彭曉星，賈愛鵬，吳民忠，周美慶，劉萬清，蔡恒之

(1.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316000；2.舟山市向海電子科技有限公司，浙江 舟山 316000)

1 雷達(dá)電源供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

船用雷達(dá)是船舶航行的關(guān)鍵設(shè)備，船舶電源接入到雷達(dá)電源后，雷達(dá)正常發(fā)射時(shí)工作電壓300～550 V之間，要求電源必須具有良好的工作穩(wěn)定性和可靠性[1]，才能滿足雷達(dá)長(zhǎng)時(shí)間可靠工作的要求。由于工作環(huán)境惡劣，船舶供電不穩(wěn)定容易引起電壓大幅度變化，對(duì)雷達(dá)安全帶來隱患。穩(wěn)定的船電對(duì)雷達(dá)正常工作和雷達(dá)的各部件使用周期十分重要，顯然船舶在倒車、大風(fēng)浪等特殊情況下無法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供電，此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)被動(dòng)進(jìn)行調(diào)速和調(diào)壓，超出雷達(dá)正常工作時(shí)的負(fù)荷波動(dòng)范圍，脈沖性負(fù)荷反過來會(huì)給船舶電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，容易導(dǎo)致雷達(dá)部件受損。實(shí)驗(yàn)證明，需要設(shè)計(jì)電壓諧波小于5%，頻率穩(wěn)定，工作電壓220 V穩(wěn)定在±1%的電源供電系統(tǒng)，才能確保雷達(dá)電源板正常工作。

事實(shí)上，為了節(jié)省成本，大多數(shù)國(guó)內(nèi)船舶配置的雷達(dá)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)并非針對(duì)雷達(dá)而設(shè)計(jì)，不能完全滿足雷達(dá)電源的維修保障需求，無法高效地完成修復(fù)，為了克服集中式供電系統(tǒng)缺點(diǎn)，當(dāng)前新型雷達(dá)采用分布式供電系統(tǒng)，輸出電壓穩(wěn)定性好，效率高，適應(yīng)性強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，電磁兼容性能優(yōu)越等。然而這種一對(duì)一的供電方式，一旦某個(gè)串聯(lián)的DC-DC模塊故障，就會(huì)直接導(dǎo)致后部負(fù)載無法工作，所以分布式供電的冗余技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，任務(wù)可靠性不高[2]。船舶電力系統(tǒng)逐步電力電子化的過程中，大量的變流設(shè)備產(chǎn)生的諧波導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，導(dǎo)致雷達(dá)工作受到影響,面臨著兼容性、穩(wěn)定性等問題[3]。分析當(dāng)前雷達(dá)電源存在問題，當(dāng)非線性負(fù)載施加正弦波電壓時(shí)， 電流就不是正弦波，產(chǎn)生了諧波。諧波危害的表現(xiàn):影響雷達(dá)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；容易使中性線長(zhǎng)期過熱,損壞絕緣甚至引發(fā)火災(zāi)；諧波過大將會(huì)導(dǎo)致額定工作點(diǎn)的偏移,造成設(shè)備的功能不能正常發(fā)揮,重要部件容易損壞；諧波除使發(fā)電機(jī)過熱外,還會(huì)產(chǎn)生過零點(diǎn)產(chǎn)生位移, 容易引起控制電路的工作不穩(wěn)。這些諧波可能相互疊加，帶有高頻率諧波分量的過電流，可能導(dǎo)致雷達(dá)部件過熱或燒毀。雷達(dá)由非線性負(fù)載與線性負(fù)載組成，二者比率越高，諧波過載的可能性越大。具體分析原因表明，發(fā)射機(jī)容易出現(xiàn)故障時(shí)高壓無法加載，功率不夠?qū)е聸]有回波信號(hào)，接收機(jī)主要是因?yàn)轭l率不穩(wěn)定引起故障，天線主要是因?yàn)榇斑\(yùn)動(dòng)導(dǎo)致馬達(dá)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定引起故障，這些部件正常工作都離不開雷達(dá)電源的穩(wěn)定供電。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)船舶雷達(dá)大量采用日本JRC、FURUNO、歐洲SPERRY、Kelvin Hughes等型號(hào)產(chǎn)品，使用年限過長(zhǎng)，更新成本高昂，這些雷達(dá)自帶電源系統(tǒng)健康度隨電源老化時(shí)間變化整體性能呈現(xiàn)下降的特點(diǎn)，影響雷達(dá)的正常使用，維修中采用的策略是放棄原有雷達(dá)電源部分，改用單獨(dú)的開關(guān)電源系統(tǒng)，只能通過單路AC供電是目前國(guó)內(nèi)外民用雷達(dá)普遍現(xiàn)狀，直流供電雷達(dá)相關(guān)研究少。

2 船用雷達(dá)內(nèi)部電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

雷達(dá)正常工作需要高效穩(wěn)定、易于擴(kuò)展、抗干擾能力強(qiáng)的雷達(dá)電源。在船舶出現(xiàn)失速失控狀態(tài)下船電供電狀態(tài)變化大，此時(shí)船舶雷達(dá)電源要求較高，大多數(shù)船舶采用的開關(guān)穩(wěn)壓電源存在適用電壓變動(dòng)范圍只有±10%、開關(guān)干擾嚴(yán)重、元器件易損、功率小、故障率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等特點(diǎn)，無法適應(yīng)船電變化時(shí)滿足雷達(dá)工作的需求。目前船舶雷達(dá)供電工作過程：當(dāng)船舶定速航行時(shí)，船舶主機(jī)帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)單獨(dú)或與其他發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電；當(dāng)船舶機(jī)動(dòng)航行時(shí)僅由柴油機(jī)發(fā)電供電，此時(shí)雷達(dá)電源來自主配電板。當(dāng)主配電板失電時(shí)，在45 s時(shí)間內(nèi)由蓄電池系統(tǒng)經(jīng)過逆變系統(tǒng)為雷達(dá)設(shè)備供電，45 s后應(yīng)急發(fā)電機(jī)合閘僅向應(yīng)急配電板供電，此時(shí)不向主配電板供電，并且蓄電池停止供電，雷達(dá)由應(yīng)急配電板供電。常用船用雷達(dá)電源一般包含：三相整流電路、濾波電路、橋變換器、高頻變壓器、輸出濾波電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制保護(hù)及均流電路等，為了確保供電不正常情況下電源的儲(chǔ)能，采用超級(jí)電容模塊的兩種儲(chǔ)能方案,從重量、體積、能量利用率、可靠性等方面進(jìn)行比較[4],采用了高可靠性、小體積的優(yōu)選儲(chǔ)能方案,目前船用雷達(dá)電源系統(tǒng)電能變換流程圖見圖1。

圖1 雷達(dá)內(nèi)部電源電能變換和傳遞流程

電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程框圖見圖2，對(duì)于在航行中的船舶，雷達(dá)、電羅經(jīng)等設(shè)備直接使用交流電工作，這些設(shè)備需要始終處于工作狀態(tài)，如果船舶穩(wěn)定正常定速航行，軸帶發(fā)電機(jī)供電電壓正常穩(wěn)定，雷達(dá)等大功率通導(dǎo)設(shè)備正常工作，在船舶進(jìn)出港口時(shí)一旦低速航行、或者沿海密集航區(qū)相互避讓、拋錨前等特殊環(huán)境下，造成船電供電電壓發(fā)生大范圍的波動(dòng)，引起雷達(dá)自帶電源系統(tǒng)故障,從而對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)工作產(chǎn)生影響,就會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)等導(dǎo)航設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果，因此雷達(dá)的故障大多是與電源相關(guān)[5]。

圖2 電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

如果希望避免船舶主機(jī)不能正常供電時(shí)可能給雷達(dá)等設(shè)備造成損壞，只能保持船舶輔機(jī)一直供電，從能耗角度來講是不合理的，并且也無法保證始終穩(wěn)定在220 V供電。多年的維修案例統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，電源電壓不正常造成雷達(dá)設(shè)備受損概率為40%左右。

根據(jù)電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程框圖，對(duì)于在航行中船舶穩(wěn)定正常定速航行，軸帶發(fā)電機(jī)供電電壓正常穩(wěn)定，軸帶發(fā)電機(jī)主機(jī)對(duì)主配電板供電，經(jīng)交流穩(wěn)壓?jiǎn)卧醪椒€(wěn)壓后實(shí)現(xiàn)內(nèi)部AC110 V穩(wěn)壓輸出和內(nèi)部AC220 V穩(wěn)壓輸出，并通過并聯(lián)雙路穩(wěn)壓AC-DC電路、橋式整流電路、開關(guān)電源DC-AC電路輸出至雷達(dá)穩(wěn)定供電AC220 V。當(dāng)主配電板失電時(shí)，電子開關(guān)啟動(dòng)船電蓄電池經(jīng)過橋式整流電路、開關(guān)電源DC-AC電路為雷達(dá)設(shè)備供電。

3 船用高穩(wěn)定電源系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

為了得到穩(wěn)定的交流輸出電壓，在充分考慮船舶通信導(dǎo)航設(shè)備之間的電磁兼容設(shè)計(jì)， 在電源輸入端大功率濾波器抑止高次諧波，輸入和輸出的電源線上外加鐵氧體磁環(huán)，用于抑制線內(nèi)的高頻共模和減小電源線輻射能量，芯片和開關(guān)管加裝去耦電容，輸入的交流、輸入直流、輸出交流分開走線，減少輸入輸出產(chǎn)生的電磁耦合，屏蔽整改措施后,最終解決了輻射發(fā)射的問題。根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)的流程框圖見圖3，采用交流電和應(yīng)急電源相互補(bǔ)償?shù)姆绞?，充分考慮全船電網(wǎng)失電等極限情況下輸出電壓的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)而成，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室反復(fù)測(cè)試效果良好。

圖3 雷達(dá)電源供電系統(tǒng)的流程

電源供電系統(tǒng)的電路工作過程：主、副發(fā)電機(jī)輸入端J1與交流穩(wěn)壓?jiǎn)卧噙B，輸入端J1與交流穩(wěn)壓?jiǎn)卧g設(shè)有AC開關(guān)SW1、SW2，當(dāng)SW1閉合時(shí)，SW2打開，此時(shí)主發(fā)電機(jī)提供交流輸入電壓，當(dāng)SW1打開時(shí)，SW2閉合，此時(shí)副發(fā)電機(jī)提供交流輸入電壓，由于電壓波動(dòng)大，通過交流穩(wěn)壓?jiǎn)卧€(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的AC110 V和AC220 V，滿足雷達(dá)內(nèi)部供電要求，交流穩(wěn)壓?jiǎn)卧c并聯(lián)雙路穩(wěn)壓AC-DC單元相連，并聯(lián)雙路穩(wěn)壓AC-DC單元經(jīng)整流橋與開關(guān)電源DC-AC單元相連，當(dāng)檢測(cè)到交流電供電不正常時(shí)，DC24電源提供備用電源，開關(guān)電源DC-AC單元經(jīng)繼電器K6與雷達(dá)相連，船舶穩(wěn)定正常定速航行時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)供電電壓正常穩(wěn)定，交流電壓經(jīng)初步交流穩(wěn)壓、AC-DC穩(wěn)壓、整流、DC-AC逆變后供給雷達(dá)。

船電輸入端經(jīng)整流橋與開關(guān)電源DC-AC單元相連，船電輸入端與整流橋間設(shè)有電子開關(guān)SW3，當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)供電電壓低于額定范圍時(shí)或者主機(jī)副機(jī)換電時(shí)或者其他情況導(dǎo)致非正常斷電時(shí)，電子開關(guān)SW3自動(dòng)啟動(dòng)船舶蓄電池提供的直流電進(jìn)行整流、DC-AC逆變提供保證雷達(dá)設(shè)備工作的持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)交流電再次正常供電，在10 s內(nèi)直流供電將自動(dòng)切斷供電。

4 電源系統(tǒng)成型產(chǎn)品及測(cè)試結(jié)果

設(shè)計(jì)完成的電源系統(tǒng)，首先綜合考慮電磁兼容進(jìn)行設(shè)計(jì),包括屏蔽信號(hào)處理、穩(wěn)定接地、合理散熱布置、防振動(dòng)和防沖擊等方面的因素，同時(shí)針對(duì)船舶環(huán)境特別要求在濕熱、鹽霧影響、霉菌等方面進(jìn)行測(cè)試。利用船舶穩(wěn)定航行時(shí)由軸帶發(fā)電機(jī)提供交流供電，經(jīng)過本電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后為雷達(dá)提供供電，起到環(huán)保節(jié)能作用，電源系統(tǒng)使用的相互補(bǔ)償機(jī)制實(shí)現(xiàn)不間斷穩(wěn)定供電，即使船舶AC供電電壓不斷變化，實(shí)踐證明供電電壓變化范圍在90～280 V之間，也能實(shí)現(xiàn)為雷達(dá)提供穩(wěn)定可靠的220 V交流電，為了防止船舶換電過程中經(jīng)常產(chǎn)生短暫斷電，造成雷達(dá)設(shè)備損壞的情況，該電源系統(tǒng)還利用船舶提供的24 V直流電進(jìn)行逆變提供保證設(shè)備工作的持續(xù)進(jìn)行。產(chǎn)品外觀見圖4，成型產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，并在多艘船舶實(shí)際使用。

圖4 雷達(dá)電源供電系統(tǒng)成型產(chǎn)品

產(chǎn)品經(jīng)過基于專家系統(tǒng)的故障樹測(cè)試法對(duì)雷達(dá)電源的故障診斷分析和檢測(cè)，完全滿足兩臺(tái)30 kW大功率雷達(dá)同時(shí)工作時(shí)電源穩(wěn)定工作的需求，解決了一直以來困擾船舶雷達(dá)穩(wěn)定工作的供電問題，所設(shè)計(jì)電源達(dá)到以下設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

1)適用電壓范圍：輸入電壓在AC90～280 V之間工作，電源輸出穩(wěn)定為220 V±1.5%。

2)使用實(shí)際雷達(dá)進(jìn)行測(cè)試，在輸入電壓為90 V時(shí)，交流電流為3.4 A,平均功耗為0.3 kW；在輸入電壓為245 V時(shí)，交流電流為1.1 A,平均功耗為0.24 kW。

3)目前航行船舶主機(jī)輔機(jī)換電時(shí)，影響到雷達(dá)通信導(dǎo)航設(shè)備工作，正常情況下由輪機(jī)員通知駕駛員關(guān)機(jī)，以保證設(shè)備不會(huì)損壞，此電源則可以自動(dòng)切換到直流供電，確保設(shè)備維持到更換新的供電方式，特別是大多數(shù)情況下非正常斷電，以及輪機(jī)員沒有及時(shí)通知駕駛員斷電等情況下，設(shè)計(jì)電源提供了一種保護(hù)方案。

4)當(dāng)交流電壓低于90 V或者意外斷電時(shí)，應(yīng)急電源會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)24 V直流電工作，通過逆變器進(jìn)行DC-AC轉(zhuǎn)換，直至正常供電，確保輸出電壓220 V正常穩(wěn)定。

5)電磁兼容性能檢測(cè)可靠、屏蔽效果良好，加裝磁環(huán)和陶瓷電容，增加RC吸收電路，吸收浪涌電壓，對(duì)抑制0.3G～30G Hz噪聲有效。

6)在極限情況下，當(dāng)交流電壓斷開，由蓄電池直流電為一臺(tái)雷達(dá)供電時(shí)，電流15 A左右，當(dāng)交流電再次正常供電，在10 s內(nèi)直流供電將自動(dòng)切斷，由交流電供電。

5 結(jié)論

船員對(duì)航海雷達(dá)有全天候的依賴，維修時(shí)往往是多種故障并存且相互影響，雷達(dá)自帶電源系統(tǒng)只能處理交流供電，故障也主要是供電不穩(wěn)定造成的損壞。在設(shè)計(jì)的電源系統(tǒng)中增加去偶電路和濾波器，減少噪音達(dá)到理想的濾波效果，產(chǎn)品通過實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證和實(shí)際船舶試用，產(chǎn)品的性能得到船員的實(shí)際認(rèn)可。在船電大幅波動(dòng)情況下雷達(dá)工作性能下降、故障率變高，新的電源系統(tǒng)能夠克服船電頻率波動(dòng)大，減少調(diào)速器故障率，抑制噪音電流、降低電磁輻射等問題，同時(shí)解決了船電頻率偏低時(shí)電功率不足，雷達(dá)馬達(dá)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，造成雷達(dá)發(fā)射機(jī)自動(dòng)保護(hù)進(jìn)而停止工作的業(yè)界難題，通過交直流交替供電起到延長(zhǎng)雷達(dá)重要部件使用壽命、能確保多臺(tái)大功率雷達(dá)同時(shí)穩(wěn)定工作，特別是適合電壓波動(dòng)范圍較大的軍艦、漁船等船舶通導(dǎo)設(shè)備的工作需要。