中波發(fā)射機并機網(wǎng)絡原理淺析

孫 里

內(nèi)蒙古自治區(qū)廣播電視傳輸發(fā)射中心烏海廣播發(fā)射中心臺 內(nèi)蒙古 烏海市 016000

1 概 述

眾所周知，中波廣播載波的有效覆蓋范圍與其發(fā)射功率有著一定的數(shù)學增量關系，在天線、地網(wǎng)、天氣等外在因素不變的情況下，發(fā)射機功率越大其有效覆蓋范圍則更為廣泛。所以為了提高現(xiàn)有臺站中波有效覆蓋范圍或場強的辦法主要有以下兩點：

（1）增加單機發(fā)射功率，可得到一個相對較大的覆蓋場強及受眾范圍。

（2）通過雙機或多機的并機網(wǎng)絡合成模式也可實現(xiàn)增加有效覆蓋場強的目的。

發(fā)射機的并機模式可以是等功率并機，也可以是非等功率并機。一般情況下的并機指的是在相同頻率、等功率下的兩部或多部發(fā)射機的并機網(wǎng)絡模式。以下均以兩部等功率并機網(wǎng)絡為例來予以說明，兩部發(fā)射機并機后總的發(fā)射功率可以增加一倍。

對于全固態(tài)10kW數(shù)字發(fā)射機而言，要獲得雙倍的發(fā)射功率，必須通過增加發(fā)射機功率等級的辦法來實現(xiàn)。即實現(xiàn)20kW以上的發(fā)射功率，只能將發(fā)射機功率等級升級為25kW機型來實現(xiàn)。而一部25kW機型的發(fā)射機市場價格遠遠大于兩部10kW發(fā)射機的價格之和，這樣就增加了臺站的經(jīng)費支出。等功率雙機并機網(wǎng)絡方案優(yōu)勢：

（1）在實現(xiàn)同等覆蓋場強的情況下，減小了設備及材料的投入成本。

（2）雙機并機網(wǎng)絡方案，可根據(jù)服務地區(qū)范圍、時段靈活投入發(fā)射機工作數(shù)量及實施發(fā)射功率等級，避免國家資源的無形浪費。

（3）雙機工作下的并機網(wǎng)絡模式，真正實現(xiàn)了發(fā)射機工作的“1+1”備份功能，當一部發(fā)射機機發(fā)生故障時，另一部發(fā)射機仍能維持正常播音，僅覆蓋場強下降了一些，其對于發(fā)射系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定播出起到了至關重要的作用。

2 中波發(fā)射機并機網(wǎng)絡原理及其技術要求

2.1 中波發(fā)射機并機網(wǎng)絡的并機條件

大家所熟知的電力系統(tǒng)并網(wǎng)條件為同頻率、同幅度、同相位、同相序。實際上發(fā)射機系統(tǒng)的并機網(wǎng)絡原理與電力系統(tǒng)的并網(wǎng)具有相似之處，所不同的是電力系統(tǒng)并網(wǎng)必須滿足同幅條件，而發(fā)射機并機網(wǎng)絡當中則設置了平衡吸收電阻，可以實現(xiàn)非等功率并機發(fā)射?？傊?，要實現(xiàn)中波發(fā)射機并機需滿足以下條件。

（1）兩部發(fā)射機的頻率必須相同，需采用同一個激勵器產(chǎn)生載波。

（2）兩部發(fā)射機輸出電壓相位必須相同，也就是兩部發(fā)射機的輸出阻抗相同。

（3）兩部發(fā)射機的輸出電壓幅度即功率相等。

（4）兩部發(fā)射機需采用同一延遲時間的音頻信號源。

2.2 中波發(fā)射機并機網(wǎng)絡技術要求

現(xiàn)以等功率雙機模式并機網(wǎng)絡為例予以分析闡述，雙機并機網(wǎng)絡原理圖如圖1-（a）所示：

（1）由于并機網(wǎng)絡的基本功能是對兩部發(fā)射機并機時起隔離作用。即當兩部發(fā)射機同時接在并機網(wǎng)絡A、B兩端時，1#號發(fā)射機在并機網(wǎng)絡B點產(chǎn)生的電壓和2#號發(fā)射機在并機網(wǎng)絡的A點產(chǎn)生的電壓都應等于零，對于兩部發(fā)射機AB兩點間的阻抗此刻均為無窮大，不管哪部發(fā)射機發(fā)生故障時，均不影響另一部發(fā)射機的正常工作。

（2）當兩部發(fā)射機滿足并機條件時，則在負載阻抗R0上的功率應等于兩部發(fā)射機功率之和。平衡吸收電阻上不消耗功率。這時，當其中一部發(fā)射機發(fā)生故障，無功率輸出時，另一部發(fā)射機輸送到負載和平衡電阻上的功率各占1/2。

（3）雙機并機網(wǎng)絡輸入阻抗、輸出阻抗、平衡負載阻抗以及無功元件的阻抗取值如圖1-（a）所示，其中R2（R0）為發(fā)射機的負載阻抗。

2.3 雙機并機網(wǎng)絡的隔離原理理論分析與演算

在圖1-（a）中，將AB電路之間的上下支路進行斷開，如圖1-（b）所示。將圖1-（b）中，負載阻抗R2（R0）與C3（-jR0）的并聯(lián)電路等效變換為串聯(lián)電路的形式，由串并聯(lián)互化公式可得（式2-1、式2-2）：

圖1 雙機并機網(wǎng)絡原理圖及計算轉化過程圖

再將斷開上部電路A”和B”之間電容進行合并（式2-3）：

通過以上轉換計算，得出圖1-（c）所示形式。圖1-（c）當中ABC端口電路屬于Y型電路，為了方便電路分析計算，要將此Y型電路等效轉化為△型電路，如圖1-（d）所示。根據(jù)Y—△電路等效轉換計算（如圖2所示），其轉化公式為（式2-4、式2-5、式2-6）：

圖2 Y—△電路等效轉換

圖1 -（d）當中的Zab就相當于△電路當中的Rab，所以Zab=Rab=-R0+jR0，這時再將之前斷開的上部電路A”B”與Zab連接起來，其總阻抗Z為（式2-7）：Rab//（R0-jR0）=（-R0+jR0）//（R0-jR0）即：

由此看來：圖1-（a）當中各元器件的取值恰好可以滿足并機網(wǎng)絡的相互隔離條件，即AB兩點之間可視為近似開路，因此在這種狀態(tài)下兩部發(fā)射機相互工作時將互不影響。

2.4 并機網(wǎng)絡在中波發(fā)射臺站的實際應用及各元器件參數(shù)、容量的選取計算方法

（1）并機網(wǎng)絡在實際應用過程當中需要單獨設置一套快速、完善、縝密的控制單元，通過控制大功率真空繼電器切換裝置以實現(xiàn)兩部發(fā)射機工作輸出的自由切換。這樣可以確保一部發(fā)射機出現(xiàn)故障時，在不停機的情況下，實現(xiàn)熱備份及在線檢修功能，確保中波發(fā)射系統(tǒng)的安全播出。

（2）雙機并機網(wǎng)絡在工作過程當中，為了確保發(fā)射系統(tǒng)及并機網(wǎng)絡系統(tǒng)實時滿足并機條件還需要配置一套狀態(tài)、數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)，通過并機網(wǎng)絡上的模擬或數(shù)字儀表可實時監(jiān)測合成輸出電流、平衡吸收電阻電流、兩機相位、兩機功率的數(shù)據(jù)情況，及時反饋控制系統(tǒng)對相應設備做相應閉環(huán)調整，始終使并機網(wǎng)絡工作狀態(tài)、指標保持在最佳狀態(tài)，從而達到最大的有效覆蓋場強范圍。

（3）雙機并機網(wǎng)絡在日常運行過程當中必須確保內(nèi)部元器件參數(shù)始終保持在理論設計值，所以在并機網(wǎng)絡控制系統(tǒng)當中還需要設置一套參數(shù)自動調整功能，即當某種元器件參數(shù)發(fā)生變化時，應能及時做到檢測及有效調整。實際并機網(wǎng)絡當中的電感、電容器一般都是可調的，通過伺服電機可實現(xiàn)相應元器件的快速、電動調整。確保平衡網(wǎng)絡始終達到并聯(lián)諧振狀態(tài)。否則，兩部發(fā)射機將互相影響，系統(tǒng)不能進入良好的并機狀態(tài)。另外并機控制系統(tǒng)還將根據(jù)檢測到的實施并機相位情況對兩部發(fā)射機的輸出阻抗進行控制調整，避免由于發(fā)射機輸出阻抗的差異造成兩部發(fā)射機輸出相位不一致，在平衡吸收電阻上將有功功率消耗，使總輸出功率小于兩部機器功率之和，產(chǎn)生不必要的資源浪費。

（4）并機網(wǎng)絡當中各元器件的參數(shù)選取及計算方法（以下以兩并機發(fā)射機載波功率均為10kW作為計算依據(jù)）：

平衡吸收電阻的計算與選?。弘p機并機網(wǎng)絡在實際應用過程單中有以下三種極限狀態(tài)，分別為;

a.兩發(fā)射機載波功率相同，輸出電壓的相位差為0，（即：△Φ=Φ1-Φ2=0）這時平衡吸收電阻損耗PR1=0kW；

b.兩發(fā)射機載波功率相同，輸出電壓的相位反相，（即：△Φ=Φ1-Φ2=180），這時，兩部發(fā)射機全部功率則全部損耗在平衡電阻R1（R0）上，PR1=20kW；由于并機網(wǎng)絡設置有嚴密的相位監(jiān)測及保護系統(tǒng)，此種情況只存在于理論可能性；

c.一部發(fā)射機滿功率載波發(fā)射，另外一部發(fā)射機故障，輸出功率為0kW。即若P1=10kW P2=0時，平衡吸收電阻上消耗功率為PR1=1/2P1=5kW，并機網(wǎng)絡有效輸出功率為5kW。

在選取R1（R0）的功率容量取值時一般按c項的極限情況選取就可以了，即：PR1=5kW，R1=R0為發(fā)射機的負載阻抗，一般情況下為50Ω（式2-8、2-9）：

按發(fā)射機最大調制能力140%下，選用器件功率容量（式2-10、2-11）：

在選用電阻時一般都要考慮帶一定的功率冗余度，正常工作功率容量按60%選?。ㄊ?-12）：

可調臂電感L1和L2功率容量的選擇：

L1=L2=jR0由圖1-（d）及并機網(wǎng)絡的隔離原理可知，L1、L2電感只單獨消耗各自對應的發(fā)射機無功功率（式2-13、2-14）：

考慮電感發(fā)熱情況，在實際選取時需留有充分的余量。

電容C1和C2的功率容量選擇：

因為XC1=XC2=-j*R0/2，根據(jù)并機網(wǎng)絡隔離原理VAB=V1（或V2），以及C項條件的功率消耗為發(fā)射機載波功率1/2的實際情況，當發(fā)射機調制度M=140%時（式2-15、2-16）：

C1，C2上的耐壓為：

考慮到安全因素，電容工作電壓同樣按極限情況下的60%選擇為宜（式2-17、2-18）。

電容C3的功率容量選擇：

因為XC3=-jR0，當發(fā)射機調制度M=140%時（式2-19、2-20、2-21）：

考慮元器件安全因素，電容正常工作電壓在極限值60%為宜（式2-22、2-23）：

3 總 結

近年來，雙機或多機并機網(wǎng)絡在中波廣播發(fā)射臺站的應用逐漸增多，尤其是在考慮“1+1”備份因素的情況下，更是凸顯了其獨特的技術優(yōu)勢，當其中一臺發(fā)射機發(fā)生故障時，可以在確保不停播的情況下，故障發(fā)射機可以自動切換到假負載，便于及時進行在線維修，因而，并機網(wǎng)絡在中波臺站具有很高的實用價值。