ITPM在雷達(dá)發(fā)射機(jī)高壓電源中的應(yīng)用

1 引 言

　　速調(diào)管因其高功率、高效率等顯著特點(diǎn)在雷達(dá)發(fā)射機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用[1]，本文介紹的速調(diào)管陰極高壓電源功率達(dá)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(jī)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(shè)備--大功率調(diào)壓器。而該大功率速調(diào)管雷達(dá)發(fā)射機(jī)通過三相交流晶閘管智能模塊的成功應(yīng)用，圓滿地解決了上述所有問題，同時減少了雷達(dá)的設(shè)備量，提高了雷達(dá)的機(jī)動性能，ITPM調(diào)壓技術(shù)成為該雷達(dá)的閃光點(diǎn)之一，受到用戶的廣泛好評。

　　2 晶閘管智能模塊的性能特點(diǎn)

　　2．1模塊的性能特點(diǎn)

　　晶閘管智能控制模塊的最大特點(diǎn)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(qiáng)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(hù)功能。觸發(fā)控制電路采用進(jìn)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(jìn)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(dǎo)通角要求

　　模塊在較小導(dǎo)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(yán)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(biāo)稱值，但有效值會超過模塊標(biāo)稱值的幾倍。因此，要求模塊應(yīng)在較大導(dǎo)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(biāo)為模塊能輸出的最高電壓；I實為模塊實際輸出電流；I標(biāo)為模塊標(biāo)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(biāo)為控制電壓VCON1的電平，縱坐標(biāo)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(yīng)用

　　3.1 高壓電源的設(shè)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(dāng)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(dá)到2 000μF，是脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(即PFN)總?cè)萘康?0多倍，使得高壓電源在對PFN進(jìn)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(yīng)用

　　ITPM在高壓電源中的應(yīng)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(hù)：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(dǎo)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(dāng)?shù)碾娏饔嗔?，模塊宜選用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(jī)(PLC)的D／A轉(zhuǎn)換單元直接控制。通過PLC中CPU軟件的設(shè)置，可以根據(jù)需要隨意地設(shè)置和改變導(dǎo)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(dá)到高壓電源電壓軟啟動的目的。

　　3．3 ITPM的應(yīng)用效果

　　高壓電壓的最終負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載阻抗很大，隨著電壓的逐漸上升所呈現(xiàn)的負(fù)載阻抗逐漸減小。因此，可以適當(dāng)提高高壓電源的起始調(diào)整電壓，這與ITPM模塊的導(dǎo)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(dá)發(fā)射機(jī)的正常使用奠定了基礎(chǔ)。

　　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(dú)加高壓電源二檔或三檔并設(shè)置適當(dāng)?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(yīng)的初始電壓下，模塊實際的輸出電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模塊在相應(yīng)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(diǎn)，在配電系統(tǒng)內(nèi)的電氣控制、交／直流電機(jī)調(diào)速、電源和控制等方面有著廣泛的應(yīng)用[4]。在高功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)中，應(yīng)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(diǎn)，使得他在民用和軍事領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。