大功率脈沖測(cè)量雷達(dá)應(yīng)對(duì)電壓跌落方法研究

王 錄，郎定川，李乃忠，劉彥強(qiáng)

(中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心， 蘭州 732750)

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大功率脈沖測(cè)量雷達(dá)應(yīng)對(duì)電壓跌落方法研究

王 錄，郎定川，李乃忠，劉彥強(qiáng)

(中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心， 蘭州 732750)

針對(duì)交流電源短暫電壓跌落引起市電直供的大功率脈沖測(cè)量雷達(dá)伺服、發(fā)射機(jī)和水冷系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)的問(wèn)題，敘述了雷達(dá)系統(tǒng)組成及對(duì)應(yīng)功率容量。分析了采用雙變換不間斷電源和市電同時(shí)向伺服系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)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(jìn)分機(jī)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(dá)系統(tǒng)抵抗電壓短暫跌落的能力。

發(fā)射機(jī); 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(cè)量雷達(dá)一般由發(fā)射、接收和信號(hào)處理、天伺饋、測(cè)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(hào)處理、測(cè)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(hào)處理及控制過(guò)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(duì)輸入市電進(jìn)行濾波、整流和交流再生，因此，以上各分系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)電壓跌落、浪涌、欠壓、過(guò)壓、頻率波動(dòng)、切換瞬變、諧波失真等各類(lèi)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(yùn)行。

雷達(dá)發(fā)射機(jī)和伺服系統(tǒng)的指標(biāo)和性能，直接關(guān)系到雷達(dá)作用距離和跟蹤快速目標(biāo)的能力，在條件允許的前提下，要求發(fā)射機(jī)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(shí)要求雷達(dá)天饋系統(tǒng)大口徑面天線方位、俯仰角速度分別達(dá)到40°/s、20°/s?；谝陨闲阅芤?，雷達(dá)發(fā)射機(jī)整機(jī)消耗平均功率近100 kW，其對(duì)應(yīng)的冷卻系統(tǒng)(包括液體泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等)安裝容量也近100 kW，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率放大器安裝容量也近300 kW，故雷達(dá)伺服、發(fā)射機(jī)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(gè)波形的電壓跌落，將直接引起雷達(dá)發(fā)射機(jī)、伺服報(bào)警甚至停機(jī)，影響雷達(dá)系統(tǒng)的正常工作。

1 電壓跌落造成雷達(dá)分系統(tǒng)停機(jī)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(shí)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(gè)至數(shù)個(gè)電網(wǎng)波形時(shí)間后又恢復(fù)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(shí)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(hào)處理、測(cè)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(huì)造成雷達(dá)停機(jī)。但采用市電直供的雷達(dá)發(fā)射機(jī)、伺服及冷卻系統(tǒng)，由于其內(nèi)部低壓控制電路監(jiān)測(cè)到供電中斷或其他小功率部件狀態(tài)發(fā)生變化導(dǎo)致控保邏輯報(bào)警，將造成雷達(dá)關(guān)鍵分系統(tǒng)保護(hù)停機(jī)，直接影

響目標(biāo)的正常跟蹤測(cè)量。

1.1 電壓跌落引起伺服分系統(tǒng)功放保護(hù)停機(jī)

圖1 雷達(dá)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(shí)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(hào)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(hù)”電路采用三相整流方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hù)”電路向伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制PLC報(bào)警，伺服安全保護(hù)控制PLC即下達(dá)指令，關(guān)閉向功率放大器供電的“交流接觸器”，同時(shí)掉電釋放直流電機(jī)“制動(dòng)器”，使其抱閘，造成雷達(dá)天線停止轉(zhuǎn)動(dòng)，不能正常跟蹤移動(dòng)目標(biāo)。

1.2 電壓跌落引起發(fā)射機(jī)高壓電源、速調(diào)管保護(hù)停機(jī)

C波段大功率脈沖測(cè)量雷達(dá)發(fā)射機(jī)多采用主振放大式，由前級(jí)固態(tài)放大器、末級(jí)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(kāi)關(guān)高壓電源、磁場(chǎng)電源、控制保護(hù)、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(chǎng)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(lì)磁電流，用于產(chǎn)生聚焦磁場(chǎng)，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(jié)構(gòu)的衡流電路，電路帶軟啟動(dòng)功能，穩(wěn)流輸出使得陰極溫度更加恒定，從而減小了對(duì)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(gè)電源波動(dòng)，不穩(wěn)定的磁場(chǎng)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(bào)警，從而引起發(fā)射機(jī)保護(hù)停機(jī)。

圖2 發(fā)射機(jī)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(dān)了發(fā)射機(jī)近100 kW平均功率的輸出，它由三個(gè)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(gè)高壓逆變模塊。

圖3 發(fā)射機(jī)高壓電源組成框圖

從圖3原理可知，相移式模塊化開(kāi)關(guān)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(jí)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(jī)柜空間、設(shè)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(jī)滿(mǎn)功率工作大約11 ms。計(jì)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(jí)諧振逆變模塊的正常工作。此處計(jì)算電容電壓降至400 V時(shí)維持發(fā)射機(jī)滿(mǎn)功率輸出的時(shí)間(以單個(gè)整流逆變升壓模塊為例)。理想情況下，“低壓電容”存儲(chǔ)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(kù)水位存在較強(qiáng)相關(guān)性。D2、D1相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)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(guò)2016年外部變形監(jiān)測(cè)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(guān)系數(shù)正值形成鮮明對(duì)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(shè)計(jì)數(shù)值為4 700 μF；P為單個(gè)升壓逆變模塊分擔(dān)發(fā)射機(jī)的平均功率，取18 kW；t為“低壓電容”維持發(fā)射機(jī)滿(mǎn)功率輸出時(shí)間。

當(dāng)電壓跌落持續(xù)時(shí)間超過(guò)11 ms，且速調(diào)管其余保護(hù)功能未觸發(fā)時(shí)，相移式模塊化開(kāi)關(guān)高壓電源輸出的高壓數(shù)值將下降，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)輸出功率下降，造成目標(biāo)跟蹤距離的縮短。

2 雷達(dá)分系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電壓跌落的改進(jìn)措施

組成雷達(dá)的接收和信號(hào)處理、測(cè)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(jī)正常輸出探測(cè)脈沖，且雷達(dá)天線波束照射到飛行目標(biāo)，就可以確保電壓跌落期間雷達(dá)系統(tǒng)繼續(xù)跟蹤目標(biāo)。

2.1 伺服分系統(tǒng)改進(jìn)措施

常見(jiàn)飛行目標(biāo)對(duì)地面站角速度在8°/s以?xún)?nèi)，當(dāng)天線口徑為10 m時(shí)，C波段波束寬度約0.4°，天線靜態(tài)時(shí)目標(biāo)飛出波束需要的時(shí)間約為50 ms。考慮到天線電壓跌落期間功放不再輸出，天線及電機(jī)系統(tǒng)處于自由滑行狀態(tài)，故目標(biāo)飛出天線波束的時(shí)間需要100 ms以上。

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

具體改進(jìn)方法是：采用雙變換UPS向伺服驅(qū)動(dòng)小功率控制電路、控制保護(hù)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(shí)線表示的大功率供電采用市電供應(yīng)。改進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)抱閘及功率供電接觸器關(guān)斷指令。當(dāng)供電中斷100 ms后伺服驅(qū)動(dòng)功放功率供電仍然不恢復(fù)，則此時(shí)控制功率供電接觸器關(guān)斷并直流電機(jī)抱閘，防止天線失控撞擊損壞。

2.2 發(fā)射機(jī)分機(jī)具體改進(jìn)方法

根據(jù)上文分析和計(jì)算結(jié)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(jī)(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(jiǎn)單并聯(lián)，由于充放電的原因，必然會(huì)影響到雷達(dá)發(fā)射機(jī)的正常開(kāi)關(guān)機(jī)運(yùn)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(jī)在各種狀態(tài)下的正常運(yùn)行。

發(fā)射機(jī)的具體改進(jìn)思路和方法是：為最低限度地改動(dòng)原發(fā)射機(jī)原始線路，新增的抗電壓跌落電容單獨(dú)置于一個(gè)機(jī)柜中，增加獨(dú)立的軟啟動(dòng)和整流電路，新電容器組經(jīng)隔離二極管連接到原來(lái)的高壓電源分機(jī)中；采用雙變換UPS向發(fā)射機(jī)的磁場(chǎng)與反線包電源、鈦泵電源、燈絲電源以及其他機(jī)柜冷卻小功率風(fēng)機(jī)供電?？乇７謾C(jī)PLC負(fù)責(zé)發(fā)射機(jī)高壓機(jī)柜的正常供電和抗跌落電容機(jī)柜的開(kāi)關(guān)機(jī)工作。獨(dú)立配置的抗電壓跌落機(jī)柜組成如圖4中灰色框所示。

圖4 發(fā)射機(jī)及控保供電

2.3 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)方法

大功率脈沖測(cè)量雷達(dá)發(fā)射機(jī)多采用速調(diào)管作為末級(jí)功率放大部件。當(dāng)速調(diào)管工作時(shí),占很大比例的電子束功率轉(zhuǎn)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(guò)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(chǎng)線圈、水負(fù)載、換流器、開(kāi)關(guān)高壓電源內(nèi)部的三相整流半導(dǎo)體以及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)開(kāi)關(guān)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(fēng)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(jī)的一次冷卻正常運(yùn)行，并保持冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)準(zhǔn)確及時(shí)傳遞至發(fā)射機(jī)控保PLC。此時(shí)，即使二次冷卻的流量、壓力傳感器發(fā)出告警信號(hào)，冷卻系統(tǒng)控制保護(hù)PLC將該告警信號(hào)屏蔽延遲100 ms上報(bào)發(fā)射機(jī)PLC處理，就可以維持電壓跌落期間發(fā)射機(jī)冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在延遲處理100 ms內(nèi)，即使二次冷卻停止運(yùn)行，包括速調(diào)管收集極、速調(diào)管管體、開(kāi)關(guān)高壓電源內(nèi)部IGBT開(kāi)關(guān)管等熱流密度集中的部件由于受一次液體冷卻保護(hù)，可確保關(guān)鍵部件溫度在安全區(qū)間，保證發(fā)射機(jī)正常運(yùn)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(guò)對(duì)該型C波段大功率脈沖測(cè)量雷達(dá)發(fā)射機(jī)、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(jī)柜小容量交流風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)以及經(jīng)整流產(chǎn)生低壓直流電源兩種用途。伺服驅(qū)動(dòng)功放內(nèi)部采用大功率市電相位產(chǎn)生六個(gè)觸發(fā)脈沖，因此，使用UPS和市電雙電源可以同時(shí)向伺服、發(fā)射機(jī)及冷卻系統(tǒng)的低壓控制電路和功率電路供電。經(jīng)過(guò)核算和測(cè)試，伺服、發(fā)射機(jī)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(jī)及水冷控制電路容量 VA

受電對(duì)象峰值容量穩(wěn)態(tài)容量伺服低壓控制電路3950927發(fā)射機(jī)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(fù)荷占比60%估算[6]，上述低壓控制電路選擇一臺(tái)120 kW UPS主機(jī)、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(jié)束語(yǔ)

采用雙變換UPS向雷達(dá)伺服、發(fā)射機(jī)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(fù)雜動(dòng)作，節(jié)約了伺服驅(qū)動(dòng)方位鋼絲軌道軸承供油油泵開(kāi)機(jī)延遲時(shí)間；發(fā)射機(jī)不再出現(xiàn)由于磁場(chǎng)與反向包電源不正常引起的管體電流過(guò)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(jìn)一步恒定；磁場(chǎng)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(lì)磁電流，從而產(chǎn)生更加穩(wěn)定的聚焦磁場(chǎng)，利于發(fā)射機(jī)輸出高質(zhì)量射頻信號(hào)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而顯著提高了雷達(dá)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(jī)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 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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王 錄 男，1972年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)伺服系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)供電。

郎定川 男，1962年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楦叩蛪汗┡潆姟?/p>

李乃忠 男，1974年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)、S波段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)總體。

劉彥強(qiáng) 男，1974年生，碩士，工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)數(shù)字信號(hào)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