李善慶 ，汪邦照 ，尹華橋 ，王順喜

(1．合肥華耀電子工業(yè)有限公司，合肥 230088；2．中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 合肥 230088；3．總參三部南京軍事代表室，南京 210018)

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新型固定式相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)

李善慶1，汪邦照1，尹華橋2，王順喜3

(1．合肥華耀電子工業(yè)有限公司，合肥 230088；2．中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 合肥 230088；3．總參三部南京軍事代表室，南京 210018)

介紹了一種新型固定式相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)。詳細(xì)論述了供電系統(tǒng)需要解決的輸入諧波和功率因數(shù)、陣面電源的體積和質(zhì)量、電源傳輸電纜的損耗，以及安全性和熱設(shè)計(jì)等方面的問題，并提出了具體解決方案。本供電系統(tǒng)主要包括地面整流電源、陣面DC/DC電源兩部分。地面整流電源的輸出直流通過電纜傳輸?shù)嚼走_(dá)陣面上，作為陣面DC/DC電源的輸入，其中地面整流電源采用18脈沖整流技術(shù)，陣面DC/DC電源采用高頻開關(guān)電源技術(shù)。最后通過實(shí)際產(chǎn)品的波形測(cè)試證明了該新型雷達(dá)電源供電系統(tǒng)的可行性。

雷達(dá)供電系統(tǒng)；直流母線；多脈沖整流；陣面電源

0　引　言

相控陣技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種雷達(dá)中，發(fā)揮了重要作用，成為備受關(guān)注的雷達(dá)體制。相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械掃描天線，相控陣?yán)走_(dá)的橫截面大幅減小，其掃描模式靈活，可以有效提高目標(biāo)更新頻率。將傳統(tǒng)發(fā)射部分的行波管改為收發(fā)組件(T/R)，可靠性大大提升。T/R組件需要穩(wěn)定的低壓直流供電，在發(fā)射時(shí)需要提供很大的電流用于發(fā)射功率輸出，在接收時(shí)則僅需要較小的電流維持接收功率。隨著雷達(dá)超遠(yuǎn)距離探測(cè)、高掃描精確度的要求，雷達(dá)需要的發(fā)射功率越來越大，要求電源系統(tǒng)的功率容量也越來越大，體積和質(zhì)量卻越來越小。因此，作為相控陣?yán)走_(dá)的重要組成部分，相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高功率密度、高可靠性及良好的動(dòng)態(tài)特性。

根據(jù)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)和用途的不同，相控陣?yán)走_(dá)可以劃分為機(jī)動(dòng)式和固定式兩種。本文重點(diǎn)介紹某大型固定式相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)。

1　主要技術(shù)指標(biāo)

某新型固定式相控陣?yán)走_(dá)用電總功率近6 MW。

供電輸入要求：三相三線380 VAC±10%，50 Hz±10%，THD<10%，PF>0.99。

陣面DAM(T/R組件)用電需求：直流28 V、10 V、5 V等。

2　供電系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

2.1供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本雷達(dá)項(xiàng)目供電系統(tǒng)輸出功率大，要求復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣。為保證電源系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)滿足要求，需要解決輸入諧波和功率因數(shù)、陣面電源的體積和質(zhì)量、電源傳輸電纜的損耗，以及安全性和熱設(shè)計(jì)等方面的問題。

2.1.1整流電路網(wǎng)側(cè)諧波電流(THD)和功率因數(shù)(PF)

整流電路網(wǎng)側(cè)的諧波電流(THD)較大，不僅污染電網(wǎng)，還會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備之間的相互干擾，使前端電站功率容量增大，并會(huì)引起電站發(fā)電機(jī)發(fā)熱較嚴(yán)重。功率因數(shù)較低將造成部分功率在電站和電源的輸入端空轉(zhuǎn)，既使前端電站供電容量增大又影響電能使用效率。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)諧波電流應(yīng)越小越好，功率因數(shù)應(yīng)越大越好。

整流電路有傳統(tǒng)的三相6脈沖不控全橋整流、多脈沖整流(多脈沖變壓器+不控整流橋)、PWM整流3種方案。3種方案的主要性能指標(biāo)比較如表1所示。

表1　3種整流電路方案的主要性能指標(biāo)比較

結(jié)合本供電系統(tǒng)應(yīng)用于固定站的實(shí)際情況，地面設(shè)備的質(zhì)量因素權(quán)重不大，故綜合可靠性指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)要求，整流電路選擇多脈沖整流方案。

多脈沖整流就是利用不同的繞組聯(lián)結(jié)方式(如三角形聯(lián)結(jié)和星形等等)構(gòu)造得到相位不同的電壓矢量，使得網(wǎng)側(cè)電流由不同相位的電流矢量疊加而成，最終使得常規(guī)三相橋式整流電路網(wǎng)側(cè)的方波電流變?yōu)榀B加而成的階梯波電流。與階梯波合成逆變器的道理相同，根據(jù)階梯波抵消原理，當(dāng)合成電流波形的階梯數(shù)越多，即相位不同的電壓矢量數(shù)增加、整流脈沖數(shù)增多，則對(duì)應(yīng)的電流波形中諧波成份越少，THD越小。不同脈沖數(shù)輸入電流諧波分析結(jié)果如表2所示。由于變壓器中存在漏抗，階梯波邊沿變緩，實(shí)際的THD會(huì)略小于理論分析結(jié)果。

表2　多脈沖整流器電流諧波分析結(jié)果

本供電系統(tǒng)中，綜合考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)和變壓器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，選擇18脈沖整流電路，可以提高功率因數(shù)，減少無功功率損耗，有效降低電流諧波，實(shí)現(xiàn)綠色用電。其中網(wǎng)側(cè)電流諧波可以實(shí)現(xiàn)<10%，功率因數(shù)可以實(shí)現(xiàn)>0.99。

2.1.2天線陣面電源的體積、質(zhì)量控制

天線陣面電源的體積、質(zhì)量與電源系統(tǒng)的供電方式密切相關(guān)。圖1所示的供電方式是將市電或電站的三相380VAC/50Hz交流電直接傳送到天線陣面，經(jīng)天線陣面上的一次電源AC/DC轉(zhuǎn)換成陣面設(shè)備所需的直流電源。

圖1　傳統(tǒng)雷達(dá)供電方式

圖2所示的供電方式是先將市電或電站的三相380VAC/50Hz交流電通過放置于地面平臺(tái)的整流電源進(jìn)行整流，其輸出的直流電壓520VDC傳送到天線陣面，再由陣面DC/DC電源二次轉(zhuǎn)換成陣面設(shè)備所需的多種直流電源。

圖2　新型雷達(dá)供電方式

圖1所示的供電方式，其整流電路置于天線陣面上，增加了天線陣面上電源的體積與質(zhì)量。圖2所示的供電方式，其陣面電源是DC/DC轉(zhuǎn)換，沒有輸入交流濾波器和高壓大容量電解電容器，易于采用微組裝工藝，可進(jìn)一步減小陣面DC/DC電源的體積和質(zhì)量。

根據(jù)本項(xiàng)目電源系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的要求，圖2供電方式中陣面電源與圖1傳統(tǒng)供電方式中陣面AC/DC電源體積和質(zhì)量比較如表3所示，而兩種陣面電源的功率均以3 kW為例。

表3　圖2供電方式中陣面電源與圖1傳統(tǒng)供電方式

經(jīng)表3對(duì)比可知，圖2供電方式中陣面電源體積僅為圖1傳統(tǒng)供電方式中陣面電源的21.9%，質(zhì)量僅為26.7%，故采用圖2所示的供電方式可大大減小雷達(dá)天線陣面電源的體積和質(zhì)量。因此，本供電系統(tǒng)采用圖2所示的供電方式。

2.1.3傳輸線纜損耗控制

陣面上近6 MW的低壓直流電(主要是28VDC)傳輸?shù)截?fù)載。常規(guī)做法是將陣面電源全部放在一個(gè)機(jī)柜中，陣面電源機(jī)柜與負(fù)載組件機(jī)柜(DAM)間結(jié)構(gòu)布置方式如圖3所示，電源機(jī)柜與負(fù)載組件機(jī)柜緊鄰，電源與負(fù)載之間用線纜連接，供電電纜總長度按3 m計(jì)算。

按每個(gè)陣面電源3 kW，6 MW功率需要2000個(gè)3 kW電源。每個(gè)電源的傳輸線纜截面積取20 mm2時(shí)則每只電源與負(fù)載線纜之間線纜阻抗為

總的陣面低壓直流輸電線纜總損耗為

=60.26×103W

低壓直流輸電線纜總損耗為60多千瓦。這么大的損耗白白浪費(fèi)在電源輸出傳輸電纜上，既浪費(fèi)電能，還帶來諸如走線、散熱等問題。

如果將陣面電源與負(fù)載T/R組件進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如圖4所示)，由于電源和負(fù)載之間的傳輸線纜最大長度小于30mm，其輸電線纜的損耗最多只有常規(guī)做法的1%，使陣面低壓直流輸電線纜損耗控制方面優(yōu)勢(shì)明顯。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)也存在其他問題。通過技術(shù)的優(yōu)化，這些問題都可以解決。因此，本供電系統(tǒng)中陣面電源置于在負(fù)載T/R組件中，結(jié)構(gòu)實(shí)行一體化設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖3　傳統(tǒng)供電系統(tǒng)DAM組件與陣面電源連線圖

圖4　新型供電系統(tǒng)DAM組件與陣面電源結(jié)構(gòu)裝配圖

2.1.4安全性設(shè)計(jì)

由于供電系統(tǒng)具有功率大、輸入電壓高、輸出電流大等特點(diǎn)，因此需要特別注意安全性設(shè)計(jì)。在發(fā)生故障時(shí)要啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制，避免設(shè)備損壞和人身傷害。

本供電系統(tǒng)中，安全性設(shè)計(jì)主要有以下4個(gè)方面考慮：

(a) 電氣絕緣。保持配電線路和電氣設(shè)備的絕緣良好，保證人身安全和電氣設(shè)備正常運(yùn)行。

(b) 防直接接觸。防止人體、物體等直接接觸帶電體而發(fā)生危險(xiǎn)的措施或留有足夠安全可靠的距離。

(c) 安全載流量。根據(jù)導(dǎo)體的安全載流量確定導(dǎo)線截面積和選擇設(shè)備。供電系統(tǒng)內(nèi)部及外部連接導(dǎo)線或銅排均選擇安全載流量，溫升控制在20℃左右。

(d) 電擊防護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)因絕緣損壞等異常情況下而采取的如過載、漏電保護(hù)等措施。

本供電系統(tǒng)從供電安全和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性兩個(gè)方面綜合考慮，陣面供電采用直流母線供電且對(duì)地絕緣，即直流母線浮地系統(tǒng)。直流供電母線浮地系統(tǒng)采用供電母線正負(fù)端對(duì)地絕緣，負(fù)載端外殼安全接地，將供電母線和人員操作接觸電路完全分離開，防止人員接觸高壓部分，保障設(shè)備和人員的安全性。

本供電系統(tǒng)允許電源母線中的一極(正極或負(fù)極)長期破損并觸碰到設(shè)備外殼而不造成人員傷亡。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)人體觸及帶電外殼時(shí)，通過人體的電流約為7.87mA，遠(yuǎn)小于人體允許的安全電流300mA(當(dāng)通過人體直流電流300mA、時(shí)間0.75s時(shí)發(fā)生心室纖維性顫動(dòng)的概率大于50%，造成休克或者死亡)。

本供電系統(tǒng)在采用供電母線浮地系統(tǒng)的同時(shí)設(shè)計(jì)了母線漏電流告警保護(hù)裝置和母線絕緣監(jiān)測(cè)裝置。漏電流告警保護(hù)裝置采用直流微小電流傳感器監(jiān)測(cè)輸出正負(fù)母線的電流差，判斷對(duì)地泄露電流的情況。當(dāng)泄露值在一定時(shí)間內(nèi)超過閾值，告警電路將電源斷開，為后級(jí)設(shè)備提供保護(hù)。母線絕緣監(jiān)測(cè)裝置利用絕緣傳感器周期性地檢測(cè)母線對(duì)地阻值是否滿足要求。當(dāng)對(duì)地電阻值小于設(shè)定值(一般為10kΩ量級(jí))時(shí)，進(jìn)行告警，電源保護(hù)性斷開輸出。

2.1.5熱設(shè)計(jì)

本相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)的輸出功率大，功率密度高，故系統(tǒng)散熱問題的處理及實(shí)現(xiàn)難度也相應(yīng)增加。綜合考慮設(shè)備安裝位置、使用環(huán)境要求、建設(shè)成本及可靠性問題，本系統(tǒng)選用間接強(qiáng)迫風(fēng)冷加強(qiáng)迫液冷的冷卻方式。系統(tǒng)各單元的熱設(shè)計(jì)采用理論計(jì)算加計(jì)算機(jī)輔助仿真的方式進(jìn)行，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，保證全溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)整機(jī)穩(wěn)定可靠工作。同時(shí)，本供電系統(tǒng)對(duì)熱量較集中的部分采用熱管集中導(dǎo)熱的方式進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移，再經(jīng)由風(fēng)機(jī)帶走熱量，對(duì)關(guān)鍵部件(如整流管、變壓器、開關(guān)管等)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦超過溫度閾值會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電源，待溫度恢復(fù)至正常工作范圍時(shí)可重新開機(jī)，有效地提高了供電系統(tǒng)工作的可靠性。

2.2供電系統(tǒng)的組成框圖

新型相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)主要由地面整流電源和陣面DAM組件電源兩部分組成。每個(gè)整流電源輸出功率為220kW，每個(gè)DAM組件中有2只3kW集中式DC/DC電源模塊、16只分布式DC/DC電源模塊及1只輔助電源模塊。具體組成結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5　新型相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.3供電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件

2.3.1整流電源

整流電源的硬件系統(tǒng)主要由18脈沖整流電路、開機(jī)軟啟動(dòng)電路、檢測(cè)控制電路等部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。整流電源的軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整流電源的自動(dòng)控制和狀態(tài)檢測(cè)，并提供本地觸摸液晶屏監(jiān)控界面，用于監(jiān)控其工作狀態(tài)和工作參數(shù)。

圖6　地面(平臺(tái))整流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主要性能指標(biāo)如下：

(a) 輸入：380VAC±15%/50Hz，三相三線；

(b) 輸出：520VDC±15%，200kW；

(c) 紋波：≤20V(≤1000Hz)；

(d) 總諧波畸變量：≤10%；

(e) 功率因數(shù)：≥0.95；

(f) 整機(jī)效率：≥0.95；

(g) 冷卻方式：風(fēng)冷；

(h) 保護(hù)功能：輸入過欠壓、輸出過流保護(hù)；

(i) 通信接口：使用RS422信號(hào)通訊。

2.3.23 kW集中式DC/DC電源

3kW集中式DC/DC電源，其輸入為直流母線的520VDC，輸出為28VDC/3kW。它采用移相全橋軟開關(guān)拓?fù)洌蓪?shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的零電壓開關(guān)(ZVS)，從而提高電源的效率、可靠性，減小EMI。該電源還具有輸入輸出紋波電流小、EMI干擾小、效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電源并聯(lián)均流輸出，主要由輸入濾波電路、主功率電路、輸出濾波電路、PWM控制保護(hù)電路、輔助電源等部分組成。電源結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7　3kW集中式DC/DC電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主要性能指標(biāo)如下：

(a) 輸入：500VDC±15%；

(b) 輸出：28VDC/3kW(分8路輸出)；

(c) 紋波：≤ 0.1%Uout(≤20MHz)；

(d) 源效應(yīng)：< 0.2%；

(e) 負(fù)載效應(yīng)：<0.5%；

(f) 整機(jī)效率：≥ 92%；

(g) 冷卻方式：外置冷板；

(h) 保護(hù)功能：輸入過欠壓、輸出過欠壓、輸出過流及過溫保護(hù)；

(i) 通信接口：使用RS422信號(hào)通訊。

2.3.3分布式DC/DC電源

分布式DC/DC電源輸入為28VDC，輸出兩路，分別為10VDC/5A和5VDC/0.6A。由于3kW集中式DC/DC電源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了原副邊隔離，因此分布式DC/DC電源可以采用非隔離方案。電源結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示，整個(gè)電源可分為輸入濾波、功率變換、輸出整流濾波等部分。

圖8　分布式DC/DC電源結(jié)構(gòu)框圖

主要性能指標(biāo)如下：

(a) 輸入：28VDC±15%；

(b) 輸出：10VDC/5A，5VDC/0.6A；

(c) 紋波：≤ 20mV(≤20MHz)；

(d) 源效應(yīng)：< 0.5%；

(e) 負(fù)載效應(yīng)：< 1%；

(f) 整機(jī)效率：≥ 85%；

(g) 冷卻方式：外置冷板；

(h) 保護(hù)功能：輸入過欠壓、輸出過欠壓、輸出過流和過溫保護(hù)。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述方案，研制了1套新型相控陣?yán)走_(dá)供電系統(tǒng)。經(jīng)過測(cè)試及各種環(huán)境試驗(yàn)，該系統(tǒng)最后與雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)試，性能穩(wěn)定可靠，滿足了整機(jī)系統(tǒng)的供電需要，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖9為聯(lián)機(jī)測(cè)試時(shí)整流電源的網(wǎng)側(cè)三相電流波形。圖10、圖11、圖12分別為地面整流電源、陣面3kW集中式DC/DC電源和分布式DC/DC電源的照片。

圖9聯(lián)機(jī)測(cè)試時(shí)整流電源網(wǎng)側(cè)輸入三相電流波形

圖10　地面(平臺(tái))整流電源

圖11　陣面3kW集中式DC/DC電源

圖12　分布式DC/DC電源

4　結(jié)束語

本文中的新型雷達(dá)供電系統(tǒng)采用了18脈沖整流技術(shù)，大大降低了供電網(wǎng)側(cè)的電流諧波，提高了功率因數(shù)。通過隔離變壓器也可以輕易實(shí)現(xiàn)輸入/輸出隔離，從而提高系統(tǒng)安全性。把整流電源放置在地面上，大大減小天線陣面的質(zhì)量和體積。地面整流電源和陣面DAM組件電源系統(tǒng)之間采用直流母線進(jìn)行連接，陣面DC/DC電源和DAM組件進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減小了傳輸線的損耗。采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了陣面電源組件的小型化、高效率和高可靠性。該雷達(dá)供電系統(tǒng)已經(jīng)批量生產(chǎn)并投入使用，驗(yàn)證了該新型雷達(dá)供電系統(tǒng)方案的可行性和可靠性，對(duì)今后類似相控陣?yán)走_(dá)的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

[1]GeorgeJWakileh. 電力系統(tǒng)諧波——基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計(jì)[M]. 徐政譯. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:67.

[2]李善慶，陳乾宏，張巍，程心前. 21kW18脈沖自耦型變壓整流器的分析與實(shí)現(xiàn)[J]. 雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2010(4).

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A new power supply system for fixed phased array radar

LI Shan-qing1, WANG Bang-zhao1, YIN Hua-qiao2, WANG Shun-xi3

(1．ECU Electronics Industrial Co., Ltd., Hefei 230088；2．No. 38 Research Institute of CETC，230088；3．Military Representatives of Technical Reconnaissance Department of the Headquarters of the General Staff in Nanjing, Nanjing 210018)

A new power supply system of the fixed phased array radar is introduced. The problems of the power supply system that need to be solved are discussed in detail, including the input harmonic and power factor, size and quality of the power supply of arrays, loss of power transmission cables, safety, and thermal design. In addition, a specific solution is proposed. The power supply system mainly comprises the ground rectified power supply and the array DC/DC power supply. The output DC of the ground rectified power supply is transmitted to the arrays as the input of the array DC/DC power supply via the cables. The ground rectified power supply adopts the 18-pulse rectification technology, and the array DC/DC power supply uses the HF switch power supply technology. Finally, the feasibility of the new power supply system of the fixed phased array radar is verified through the waveform test of the actual product.

radar power supply system; DC bus; multi-pulse rectification; array power supply

2016-05-30

李善慶(1966-)，男，研究員，研究方向：軍用中、大功率高頻開關(guān)電源、電源模塊及雷達(dá)供電系統(tǒng)；汪邦照(1982-)，男，工程師，研究方向：軍用開關(guān)電源和雷達(dá)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作；尹華橋(1966-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)；王順喜(1978-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。

TN952

A

1009-0401(2016)03-0019-06

項(xiàng)目支持：安徽省115產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目