках трансформаюра, которые открывают тиристоры VS1...VS15. Общее время срабатывания системы защиты в значительной степени зависит от быстродействия датчика тока. Выбор датчика с достаточно малым временем срабатывания сделан по результатам 
исследований, изложенных в разделе 2. 

При высоком напряжении, приложенном к открытым тиристорам, через них протекает значительный ток, который может привести к выходу из строя полупроводниковые приборы. 
В связи с этим возникла задача определения характера нарастания и допустимого значения тока через КЗ для обеспечения 
надежной работы схемы защиты. Результаты расчета тиристорной структуры приведены в разделе 3. 

При открытых тиристорах в течение ограниченного времени создается режим работы выпрямителя на короткозамкнутую цепь, что может привести к выходу из строя входящих в 
его состав диодов. Анализ режимов работы диодов выпрямителя при срабатывании системы защиты изложен в разделе 4. 

2. ВЫБОР ВЫСОКОВОЛЬТНОГО БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ДАТЧИКА ТОКА 

Общее время срабатывания системы защиты в значительной степени зависит от быстродействия датчика тока. Осуществим выбор датчика тока с достаточно малым временем срабатывания системы защиты. 

Известные виды токовых датчиков от аварийных режимов 
аппаратуры СВЧ можно условно разделить на две группы: 

а) защита на основе реле тока, включенных в низковольтную цепь источника электропитания и управляющих работой 
электромагнитного контактора. Такая защита отличается простотой и невысокой стоимостью, однако, ее быстродействие 
оказывается явно недостаточным для эффективной защиты 
высоковольтных электровакуумных приборов. Кроме того, эта 
защита не позволяет отличать внутренние пробои в аппаратуре 
СВЧ от других видов повреждений в системе питания; 
8 

б) защита на основе высоковольтных импульсных трансформаторов включенных в аппаратуре СВЧ. Из-за малой длительности сигналов на выходе импульсного трансформатора и 
малой его амплитуды приходится усложнять защиту, вводя дополнительные полупроводниковые и электромагнитные релейные элементы с RC-цепями. Общие время срабатывания защиты равно сумме времен срабатывания последовательно действующих элементов и соизмеримо со временем срабатывания 
токовой защиты по низковольтной цепи электропитания. 

Достаточно быстродействующей в настоящее время является оптоэлектронная система защиты, способная контролировать ток непосредственно в высоковольтной цепи аппаратуры 
СВЧ. Однако стоимость такой системы довольно высока, а основной недостаток низкая надежность из-за недостаточной 
надежности светоизлучающего элемента, непостоянство оптических свойств светодиодов при воздействии неблагоприятных фактор внешней среды (колебании температуры, пыли, 
транспортной тряски, ударов и вибрации). 

Наиболее эффективней быстродействующей защитой является защита по цепи высокого напряжения, как, например 
электронно-лучевые вентили. 

Быстродействие коммутатора на электронно-лучевых вентилях в основном определяется входной емкостью вентиля и 
мощностью схемы управления. Поэтому, при помощи электронно-лучевого коммутатора можно отключить ток короткого замыкания в нагрузке за время 5 — 100 мкс. Кроме того, 
электронно-лучевые вентили обладают полной управляемостью и высоким КПД при значительной единичной мощности 
прибор. Однако они весьма громоздки, что является большим 
их недостатком. 

Таким образом, все известные в настоящее время принципы организации защиты не могут удовлетворить требованиям 
технического задания, прежде всего по причине больших массогабаритных параметров, в связи с чем возникла необходи
9 

мость создания специальных быстродействующих малогабаритных систем защиты. 

В качестве ДТ может выступать геркотрон, выполненный 
на герконе, но такой датчик наряду с преимуществами обладает одним недостатком: он имеет относительно небольшое быстродействие, время включения составляет около 1 мс (с учетом времени вибрации контактов геркона). 

Перспективными являются датчики тока с элементами 
Холла. Эти датчики отличаются высокой линейностью и стабильностью характеристик и обладают необходимым быстродействием. В табл. 1 представлены основные характеристики 
некоторых типов датчиков. 

Таблица I 

Характеристики датчиков тока 

Характеристика 
Тип датчика тока 
Характеристика 

ДИТ-500 . 
LT500-S 
ДТХ-50 
LA50-P 

Номинальный входной 
ток, А 

500 
500 
50 
50 

Выходной сигнал 
5 В 
100 мА 
25 мА 
50 мА 

Температура, 
дрейф 
выходного сигнала 

0.005 мВ/°С < ±0.3 мА (от 
0 до +70 °С) 

0,005 мА/°С < ±0.6 мА (от 
0 до +70 °С) 

Погрешность измерения при 25 .°С, не более, % 

±0,5 
±0,3 
±0,5 
±0,5 

Диапазон рабочих температур, "С 

-50...+80 
0...+70 
-50..+80 
0...+70 

Напряжение электропитания 

± 15 В± 10 
± (12...24) 
В ± 5 % 

± 15 В ± 10 
% 

± 15 В ± 5 

Начальный выходной 
ток (выходное напряжение) при измеряемом токе 1 = 0 

< 2 0 м В 
± 0,2 мА 
<0.12 мА 
± 0.2 мА 

Размеры, мм 
6 8 х 9 0 х 101 8 4 х 9 2 х 100 44 х 33 х 22 40,5 х 25.4 х 18 

Масса, г 
300 
500 
70 
25 

Стоимость, руб 
416 
804 
306 
252 

10