王 錄，郎定川，李乃忠，劉彥強

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心， 蘭州 732750)

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·收/發(fā)技術·

大功率脈沖測量雷達應對電壓跌落方法研究

王 錄，郎定川，李乃忠，劉彥強

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心， 蘭州 732750)

針對交流電源短暫電壓跌落引起市電直供的大功率脈沖測量雷達伺服、發(fā)射機和水冷系統(tǒng)保護停機的問題，敘述了雷達系統(tǒng)組成及對應功率容量。分析了采用雙變換不間斷電源和市電同時向伺服系統(tǒng)、發(fā)射機及水冷系統(tǒng)的低壓控制電路和大功率部件區(qū)別供電的可行性。提出了改進分機低壓控制線路和可編程邏輯控制器控保邏輯的建議，提高了雷達系統(tǒng)抵抗電壓短暫跌落的能力。

發(fā)射機; 不間斷電源; 功率; 電壓跌落; 可編程邏輯控制器

0 引 言

經(jīng)典面天線大功率脈沖測量雷達一般由發(fā)射、接收和信號處理、天伺饋、測距、數(shù)據(jù)采集、記錄和數(shù)據(jù)處理、主控、冷卻及其他分系統(tǒng)組成。其中，接收和信號處理、測距、數(shù)據(jù)采集、記錄和數(shù)據(jù)處理、主控等分系統(tǒng)只涉及信號處理及控制過程。為提高供電可靠性和質(zhì)量，各分系統(tǒng)均采用在線式雙變換不間斷電源(UPS)供電。由于雙變換UPS對輸入市電進行濾波、整流和交流再生，因此，以上各分系統(tǒng)能夠應對電壓跌落、浪涌、欠壓、過壓、頻率波動、切換瞬變、諧波失真等各類電能質(zhì)量不良現(xiàn)象，確保各分系統(tǒng)在電壓跌落等不利供電情況下正常運行。

雷達發(fā)射機和伺服系統(tǒng)的指標和性能，直接關系到雷達作用距離和跟蹤快速目標的能力，在條件允許的前提下，要求發(fā)射機具有提供單載頻、線性調(diào)頻及串行雙脈沖波形[1]的能力，同時要求雷達天饋系統(tǒng)大口徑面天線方位、俯仰角速度分別達到40°/s、20°/s?；谝陨闲阅芤螅走_發(fā)射機整機消耗平均功率近100 kW，其對應的冷卻系統(tǒng)(包括液體泵、壓縮機、風機等)安裝容量也近100 kW，伺服驅動系統(tǒng)的功率放大器安裝容量也近300 kW，故雷達伺服、發(fā)射機及冷卻分系統(tǒng)一般采用市電直供保障[2]。市電電能質(zhì)量不佳，特別是由于單相接地故障引起的持續(xù)數(shù)個波形的電壓跌落，將直接引起雷達發(fā)射機、伺服報警甚至停機，影響雷達系統(tǒng)的正常工作。

1 電壓跌落造成雷達分系統(tǒng)停機原因分析

電壓跌落是由于惡劣氣象或者單相接地故障引起某一時刻供電電壓均方根值突然下降至額定電壓幅值的90%～10%，持續(xù)半個至數(shù)個電網(wǎng)波形時間后又恢復正常水平的現(xiàn)象[3]。描述電壓跌落的主要特征量有：電壓跌落幅度、電壓跌落持續(xù)時間和電壓跌落相位跳變。

電壓跌落故障發(fā)生后，采用雙變換UPS供電的接收和信號處理、測距、數(shù)據(jù)采集、記錄和數(shù)據(jù)處理、主控等分系統(tǒng)不會造成雷達停機。但采用市電直供的雷達發(fā)射機、伺服及冷卻系統(tǒng)，由于其內(nèi)部低壓控制電路監(jiān)測到供電中斷或其他小功率部件狀態(tài)發(fā)生變化導致控保邏輯報警，將造成雷達關鍵分系統(tǒng)保護停機，直接影

響目標的正常跟蹤測量。

1.1 電壓跌落引起伺服分系統(tǒng)功放保護停機

圖1 雷達伺服可控硅功率放大器組成及供電

由于可控硅功率放大器主要實現(xiàn)從交流至大功率可控直流的變換，包含在功放內(nèi)部的小信號電路及大功率變換均采用市電直供。位于可控硅功率放大器“內(nèi)部鎖定保護”電路采用三相整流方法實時監(jiān)測三相功率電源供電情況，電網(wǎng)電壓跌落將即刻觸發(fā)“內(nèi)部鎖定保護”電路向伺服驅動系統(tǒng)控制PLC報警，伺服安全保護控制PLC即下達指令，關閉向功率放大器供電的“交流接觸器”，同時掉電釋放直流電機“制動器”，使其抱閘，造成雷達天線停止轉動，不能正常跟蹤移動目標。

1.2 電壓跌落引起發(fā)射機高壓電源、速調(diào)管保護停機

C波段大功率脈沖測量雷達發(fā)射機多采用主振放大式，由前級固態(tài)放大器、末級高功率速調(diào)管放大器、模塊化全固態(tài)脈沖調(diào)制器、相移式開關高壓電源、磁場電源、控制保護、鈦泵電源、燈絲電源以及冷卻系統(tǒng)等組成[5]，如圖2所示。圖中，P為相電壓，N為中性線，1P+N為單相供電，3P+N為三相四線制，3P為三線制供電。

圖2中，磁場與反線包電源采用相移式全橋零式電壓變換器為速調(diào)管聚焦線包提供穩(wěn)定的勵磁電流，用于產(chǎn)生聚焦磁場，要求其輸出電壓可調(diào)。鈦泵電源采用倍壓整流的方式產(chǎn)生約4 kV的高壓，給速調(diào)管鈦泵供電，吸收速調(diào)管內(nèi)的殘存氣體，保持管內(nèi)良好的真空度。二者均要求紋波小于5×10-3，穩(wěn)定度小于10-2。燈絲電源多采用半橋變換器結構的衡流電路，電路帶軟啟動功能，穩(wěn)流輸出使得陰極溫度更加恒定，從而減小了對電子注電流的影響。電網(wǎng)波形的電壓跌落將造成以上三個電源波動，不穩(wěn)定的磁場電源、燈絲電源及鈦泵電源將引起鈦泵電壓、鈦泵電流、收集極電流和管體電流報警，從而引起發(fā)射機保護停機。

圖2 發(fā)射機組成

圖2中高壓電源工作在高電壓、大電流狀態(tài)，幾乎全部承擔了發(fā)射機近100 kW平均功率的輸出，它由三個整流逆變升壓模塊串聯(lián)組成，如圖3所示。整流逆變升壓模塊將市電整流，再經(jīng)諧振產(chǎn)生高頻方波電壓，最后經(jīng)整流串聯(lián)升壓產(chǎn)生-20 kV高壓, 圖3中灰底框組成一個高壓逆變模塊。

圖3 發(fā)射機高壓電源組成框圖

從圖3原理可知，相移式模塊化開關高壓電源中只要常規(guī)整流濾波的“低壓電容”保持有確定的電壓幅值，就可確保后級的諧振升壓電路正常工作。但受電容容量、體積、耐壓及高壓電源機柜空間、設備小型化要求等因素限制，在外部市電中斷情況下，該電容容量目前只能保證發(fā)射機滿功率工作大約11 ms。計算如下：

三相整流后直流電壓受“低壓電容”調(diào)節(jié)，一般端電壓一般在512 V～537 V，只要“低壓電容”兩端直流電壓維持在一定數(shù)值，即可保證后級諧振逆變模塊的正常工作。此處計算電容電壓降至400 V時維持發(fā)射機滿功率輸出的時間(以單個整流逆變升壓模塊為例)。理想情況下，“低壓電容”存儲能量全部用于整流逆變升壓模塊功率輸出，則依據(jù)能量守恒原理

新增鉆孔水位與庫水位存在較強相關性。D2、D1相關系數(shù)為負值，說明該處巖體通透性良好，巖體內(nèi)水壓力可迅速降低。有利于巖體穩(wěn)定，通過2016年外部變形監(jiān)測數(shù)據(jù)比較，右岸山體特征形變量小于左岸，與左岸鉆孔相關系數(shù)正值形成鮮明對比。

(1)

式中：U1為電容初始電壓，取510 V；U2為維持諧振變換器正常工作電壓，取400V；C為電容容量，原始設計數(shù)值為4 700 μF；P為單個升壓逆變模塊分擔發(fā)射機的平均功率，取18 kW；t為“低壓電容”維持發(fā)射機滿功率輸出時間。

當電壓跌落持續(xù)時間超過11 ms，且速調(diào)管其余保護功能未觸發(fā)時，相移式模塊化開關高壓電源輸出的高壓數(shù)值將下降，導致發(fā)射機輸出功率下降，造成目標跟蹤距離的縮短。

2 雷達分系統(tǒng)應對電壓跌落的改進措施

組成雷達的接收和信號處理、測距、數(shù)據(jù)采集、記錄和數(shù)據(jù)處理、主控等系統(tǒng)由于采用UPS供電，在電壓跌落期間能夠正常工作。因此，在電壓跌落期間，只要維持發(fā)射機正常輸出探測脈沖，且雷達天線波束照射到飛行目標，就可以確保電壓跌落期間雷達系統(tǒng)繼續(xù)跟蹤目標。

2.1 伺服分系統(tǒng)改進措施

常見飛行目標對地面站角速度在8°/s以內(nèi)，當天線口徑為10 m時，C波段波束寬度約0.4°，天線靜態(tài)時目標飛出波束需要的時間約為50 ms?？紤]到天線電壓跌落期間功放不再輸出，天線及電機系統(tǒng)處于自由滑行狀態(tài)，故目標飛出天線波束的時間需要100 ms以上。

伺服系統(tǒng)改進的具體思路是：在電壓跌落期間，伺服驅動控制PLC接到功放斷電報警后，維持伺服分系統(tǒng)工作方式不改變、電機不抱閘制動、伺服功放供電的接觸器不分斷，確保伺服系統(tǒng)正常工作。

具體改進方法是：采用雙變換UPS向伺服驅動小功率控制電路、控制保護PLC供電，采用市電向伺服功放主功率電路供電，即圖1中“直流電源”采用UPS提供，而粗實線表示的大功率供電采用市電供應。改進伺服驅動PLC控保邏輯，在伺服功放功率供電中斷告警的100 ms內(nèi)，不發(fā)出電機抱閘及功率供電接觸器關斷指令。當供電中斷100 ms后伺服驅動功放功率供電仍然不恢復，則此時控制功率供電接觸器關斷并直流電機抱閘，防止天線失控撞擊損壞。

2.2 發(fā)射機分機具體改進方法

根據(jù)上文分析和計算結果，只要增加“低壓電容”的容量至47 000 μF左右，則在電壓跌落后就可維持發(fā)射機(47 000/4 700)×13≈130 ms的正常功率輸出。從圖3可知，增加如此巨大容量的電容，如果直接與原電路的電容簡單并聯(lián)，由于充放電的原因，必然會影響到雷達發(fā)射機的正常開關機運行。為此，新增加的電容采取一定的隔離手段，以確保發(fā)射機在各種狀態(tài)下的正常運行。

發(fā)射機的具體改進思路和方法是：為最低限度地改動原發(fā)射機原始線路，新增的抗電壓跌落電容單獨置于一個機柜中，增加獨立的軟啟動和整流電路，新電容器組經(jīng)隔離二極管連接到原來的高壓電源分機中；采用雙變換UPS向發(fā)射機的磁場與反線包電源、鈦泵電源、燈絲電源以及其他機柜冷卻小功率風機供電?？乇７謾CPLC負責發(fā)射機高壓機柜的正常供電和抗跌落電容機柜的開關機工作。獨立配置的抗電壓跌落機柜組成如圖4中灰色框所示。

圖4 發(fā)射機及控保供電

2.3 冷卻系統(tǒng)改進方法

大功率脈沖測量雷達發(fā)射機多采用速調(diào)管作為末級功率放大部件。當速調(diào)管工作時,占很大比例的電子束功率轉變?yōu)闊崮鼙皇占瘶O吸收,致使收集極承受很高的發(fā)熱密度。收集極過熱是引起發(fā)射管壽命降低的重要原因[1]。另外，速調(diào)管體、磁場線圈、水負載、換流器、開關高壓電源內(nèi)部的三相整流半導體以及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開關管等都具有很高的熱流密度。為提高各部件的工作可靠性，均采用一次液體冷卻、二次風冷方式的冷卻系統(tǒng)[2]，如圖5所示。

圖5中，冷卻系統(tǒng)供電也是由大功率供電線路和控制小功率供電線路組成，只要將小功率控制電路和一次冷卻液體泵采用UPS供電，確保發(fā)射機的一次冷卻正常運行，并保持冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)準確及時傳遞至發(fā)射機控保PLC。此時，即使二次冷卻的流量、壓力傳感器發(fā)出告警信號，冷卻系統(tǒng)控制保護PLC將該告警信號屏蔽延遲100 ms上報發(fā)射機PLC處理，就可以維持電壓跌落期間發(fā)射機冷卻系統(tǒng)的正常運行。在延遲處理100 ms內(nèi)，即使二次冷卻停止運行，包括速調(diào)管收集極、速調(diào)管管體、開關高壓電源內(nèi)部IGBT開關管等熱流密度集中的部件由于受一次液體冷卻保護，可確保關鍵部件溫度在安全區(qū)間，保證發(fā)射機正常運行。

圖5 冷卻系統(tǒng)組成

3 低壓電路容量分析及UPS容量選擇

通過對該型C波段大功率脈沖測量雷達發(fā)射機、10 m口徑面天線伺服以及冷卻系統(tǒng)的用電特性和容量分析，低壓電路只用于機柜小容量交流風機驅動以及經(jīng)整流產(chǎn)生低壓直流電源兩種用途。伺服驅動功放內(nèi)部采用大功率市電相位產(chǎn)生六個觸發(fā)脈沖，因此，使用UPS和市電雙電源可以同時向伺服、發(fā)射機及冷卻系統(tǒng)的低壓控制電路和功率電路供電。經(jīng)過核算和測試，伺服、發(fā)射機及冷卻分系統(tǒng)的低壓控制電路、一次液體冷卻泵用電容量如表 1所示。

表1 伺服、發(fā)射機及水冷控制電路容量 VA

受電對象峰值容量穩(wěn)態(tài)容量伺服低壓控制電路3950927發(fā)射機電源及控制電路70006660冷卻系統(tǒng)控制電路15001121一次液體冷卻泵5106019320綜合6351028028

按照UPS用電負荷占比60%估算[6]，上述低壓控制電路選擇一臺120 kW UPS主機、小容量電池組就可確保電壓跌落期間各分系統(tǒng)的正常工作。

4 結束語

采用雙變換UPS向雷達伺服、發(fā)射機低壓控制線路、冷卻系統(tǒng)控制電路及一次冷卻液體泵持續(xù)高質(zhì)量供電后，減少了伺服系統(tǒng)由于電壓跌落造成再次操作等復雜動作，節(jié)約了伺服驅動方位鋼絲軌道軸承供油油泵開機延遲時間；發(fā)射機不再出現(xiàn)由于磁場與反向包電源不正常引起的管體電流過載從而下高壓故障；燈絲電源的供電電壓更加穩(wěn)定，提高了半橋變換器電路的穩(wěn)流性能，使得陰極溫度進一步恒定；磁場與反線包電源將為速調(diào)管聚焦線包提供更加穩(wěn)定的勵磁電流，從而產(chǎn)生更加穩(wěn)定的聚焦磁場，利于發(fā)射機輸出高質(zhì)量射頻信號，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而顯著提高了雷達系統(tǒng)抵抗電壓跌落的能力。

[1] 劉 超, 楊 明, 戴廣明, 等. 新一代高壓大功率緊湊型發(fā)射機設計[J]. 現(xiàn)代雷達, 2014, 36(7): 65-67, 72. Liu Chao, Yang Ming, Dai Guangming, et al. Integrative design of a novel compact high power klystron transmitter[J]. Modern Radar, 2014,36(7): 65-67, 72.

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[5] 鄭 新，李文輝，潘厚忠，等. 雷達發(fā)射機技術[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006. Zheng Xin, Li Wenhui, Pan Houzhong, et al. Technique of radar tranmitter[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[6] 周志敏, 紀愛華, 等. UPS供電系統(tǒng)設計與工程應用實例[M]. 北京:中國電力出版社, 2012. Zhou Zhimin, Ji Aihua, et al. The design and engineering implementation of UPS power supply system[M]. Beijing: China Electrical Power Press, 2012.

王 錄 男，1972年生，碩士，高級工程師。研究方向為雷達伺服系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)供電。

郎定川 男，1962年生，碩士，高級工程師。研究方向為高低壓供配電。

李乃忠 男，1974年生，高級工程師。研究方向為雷達、S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)總體。

劉彥強 男，1974年生，碩士，工程師。研究方向為雷達數(shù)字信號處理。

A Study on the Method of Anti-voltage Sag of High Power Pulse Instrumentation Radar

WANG Lu，LANG Dingchuan，LI Naizhong，LIU Yanqiang

(Jiuquan Satellite Launch Center in China, Lanzhou 732750, China)

According to the protection shutdown problem of high power pulse instrumentation radar caused by alarm of servo, transmitter and forcing water cooling system due to alternation current (AC) power supply voltage sag, the simple description of pulse radar system composition and the corresponding power capacity is presented. A detailed analysis of feasibility to pnuer the servo, transmitter and water cooling system by AC power and uninterrupted power supply (UPS), simultaneously power are specially emphasized. The improvement suggestions of low voltage control circuit and the corresponding control and protection logic of programmable logic controller are put forward to improve the ability of radar system against voltage transient sag.

transmitter; uninterrupted power supply; power; voltage sag; programmable logic controller

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.016

王錄 Email：wanglu139@sohu.com

2015-06-12

2015-09-15

TN957

A

1004-7859(2015)10-0065-04