一種現(xiàn)代雷達(dá)非線性脈沖特性的模擬裝置

李 鍇，李建科，季少衛(wèi)，王春明，邢 鳴，龐玲玉

(1. 解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院, 南京 210007； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)(3. 江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

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·仿真技術(shù)·

一種現(xiàn)代雷達(dá)非線性脈沖特性的模擬裝置

李 鍇1，李建科1，季少衛(wèi)2，王春明1，邢 鳴3，龐玲玉3

(1. 解放軍理工大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院, 南京 210007； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 南京 210039)(3. 江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

雷達(dá)中含有大量非線性元件，工作時(shí)呈連續(xù)脈沖特性，增加了選配電源的難度。文中提出一種連續(xù)脈沖模擬裝置，將復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為整流器模塊、直流開關(guān)模塊、負(fù)載模塊，利用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)控制多組電阻負(fù)載的投切模擬脈沖負(fù)載的功率突變，通過設(shè)置直流開關(guān)的觸發(fā)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的開關(guān)周期與占空比，還通過改變接入電路的電阻組數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的脈沖負(fù)載峰值功率，并以濾波電容C、導(dǎo)通時(shí)間TS、占空比D、功率PL四個(gè)參數(shù)表示雷達(dá)脈沖負(fù)載，分析了裝置工作原理，設(shè)計(jì)了控制電路，研制了實(shí)物裝置，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了連續(xù)脈沖模擬裝置的工作特性。

雷達(dá)；脈沖負(fù)載；柴油發(fā)電機(jī)組；功率匹配

0 引 言

雷達(dá)是利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子裝備，現(xiàn)代雷達(dá)普遍采用相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)以提高雷達(dá)性能。相控陣?yán)走_(dá)采用有源電子掃描陣列和大功率電源代替普通雷達(dá)中發(fā)射機(jī)和天線兩功能部件[1-2]，使用大量微波集成電路，取代原來(lái)的高壓速調(diào)管和行波管。由于大量采用收/發(fā)(T/R)組件[3]，供電電源系統(tǒng)必須滿足中電壓、大電流、高穩(wěn)定度、高可靠性、且能夠適應(yīng)模塊化結(jié)構(gòu)等要求，且T/R組件在正常工作時(shí)消耗的功率并不均勻，呈脈沖特性，表現(xiàn)為平均功率較低，但峰值功率較大。為T/R組件供電的開關(guān)電源通常為電容濾波的開關(guān)電源[4]，由于體積限制，電容不可能無(wú)限大，組件的脈沖工作特性將導(dǎo)致開關(guān)電源的輸出電壓發(fā)生波動(dòng)，輸出電流以一定的周期呈脈沖特性。在一個(gè)周期中，當(dāng)組件的脈沖功率來(lái)臨時(shí)，首先由開關(guān)電源的電容對(duì)負(fù)載放電，直流電壓開始下降，由于電容電量有限，一段時(shí)間后，二次電源從交流側(cè)吸收電能，當(dāng)脈沖功率結(jié)束時(shí)，開關(guān)電源的電容開始蓄能，直流電壓開始上升。組件的連續(xù)脈沖特性經(jīng)過開關(guān)電源反映在交流側(cè)，而開關(guān)電源是非線性設(shè)備，因此，雷達(dá)負(fù)載系統(tǒng)可認(rèn)為具有連續(xù)非線性脈沖特性。雷達(dá)正常運(yùn)行時(shí)的功率突變對(duì)供電電源形成反復(fù)加載與卸載作用，引起輸電線路中電流大幅頻繁變化，影響電力系統(tǒng)中電源的輸出特性，因此，含脈沖負(fù)載的供電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性與普遍發(fā)供電系統(tǒng)有很大不同[5-6]。

雷達(dá)系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是以一定周期工作，而占空比隨負(fù)載工作狀態(tài)的改變而變化，如一種野戰(zhàn)雷達(dá)負(fù)載，其電源為移動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組，雷達(dá)負(fù)載工作周期固定，占空比隨雷達(dá)工作狀態(tài)的不同而變動(dòng)。采用柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，由于機(jī)組容量小、內(nèi)阻抗大，非線性負(fù)載產(chǎn)生的畸變電流在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生諧波磁場(chǎng)，造成磁場(chǎng)畸變，一方面影響電磁轉(zhuǎn)矩[6]，并通過機(jī)械轉(zhuǎn)矩影響原動(dòng)機(jī)，造成原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，引起頻率波動(dòng)；另一方面造成電壓畸變[7]，畸變的電壓將影響不規(guī)則脈沖負(fù)載的運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致電流畸變更加嚴(yán)重，形成惡性循環(huán)，最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法工作[8]。例如，某裝備設(shè)計(jì)中采用一臺(tái)150 kW的柴油發(fā)電機(jī)組通過100 kVA的不間斷電源(UPS)，向標(biāo)稱功率為40 kW的雷達(dá)負(fù)載供電，系統(tǒng)因機(jī)組自動(dòng)保護(hù)跳閘停機(jī)而不能正常工作，分析得知，雷達(dá)負(fù)載消耗的功率呈連續(xù)脈沖特性，平均功率小于負(fù)載標(biāo)稱功率，但瞬時(shí)功率很大，導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速發(fā)生較大波動(dòng)，引起供電系統(tǒng)頻率超限。

針對(duì)上述問題，當(dāng)前工程處理方法通常有兩種：一是增大柴油發(fā)電機(jī)組的容量，如將柴油發(fā)電機(jī)組容量配置為非線性負(fù)載功率的2～3.5倍，采用“大馬拉小車”方式，雖然解決了部分問題，但是增大了投資，且機(jī)組長(zhǎng)期在低功率因數(shù)下運(yùn)行，效率低、震動(dòng)大、噪音高、機(jī)械磨損嚴(yán)重、壽命縮短，而且還不能解決所有功率匹配的問題；二是改變負(fù)荷結(jié)構(gòu)，如選用具有多脈波整流環(huán)節(jié)的負(fù)載，但這種方法只適用于新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對(duì)于很多已經(jīng)模塊化的定型設(shè)備，其結(jié)構(gòu)很難改變；同時(shí)如何改變負(fù)荷結(jié)構(gòu)，也沒有統(tǒng)一的方法。對(duì)此，有的文獻(xiàn)提出采用增大同步發(fā)電機(jī)容量，提高機(jī)組視在功率的方法，以增大機(jī)組非線性負(fù)載能力；而有的文獻(xiàn)則提出采用增大柴油機(jī)功率以克服非線性負(fù)載瞬時(shí)大功率影響的方法等，這些方案都有一定道理，但都缺乏深入的理論分析，也沒有進(jìn)行系統(tǒng)的仿真研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，所以至今仍然沒有可靠的解決方法。

在實(shí)際工程中，具有脈沖功率特性的設(shè)備一般造價(jià)較高，且工作模式往往因任務(wù)需要相對(duì)固定，同時(shí)內(nèi)部精密的電子元器件往往不允許進(jìn)行極限試驗(yàn)，難以得到脈沖負(fù)載對(duì)電源的影響規(guī)律，本文研制一種連續(xù)脈沖負(fù)載裝置，可以模擬電子雷達(dá)電氣特性，便于研究柴油發(fā)電機(jī)組與脈沖負(fù)載相互作用機(jī)理，為解決柴油發(fā)電機(jī)組與雷達(dá)脈沖負(fù)載功率匹配奠定基礎(chǔ)。

1 雷達(dá)供電系統(tǒng)等效電路

雷達(dá)負(fù)載工作時(shí)消耗的功率呈脈沖特性，顯著特點(diǎn)是平均功率小、瞬時(shí)功率很大。同一型號(hào)的雷達(dá)系統(tǒng)可認(rèn)為周期工作固定，占空比隨工作模式的不同而變化。雷達(dá)脈沖負(fù)載工作時(shí)，由于負(fù)載功率的脈沖變化，柴油發(fā)電機(jī)組反復(fù)受到加載與卸載的作用，輸出電壓畸變嚴(yán)重，且電壓幅值與頻率出現(xiàn)周期性波動(dòng)，系統(tǒng)處于近似穩(wěn)定狀態(tài)。

為了突出研究雷達(dá)系統(tǒng)的連續(xù)非線性脈沖特性，忽略冷卻負(fù)載、電子顯示器、伺服電機(jī)等常規(guī)設(shè)備對(duì)供電電源的影響，由柴油發(fā)電機(jī)組作為主電源的雷達(dá)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

圖1中，柴油發(fā)電機(jī)組-整流器等效為直流電源，經(jīng)LC濾波后為脈沖負(fù)載供電，脈沖負(fù)載消耗的功率隨直流開關(guān)S的動(dòng)作呈連續(xù)脈沖狀，令開關(guān)S的通斷切換周期為開關(guān)周期Ts，而閉合時(shí)間與開關(guān)周期的比值為占空比D，在DTs時(shí)間內(nèi)負(fù)載消耗功率的平均值視作脈沖負(fù)載的峰值功率PL，而在(1-D)Ts時(shí)間內(nèi)消耗功率近似為0(忽略雷達(dá)負(fù)載系統(tǒng)中的線性負(fù)載)；可變電阻代表不同峰值功率的電力電子負(fù)載。

2 連續(xù)脈沖模擬裝置

根據(jù)圖1所示的簡(jiǎn)化框圖，連續(xù)脈沖模擬裝置由整流器模塊、直流開關(guān)模塊和負(fù)載模塊三部分組成。

2.1 整流器模塊

整流器模塊實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組輸出三相交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能，并通過LC濾波器，降低直流紋波?？紤]雷達(dá)發(fā)射機(jī)一般為低壓，選用可控硅器件T1～T6組成輸出電壓可調(diào)的整流器模塊；為了便于實(shí)現(xiàn)濾波電容在線可調(diào)，3個(gè)濾波器支路通過繼電器k1～k3接入電路中，兩臺(tái)濾波電容串聯(lián)提高耐壓水平，兩端并聯(lián)功率電阻實(shí)現(xiàn)均壓，原理如圖2所示。

圖2 整流器模塊原理圖

整流器模塊性能指標(biāo)為：

(1) 輸入電壓：380 VAC；

(2) 輸出電壓范圍：0～530 VDC；

(3) 最大輸出功率：200 kW；

(4) 內(nèi)置平波電抗：400 A,0.125 mH；

(5) 內(nèi)置濾波電容： 4組，每組4 000 μF；

2.2 直流開關(guān)模塊

直流開關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的斬波控制。直流開關(guān)采用全控型絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，根據(jù)雷達(dá)負(fù)載的工作模式，設(shè)定直流開關(guān)的工作周期和占空比。為了更加真實(shí)的模擬雷達(dá)工作特性，采用兩個(gè)IGBT(IGBT1、IGBT2)以串聯(lián)的形式組成直流開關(guān)模塊，g1和g2分別為兩個(gè)IGBT的控制信號(hào)，原理如圖3所示。

圖3 直流開關(guān)模塊原理圖

設(shè)定IGBT1的工作周期為Ts，占空比為D，IGBT2的工作周期為T1，占空比為d，直流開關(guān)模塊的工作波形，如圖4所示。雷達(dá)負(fù)載實(shí)際工作中消耗的功率呈雙周期的形式，但在分析雷達(dá)脈沖負(fù)載對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響規(guī)律時(shí)，IGBT1的周期很短，可僅考慮IGBT2的工作模式。

圖4 直流開關(guān)模塊工作流形

直流開關(guān)模塊的控制電路以自主研發(fā)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制器為核心，集成了電壓、電流、功率等參數(shù)檢測(cè)和IGBT控制功能，并提供大屏幕觸控人機(jī)操作界面。直流開關(guān)模塊性能指標(biāo)如下：

(1)占空比調(diào)節(jié)范圍：0～1.0；

(2)調(diào)節(jié)精度：1%；

(3)調(diào)節(jié)方式：人機(jī)界面觸摸屏輸入；

(4)IGBT：1 200 V、350 A；

2.3 負(fù)載模塊

負(fù)載模塊模擬雷達(dá)發(fā)射機(jī)的峰值功率。負(fù)載選用繞線式電阻器，共100 kW，分十級(jí)，每級(jí)負(fù)載為10 kW，并通過繼電器控制每級(jí)負(fù)載的運(yùn)行和退出。負(fù)載模塊裝設(shè)溫度傳感器，當(dāng)模塊周圍溫度超過設(shè)定值后，溫度傳感器產(chǎn)生信號(hào)，并通過控制電路啟動(dòng)散熱器。

控制電路以自主研發(fā)的基于現(xiàn)場(chǎng)總線智能控制器為核心，集成了電壓、電流、功率等參數(shù)檢測(cè)和溫度、風(fēng)扇等控制報(bào)警功能，并提供人機(jī)操作界面。

負(fù)載模塊性能指標(biāo)為：

(1)輸入電壓范圍：直流0～550 V；

(2)額定功率：100 kW；

(3)功率調(diào)節(jié)：10檔；

(4)最大耗散功率：110 kW；

2.4 功能實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)雷達(dá)脈沖負(fù)載的工作機(jī)理，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的供電系統(tǒng)簡(jiǎn)化，等效為整流器模塊、直流開關(guān)模塊和負(fù)載模塊，用關(guān)鍵的參數(shù)以簡(jiǎn)明的形式表現(xiàn)出來(lái)，通過設(shè)置參數(shù)濾波電容C、導(dǎo)通時(shí)間Ts、占空比D、功率PL的大小，可得到這種工作模式雷達(dá)的電氣特性，改變這些參數(shù)，也可得到不同工作模式雷達(dá)的電氣特性。連續(xù)脈沖模擬裝置功能流程，如圖5所示。

圖5 連續(xù)脈沖模擬裝置工作流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在脈沖負(fù)載模擬裝置中，通過接入3組電阻，并設(shè)置IGBT1的觸發(fā)脈沖為周期56 ms，占空比為0.4，IGBT2的觸發(fā)脈沖為周期1 ms，占空比為0.7，脈沖負(fù)載工作模式可表示為：峰值功率PL=30 kW，開關(guān)周期Ts=56 ms，占空比D=0.40。

選用標(biāo)稱功率為30 kW的柴油發(fā)電機(jī)組，其中柴油機(jī)型號(hào)為東風(fēng)康明斯4BT3.9-G2，額定功率36 kW，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，采用電子調(diào)速；同步發(fā)電機(jī)為江蘇英泰YTW系列凸極無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，極對(duì)數(shù)為2，額定容量37.5 kVA，設(shè)計(jì)功率因數(shù)0.8(即額定功率為30 kW)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用他勵(lì)式SE353型AVR，機(jī)組的輸出線電壓為400 V，頻率為50 Hz。可控整流器輸出電壓設(shè)定為500 V，整流器濾波電容值根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，平波電抗器為0.125 mH。在圖6所示的實(shí)驗(yàn)裝置中，從右到左依次為含濾波電感與電容的可控整流柜(1號(hào)柜)、含IGBT及觸發(fā)信號(hào)的直流開關(guān)控制柜(2號(hào)柜)、各含五組混聯(lián)制動(dòng)電阻的負(fù)載柜(3號(hào)、4號(hào)柜)。

圖6 實(shí)物裝置

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，直流電壓和直流電流呈周期性波動(dòng)，且波動(dòng)周期與設(shè)定周期一致。直流電壓在脈沖負(fù)載來(lái)臨時(shí)電壓下降，在脈沖負(fù)載消失時(shí)電壓上升，在脈沖負(fù)載期間，電壓波形與電流波形保持一致，其原因是負(fù)載為純阻性負(fù)載；直流電流呈雙周期變化，與設(shè)定一致，且符合圖4所示的工作波形；交流電壓和交流電流同樣發(fā)生周期性波動(dòng)，由于脈沖負(fù)載的作用，柴油發(fā)電機(jī)組相當(dāng)于頻繁的突加突減負(fù)載，且變化為毫秒級(jí)，機(jī)組的調(diào)速器和調(diào)壓器的時(shí)間常數(shù)較大，作用時(shí)間延遲，導(dǎo)致機(jī)組輸出電壓發(fā)生周期性波動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代雷達(dá)負(fù)載包含大量的精密元件，是強(qiáng)非線性、耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，工作特性呈連續(xù)脈沖特性。在為其選配柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，由于對(duì)電源和負(fù)載相互作用機(jī)理認(rèn)識(shí)不深入，功率選配存在一定的盲目性。本文將復(fù)雜的雷達(dá)負(fù)載系統(tǒng)，采用等效模擬的方式，用關(guān)鍵的參數(shù)以簡(jiǎn)明的形式表現(xiàn)出來(lái)，通過設(shè)置參數(shù)濾波電容C、導(dǎo)通時(shí)間Ts、占空比D、功率PL的大小，即可得到這種工作模式雷達(dá)的電氣特性，與現(xiàn)有測(cè)量方法相比，其顯著優(yōu)勢(shì)在于能夠快速、等效模擬雷達(dá)電源的電氣特性，且通用性強(qiáng)。采用此裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究，可模擬各種工作模式的雷達(dá)負(fù)載，便于深入研究雷達(dá)脈沖負(fù)載的工作周期、占空比、濾波電容、負(fù)載峰值功率等參數(shù)變化時(shí)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響規(guī)律，為選配柴油發(fā)電機(jī)組的容量提供參考，避免功率選配的盲目性。

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李 鍇 男，1987年生，碩士。研究方向?yàn)闇夭畎l(fā)電技術(shù)。

李建科 男，1986年生，博士。研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與智能微電網(wǎng)。

季少衛(wèi) 男，1972年生，碩士。研究方向?yàn)槔走_(dá)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

王春明 男，1964年生，碩士。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)可靠性分析。

A Simulation Device Based on Modern Radar with Continuous Pulse Characteristic

LI Kai1，LI Jianke1，JI Shaowei2，WANG Chunming1，XING Ming3，PANG Lingyu3

(1. College of Defense Engineering, PLA University of Science and Techology, Nanjing 210007, China)(2. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)(3. Jiangsu Zhenan Power Equipments Co. & Ltd., Zhenjiang 212004, China)

The electronic radar contains large amounts of non-liner elements. It presents a continuous pulse characteristic when working and increases the difficulty of matching power source. This paper presents a continuous pulse simulator to simplify the complex radar systems with rectifier modules, DC switching modules and load modules. The power mutation of pulse load can be simulated by controlling the input and output of multiple groups resistive load with IGBT. The switching cycle and duty of pulse load can be simulated by setting the DC switch trigger pulse. The peak power of pulse load can be simulated by changed the number of resistance groups access to the circuit. At last, we measured the radar pulse load with the following four parameters such as the filter capacitor C, the conduction time TS, the duty ratio D, power PL. We analyzed the device works, designed a control circuit and developed a physical device. Finally, we verification the operating characteristics of continuous pulse simulation apparatus with experiments.

radar; pulsed load; diesel generator; power matching

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.019

李建科 Email：511746569@qq.com

2015-10-22

2015-12-26

TN955

A

1004-7859(2016)03-0091-04