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        應(yīng)用于雷達(dá)發(fā)射機(jī)的小型化三相變頻電源設(shè)計(jì)

        2018-10-23 05:37:40
        艦船電子工程 2018年10期
        關(guān)鍵詞:交流電框圖發(fā)射機(jī)

        楊 亮

        (中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 揚(yáng)州 225100)

        1 引言

        傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)中行波管必須要在高壓下才能工作,高壓可由旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組與中頻變壓器產(chǎn)生,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí),存在體積大、效率低、噪音大、故障率高及影響船電質(zhì)量等問題,已滿足不了目前的使用要求,而改造為固態(tài)發(fā)射機(jī)的成本造價(jià)較高,所以選擇對(duì)行波管的器件和供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以延長(zhǎng)雷達(dá)的使用時(shí)間,增加系統(tǒng)的可靠性。

        本文設(shè)計(jì)介紹一種小型化三相變頻電源,將單相交流電轉(zhuǎn)換為諧波含量低、頻率固定的三相交流400Hz。該變頻電源可直接替換原有變頻機(jī)組,并安裝于發(fā)射機(jī)內(nèi)部,具有體積小、保護(hù)功能全與可靠性高等優(yōu)點(diǎn),可適用于工業(yè)、國(guó)防、航海等場(chǎng)合。

        下面從雷達(dá)發(fā)射機(jī)供電架構(gòu)、變頻電源的工作原理、電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)等方面進(jìn)行介紹。

        2 雷達(dá)發(fā)射機(jī)供電架構(gòu)

        雷達(dá)發(fā)射機(jī)通常分為固態(tài)與真空管兩大類[1],固態(tài)發(fā)射機(jī)的供電架構(gòu)如圖1所示,一種是接收方式與真空管發(fā)射機(jī)類似,發(fā)射端用固態(tài)功率放大器替代真空管,通常采用多模塊并聯(lián)的隔離DC-DC電源供電;另一種是應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)的固態(tài)T/R組件[2],單個(gè)組件電源由兩級(jí)式DC-DC模塊構(gòu)成,根據(jù)陣面類型的不同,中間級(jí)直流母線可分為高電壓或低電壓。

        而真空管雷達(dá)發(fā)射機(jī)中以行波管的應(yīng)用較為廣泛,其供電架構(gòu)如圖2所示,行波管除配有鈦泵電源、燈絲電源及調(diào)制器電源[3]外,還需有關(guān)鍵的陰極電源和收集極電源,其供電方式有兩種,一種是三相交流電經(jīng)整流后直接進(jìn)行DC-DC變換,輸出穩(wěn)壓式和非穩(wěn)壓式的高電壓,為降低變換器的匝比,輸入電壓一般為三相380V的交流電;另一種是首先將單相/三相50Hz交流電變換成三相中頻400Hz交流電,可采用變頻機(jī)組或三相變頻電源方式得到,再經(jīng)高壓隔離變壓器油箱得到不穩(wěn)壓的收集極電源,低壓穩(wěn)壓開關(guān)電源浮在高壓端給陰極供電,在中小功率場(chǎng)合,采用三相變頻電源方式不需要輸入三相交流電,供電方式較為靈活。

        從供電架構(gòu)方式比較兩種雷達(dá)發(fā)射機(jī),可以得到:固態(tài)發(fā)射機(jī)屬于低電壓大電流類型,對(duì)電源的紋波電壓、功率密度、時(shí)序控制、散熱設(shè)計(jì)及可靠性要求較高,具有體積小、重量輕、效率高及可維修性高等特點(diǎn);行波管發(fā)射機(jī)屬于高電壓小電流類型,對(duì)電源的高壓絕緣、抗打火性能及安全防護(hù)要求較高,存在占用體積大、效率低及預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn),造價(jià)相比固態(tài)發(fā)射機(jī)較低。

        圖1 固態(tài)發(fā)射機(jī)的供電架構(gòu)框圖

        圖2 行波管發(fā)射機(jī)的供電架構(gòu)框圖

        3 變頻電源工作原理

        結(jié)合上節(jié)的供電架構(gòu)分析,本節(jié)重點(diǎn)介紹替代變頻機(jī)組的三相變頻電源的工作原理。該變頻電源主電路為兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中,前級(jí)整流(AC-DC)采用單相有源功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)[4~5],有利于降低輸入電流總諧波含量(THD);后級(jí)逆變(DC-AC)為三相橋式非隔離型拓?fù)洌?],有利于減小整個(gè)電源體積,可安裝于發(fā)射機(jī)內(nèi)部。

        整個(gè)變頻電源的原理框圖如圖3所示。單相交流電220V/50Hz先通過EMI濾波器,濾除電網(wǎng)中的干擾,再經(jīng)過強(qiáng)電控制部分控制加電時(shí)序,來減小開機(jī)時(shí)的浪涌電流;處理控制部分通過信號(hào)采集與算法處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)電源加斷電、PFC以及逆變器的控制;功率變換電路輸出三相三線制115V/400Hz的交流電。

        圖3 變頻電源原理框圖

        4 變頻電源電路設(shè)計(jì)

        4.1 功率變換電路設(shè)計(jì)

        功率變換電路主要完成AC-DC-AC的轉(zhuǎn)換,包含前級(jí)PFC、后級(jí)逆變器和濾波器等三個(gè)方面,詳細(xì)原理框圖如圖4所示。

        圖4 功率變換電路原理框圖

        基于小型化設(shè)計(jì)考慮,選擇高功率密度諧波電流抑制(PFHC)模塊作為前級(jí)整流。模塊輸入為單相交流220V/50Hz,輸出的直流360V作為三相橋式逆變器的母線電壓。由于本文設(shè)計(jì)電源功率為2kW,選擇3個(gè)1kW的PFHC模塊并聯(lián)冗余運(yùn)行,其具有高度低、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),方便裝入電源內(nèi)部貼底散熱。

        三相橋式逆變器選用將功率管和驅(qū)動(dòng)電路集于一起的IPM模塊[7],其有耐壓高、導(dǎo)通電流大、輸入阻抗高、保護(hù)功能全以及驅(qū)動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn),增強(qiáng)了電源的可靠性??刂齐娐钒l(fā)出的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)信號(hào)經(jīng)光耦隔離電路進(jìn)行處理后送入IPM模塊,其中四路小型DC-DC電源分別給驅(qū)動(dòng)電路供電,IPM模塊輸出接三相LC低通濾波器,輸出三相115V/400Hz的交流電。

        4.2 控制電路設(shè)計(jì)

        控制電路包含強(qiáng)電控制、處理控制與信號(hào)采集等三個(gè)方面。

        強(qiáng)電控制部分通過控制與保護(hù)電路控制其內(nèi)部的繼電器和交流接觸器,從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電從輸入到功率變換電路的通斷。

        信號(hào)采集部分所要采集的信號(hào)有單相交流輸入電壓與電流、中間母線電容電壓、逆變器輸出電感電流以及輸出三相電壓。

        處理控制是整個(gè)電源的控制核心,其原理框圖如圖5所示,工作原理如下。

        圖5 處理控制原理框圖

        輸入信號(hào)調(diào)理電路對(duì)所采集的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行處理,送入單片微處理器(MCU);MCU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源工作狀態(tài),通過控制與保護(hù)電路實(shí)施電源的加斷電控制與故障保護(hù),并支持對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行顯示與線設(shè)置輸出電壓值;復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)作為三相400Hz正弦波和12kHz方波基準(zhǔn)發(fā)生器,正弦波發(fā)出幅值受輸入信號(hào)反饋值控制;控制與保護(hù)電路依據(jù)MCU控制指令控制PFC、CPLD與強(qiáng)電控制模塊是否使能。

        圖6 逆變器控制系統(tǒng)框圖

        其中,Varef指A相設(shè)定基準(zhǔn)電壓;Varms、Iarms分別指A相輸出電壓、電流有效值;Iaref指A相基準(zhǔn)電流;Ia表示A相輸出電感電流;k1、k2分別為比例系數(shù)。

        三相橋式逆變器采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的平均電流控制方式[8~10],以A相為例,控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路將基準(zhǔn)電壓Varef與反饋電壓Va進(jìn)行硬件PI調(diào)節(jié)得到電流基準(zhǔn)Iaref,并與反饋電流Ia進(jìn)行硬件PI調(diào)節(jié),所得信號(hào)與12kHz方波轉(zhuǎn)變成的三角波信號(hào)比較,生成SPWM脈沖信號(hào),完成逆變器閉環(huán)控制[11],電壓前饋k1Varms增加負(fù)載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[12],帶沖擊性負(fù)載時(shí),通過電流前饋(k2Iarms)實(shí)現(xiàn)限流功能。

        5 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

        前面詳細(xì)介紹了電源的工作原理、功率電路與控制電路的設(shè)計(jì),本節(jié)結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的可行性。

        本文設(shè)計(jì)參數(shù)如下:輸入單相電壓Vin=220V,輸出功率Po=2kW,輸出電壓Vo=115V,輸出頻率fo=400Hz。

        考慮到留有余量,帶阻性負(fù)載2.5kW進(jìn)行測(cè)試,圖7為空載啟動(dòng)與關(guān)斷的A相輸出電壓波形,軟啟動(dòng)時(shí)間約2s,輸出電壓在關(guān)斷時(shí)無過沖,圖8為滿載下的A相輸出電壓波形,測(cè)得電壓諧波含量低至1.5%,頻率為400.1Hz。圖9為滿載下的輸入電壓與電流波,受輸入電網(wǎng)電壓畸變影響,測(cè)得電流諧波含量為5.5%,功率因數(shù)可達(dá)0.99,相比原有旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組在工作時(shí)的輸入諧波含量達(dá)到30%,諧波抑制效果明顯,實(shí)驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

        圖7 空載啟動(dòng)與關(guān)斷時(shí)A相輸出電壓波形

        圖8 滿載下A相輸出電壓與電流波形

        圖9 滿載下輸入電壓與電流波形

        6 結(jié)語

        該設(shè)計(jì)產(chǎn)品已安裝在雷達(dá)發(fā)射機(jī)中,長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,實(shí)際驗(yàn)證表明電源具有良好的保護(hù)功能,可靠性和環(huán)境適應(yīng)性高,滿足雷達(dá)發(fā)射機(jī)使用要求。后續(xù)考慮提高開關(guān)頻率,提高功率密度,進(jìn)一步減小整個(gè)變頻電源的體積。

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