一種高穩(wěn)定大功率雷達電源系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

彭曉星，賈愛鵬，吳民忠，周美慶，劉萬清，蔡恒之

(1.浙江國際海運職業(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 雷達電源供電系統(tǒng)現(xiàn)狀

船用雷達是船舶航行的關(guān)鍵設(shè)備，船舶電源接入到雷達電源后，雷達正常發(fā)射時工作電壓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]，才能滿足雷達長時間可靠工作的要求。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，對雷達安全帶來隱患。穩(wěn)定的船電對雷達正常工作和雷達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時間穩(wěn)定供電，此時柴油發(fā)電機被動進行調(diào)速和調(diào)壓，超出雷達正常工作時的負荷波動范圍，脈沖性負荷反過來會給船舶電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，容易導(dǎo)致雷達部件受損。實驗證明，需要設(shè)計電壓諧波小于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)，才能確保雷達電源板正常工作。

事實上，為了節(jié)省成本，大多數(shù)國內(nèi)船舶配置的雷達穩(wěn)壓電源系統(tǒng)并非針對雷達而設(shè)計，不能完全滿足雷達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，當(dāng)前新型雷達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，容易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，電磁兼容性能優(yōu)越等。然而這種一對一的供電方式，一旦某個串聯(lián)的DC-DC模塊故障，就會直接導(dǎo)致后部負載無法工作，所以分布式供電的冗余技術(shù)難以實現(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)前雷達電源存在問題，當(dāng)非線性負載施加正弦波電壓時， 電流就不是正弦波，產(chǎn)生了諧波。諧波危害的表現(xiàn):影響雷達供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；容易使中性線長期過熱,損壞絕緣甚至引發(fā)火災(zāi)；諧波過大將會導(dǎo)致額定工作點的偏移,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)電機過熱外,還會產(chǎn)生過零點產(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)致雷達部件過熱或燒毀。雷達由非線性負載與線性負載組成，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)射機容易出現(xiàn)故障時高壓無法加載，功率不夠?qū)е聸]有回波信號，接收機主要是因為頻率不穩(wěn)定引起故障，天線主要是因為船舶運動導(dǎo)致馬達轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定引起故障，這些部件正常工作都離不開雷達電源的穩(wěn)定供電。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)國內(nèi)船舶雷達大量采用日本JRC、FURUNO、歐洲SPERRY、Kelvin Hughes等型號產(chǎn)品，使用年限過長，更新成本高昂，這些雷達自帶電源系統(tǒng)健康度隨電源老化時間變化整體性能呈現(xiàn)下降的特點，影響雷達的正常使用，維修中采用的策略是放棄原有雷達電源部分，改用單獨的開關(guān)電源系統(tǒng)，只能通過單路AC供電是目前國內(nèi)外民用雷達普遍現(xiàn)狀，直流供電雷達相關(guān)研究少。

2 船用雷達內(nèi)部電源系統(tǒng)設(shè)計原理

雷達正常工作需要高效穩(wěn)定、易于擴展、抗干擾能力強的雷達電源。在船舶出現(xiàn)失速失控狀態(tài)下船電供電狀態(tài)變化大，此時船舶雷達電源要求較高，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、動態(tài)響應(yīng)速度慢等特點，無法適應(yīng)船電變化時滿足雷達工作的需求。目前船舶雷達供電工作過程：當(dāng)船舶定速航行時，船舶主機帶動軸帶發(fā)電機單獨或與其他發(fā)電機并聯(lián)供電；當(dāng)船舶機動航行時僅由柴油機發(fā)電供電，此時雷達電源來自主配電板。當(dāng)主配電板失電時，在45 s時間內(nèi)由蓄電池系統(tǒng)經(jīng)過逆變系統(tǒng)為雷達設(shè)備供電，45 s后應(yīng)急發(fā)電機合閘僅向應(yīng)急配電板供電，此時不向主配電板供電，并且蓄電池停止供電，雷達由應(yīng)急配電板供電。常用船用雷達電源一般包含：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)動電路、控制保護及均流電路等，為了確保供電不正常情況下電源的儲能，采用超級電容模塊的兩種儲能方案,從重量、體積、能量利用率、可靠性等方面進行比較[4],采用了高可靠性、小體積的優(yōu)選儲能方案,目前船用雷達電源系統(tǒng)電能變換流程圖見圖1。

圖1 雷達內(nèi)部電源電能變換和傳遞流程

電源供電系統(tǒng)設(shè)計流程框圖見圖2，對于在航行中的船舶，雷達、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)電機供電電壓正常穩(wěn)定，雷達等大功率通導(dǎo)設(shè)備正常工作，在船舶進出港口時一旦低速航行、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，引起雷達自帶電源系統(tǒng)故障,從而對整個雷達系統(tǒng)工作產(chǎn)生影響,就會導(dǎo)致雷達等導(dǎo)航設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果，因此雷達的故障大多是與電源相關(guān)[5]。

圖2 電源供電系統(tǒng)設(shè)計流程

如果希望避免船舶主機不能正常供電時可能給雷達等設(shè)備造成損壞，只能保持船舶輔機一直供電，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)計結(jié)果表明，電源電壓不正常造成雷達設(shè)備受損概率為40%左右。

根據(jù)電源供電系統(tǒng)設(shè)計流程框圖，對于在航行中船舶穩(wěn)定正常定速航行，軸帶發(fā)電機供電電壓正常穩(wěn)定，軸帶發(fā)電機主機對主配電板供電，經(jīng)交流穩(wěn)壓單元初步穩(wěn)壓后實現(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電路輸出至雷達穩(wěn)定供電AC220 V。當(dāng)主配電板失電時，電子開關(guān)啟動船電蓄電池經(jīng)過橋式整流電路、開關(guān)電源DC-AC電路為雷達設(shè)備供電。

3 船用高穩(wěn)定電源系統(tǒng)的電路設(shè)計

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， 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)計的流程框圖見圖3，采用交流電和應(yīng)急電源相互補償?shù)姆绞剑浞挚紤]全船電網(wǎng)失電等極限情況下輸出電壓的穩(wěn)定性設(shè)計而成，經(jīng)過實驗室反復(fù)測試效果良好。

圖3 雷達電源供電系統(tǒng)的流程

電源供電系統(tǒng)的電路工作過程：主、副發(fā)電機輸入端J1與交流穩(wěn)壓單元相連，輸入端J1與交流穩(wěn)壓單元間設(shè)有AC開關(guān)SW1、SW2，當(dāng)SW1閉合時，SW2打開，此時主發(fā)電機提供交流輸入電壓，當(dāng)SW1打開時，SW2閉合，此時副發(fā)電機提供交流輸入電壓，由于電壓波動大，通過交流穩(wěn)壓單元穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的AC110 V和AC220 V，滿足雷達內(nèi)部供電要求，交流穩(wěn)壓單元與并聯(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)檢測到交流電供電不正常時，DC24電源提供備用電源，開關(guān)電源DC-AC單元經(jīng)繼電器K6與雷達相連，船舶穩(wěn)定正常定速航行時，軸帶發(fā)電機供電電壓正常穩(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。

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)電機供電電壓低于額定范圍時或者主機副機換電時或者其他情況導(dǎo)致非正常斷電時，電子開關(guān)SW3自動啟動船舶蓄電池提供的直流電進行整流、DC-AC逆變提供保證雷達設(shè)備工作的持續(xù)進行，當(dāng)交流電再次正常供電，在10 s內(nèi)直流供電將自動切斷供電。

4 電源系統(tǒng)成型產(chǎn)品及測試結(jié)果

設(shè)計完成的電源系統(tǒng)，首先綜合考慮電磁兼容進行設(shè)計,包括屏蔽信號處理、穩(wěn)定接地、合理散熱布置、防振動和防沖擊等方面的因素，同時針對船舶環(huán)境特別要求在濕熱、鹽霧影響、霉菌等方面進行測試。利用船舶穩(wěn)定航行時由軸帶發(fā)電機提供交流供電，經(jīng)過本電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后為雷達提供供電，起到環(huán)保節(jié)能作用，電源系統(tǒng)使用的相互補償機制實現(xiàn)不間斷穩(wěn)定供電，即使船舶AC供電電壓不斷變化，實踐證明供電電壓變化范圍在90～280 V之間，也能實現(xiàn)為雷達提供穩(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直流電進行逆變提供保證設(shè)備工作的持續(xù)進行。產(chǎn)品外觀見圖4，成型產(chǎn)品已經(jīng)批量生產(chǎn)，并在多艘船舶實際使用。

圖4 雷達電源供電系統(tǒng)成型產(chǎn)品

產(chǎn)品經(jīng)過基于專家系統(tǒng)的故障樹測試法對雷達電源的故障診斷分析和檢測，完全滿足兩臺30 kW大功率雷達同時工作時電源穩(wěn)定工作的需求，解決了一直以來困擾船舶雷達穩(wěn)定工作的供電問題，所設(shè)計電源達到以下設(shè)計參數(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)使用實際雷達進行測試，在輸入電壓為90 V時，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，交流電流為1.1 A,平均功耗為0.24 kW。

3)目前航行船舶主機輔機換電時，影響到雷達通信導(dǎo)航設(shè)備工作，正常情況下由輪機員通知駕駛員關(guān)機，以保證設(shè)備不會損壞，此電源則可以自動切換到直流供電，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，以及輪機員沒有及時通知駕駛員斷電等情況下，設(shè)計電源提供了一種保護方案。

4)當(dāng)交流電壓低于90 V或者意外斷電時，應(yīng)急電源會自動啟動24 V直流電工作，通過逆變器進行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雷達供電時，電流15 A左右，當(dāng)交流電再次正常供電，在10 s內(nèi)直流供電將自動切斷，由交流電供電。

5 結(jié)論

船員對航海雷達有全天候的依賴，維修時往往是多種故障并存且相互影響，雷達自帶電源系統(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)計的電源系統(tǒng)中增加去偶電路和濾波器，減少噪音達到理想的濾波效果，產(chǎn)品通過實驗反復(fù)驗證和實際船舶試用，產(chǎn)品的性能得到船員的實際認(rèn)可。在船電大幅波動情況下雷達工作性能下降、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，同時解決了船電頻率偏低時電功率不足，雷達馬達怠速運轉(zhuǎn)，造成雷達發(fā)射機自動保護進而停止工作的業(yè)界難題，通過交直流交替供電起到延長雷達重要部件使用壽命、能確保多臺大功率雷達同時穩(wěn)定工作，特別是適合電壓波動范圍較大的軍艦、漁船等船舶通導(dǎo)設(shè)備的工作需要。