В противоминном обеспечении важное место отводится мероприятиям по снижению параметров физических полей корабля, в том числе - широко используемого в неконтактных взрывателях мин магнитного поля. Создание аппаратуры управления для систем компенсации магнитного поля (СКМП) корабля вот уже несколько десятилетий является одним из основных направлений деятельности научно-производственной фирмы "Меридиан". Фирма разработала несколько поколений аппаратуры, которая по сей день эксплуатируется на кораблях Военно-Морского флота России и используется при проектировании новых кораблей и судов.

В последнее десятилетие на процесс совершенствования систем компенсации магнитного поля решающее влияние оказывали экономические факторы. Например, временное отсутствие спроса на некоторые элементы системы привело к утрате технологий их изготовления, и на возобновление технологической базы потребовались значительные ассигнования. И все же, несмотря на непростые экономические условия, фирма смогла преодолеть трудности, восстановила технологический потенциал и определила реальные, экономически выгодные пути дальнейшего развития.

В современных условиях техническая политика НПФ "Меридиан" в области СКМП характеризуется двумя взаимосвязанными направлениями: переходом от работы только с аппаратурой управления к проектированию и комплексной поставке заказчику всех элементов СКМП; глубокой модернизацией основных элементов системы компенсации на основе новейших научных достижений и технологических разработок. В настоящей статье представлены предлагаемые фирмой технические решения в данной области.

Система компенсации магнитного поля предназначена, как следует из ее названия, для компенсации до минимально возможного уровня магнитного поля, создаваемого ферромагнитными массами (ФММ) корабля, и автоматического поддержания достигнутого уровня в процессе плавания, когда под влиянием внешних факторов происходят достаточно значительные изменения поля ФММ. Достигаемый уровень компенсации (погрешность компенсации) служит критерием оценки качества СКМП. Основными элементами системы компенсации являются аппаратура управления и исполнительная часть, включающая средства создания компенсирующего поля и источники питания этих средств постоянным током.

Аппаратура управления должна при плавании регулировать токи в исполнительной части таким образом, чтобы компенсировать изменения магнитного поля ФММ корабля. Для формирования сигналов управления требуется знание величин составляющих индукции магнитного поля Земли (МПЗ) в месте нахождения корабля. В разных образцах аппаратуры управления, созданных НПФ "Меридиан" и эксплуатируемых в настоящее время, реализованы два способа определения этих величины. В первом (аппаратура типа УРТ-860) весь диапазон изменения вертикальной (горизонтальной) составляющей индукции МПЗ разбивается на широтные зоны; в пределах зоны составляющая считается неизменной, а затем скачкообразно изменяется при переходе в соседнюю зону. Погрешность компенсации изменений поля ФММ при данном способе достаточно велика и в значительной степени обусловлена разницей между используемыми и истинными значениями составляющих.

Второй способ предполагает измерения составляющих индукции МПЗ датчиками, являющимся составной частью аппаратуры управления. Феррозондовые датчики магнитного поля типа ДМ-1, ДМ-2, разработанные специалистами фирмы в составе аппаратуры типа КАДМИЙ-Р, серийно выпускаются в течении длительного времени. Они имеют необходимую точность и стабильность характеристик, работают в самых жестких механических и климатических условиях. Однако наличие на корабле разнообразных источников магнитного поля создает значительную помеху измерениям, влияние которой не всегда удается исключить даже при установке датчиков в местах, максимально удаленных от источников поля. Помеха, наведенная на датчики, может значительно увеличить погрешность компенсации..

Для устранения указанных недостатков, существенно влияющих на качество работы системы, совместными усилиями специалистов ОАО "НПФ "Меридиан" и ФГУП ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова разработана аппаратура управления нового поколения, построенная на цифровой элементной базе - аппаратура KMDS. В ней определение составляющих индукции МПЗ основано на известном способе описания скалярного потенциала МПЗ в точке наблюдения с использованием ряда Гаусса. Составляющие напряженности магнитного поля Земли в точке наблюдения находятся дифференцированием скалярного потенциала по соответствующей координате. Исходя из полученных выражений определяются горизонтальная (H) и вертикальная (Z) составляющие индукции МПЗ. Расчет сигналов управления Ii в трех каналах (x,y,z) производится по соответсвующим формулам.

Примечание. Поскольку формулы, приводимые в статье, достаточно громоздки и интересуют только небольшой круг специалистов, работающих в этой области, решено не приводить их в интернет-версии.

рис.1 Прибор управления CU

В состав аппаратуры KMDS входят прибор управления CU (control unit), прибор регулирования RU-3 (regulation unit) и соединительная коробка DB-F (distributiom box-feedback).

В автоматическом режиме работы прибор CU получает данные о широте, долготе, истинном курсе, крене и дифференте от корабельного навигационного комплекса по цифровому интерфейсу типа "Манчестер-2" (ГОСТ 26765-87) с периодичностью 25 раз в секунду и формирует сигналы управления в трех каналах согласно vfntvfnbxtcrbv выражениям, приводимым в журнальной версии статьи. Внешний вид прибора СU представлен на рис.1.

Прибор оснащен программно-аппаратными средствами, позволяющими настраивать аппаратуру при установке ее на заказе или после ремонте, автоматически диагностировать возникающие неисправности, оповещать о них оператора. В частности, при настройке с помощью клавиатуры вводятся коэффициенты согласования размерностей (Кх, Кy, Kz) и, при необходимости - постоянные составляющие сигналов управления для обеспечения компенсации поля остаточного намагничения корабля. Вводимая информация отображается на дисплее. Прибор проинформирует оператора при возникновении неисправности в навигационном комплексе или обрыве линии связи с ним. В этом случае можно воспользоваться резервным режимом работы, в котором ввод данных по курсу, широте и долготе осуществляется с клавиатуры. После устранения неисправности переход в автоматический режим производится нажатием определенной комбинации клавиш.

рис.2 Прибор регулирования RU-3

Прибор RU-3 (рис.2) предназначен для преобразования сигналов прибора CU в сигналы управления источниками питания в исполнительной части системы. Данный прибор имеет три независимых канала (по желанию заказчика может быть поставлен одноканальный вариант). При обрыве линии связи между приборами встроенные средства диагностики прибора RU-3 выдадут сигнал о неисправности и отобразят на дисплее прибора CU ее характер.

Коробка соединительная DB-F (рис.3) предназначена для организации токовой обратной связи прибора RU-3 с исполнительной частью системы компенсации и снабжена клеммными колодками для подключения соответствующих проводов. В коробке находятся датчики тока, обеспечивающие измерение токов в исполнительной части и ее гальваническую развязку с аппаратурой управления. Кроме того, сигналы с датчиков тока поступают на прибор CU и могут быть выведены на дисплей для контроля оператором текущих значений токов в исполнительной части системы компенсации. Эта функция позволяет проектанту СКМП отказаться от щитовых амперметров.

рис.3 Коробка соединительная DB-F

Питание аппаратуры KMDS осуществляется от корабельной сети напряжением 220 В 50 Гц. В технически обоснованных случаях допускается питание от сети 400 Гц. Потребляемая аппаратурой мощность - не более 150 ВА. Основная погрешность регулирования тока в исполнительной части системы не превышает в статическом режиме ±2% и в динамическом режиме ±4% от значения максимального тока. Аппаратура предназначается для эксплуатации в условиях воздействия факторов группы 2.1 исполнения 2.1.1 по ГОСТ РВ 20.39.304. Она прошла все положенные виды испытаний и может поставляться в виде комплексов с привязкой состава приборов, оборудования и программного обеспечения к конкретному проекту корабля.

Исполнительная часть в эксплуатируемых системах компенсации магнитного поля корабля, как известно, выполнена в виде системы ортогональных обмоток, расположенных на основных ферромагнитных массах корабля. Главное требование к обмоткам - обеспечить минимальную погрешность компенсации за счет создания магнитного поля, максимально близкого по топографии полю ферромагнитных масс. Для этого обмотки разделяются на секции, каждая из которых "отвечает" за свои ФММ. Параметры магнитного поля секции зависят от ее ампер-витков, т.е. от произведения силы тока на число витков секции. Число витков устанавливается при регулировке обмоток на стенде размагничивания путем соответствующих переключений кабелей или отдельных жил в соединительных коробках секций. Ток во всех секциях обмотки одинаков, поскольку секции последовательно подключены к источнику питания обмотки - электромашинному преобразователю. Такое традиционное построение исполнительной части СКМП имеет ряд недостатков, связанных с недостаточной гибкостью системы и негативно влияющих на погрешность компенсации.

1. Отсутствует возможность плавного изменения параметров магнитного поля отдельной секции при настройке, возможны только ступенчатые изменения на величину, определяемую числом жил в регулировочном витке.

2. Отсутствует возможность индивидуального для каждой секции изменения параметров ее магнитного поля при плавании корабля, возможны только одновременные для всех секций изменения за счет изменения силы тока в обмотке.

3. Отсутствует возможность ввода индивидуальной для каждой секции постоянной составляющей тока для компенсации поля остаточного намагничения

Существуют недостатки, ухудшающие эксплуатационные свойства системы компенсации. Она относится к классу необслуживаемых корабельных систем, следовательно, характеристики ее надежности должны быть весьма высокими. Однако в составе системы входят вращающиеся источники питания обмоток - электромашинные преобразователи, имеющие "слабые места" в виде опорных подшипников и коллекторных контактов, что снижает надежность системы в целом. Вращающимся преобразователям также присущи достаточная шумность и значительные габариты. Все это приводит к необходимости резервирования источников питания, создания схем сильноточной коммутации, разработки трудоемких эксплуатационных мероприятий и т.д. Кроме того, последовательное соединение секций снижает живучесть обмотки.

Перечисленные недостатки могут быть устранены переходом на посекционное питание компенсационных обмоток. Для этого необходимы надежные источники тока с малыми массогабаритными показателями, каждый из которых "работает" только на свою секцию. Такие источники созданы специалистами ОАО "НПФ "Меридиан". Это управляемые статические преобразователи. По сравнению с вращающимися преобразователями они обладают весомыми преимуществами: отсутствием движущихся частей, удобством в обслуживании, высокой ремонтопригодностью и долговечностью. Фирмой разработан типовой ряд статических преобразователей номинальной мощностью 250, 500 и 1000 Вт с номинальным током 4,8 и 9,8 А. Преобразователи питаются от корабельной трехфазной сети переменного тока напряжением 380 В 50 Гц с допустимыми отклонениями по напряжению и частоте сети питания согласно ГОСТ В 23394. Они отвечают всем требованиям, предъявляемым к аппаратуре группы 2.1 исполнения 2.1.1 согласно ГОСТ РВ 20.39.304.

Параметры преобразователей:
- нелинейность статической характеристики во всем диапазоне управляющего сигнала и выходного тока не превышает ±2% от номинального значения выходного тока;
- коэффициент пульсации выходного тока при номинальном сопротивлении нагрузки не превышает 0,1% в диапазоне частот от 1 до 5000 Гц;
- коэффициент мощности при номинальных выходных параметрах - не более 0,6;
- коэффициент полезного действия - не менее 80%;
-коэффициент искажения синусоидальной формы напряжения питания, вносимого преобразователем, при отсутствии других нагрузок и при соотношении мощности сети и преобразователя не менее 50:1 - не более 1%.

Кроме того, обеспечены все основные требования, которые предъявляются к аппаратуре, предназначенной для работы в составе корабельных систем компенсации магнитного поля: гальваническая развязка питающей сети от цепей управления и от обмоток; возможность ручной установки номинального выходного тока; возможность ручного введения постоянной составляющей в управляющий сигнал; световая сигнализация о наличии питания, о включенном состоянии, о перегрузке по выходным параметрам; доступ к органам управления и регулировки только со стороны лицевой панели; защита органов регулировки от непреднамеренных воздействий. Преобразователи разработаны с использованием современной базы силовой электроники. Ведутся работы по увеличению единичной мощности преобразователя до 4 кВт. Такие преобразователи можно будет использовать не только в качестве посекционных источников, но и для питания всей обмотки на кораблях малого водоизмещения.

Специалисты фирмы надеются, что новые преобразователи, предлагаемые предприятием, активизирует работы проектантов кораблей по созданию систем компенсации с посекционным питанием обмоток.

На кораблях с маломагнитным корпусом в ряде случаев бывает целесообразно отказаться от классических распределенных по поверхности ФММ обмоток и использовать в качестве источников компенсирующего поля более компактные и дешевые локальные устройства. Для этих целей в НПФ "Меридиан" созданы управляемые электромагниты, обладающих специальными характеристиками. Напряженность магнитного поля, создаваемого таким локальным электромагнитным компенсатором, определяется выражением для дипольного источника.

рис.4 Компенсатор электромагнитный

Разработан комплект из девяти электромагнитных компенсаторов КЭМ на номинальные токи 15, 30, 50 А с номинальными магнитными моментами 250, 500, 1000 А х м х м. Водозащищенная конструкция корпуса IPX5 по ГОСТ 14254 позволяет устанавливать изделие практически в любых помещениях. Предусмотрена возможность настройки компенсатора непосредственно на корабле путем изменения величины магнитного момента в диапазоне (55 - 100)% от номинала с дискретностью не более 3%. Нелинейность статической характеристики компенсатора не превышает 3%. Изделие успешно прошло испытания по группе 2.1 исполнения 2.1.1 по ГОСТ РВ20.39.304 и будет установлено на корвете проекта 20380. По желанию заказчика фирма может разработать электромагнитные компенсаторы с отличающимися от приведенных выше значениями тока и магнитного момента, с измененными диапазоном и дискретностью регулировки.

рис.5 Статический преобразователь

С целью практической реализации принципа комплексной поставки заказчику всех элементов СКМП фирма "Меридиан" планирует разработку и обеспечение поставок на строящиеся корабли электротехнических изделий - соединительных коробок и щитов для коммутационных устройств и контрольно-измерительных приборов. Пока это направление находится в стадии составления бизнес-плана и анализа рынка.

В заключении необходимо отметить, что создание на предприятии новой аппаратуры управления СКМП сопряжено с рядом проблем, которые, впрочем, известны и другим разработчикам электронной техники специального назначения. Главная проблема заключается в отсутствии современной отечественной элементной базы, на основе которой возможно создавать эту технику для Военно-морского флота России. Традиционно такого рода техника строилась с применением самых передовых технологий, самых свежих технических решений. Сегодня создатели вынуждены ориентироваться либо на разрешенные к применению, но устаревшие электронные компоненты, либо испытывать колоссальные трудности с согласованием импортной элементной базы, так как аналогичные разработки в стране отсутствуют или находятся в зачаточном состоянии. Главные потребности - это мощные вычислительные устройства и компоненты силовой электроники. Но, как бы то ни было, НПФ "Меридиан" все же создает аппаратуру, отвечающую современным требованиям, и надеется, что проектанты кораблей обратят серьезное внимание на эти разработки. Взаимовыгодное долгосрочное сотрудничество - реальный путь к успеху.

Литература
[1] Б.А.Ткаченко "История размагничивания кораблей советского военно-морского флота". Л. "Наука", 1981 г.
[2] Б.Ю.Семенов "Силовая электроника: импульсные источники электропитания, перспективная элементная база, основы проектирования". М. "Солон-Р", 2001 г.
[3] Б.Ю.Семенов "Схемотехника источников электропитания XXI века". Журнал "Электрическое питание" №2, 2002 г.
[4] Гончаров А.Ю. "Модернизация отечественной элементной базы - ресурсосберегающее направление развития импортозамещаемых модулей электропитания военного и промышленного назначения". Журнал "Электрическое питание" №1, 2001 г.