應用于雷達發(fā)射機的小型化三相變頻電源設(shè)計

楊 亮

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所 揚州 225100）

1 引言

傳統(tǒng)的雷達發(fā)射機中行波管必須要在高壓下才能工作，高壓可由旋轉(zhuǎn)變頻機組與中頻變壓器產(chǎn)生，長時間運行時，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)射機的成本造價較高，所以選擇對行波管的器件和供電系統(tǒng)進行優(yōu)化，以延長雷達的使用時間，增加系統(tǒng)的可靠性。

本文設(shè)計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組，并安裝于發(fā)射機內(nèi)部，具有體積小、保護功能全與可靠性高等優(yōu)點，可適用于工業(yè)、國防、航海等場合。

下面從雷達發(fā)射機供電架構(gòu)、變頻電源的工作原理、電路設(shè)計和實驗等方面進行介紹。

2 雷達發(fā)射機供電架構(gòu)

雷達發(fā)射機通常分為固態(tài)與真空管兩大類［1］，固態(tài)發(fā)射機的供電架構(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；另一種是應用于相控陣雷達的固態(tài)T/R組件［2］，單個組件電源由兩級式DC-DC模塊構(gòu)成，根據(jù)陣面類型的不同，中間級直流母線可分為高電壓或低電壓。

而真空管雷達發(fā)射機中以行波管的應用較為廣泛，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)方式比較兩種雷達發(fā)射機，可以得到：固態(tài)發(fā)射機屬于低電壓大電流類型，對電源的紋波電壓、功率密度、時序控制、散熱設(shè)計及可靠性要求較高，具有體積小、重量輕、效率高及可維修性高等特點；行波管發(fā)射機屬于高電壓小電流類型，對電源的高壓絕緣、抗打火性能及安全防護要求較高，存在占用體積大、效率低及預熱時間長等缺點，造價相比固態(tài)發(fā)射機較低。

圖1 固態(tài)發(fā)射機的供電架構(gòu)框圖

圖2 行波管發(fā)射機的供電架構(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)重點介紹替代變頻機組的三相變頻電源的工作原理。該變頻電源主電路為兩級式拓撲結(jié)構(gòu)。其中，前級整流（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）；后級逆變（DC-AC）為三相橋式非隔離型拓撲［6］，有利于減小整個電源體積，可安裝于發(fā)射機內(nèi)部。

整個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)過強電控制部分控制加電時序，來減小開機時的浪涌電流；處理控制部分通過信號采集與算法處理，實現(xiàn)對電源加斷電、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

4.1 功率變換電路設(shè)計

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

圖4 功率變換電路原理框圖

基于小型化設(shè)計考慮，選擇高功率密度諧波電流抑制（PFHC）模塊作為前級整流。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)計電源功率為2kW，選擇3個1kW的PFHC模塊并聯(lián)冗余運行，其具有高度低、體積小、重量輕等優(yōu)點，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)動電路集于一起的IPM模塊［7］，其有耐壓高、導通電流大、輸入阻抗高、保護功能全以及驅(qū)動功率低等優(yōu)點，增強了電源的可靠性?？刂齐娐钒l(fā)出的正弦脈寬調(diào)制（SPWM）信號經(jīng)光耦隔離電路進行處理后送入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

控制電路包含強電控制、處理控制與信號采集等三個方面。

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

信號采集部分所要采集的信號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

輸入信號調(diào)理電路對所采集的電壓、電流信號進行處理，送入單片微處理器（MCU）；MCU實時監(jiān)測電源工作狀態(tài)，通過控制與保護電路實施電源的加斷電控制與故障保護，并支持對關(guān)鍵參數(shù)進行顯示與線設(shè)置輸出電壓值；復雜可編程邏輯器件（CPLD）作為三相400Hz正弦波和12kHz方波基準發(fā)生器，正弦波發(fā)出幅值受輸入信號反饋值控制；控制與保護電路依據(jù)MCU控制指令控制PFC、CPLD與強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)定基準電壓；Varms、Iarms分別指A相輸出電壓、電流有效值；Iaref指A相基準電流；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)動信號發(fā)生電路將基準電壓Varef與反饋電壓Va進行硬件PI調(diào)節(jié)得到電流基準Iaref，并與反饋電流Ia進行硬件PI調(diào)節(jié)，所得信號與12kHz方波轉(zhuǎn)變成的三角波信號比較，生成SPWM脈沖信號，完成逆變器閉環(huán)控制［11］，電壓前饋k1Varms增加負載的動態(tài)響應［12］，帶沖擊性負載時，通過電流前饋（k2Iarms）實現(xiàn)限流功能。

5 實驗與結(jié)果分析

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

本文設(shè)計參數(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，帶阻性負載2.5kW進行測試，圖7為空載啟動與關(guān)斷的A相輸出電壓波形，軟啟動時間約2s，輸出電壓在關(guān)斷時無過沖，圖8為滿載下的A相輸出電壓波形，測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，測得電流諧波含量為5.5%，功率因數(shù)可達0.99，相比原有旋轉(zhuǎn)變頻機組在工作時的輸入諧波含量達到30%，諧波抑制效果明顯，實驗結(jié)果滿足設(shè)計指標。

圖7 空載啟動與關(guān)斷時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)計產(chǎn)品已安裝在雷達發(fā)射機中，長期穩(wěn)定工作，實際驗證表明電源具有良好的保護功能，可靠性和環(huán)境適應性高，滿足雷達發(fā)射機使用要求。后續(xù)考慮提高開關(guān)頻率，提高功率密度，進一步減小整個變頻電源的體積。