大功率脉冲测量雷达应对电压跌落方法研究

王 录，郎定川，李乃忠，刘彦强

(中国酒泉卫星发射中心， 兰州 732750)



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大功率脉冲测量雷达应对电压跌落方法研究

王 录，郎定川，李乃忠，刘彦强

(中国酒泉卫星发射中心， 兰州 732750)

针对交流电源短暂电压跌落引起市电直供的大功率脉冲测量雷达伺服、发射机和水冷系统保护停机的问题，叙述了雷达系统组成及对应功率容量。分析了采用双变换不间断电源和市电同时向伺服系统、发射机及水冷系统的低压控制电路和大功率部件区别供电的可行性。提出了改进分机低压控制线路和可编程逻辑控制器控保逻辑的建议，提高了雷达系统抵抗电压短暂跌落的能力。

发射机; 不间断电源; 功率; 电压跌落; 可编程逻辑控制器

0 引 言

经典面天线大功率脉冲测量雷达一般由发射、接收和信号处理、天伺馈、测距、数据采集、记录和数据处理、主控、冷却及其他分系统组成。其中，接收和信号处理、测距、数据采集、记录和数据处理、主控等分系统只涉及信号处理及控制过程。为提高供电可靠性和质量，各分系统均采用在线式双变换不间断电源(UPS)供电。由于双变换UPS对输入市电进行滤波、整流和交流再生，因此，以上各分系统能够应对电压跌落、浪涌、欠压、过压、频率波动、切换瞬变、谐波失真等各类电能质量不良现象，确保各分系统在电压跌落等不利供电情况下正常运行。

雷达发射机和伺服系统的指标和性能，直接关系到雷达作用距离和跟踪快速目标的能力，在条件允许的前提下，要求发射机具有提供单载频、线性调频及串行双脉冲波形[1]的能力，同时要求雷达天馈系统大口径面天线方位、俯仰角速度分别达到40°/s、20°/s。基于以上性能要求，雷达发射机整机消耗平均功率近100 kW，其对应的冷却系统(包括液体泵、压缩机、风机等)安装容量也近100 kW，伺服驱动系统的功率放大器安装容量也近300 kW，故雷达伺服、发射机及冷却分系统一般采用市电直供保障[2]。市电电能质量不佳，特别是由于单相接地故障引起的持续数个波形的电压跌落，将直接引起雷达发射机、伺服报警甚至停机，影响雷达系统的正常工作。

1 电压跌落造成雷达分系统停机原因分析

电压跌落是由于恶劣气象或者单相接地故障引起某一时刻供电电压均方根值突然下降至额定电压幅值的90%～10%，持续半个至数个电网波形时间后又恢复正常水平的现象[3]。描述电压跌落的主要特征量有：电压跌落幅度、电压跌落持续时间和电压跌落相位跳变。

电压跌落故障发生后，采用双变换UPS供电的接收和信号处理、测距、数据采集、记录和数据处理、主控等分系统不会造成雷达停机。但采用市电直供的雷达发射机、伺服及冷却系统，由于其内部低压控制电路监测到供电中断或其他小功率部件状态发生变化导致控保逻辑报警，将造成雷达关键分系统保护停机，直接影

响目标的正常跟踪测量。

1.1 电压跌落引起伺服分系统功放保护停机

图1 雷达伺服可控硅功率放大器组成及供电

由于可控硅功率放大器主要实现从交流至大功率可控直流的变换，包含在功放内部的小信号电路及大功率变换均采用市电直供。位于可控硅功率放大器“内部锁定保护”电路采用三相整流方法实时监测三相功率电源供电情况，电网电压跌落将即刻触发“内部锁定保护”电路向伺服驱动系统控制PLC报警，伺服安全保护控制PLC即下达指令，关闭向功率放大器供电的“交流接触器”，同时掉电释放直流电机“制动器”，使其抱闸，造成雷达天线停止转动，不能正常跟踪移动目标。

1.2 电压跌落引起发射机高压电源、速调管保护停机

C波段大功率脉冲测量雷达发射机多采用主振放大式，由前级固态放大器、末级高功率速调管放大器、模块化全固态脉冲调制器、相移式开关高压电源、磁场电源、控制保护、钛泵电源、灯丝电源以及冷却系统等组成[5]，如图2所示。图中，P为相电压，N为中性线，1P+N为单相供电，3P+N为三相四线制，3P为三线制供电。

图2中，磁场与反线包电源采用相移式全桥零式电压变换器为速调管聚焦线包提供稳定的励磁电流，用于产生聚焦磁场，要求其输出电压可调。钛泵电源采用倍压整流的方式产生约4 kV的高压，给速调管钛泵供电，吸收速调管内的残存气体，保持管内良好的真空度。二者均要求纹波小于5×10-3，稳定度小于10-2。灯丝电源多采用半桥变换器结构的衡流电路，电路带软启动功能，稳流输出使得阴极温度更加恒定，从而减小了对电子注电流的影响。电网波形的电压跌落将造成以上三个电源波动，不稳定的磁场电源、灯丝电源及钛泵电源将引起钛泵电压、钛泵电流、收集极电流和管体电流报警，从而引起发射机保护停机。

图2 发射机组成

图2中高压电源工作在高电压、大电流状态，几乎全部承担了发射机近100 kW平均功率的输出，它由三个整流逆变升压模块串联组成，如图3所示。整流逆变升压模块将市电整流，再经谐振产生高频方波电压，最后经整流串联升压产生-20 kV高压, 图3中灰底框组成一个高压逆变模块。

图3 发射机高压电源组成框图

从图3原理可知，相移式模块化开关高压电源中只要常规整流滤波的“低压电容”保持有确定的电压幅值，就可确保后级的谐振升压电路正常工作。但受电容容量、体积、耐压及高压电源机柜空间、设备小型化要求等因素限制，在外部市电中断情况下，该电容容量目前只能保证发射机满功率工作大约11 ms。计算如下：

三相整流后直流电压受“低压电容”调节，一般端电压一般在512 V～537 V，只要“低压电容”两端直流电压维持在一定数值，即可保证后级谐振逆变模块的正常工作。此处计算电容电压降至400 V时维持发射机满功率输出的时间(以单个整流逆变升压模块为例)。理想情况下，“低压电容”存储能量全部用于整流逆变升压模块功率输出，则依据能量守恒原理

新增钻孔水位与库水位存在较强相关性。D2、D1相关系数为负值，说明该处岩体通透性良好，岩体内水压力可迅速降低。有利于岩体稳定，通过2016年外部变形监测数据比较，右岸山体特征形变量小于左岸，与左岸钻孔相关系数正值形成鲜明对比。

(1)

式中：U1为电容初始电压，取510 V；U2为维持谐振变换器正常工作电压，取400V；C为电容容量，原始设计数值为4 700 μF；P为单个升压逆变模块分担发射机的平均功率，取18 kW；t为“低压电容”维持发射机满功率输出时间。

当电压跌落持续时间超过11 ms，且速调管其余保护功能未触发时，相移式模块化开关高压电源输出的高压数值将下降，导致发射机输出功率下降，造成目标跟踪距离的缩短。

2 雷达分系统应对电压跌落的改进措施

组成雷达的接收和信号处理、测距、数据采集、记录和数据处理、主控等系统由于采用UPS供电，在电压跌落期间能够正常工作。因此，在电压跌落期间，只要维持发射机正常输出探测脉冲，且雷达天线波束照射到飞行目标，就可以确保电压跌落期间雷达系统继续跟踪目标。

2.1 伺服分系统改进措施

常见飞行目标对地面站角速度在8°/s以内，当天线口径为10 m时，C波段波束宽度约0.4°，天线静态时目标飞出波束需要的时间约为50 ms。考虑到天线电压跌落期间功放不再输出，天线及电机系统处于自由滑行状态，故目标飞出天线波束的时间需要100 ms以上。

伺服系统改进的具体思路是：在电压跌落期间，伺服驱动控制PLC接到功放断电报警后，维持伺服分系统工作方式不改变、电机不抱闸制动、伺服功放供电的接触器不分断，确保伺服系统正常工作。

具体改进方法是：采用双变换UPS向伺服驱动小功率控制电路、控制保护PLC供电，采用市电向伺服功放主功率电路供电，即图1中“直流电源”采用UPS提供，而粗实线表示的大功率供电采用市电供应。改进伺服驱动PLC控保逻辑，在伺服功放功率供电中断告警的100 ms内，不发出电机抱闸及功率供电接触器关断指令。当供电中断100 ms后伺服驱动功放功率供电仍然不恢复，则此时控制功率供电接触器关断并直流电机抱闸，防止天线失控撞击损坏。

2.2 发射机分机具体改进方法

根据上文分析和计算结果，只要增加“低压电容”的容量至47 000 μF左右，则在电压跌落后就可维持发射机(47 000/4 700)×13≈130 ms的正常功率输出。从图3可知，增加如此巨大容量的电容，如果直接与原电路的电容简单并联，由于充放电的原因，必然会影响到雷达发射机的正常开关机运行。为此，新增加的电容采取一定的隔离手段，以确保发射机在各种状态下的正常运行。

发射机的具体改进思路和方法是：为最低限度地改动原发射机原始线路，新增的抗电压跌落电容单独置于一个机柜中，增加独立的软启动和整流电路，新电容器组经隔离二极管连接到原来的高压电源分机中；采用双变换UPS向发射机的磁场与反线包电源、钛泵电源、灯丝电源以及其他机柜冷却小功率风机供电。控保分机PLC负责发射机高压机柜的正常供电和抗跌落电容机柜的开关机工作。独立配置的抗电压跌落机柜组成如图4中灰色框所示。

图4 发射机及控保供电

2.3 冷却系统改进方法

大功率脉冲测量雷达发射机多采用速调管作为末级功率放大部件。当速调管工作时,占很大比例的电子束功率转变为热能被收集极吸收,致使收集极承受很高的发热密度。收集极过热是引起发射管寿命降低的重要原因[1]。另外，速调管体、磁场线圈、水负载、换流器、开关高压电源内部的三相整流半导体以及绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关管等都具有很高的热流密度。为提高各部件的工作可靠性，均采用一次液体冷却、二次风冷方式的冷却系统[2]，如图5所示。

图5中，冷却系统供电也是由大功率供电线路和控制小功率供电线路组成，只要将小功率控制电路和一次冷却液体泵采用UPS供电，确保发射机的一次冷却正常运行，并保持冷却系统工作状态准确及时传递至发射机控保PLC。此时，即使二次冷却的流量、压力传感器发出告警信号，冷却系统控制保护PLC将该告警信号屏蔽延迟100 ms上报发射机PLC处理，就可以维持电压跌落期间发射机冷却系统的正常运行。在延迟处理100 ms内，即使二次冷却停止运行，包括速调管收集极、速调管管体、开关高压电源内部IGBT开关管等热流密度集中的部件由于受一次液体冷却保护，可确保关键部件温度在安全区间，保证发射机正常运行。

图5 冷却系统组成

3 低压电路容量分析及UPS容量选择

通过对该型C波段大功率脉冲测量雷达发射机、10 m口径面天线伺服以及冷却系统的用电特性和容量分析，低压电路只用于机柜小容量交流风机驱动以及经整流产生低压直流电源两种用途。伺服驱动功放内部采用大功率市电相位产生六个触发脉冲，因此，使用UPS和市电双电源可以同时向伺服、发射机及冷却系统的低压控制电路和功率电路供电。经过核算和测试，伺服、发射机及冷却分系统的低压控制电路、一次液体冷却泵用电容量如表 1所示。

表1 伺服、发射机及水冷控制电路容量 VA

受电对象峰值容量稳态容量伺服低压控制电路3950927发射机电源及控制电路70006660冷却系统控制电路15001121一次液体冷却泵5106019320综合6351028028

按照UPS用电负荷占比60%估算[6]，上述低压控制电路选择一台120 kW UPS主机、小容量电池组就可确保电压跌落期间各分系统的正常工作。

4 结束语

采用双变换UPS向雷达伺服、发射机低压控制线路、冷却系统控制电路及一次冷却液体泵持续高质量供电后，减少了伺服系统由于电压跌落造成再次操作等复杂动作，节约了伺服驱动方位钢丝轨道轴承供油油泵开机延迟时间；发射机不再出现由于磁场与反向包电源不正常引起的管体电流过载从而下高压故障；灯丝电源的供电电压更加稳定，提高了半桥变换器电路的稳流性能，使得阴极温度进一步恒定；磁场与反线包电源将为速调管聚焦线包提供更加稳定的励磁电流，从而产生更加稳定的聚焦磁场，利于发射机输出高质量射频信号，提高数据质量，从而显著提高了雷达系统抵抗电压跌落的能力。

[1] 刘 超, 杨 明, 戴广明, 等. 新一代高压大功率紧凑型发射机设计[J]. 现代雷达, 2014, 36(7): 65-67, 72. Liu Chao, Yang Ming, Dai Guangming, et al. Integrative design of a novel compact high power klystron transmitter[J]. Modern Radar, 2014,36(7): 65-67, 72.

[2] 戴广明. 大功率雷达发射机“三化”研究[J]. 现代雷达，2011，33(11)：1-5. Dai Guangming. A study on universalization serialization and modularization of high power radar transmitter[J]. Modern Radar, 2011,33(11)：1-5.

[3] 程浩忠, 艾 芊, 张志刚, 等. 电能质量[M]. 北京:清华大学出版社, 2006. Chen Haozhong, Ai Qian, Zhang Zhigang, et al. Power quality[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2006.

[4] 李连升. 雷达伺服系统[M]. 北京：国防工业出版社，1983. Li Liansheng. Radar servo system[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1983.

[5] 郑 新，李文辉，潘厚忠，等. 雷达发射机技术[M]. 北京：电子工业出版社，2006. Zheng Xin, Li Wenhui, Pan Houzhong, et al. Technique of radar tranmitter[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[6] 周志敏, 纪爱华, 等. UPS供电系统设计与工程应用实例[M]. 北京:中国电力出版社, 2012. Zhou Zhimin, Ji Aihua, et al. The design and engineering implementation of UPS power supply system[M]. Beijing: China Electrical Power Press, 2012.

王 录 男，1972年生，硕士，高级工程师。研究方向为雷达伺服系统、雷达系统供电。

郎定川 男，1962年生，硕士，高级工程师。研究方向为高低压供配电。

李乃忠 男，1974年生，高级工程师。研究方向为雷达、S波段统一测控系统总体。

刘彦强 男，1974年生，硕士，工程师。研究方向为雷达数字信号处理。

A Study on the Method of Anti-voltage Sag of High Power Pulse Instrumentation Radar

WANG Lu，LANG Dingchuan，LI Naizhong，LIU Yanqiang

(Jiuquan Satellite Launch Center in China, Lanzhou 732750, China)

According to the protection shutdown problem of high power pulse instrumentation radar caused by alarm of servo, transmitter and forcing water cooling system due to alternation current (AC) power supply voltage sag, the simple description of pulse radar system composition and the corresponding power capacity is presented. A detailed analysis of feasibility to pnuer the servo, transmitter and water cooling system by AC power and uninterrupted power supply (UPS), simultaneously power are specially emphasized. The improvement suggestions of low voltage control circuit and the corresponding control and protection logic of programmable logic controller are put forward to improve the ability of radar system against voltage transient sag.

transmitter; uninterrupted power supply; power; voltage sag; programmable logic controller

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.10.016

王录 Email：wanglu139@sohu.com

2015-06-12

2015-09-15

TN957

A

1004-7859(2015)10-0065-04