现代雷达对电站的新要求及对策

彭继林

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

柴油发电机组是目前应用非常广泛的发电设备，通常用作邮电通信部门、财政金融部门、医院、学校、工矿企业及住宅的应急备用电源，野外作业、车辆及船舶等特殊用途的独立电源等【4】，而军用雷达电源(以下统称电站)使其重要的一个分支，相比民用电源来讲，军用电站的技术指标更高。配套军用电站功率在1kW ～60kW 之间的火控雷达、炮位侦校雷达、目标搜索雷达系统。一方面由于PWM 型AC—DC、DC—DC 等开关电源的大量使用，以固态电力电子器件控制大功率装置等，目前已不再使用中频400Hz 或双频50Hz、400Hz 电站，而用与市电供电体制一致的50Hz、380V/220V 柴油电站。另一方面，随着内燃机电站技术的发展，控制模块的数字化，无刷发电机取代了有刷发电机，电站控制趋向智能化，电站动力普遍采用优质的高速柴油发动机，因此，这些雷达的配套电站在电气性能指标和功能上除要满足国军标要求(如:GJB235A 军用交流移动电站通用规范，GJB5785 军用内燃发电机组通用规范)和雷达的用电指标要求外，军用雷达对其配套电站还提出了以下几方面新的、迫切的要求:电站结构的适配性要求;电站的可靠性和维修性要求;电站的电磁兼容性要求;电站波形的正弦畸变性要求;电站的隐蔽性要求。

1 电站结构的适配性要求

1.1 电站结构的适配性要求

表1 现代雷达电站结构适配性要求

本文讨论的电站都是与雷达装在同一辆越野车上的，因此要求电站具有重量轻、体积小、噪声低等突出特点。电站适配性若能实现表1 雷达电站结构适配性要求，将是现代雷达电站追求的目标。

1.2 达到适配性要求的主要对策

1.2.1 减小电站重量和缩小电站体积的最有效方法【5】

电站中柴油发动机和发电机是决定电站体积、重量的关键件。对发电机来说，发电机的容量为:

式(1)中:S 为发电机容量

C 为发电机的阿诺尔常数(表征发电机电磁材料利用的常数)

D 为发电机的定子内径

L 为发电机铁芯长度

N 为发电机的转速

从上式可知，在发电机的容量大小确定后，要有效缩小发电机的体积和重量D·L 的乘积，只有提高发电机的转速N。但要保证交流发电机输出频率F=50Hz 不变，还决定以下因素【7】:

式(2)中:F 为频率(50Hz)

N 为发电机转速

P 为发电机的磁极对数

从上式可知，发电机磁极对数取50Hz 发电机的最高转速为3000rpm.

对柴油机来说，输出的有效功率Ne 为【4】:

式(3)中:Pe 为发动机气缸内的平均有效压力

Vh 为发动机活塞排量

Z 为发动机的汽缸数

τ 为发动机工作冲程数(柴油机均为4 冲程)

N 为发动机转速

从上式可知，电站输出功率确定后，发动机的有效功率Ne 是定值，柴油机压缩比是一定的，因此Pe也是确定值，对柴油机来讲，它的冲程数τ 也是定值，要有效缩小发动机的体积和重量，只有减小活塞排量和汽缸数，因此只有用高转速的发动机来保证电站的输出功率达到要求。为了与发电机匹配，因此发动机的转速也选3000rpm，可有效减轻发动机的体积和重量。

以目前最先进的低噪声柴油发电机，德国熊猫发电机组为例【3】，见表(2)。

表2 1500rpm 和3000rpm 德国熊猫电站比较

从上表可见，国外先进国家的电站水平已经远远超过我们，并且现在8kW 以下发电机倾向用永磁发电机，变速变频发电来减小电站的体积和重量，这类电站的特点为额定功率时发电机高速运转，负载下降时转速也自动降低，而且频率和电压的稳定用AC—AC 逆变器来实现实现。

1.2.2 降低电站噪声的途径【2】

降低电站工作时的噪声，又能确保体积小，高温工作可靠，目前解决得好的是Fischer Panda 公司的第二代超静音电站，它将电站的噪声源:发动机及发电机座体用密闭的隔声和吸音罩来降噪，发动机和发电机产生的热量由流动的水来引出，外部用一体式水散热器和低噪声电动风机散热，配用阻容复合或消声器。当设计选用4DS(五层隔音材料，最大隔音板厚40mm)，电站噪声可降至70dB(A)以下，可见效果相当明显。

2 提高电站的实际可靠性和维修性

2.1 提高电站的可靠性

电站的可靠性直接影响雷达系统的使用状态和效率。目前我所装备部队的雷达产品已很多，所配套的电站有6、7 种之多，就拿近几年配套的12KW、20KW 和30KW 电站来讲，它们的可靠性指标为:MTBF≥1000h，符合国军标GJB5785 的要求，也符合产品工程设计要求，而且产品鉴定试验时都是合格的，但在批量生产后，暴露的质量问题很多，集中表现在零件质量差(如:油管、密封件、机电类器件);工艺不稳定(如:装配、焊接、布线等);加之没有按时进行维护和保养(包括发动机和发电机，这两方面均有严格的定期保养流程和规范);同时还有一些设计方面的问题(如超速保护误动作、应急启动无时间要求等等方面的设计缺陷)，所有这些问题均导致装备部队的产品，其可靠性不尽人意。

除以上设计、生产、维护保养方面的问题外，电站的可靠性还取决于内燃机的可靠性，据统计，内燃机的故障率约占电站故障的60%左右。由于西方发达国家工业制造水平先进，内燃机的可靠性指标大约为我国的2 倍(我国内燃机MTBF 平均水平为800h，国外平均水平为1500h，先进水平为2000h。)，因此要使军用电站的MTBF 远大于1000h，就首先要使用国外先进的，成熟的内燃机。就目前来讲，与国内先进电站相比，德国军用第二代超静音电站MTBF 已达到2500h，我们的差距还很大。

2.2 提高电站的可维修性

雷达电站在设计定型前的任务书或技术要求中都要规定可维修性MTTR 指标，我所目前配套的12kW、20kW 和30kW 电站MTTR≤1 小时，但这些指标也只是文字上的规定，对实际工作指导作用有多大却值得商榷，况且现在的雷达系统为了追求小型化，提高战场生存能力，都采用了机动性很好的车载移动形式，但同时给雷达电站的维修却带来极大的不便。我们知道，电站多数维修是对发动机的维修和保养，并且经常要更换三滤(空气滤清器、机油滤清器、燃油滤清器)，若电站放置在地面或将电站放在周围空间比较大的车上，维修保养还是可以的，但现在电站一上雷达车，电站周围的可用空间很小，维修或维护都发生困难，电站只要发生故障，就得将电站吊下雷达车，这肯定不能满足雷达MTTR 指标要求，也不满足雷达适配性要求。因此，电站设计、定型和生产时应考虑电站在雷达车上的维修模式。另外，电站采用模块化设计，比如电站外罩考虑可快速拆卸等综合因素的话，相信我们的电站维修性可大大改善和提高。

3 提高电站的电磁兼容性

电磁兼容性是指电站在其环境中能正常工作且不对其他设备构成不能承受的电磁干扰。该定义有三个含义:一是电站电站对外界的干扰有一定的承受能力，不失效;二是电站在工作中所产生的电磁干扰在一定限值内，对其它设备或系统不会造成有害影响;三是电站产生的电磁干扰和承受电磁干扰(抗干扰度)是可测的【1】。军用电站标准GJB235A—97、GJB2815—97、GJB425—88 等在电磁兼容性方面只规定了电站产生的无线电干扰，包括传导干扰和辐射干扰【6】(电站的干扰值应不大于表3、表4 的规定值)，但没有规定CS101 电源线传导敏感度;CS114 电缆束注入传导敏感度;RS103 电场辐射敏感度要求。

表3 电站的传导干扰允许值

表4 电站的辐射干扰允许值

电站研制时，在新电站适配性试验中也发生过如:无故障停机;启动液压马达时掉电;偶而发生电压或转速不稳，电力仪表上显示出有波动不稳等现象。经过对转速传感器输出引线改用屏蔽线;电子调速器输出线改用屏蔽线;发电机输出端加装三相干扰抑制模块;继电器改用JQX 及JZC 型航天密封继电器等措施后，这些问题就不再发生，电站工作稳定，充分说明对电站的电磁场及端子干扰敏感度严格要求是十分必要的。

雷达与电站在同一车上，现代雷达的负载特性十分复杂。在机场、靶场或作战环境中，电磁环境的复杂性可想而知，因此雷达总体对电站的电磁兼容性提出更高的要求是很有必要的。

4 电站输出电压波形的正弦性要求

电站输出电压的波形应为无尖刺、无浪涌的正弦波，其正弦波的正弦畸变率计算公式为【3】:

式(4)中:U1为基波电压有效值，U2、U3、U4、U5为各次谐波电压有效值

电站三相线电压的空载波形正弦性畸变率一般要求为δ≤5%，图1 为某火控雷达电站空载时的电压波形，其正弦性畸变率为4.2% 。图2 为火控雷达电站负载时的电压波形，其正弦性畸变率为13.5% 。

图1 电站空载电压波形

图2 电站负载电压波形

由以上的实际拍摄波形来看，因雷达的负载较复杂:有大量的开关电源、整流负载、电磁负载、固态大功率脉冲负载等，它们的特性都是非线性的，因此当各自负载中的多次高频谐波电流进入电站的发电机中时，将造成发电机内的合成磁场发生正弦性畸变，进而导致发电机产生的电压波形正弦性畸变率大增，这样会出现两方面的不良后果:

第1，发电机内的高次谐波(磁场、电流、电压)使发电机发热严重，发电机效率下降，可靠性降低，也直接影响自动电压调节器的稳定工作。

第2，各次高次谐波电流在雷达系统内到处串扰，会给系统产生电磁干扰，影响雷达系统的可靠、稳定工作。

因此为了使电站的电压波形与雷达的负载更匹配，电站配用的发电机应达到以下要求【6】:

a.电站输出电压波形正弦性畸变率δ 应符合新军标GJB5785 的规定，由原δ≤5%降至δ≤3% 。

b.发电机上必须加装R791 型三相干扰抑制模块。

c.自动电压调节模块选用三相有效值测量的模块。

d.发电机定子绕组采用分数槽，铁芯改用斜槽，以削弱齿谐波，以改善发电机电压波形的正弦度。

e.电站定型时应考核电压波形正弦性畸变率是否适配雷达站。

5 电站的隐蔽性要求

由于野战条件下军用电站是现代武器装备系统的唯一电源，也是对方侦察和打击的重要目标，电站一旦被摧毁或失效，再先进的武器系统将陷于瘫痪状态，无法发挥其作战效能。因此除努力提高军用电站的机动性、可靠性、维修性和环境适应性以外，电站的隐蔽性或隐身性也是未来军用电站的一大必然要求。

隐身技术又称隐形技术，是通过降低目标的信号特征，使其难以被发现、识别、跟踪和攻击的技术。就像雷达有跳频等隐身、防干扰手段一样，电站也要有自己的一套隐身办法，以提高武器装备的战场生存能力。电站隐身技术主要概括为红外隐身技术和声波隐身技术。

5.1 电站的红外隐身技术

当温度高于绝对零度(即-273℃)时，任何物体均会向外发出红外辐射，温度越高，红外辐射越强。军用电站均以内燃机为动力，是强红外辐射目标。红外隐身技术的途径是改变目标的红外辐射特征;降低目标的红外辐射强度;调节或调整红外辐射传播途径。以增加敌方依靠军用电站热源为目标进行侦查、监视、定位的难度。

目前，红外隐身技术有:在电站表面涂装模拟植物和沙土背景染料;涂加低发射涂层;采用绝热措施，降低电站表面温度;采用热效率高、热损失小的发动机(如陶瓷发动机);改进发动机燃烧室结构，改善燃烧状况，减少排气中的红外辐射成分等【1】。

5.2 电站的声波隐身技术

声波隐身技术又称声频特征信号控制技术，就是控制目标的声频特征，降低声波探测系统的探测概率。由于电站的噪声主要来源于发动机的燃烧噪声、空气动力噪声和机械噪声，因此，实现吸音和阻尼材料、采用减震隔声装置;采用低噪声发动机将是我们未来发展军用隐形低噪音电站的有效途径和方法。

6 结论

现代雷达对电站的新要求，是科学技术发展的必然，也是推动电站技术发展的动力。雷达电站的设计、制造和配套要密切关注新型雷达的各种要求，使电站更符合雷达系统的要求。

［1］石家庄军械学院电站教研室编.国外军用电站发展情况介绍.2009.

［2］苏石川、刘炳霞.现代柴油发电机组的应用与管理［M］.化学工业出版社，2010.

［3］Fischer Panda(德国熊猫车载发电机组)［M］.2011.

［4］袁春、张寿珍.柴油发电机组［M］.人民邮电出版社，2003.

［5］谢天宇，项蒲根.野战车辆电子设备电站选型要素［J］.移动电源与车辆，2014，1:48-50.

［6］国防科学技术工业委员会.GJB1488—92［S］，1993.

［7］叶水音.电机学［M］.中国电力出版社，2005.