ITPM在雷達發(fā)射機高壓電源中的應用

1 引 言

　　速調(diào)管因其高功率、高效率等顯著特點在雷達發(fā)射機中有著廣泛的應用[1]，本文介紹的速調(diào)管陰極高壓電源功率達到60 kW。為了避免速調(diào)管陰極高壓電源突加對電站的巨大沖擊造成電站跳閘或發(fā)射系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定甚至電站機組的損毀；為了新速調(diào)管工作初期的需要，其陰極電壓要求從較低的電壓逐步上升到額定值；同時考慮到速調(diào)管功率帶寬調(diào)試的方便以及速調(diào)管額定工作電壓參數(shù)的離散性等因素，常規(guī)的方法都是增加一個附屬設備--大功率調(diào)壓器。而該大功率速調(diào)管雷達發(fā)射機通過三相交流晶閘管智能模塊的成功應用，圓滿地解決了上述所有問題，同時減少了雷達的設備量，提高了雷達的機動性能，ITPM調(diào)壓技術(shù)成為該雷達的閃光點之一，受到用戶的廣泛好評。

　　2 晶閘管智能模塊的性能特點

　　2．1模塊的性能特點

　　晶閘管智能控制模塊的最大特點是采用全數(shù)字移相觸發(fā)集成電路，控制電路與晶閘管主電路集成于一體后，使模塊具備了強大的電力調(diào)控功能[2]。模塊輸出對稱性高，無直流分量。模塊壓降小、功耗低，效率高、節(jié)電效果好。大規(guī)格模塊具有過熱、過流、缺相保護功能。觸發(fā)控制電路采用進口貼片元件，保證了良好的可靠性。直流控制信號輸入0～10 V，可對主電路輸出電壓進行平滑調(diào)節(jié)。

　　2．2 三相交流ITPM原理圖

　　圖1中，DCl2 V為外接直流12 V控制電源正極；GND1為控制電源地線及屏蔽線；GND2為控制電源地線，內(nèi)部與GND1相通；CON1為O～10V直流信號輸入；ECON為方便用戶檢測模塊功能使用，此端在模塊內(nèi)部通過1 kΩ電阻與控制電源+12 V連接，輸出10 V直流信號，可外接10～100 kV電位器，但不宜作給定信號使用(此端一般空置)。

　　2．3模塊的導通角要求

　　模塊在較小導通角時(即模塊高輸入電壓、低輸出電壓)輸出較大電流，會使模塊嚴重發(fā)熱甚至燒毀。因為在非正弦波狀態(tài)下用普通儀表測出的電流值，不是有效值。所以，盡管儀表顯示的電流值并未超過模塊的標稱值，但有效值會超過模塊標稱值的幾倍。因此，要求模塊應在較大導通角下(100°以上)工作。模塊在不同輸出電壓下允許的最大輸出電流比例可參見表1。

　　表1中，U實為模塊實際輸出電壓；U標為模塊能輸出的最高電壓；I實為模塊實際輸出電流；I標為模塊標稱最大電流。 
 
　　2．4模塊的主要參數(shù)

　　(1)工作頻率f為50 Hz,

　　(2)輸入線電壓范圍VIN(RMS)為300～450 V AC；

　　(3)三相交流輸出電壓不對稱度<6％；

　　(4)控制電源電壓12 V DC,

　　(5)控制信號電壓VCON1為0～10 V DC；

　　(6)控制信號電流ICON1≤10μA；

　　(7)輸出電壓溫度系數(shù)<600 PPM／℃；

　　(8)模塊絕緣電壓VISO(RMS)≥2 500 V；

　　(9)工作殼溫≤80℃；

　　(10)最大輸出電流150 A；

　　(11)電流上升率di／dt：100 A／μs；

　　(12)電壓上升率dv/dt：500 V／μs。

　　2．5 控制、輸出特性曲線

　　圖2中，上曲線為三相整流模塊控制、輸出特性曲線，下曲線為三相交流模塊特性曲線。橫坐標為控制電壓VCON1的電平，縱坐標為主電路輸出電壓與輸入電壓(電源電壓)之比。

　　3 ITPM在高壓電源中的應用

　　3.1 高壓電源的設計

　　高壓電源技術(shù)參數(shù)如下：輸出功率60 kW；輸出電壓1 500 V；輸出電流40 A；輸入線電壓380 V；輸入線電流92 A。

　　因高壓電源輸出功率較大并考慮到適當調(diào)壓功能，將電源分為3檔，電源變壓器分成3個，3個變壓器初級并聯(lián)接到ITPM的輸出端。每個變壓器的初級均為△型接法，變壓器的次級均有2個繞組，一個為△型接法，另一個為Y型接法，以便實現(xiàn)12相整流并獲得較好的電源紋波特性，2個繞組整流后串聯(lián)輸出。3檔串聯(lián)疊加輸出的最高電壓為1 500 V，第一檔變壓器整流輸出950 V，第二檔變壓器整流輸出400 V，第三檔變壓器整流輸出150 V。

　　高壓電源整流后采用對紋波衰減效果較好的 型濾波器，LC的濾波常數(shù)選得比較大，有利于對電源紋波的衰減，使電源的輸出紋波滿足發(fā)射系統(tǒng)的要求，尤其是濾波電容C選的比較大，達到2 000μF，是脈沖形成網(wǎng)絡(即PFN)總?cè)萘康?0多倍，使得高壓電源在對PFN進行脈沖充電時更接近于恒壓源，從而使PFN的充電電壓更趨于恒定值。

　　3．2 ITPM的應用

　　ITPM在高壓電源中的應用如圖3所示。

　　圖3中阻容吸收回路是為了模塊的過壓保護：電容器把過電壓的電磁能量變成靜電能量存貯，電阻防止電容與電感產(chǎn)生諧振。這種吸收回路能抑制晶閘管由導通到截止時產(chǎn)生的過電壓，有效避免晶閘管被擊穿。因高壓電源的輸入線電流約為92 A，考慮到留有適當?shù)碾娏饔嗔浚K宜選用MJYS-QKJL-150型。模塊的輸入端接電站輸出端口，輸出端接電源變壓器的初級，控制端口的直流控制電平由工控機(PLC)的D／A轉(zhuǎn)換單元直接控制。通過PLC中CPU軟件的設置，可以根據(jù)需要隨意地設置和改變導通角初始值和控制調(diào)壓的速率，方便地實現(xiàn)了調(diào)整電源變壓器初級電壓，達到高壓電源電壓軟啟動的目的。

　　3．3 ITPM的應用效果

　　高壓電壓的最終負載是大功率速調(diào)管，為此，有必要簡單介紹一下速調(diào)管的負載特性。在陰極脈沖調(diào)制時，速調(diào)管對脈沖調(diào)制器和陰極高壓電源呈現(xiàn)的負載是一個非線性電阻[3]，其電流電壓關(guān)系為：

　　I=pU3/2

　　其中：p=2．3×10-5撲，由上式可知，在較低的電壓下，速調(diào)管呈現(xiàn)的負載阻抗很大，隨著電壓的逐漸上升所呈現(xiàn)的負載阻抗逐漸減小。因此，可以適當提高高壓電源的起始調(diào)整電壓，這與ITPM模塊的導通角要求不謀而合，通過一定的降額系數(shù)，為模塊在大功率速調(diào)管雷達發(fā)射機的正常使用奠定了基礎。

　　經(jīng)過充分的試驗，我們確定高壓電源一檔(最低檔)的電壓軟啟動調(diào)整初始值為電源電壓的60％，二檔的初始值為電源電壓的70％，三檔的初始值為電源電壓的90％，基本實現(xiàn)了速調(diào)管陰極電流的線性調(diào)整。調(diào)整結(jié)果如表2所示。

　　由表2可以看出，ITPM模塊對高壓電源輸出功率的調(diào)整范圍為4．7～60 kW，完全能夠滿足大功率速調(diào)管對于其陰極高壓電源的調(diào)壓要求。而且，在特殊需要的情況下，我們還可以單獨加高壓電源二檔或三檔并設置適當?shù)碾妷很泦诱{(diào)整初始值來獲得更低的速調(diào)管陰極電壓。

　　綜合表1和表2能夠看出，ITPM模塊在高壓電源各檔對應的初始電壓下，模塊實際的輸出電流遠遠小于模塊在相應輸出電壓下的電流輸出能力，切實保證了模塊的安全使用和可靠性。

　　4結(jié)語

　　ITPM是電力電子產(chǎn)品數(shù)字化、智能化、模塊化的集中體現(xiàn)，高度展示了現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電氣控制中的作用。由于其高開關(guān)速度和無弧關(guān)斷等優(yōu)良特點，在配電系統(tǒng)內(nèi)的電氣控制、交／直流電機調(diào)速、電源和控制等方面有著廣泛的應用[4]。在高功率雷達發(fā)射機中，應用ITPM成功實現(xiàn)速調(diào)管陰極高壓電源的軟啟動控制，經(jīng)過多批次生產(chǎn)、調(diào)試和用戶使用，表現(xiàn)出極高的可靠性和良好的使用性。由于其所具有的優(yōu)越性能和鮮明特點，使得他在民用和軍事領(lǐng)域都具有良好的應用前景。