新型風(fēng)冷式432kW50Ω中波假負(fù)載的設(shè)計(jì)與制作

【摘要】本文介紹了新型風(fēng)冷式432kW50Ω中波假負(fù)載的設(shè)計(jì)與制作過程。設(shè)計(jì)時需根據(jù)負(fù)載的性能參數(shù)、技術(shù)要求來選用元器件，同時還要根據(jù)元器件的外形結(jié)構(gòu)來考慮器件的布局和安裝。重點(diǎn)介紹了電阻器、切換開關(guān)的技術(shù)參數(shù)、性能特點(diǎn)和選用方法，并對元器件的分體安裝、聯(lián)接要求和風(fēng)機(jī)的控制原理以及假負(fù)載的調(diào)試步驟和測量方法進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】中波假負(fù)載；元器件的選用；工作原理；結(jié)構(gòu)布局

中圖分類號：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.15.016

中波假負(fù)載是中波廣播發(fā)射機(jī)檢修調(diào)試必須配備的重要設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，中波發(fā)射臺的設(shè)備不斷更新，作為中波發(fā)射機(jī)檢修調(diào)試必須使用的大功率假負(fù)載，水冷方式逐漸被淘汰，采用更加節(jié)能的風(fēng)冷式大功率中波假負(fù)載是必然選擇。中波發(fā)射機(jī)功放末級經(jīng)槽路輸出的射頻功率電能輸送到假負(fù)載，經(jīng)柜內(nèi)電阻體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，在風(fēng)機(jī)的強(qiáng)大風(fēng)力下，電阻散發(fā)的熱量被吹散出去。

水冷式假負(fù)載對水資源浪費(fèi)大，即使采用循環(huán)水冷卻控制，冷卻管道的建設(shè)復(fù)雜，占用空間大、資金投入多、維護(hù)成本高，由于假負(fù)載使用頻率不高，發(fā)生故障后檢修難度大。風(fēng)冷式假負(fù)載采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻，設(shè)計(jì)簡單可靠、節(jié)能環(huán)保，大大降低了設(shè)備的制造成本和使用維護(hù)成本。新型風(fēng)冷式大功率中波假負(fù)載的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，有很好的推廣應(yīng)用前景。目前，已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)的水冷式假負(fù)載。

1. 性能參數(shù)

大功率風(fēng)冷式中波假負(fù)載應(yīng)選用大功率無感電阻，采用串并聯(lián)方式進(jìn)行組合形成50Ω電阻，使之與饋線、發(fā)射機(jī)輸出阻抗匹配。由于使用的電阻數(shù)量比較多，安裝密度大，工作時發(fā)熱量大，為確保假負(fù)載使用的安全穩(wěn)定性、智能化，所以還需安裝智能溫控器，由智能溫控開關(guān)自動控制風(fēng)機(jī)工作，確保高效散熱。下面介紹432kW50Ω大功率中波假負(fù)載的性能參數(shù)和技術(shù)要求。

⑴設(shè)計(jì)功率為432kW，工作頻率為中波波段，頻率526.5kHz～1606.5kHz，適用于中波廣播發(fā)射機(jī)輸出功率為200kW。機(jī)箱內(nèi)部加裝鋁板屏蔽，電阻器之間連線盡量短、牢固；電阻器安裝的位置要與機(jī)箱箱體保持合理距離，有利于電阻器的散熱。

⑵電阻體由大功率無感電阻器組成，輸出阻抗為50Ω（不平衡），減小干擾；對地并接合適的適配電容器，保證在中波全頻段的駐波比小于1.1。

⑶聯(lián)接方式為硬饋方式，輸入饋管采用φ106硬饋管，負(fù)載輸出口采用4-1/2硬饋連接座進(jìn)行聯(lián)接，接地方式采用外引銅帶聯(lián)接。

⑷電源供電為三相四線制AC380V50Hz，操作控制電源使用AC220V50Hz。

⑸采用強(qiáng)制風(fēng)冷卻方式用16個550W高效離心風(fēng)機(jī)，550W×16=8800W，功率8800W。風(fēng)機(jī)采用智能溫控開關(guān)控制，設(shè)有工作指標(biāo)參數(shù)、手動和自動風(fēng)機(jī)工作選擇開關(guān)，能控制風(fēng)機(jī)自動啟停，降低電能消耗。功率指示采用熱電耦表，功率計(jì)量使用高頻功率表。

2. 工作原理

2.1 設(shè)計(jì)要求

中波假負(fù)載的功率必須大于中波發(fā)射機(jī)輸出載波功率有效值的1.5倍，設(shè)計(jì)時假負(fù)載功率為中波發(fā)射機(jī)載波功率有效值1.5倍的70%左右最佳。電阻器應(yīng)選用負(fù)溫度系數(shù)的大功率無感電阻器，當(dāng)電阻器工作一段時間后，溫度會逐漸升高，負(fù)溫度系數(shù)的電阻器能抵消因溫度變化而產(chǎn)生的電阻值變化，使得假負(fù)載的阻值更加精準(zhǔn)。因假負(fù)載工作在高頻狀態(tài)下，要求其等效感抗要小，安裝時要保證良好的散熱通風(fēng)。假負(fù)載使用的電阻器較多需要電阻器串并聯(lián)使用，應(yīng)該采用相同阻值和相同功率的電阻器進(jìn)行調(diào)配安裝，保證每個電阻器熱態(tài)工作時它的功率不超過電阻器的額定值，電阻器的固定和聯(lián)接必須穩(wěn)固可靠。

2.2 電路聯(lián)接

200kW中波發(fā)射機(jī)配套用的假負(fù)載，設(shè)計(jì)時功率須大于400kW來考慮，可以將負(fù)載體做成六個負(fù)載體進(jìn)行串聯(lián)合成，得到432kW功率的負(fù)載體。安裝的單個負(fù)載體的電阻值為8.33Ω，每支電阻器的阻值參數(shù)為1200Ω、功率500W。一個電阻體需用144支電阻器并聯(lián)，并聯(lián)阻值計(jì)算1200÷144=8.33Ω，六個電阻體串聯(lián)后電阻值為8.33Ω×6=49.98Ω≈50Ω，與傳輸饋線阻抗50Ω匹配。機(jī)柜上面為高電位輸出接口，機(jī)箱高度設(shè)計(jì)與發(fā)射機(jī)高度相同，便于聯(lián)接發(fā)射機(jī)的輸出切換開關(guān)，機(jī)柜電阻體下接3支高頻電容器，對高頻干擾進(jìn)行濾波，電容器選用15PF/25KV/90KVA的高頻電容器，根據(jù)需要可適當(dāng)調(diào)整。

2.3 電阻器的選用

選用空心無感大功率電阻器，盡量減少電阻器的使用數(shù)量，有利于安裝、連接、散熱和減小高頻干擾。因200kW發(fā)射機(jī)輸出載波功率有效值的1.5倍為300kW，計(jì)算200×1.5=300kW，按最佳70%計(jì)算，300kW÷70%=429kW，大于400kW，選用單支功率為500W的空心式無感電阻器。根據(jù)箱體的尺寸和電阻器的尺寸合理布置安裝，每組144個電阻形成一個電阻體，使用6組電阻體。電阻器數(shù)量計(jì)算144×6=864支，共用864支電阻和1728支電阻夾。功率計(jì)算500W×864=423kW，得到假負(fù)載功率為423kW，功率余量300kW÷423kW×100%=69%，非常合理。假負(fù)載需通過硬饋與中波發(fā)射機(jī)連接，硬饋的阻抗為50Ω，要求假負(fù)載的阻抗為50Ω與之實(shí)現(xiàn)良好匹配，減小能耗。

2.4 切換開關(guān)的選取

2.4.1 ZBKG-III型中波200KW同軸開關(guān)

同軸轉(zhuǎn)換開關(guān)具有在高電壓、大電流、高溫度的環(huán)境下保持相對穩(wěn)定的電氣性能的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。ZBKG-III型同軸開關(guān)殼體材質(zhì)采用防氧化處理的鋁合金，簧片采用“鈹青銅”帶，并且采用鍍銀工藝，簧片接觸點(diǎn)為圓型弧狀，每個接頭有30個以上接觸點(diǎn)。電機(jī)采用永磁電機(jī)，具有低速、同步功能，電機(jī)電源為交流220伏、頻率50Hz、電流0.5A。輸出電控接點(diǎn)方式（不包括電機(jī)控制）為每個位置各有1個常開接點(diǎn)。同軸開關(guān)上有位置狀態(tài)指示燈，切換到位后指示燈點(diǎn)亮。開關(guān)的轉(zhuǎn)動方式有手動和電動控制兩種方式，還帶有遙控遙測模塊，可進(jìn)行PC遠(yuǎn)程控制。缺點(diǎn)是切換時間長，切換時間只能做到<3秒，且重量較重。由于同軸開關(guān)采用傳統(tǒng)的機(jī)械同軸轉(zhuǎn)換方式，開關(guān)是一軸帶四刀，這種方式的切換雖然可以實(shí)現(xiàn)電動和遙控操作，但因機(jī)械結(jié)構(gòu)所限，應(yīng)用于主/備發(fā)射機(jī)備份切換時，即使備機(jī)采用熱備份，故障倒機(jī)時都會產(chǎn)生短時間停播。同軸開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是功率大，帶有手動切換手柄，可靠性高，只需一只開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)切換，相對成本低。

2.4.2 JPK-7/005型陶瓷高壓真空繼電器

陶瓷高壓真空繼電器的優(yōu)點(diǎn)是切換時間短，重量輕、體積小，還具有熄滅電弧快，耐擊穿電壓高，抗電強(qiáng)度高，接觸電阻小的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于廣播電視設(shè)備。JPK-7/005型陶瓷高壓真空繼電器的工作峰值電壓為20KV（DC或AC50Hz）；AC2.5MHz：15kv。額定承載電流為150A（DC或AC50Hz）；AC2.5MHz：70A。繼電器線圈電壓為DC24V，繼電器線圈電阻為60Ω。動作時間（最大）為100ms，繼電器釋放時間（最大）為15ms。缺點(diǎn)是價格相對高，與同軸開關(guān)相比功率小。因陶瓷高壓真空繼電器電流有限，大功率假負(fù)載需多只并用，安裝在屏蔽腔中間位置，200kW負(fù)載需用4只JPK-7/005作為切換開關(guān)，加上電動控制小盒就能實(shí)現(xiàn)自動化轉(zhuǎn)換控制。陶瓷高壓真空繼電器多只使用會增加一定成本，繼電器的引出腳螺絲聯(lián)接處接觸面較小，連接可靠性較同軸開關(guān)差。

選用切換開關(guān)時，具體選用ZBKG-III型同軸開關(guān)還是選用JPK-7/005型陶瓷高壓真空繼電器作為主/備切換開關(guān)，有一些因素需要考慮。從假負(fù)載的功率上來說，一般100kW發(fā)射機(jī)及以上選用同軸開關(guān)比較好，50kW發(fā)射機(jī)及以下可選用陶瓷高壓真空繼電器，選用注重考慮器件可靠性和生產(chǎn)維護(hù)成本。如果是對停播時間要求很高的中波發(fā)射臺，備份發(fā)射機(jī)必須采用熱備份方式的，為了降低發(fā)射機(jī)故障倒換產(chǎn)生的停播率，可考慮使用陶瓷高壓真空繼電器。

2.5 原理圖

2.5.1 電阻組合方式

假負(fù)載共采用6組電阻體，每組電阻體用144個電阻器并聯(lián)，6組電阻體串聯(lián)構(gòu)成50歐姆阻抗，共使用864支電阻器，每個電阻的阻值為1.2kΩ功率500W，負(fù)載最大功率為432kW。為降低高頻干擾串聯(lián)有三支高頻濾波電容器，電阻體組合方式聯(lián)接圖如圖1所示。

2.5.2 風(fēng)機(jī)控制原理

假負(fù)載散熱風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)（啟動或停止）由智能溫控器控制，溫控器采用WK-36智能溫控開關(guān)，控制方式是P2模式，溫度探頭安裝在電阻附近，智能溫控器時時檢測負(fù)載電阻溫度。當(dāng)假負(fù)載工作時，假負(fù)載電阻器的溫度緩慢上升，當(dāng)負(fù)載電阻溫度高于設(shè)定溫度時，溫控開關(guān)接通啟動風(fēng)機(jī)工作，給負(fù)載電阻器降溫；反之，當(dāng)負(fù)載電阻器溫度低于設(shè)定溫度時，智能溫控器控制風(fēng)機(jī)停止工作。

3. 結(jié)構(gòu)與布局

3.1 假負(fù)載結(jié)構(gòu)

新型432kW 50Ω風(fēng)冷式中波假負(fù)載由864個電阻器聯(lián)接成電阻負(fù)載體，大功率電阻體共有六組，采用先并聯(lián)后串聯(lián)形式安裝在機(jī)箱中，六個電阻體之間用U形銅管進(jìn)行聯(lián)接，電阻體下方經(jīng)高頻適配電容器接到銅皮地線上。箱體上進(jìn)風(fēng)口安裝有防塵網(wǎng)，機(jī)箱內(nèi)后部安裝有16個大功率離心風(fēng)機(jī)與智能風(fēng)機(jī)控制部分共同組成假負(fù)載。因200kW DAM大功率中波發(fā)射機(jī)功率合成輸出硬饋口位于發(fā)射機(jī)機(jī)箱頂部，所以，設(shè)計(jì)負(fù)載的功率輸入接口硬饋連接座也位于機(jī)箱頂部，這樣的好處是方便假負(fù)載與中波發(fā)射機(jī)同高度連接安裝，機(jī)箱輸入口下面箱體內(nèi)安裝有天饋切換開關(guān)，省去在中波發(fā)射機(jī)頂部加裝天饋切換開關(guān)。

3.2 電阻器安裝

調(diào)試和檢修中波發(fā)射機(jī)時，發(fā)射機(jī)不能空載，需連接假負(fù)載，假負(fù)載用作中波發(fā)射機(jī)輸出功率的承載體，發(fā)射機(jī)在加調(diào)制時假負(fù)載承載功率大，負(fù)載功率對外的輻射很大，需要對電阻體進(jìn)行良好的屏蔽，箱體內(nèi)板應(yīng)選屏蔽效果好的鋁板進(jìn)行屏蔽；200kW的功率通過電阻轉(zhuǎn)換發(fā)熱需要保證假負(fù)載的充分散熱，箱體頂板是出風(fēng)口，箱體后板是進(jìn)風(fēng)口需開孔通風(fēng)，為了安全，在通風(fēng)口及箱體底框部加裝鋁材網(wǎng)；因峰值電壓高，電阻安裝時每個電阻之間須保證有80～100mm的耐壓距離。因空心無感電阻為陶瓷性材料，電阻兩端有20mm寬的鍍銀層，電阻拆開包裝后須盡快安裝防止氧化，裝配時在電阻兩端鍍銀層上加裝厚0.3mm紫銅箔，在安裝電阻夾時必須保證良好的接觸，減小接觸電阻。安裝用黃銅螺釘，上下層電阻體安裝采用六波絕緣子，電阻體上下兩層之間的引出線須從導(dǎo)電件的中心引出，這樣，才能保證電流均衡性。

3.3 不同功率發(fā)射機(jī)電阻聯(lián)接

XT系列接線板布局為：XT1～XT4，外電輸入為三相四線制AC380V50HZ，XT5～XT8為機(jī)箱外部聯(lián)鎖接口，這兩個接線板裝在機(jī)柜的后方，方便臺站使用。電阻聯(lián)接時需要對接線進(jìn)行固定，外部自動控制接口可與機(jī)房控制臺計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動化控制。

不同功率發(fā)射機(jī)備份的發(fā)射臺比較多，如有的發(fā)射臺主機(jī)為200kW備機(jī)為100kW，為了節(jié)省經(jīng)費(fèi)，很多發(fā)射臺的備機(jī)功率都比主機(jī)功率要小。新型風(fēng)冷中波大功率假負(fù)載為了適應(yīng)發(fā)射臺主、備機(jī)的不同功率備份要求，設(shè)計(jì)432kW中波假負(fù)載時靈活應(yīng)用6個單元結(jié)構(gòu)，共有3個聯(lián)接口，4個電阻體設(shè)有一個，5個電阻體設(shè)有一個。每個電阻體負(fù)載功率72kW，當(dāng)連接4個電阻體作負(fù)載時有288kW功率，可用于100kW發(fā)射機(jī)，當(dāng)使用5個電阻體作負(fù)載時有360kW功率，可用于150kW發(fā)射機(jī)，當(dāng)用全部6個電阻體作負(fù)載時有432kW，可用于200kW發(fā)射機(jī)。這樣設(shè)計(jì)的好處是適用于發(fā)射臺備機(jī)使用200kW、150kW、100kW時降低能耗。通過主、備機(jī)電控切換裝備就能實(shí)現(xiàn)自動化控制。

4. 功率指示與調(diào)試

4.1 功率表指示

其方法是在整機(jī)槽路輸出（即負(fù)載輸入端），采用電容分壓或電感線圈拾取射頻信號，經(jīng)檢波、信號處理變?yōu)橹绷麟娏?，再接到功率表頭（一般用200微安）即可。高頻功率表數(shù)據(jù)指示是由機(jī)柜內(nèi)電阻體的零電位串聯(lián)的鉑金式熱電偶取樣得到的高頻功率數(shù)值。因電流的平方值與功率的非線性關(guān)系，在滿調(diào)制時（100%調(diào)幅時）載波功率會顯著增長，這時需將指示表的計(jì)算按2倍于載波功率計(jì)算即可。

4.2 負(fù)載調(diào)試

首先檢查各元件連接是否正確，聯(lián)接螺栓是否緊固。布線時ABC三相線需在保護(hù)器上進(jìn)行同向纏繞兩圈，再將智能保護(hù)器電流值設(shè)置為3.2A，按調(diào)試程序操作，通電觀察假負(fù)載工作是否正常。用4285A型電橋進(jìn)行冷態(tài)測試，負(fù)載的阻抗虛部X<3Ω。如果阻抗虛部為負(fù)值時負(fù)載呈現(xiàn)容性，當(dāng)阻抗虛部為正值時負(fù)載呈感性，當(dāng)負(fù)載阻抗呈感性，且感抗RL>3Ω時，須加板電容將感抗予以抵消，盡量使假負(fù)載呈純電阻性，避免假負(fù)載電阻發(fā)熱量增大，防止發(fā)射機(jī)的輸出槽路失諧，有利于精確調(diào)式發(fā)射機(jī)和檢修發(fā)射機(jī)。

432kW假負(fù)載用于200kW中波發(fā)射機(jī)，是目前國內(nèi)較大功率的假負(fù)載了。所以調(diào)試時先把每個電阻體分開單調(diào)，斷開之間聯(lián)接的風(fēng)機(jī)保險絲管，分別測量風(fēng)機(jī)380Ⅴ電壓是否正常，以防燒壞風(fēng)機(jī)，然后六個電阻體全部調(diào)正常即可。注意調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)保護(hù)器電流時，應(yīng)調(diào)到過載指示燈由亮黃色到滅燈再稍大兩小格即可。

5. 結(jié)束語

新型風(fēng)冷式大功率432kW50Ω中波發(fā)射機(jī)假負(fù)載，選用大功率同軸開關(guān)，使用大功率離心風(fēng)機(jī)。六組電阻體均采用了金屬氧化膜無感電阻器，按精度等級選用誤差小的電阻器，進(jìn)行合理調(diào)配使感抗及駐波比小，假負(fù)載的安全性、可靠性、穩(wěn)定性高。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的智能控制加上完善的檢測、保護(hù)和聯(lián)鎖電路，使假負(fù)載的使用壽命長，使用成本低，完全能滿足200kW中波發(fā)射機(jī)的使用要求。

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作者簡介：楊富，廣播電視工程師，從事中波廣播無線傳輸與覆蓋、發(fā)射臺站自動化、智能化技術(shù)工作.