雷達(dá)電源保護(hù)電路設(shè)計(jì)

0 引言

隨著相控陣雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)被廣泛用于地面防御系統(tǒng)中.然而，在目前有源相控陣?yán)走_(dá)中去掉了傳統(tǒng)雷達(dá)中的大功率發(fā)射機(jī)電源，由原來的大功率發(fā)射機(jī)電源改為向各個(gè)T/R組件供電，雷達(dá)的二次電源數(shù)量明顯增多，電源系統(tǒng)越來越復(fù)雜，故障率明顯增多.由于軍用雷達(dá)常常工作在惡劣環(huán)境下，雷達(dá)電源的常見故障如過壓.欠壓.過熱.短路.缺相等，往往難以避免.因此，對(duì)雷達(dá)電源系統(tǒng)故障的快速定位.電源保護(hù).故障報(bào)警成為獲取電源故障信息，保證電源系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵.國(guó)內(nèi)采用的保護(hù)技術(shù)，解決方案多數(shù)是在線路入口處設(shè)置斷路器，當(dāng)線路過壓或欠壓時(shí)切斷線路，而當(dāng)電壓恢復(fù)正常時(shí)需手動(dòng)使斷路器復(fù)位.

本文在分析了相控陣?yán)走_(dá)陣面電源的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)雷達(dá)電源保護(hù)電路基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單實(shí)用的雷達(dá)電源保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)一次電源故障中的過.欠壓保護(hù)和二次電源缺相保護(hù).該電源保護(hù)電路具有抗干擾能力強(qiáng).靈敏度高等特點(diǎn).可實(shí)現(xiàn)集成化自復(fù)位電源故障報(bào)警功能，提高了雷達(dá)電源系統(tǒng)的可靠性及靈敏度.

1 電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

雷達(dá)主電源系由康明斯30 kW柴油發(fā)電機(jī)組.總控配電機(jī)柜.50 kW變頻發(fā)電機(jī)組(兩臺(tái))與變頻機(jī)控制柜.ATS切換柜.電力變壓器.發(fā)電機(jī)組本機(jī)控制柜.通信及監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成.在電源系統(tǒng)中，柴油發(fā)電機(jī)組與市電互為備份，當(dāng)市電不能正常使用的時(shí)候開啟柴油發(fā)電機(jī)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行工頻供電，控制系統(tǒng)分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式(手動(dòng)系統(tǒng)享有最高優(yōu)先級(jí)).系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2 基本參數(shù)確定

2.1 門限電壓定義

在電源故障報(bào)警技術(shù)指標(biāo)中，報(bào)警電路的窗口電壓(上，下門限電壓)是主要參數(shù)指標(biāo).該指標(biāo)根據(jù)雷達(dá)電源的使用條件，決定報(bào)警電路的試用范圍，保證雷達(dá)系統(tǒng)的正常工作.

門限電壓的定義：指被監(jiān)測(cè)的電源受到內(nèi)部或外部的原因，電壓突然達(dá)到了供電電源電壓的極限值，同時(shí)激活報(bào)警電路到工作狀態(tài)，由報(bào)警器發(fā)出信號(hào)報(bào)警(如聲，光等)，或?qū)?bào)警信號(hào)送入上位機(jī)做后續(xù)處理，這個(gè)電壓值就稱作門限電壓.

2.2 報(bào)警電路基準(zhǔn)電壓的確定與靈敏度調(diào)整

2.2.1 基準(zhǔn)電壓的計(jì)算

報(bào)警器窗口電壓的極限系數(shù)為ε ,被測(cè)電源電壓的標(biāo)稱值為U0 ,報(bào)警器的門限電壓為Ug ,則有如下關(guān)系表達(dá)式：

用Us 表示過壓門限電壓;UL 為欠壓門限電壓.則：

式中：ε0 是對(duì)報(bào)警電路系統(tǒng)指標(biāo)重要影響的參數(shù).

下面根據(jù)某型號(hào)雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)確定ε0 = 5% ,可由式(1)求出中頻報(bào)警窗口電壓(門限電壓);將U0 = 220 V,ε0 = 5% ,帶入式(1)，得：

同理工頻報(bào)警窗口電壓：

根據(jù)上式所述，當(dāng)被測(cè)電源電壓處在(Us – UL ) 的范圍內(nèi)，則視為系統(tǒng)正常工作，若超出此范圍則需要立即對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警.ε0 可由用戶根據(jù)需求以及報(bào)警電路所需技術(shù)指標(biāo)所確定，設(shè)計(jì)者可根據(jù)用戶對(duì)電源報(bào)警的需要去確定ε0.U0 ,進(jìn)而確定報(bào)警電路的窗口電壓.

圖2為報(bào)警參數(shù)曲線圖.

2.2.2 報(bào)警電路靈敏度

報(bào)警電路的靈敏度是當(dāng)報(bào)警電路對(duì)被測(cè)電源電壓在門限電壓臨界值之外變化時(shí)，報(bào)警電路所根據(jù)實(shí)際情況所反映出的靈敏程度.這一指標(biāo)主要取決于運(yùn)放開環(huán)直流差模增益，實(shí)際應(yīng)為差分放大的兩個(gè)輸入電壓( Ao d 在理想的運(yùn)放中應(yīng)為無窮大)，只要有及其微小的差別，也會(huì)使輸出電壓有很大的幅度變化，因此，調(diào)整Δ(Vi1 – Vi2) 的值，可以保證報(bào)警器的靈敏度.[!--empirenews.page--]

3 電源電壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

自復(fù)位保護(hù)電路的過.欠壓保護(hù)部分，亦可用于電壓精密檢測(cè)電路，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，也可將報(bào)警信號(hào)送入上位機(jī)做處理，作為電壓前端檢測(cè)電路.過.欠壓保護(hù)電路原理圖如圖3所示.

電壓值比較器的功能其實(shí)是由雙運(yùn)放完成的.圖中IC1A,IC1B為過壓.欠壓采樣比較器.D41,D42兩個(gè)開關(guān)二極管，在電源保護(hù)電路中起輸出整流.限幅作用.

如果開關(guān)二極管處于低電壓狀態(tài)時(shí)(一般小于0 V)或?yàn)樨?fù)電壓時(shí)，對(duì)接口電路中的邏輯電路產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作.

D10,D11在系統(tǒng)有效地防止輸出負(fù)電平損壞其后續(xù)的接口電路.保護(hù)電路中RP1.RP2 兩個(gè)電位器組成有效的分壓器，VrefG,VrefQ 為IC1B 和IC1A 過欠比較器的基準(zhǔn)電壓，R10,R11 在被檢測(cè)電源電壓采樣電路中起分壓作用.

計(jì)算公式如下：

式中：U取樣為經(jīng)過R10,R11 分壓后R11 上的電壓;U入為被檢測(cè)電源電壓值.

當(dāng)輸入電壓采樣問題成功解決后，此過程為，設(shè)計(jì)人員拿預(yù)先設(shè)定的保護(hù)基準(zhǔn)電壓與采樣電壓進(jìn)行數(shù)值比較.IC1B 輸出低電平時(shí)異名端的電平比同名端高.

當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)電源電壓保護(hù)電路時(shí)，電源系統(tǒng)正常工作時(shí)需要重點(diǎn)考慮如下問題，送到IC1B 的電壓經(jīng)過采樣器分壓電路之后，3腳的電壓值必須低于的IC1B 2腳的電壓.(1腳為輸出端，3腳為同名端，2腳為異名端).只要采樣得到的電壓小于設(shè)置的基準(zhǔn)電壓，IC1A 就會(huì)產(chǎn)生欠壓保護(hù)信號(hào)，同理如果采樣電壓大于設(shè)置的基準(zhǔn)電壓，IC1B 就會(huì)產(chǎn)生過壓保護(hù)信號(hào).需要注意設(shè)計(jì)人員在計(jì)算采樣電壓時(shí)，一定要同時(shí)考慮和分析過壓與欠壓基準(zhǔn)電壓值.

被檢測(cè)電源經(jīng)過整流電路后，就可以分別與被測(cè)電源基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，若被監(jiān)測(cè)的電源電壓均在正常工作的窗口電壓之內(nèi)，則系統(tǒng)工作正常無需要報(bào)警.如果被測(cè)電源突然出現(xiàn)故障(不論過壓或欠壓)比較電路的輸出端便立即送出報(bào)警信號(hào)，以便在毫秒級(jí)內(nèi)完成故障排除故障.

4 輸入缺相保護(hù)電路設(shè)計(jì)原理

為了減小電源的體積和降低電源損耗，檢測(cè)部分采用無損電容器替換傳統(tǒng)的電阻器.由于電網(wǎng)自身和人為的接線問題，可能會(huì)導(dǎo)致被測(cè)電源出現(xiàn)缺相運(yùn)行的狀況，且缺相不太容易被及時(shí)發(fā)現(xiàn).如果突然遇到電源掉相時(shí)，缺相保護(hù)電路中整流橋的其中一橋臂無電流，同時(shí)逆變器出現(xiàn)工作異常，而現(xiàn)其他橋臂過流，甚至導(dǎo)致電源與設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞.因此，在進(jìn)行有效的缺相保護(hù)設(shè)備安全中顯得尤為重要.圖4是陣面電源(雷達(dá)二次電源)的缺相保護(hù)電路原理圖.

當(dāng)被檢測(cè)中線不流過電流，及系統(tǒng)正常三相平衡，三個(gè)電容器的節(jié)點(diǎn)H 點(diǎn)的電壓為零.當(dāng)光藕副邊不流過電流，即采樣電阻R2 上電壓為0.當(dāng)系統(tǒng)處于缺相運(yùn)行時(shí)，光藕有電流流過，H 點(diǎn)電壓會(huì)立即升高.電阻R2上則產(chǎn)生電壓，此電壓通過C4 濾波后，與R4,R5 產(chǎn)生的電源基準(zhǔn)電壓進(jìn)行有效的比較;當(dāng)電源系統(tǒng)直接掉相或三相嚴(yán)重不平衡時(shí)，系統(tǒng)立即產(chǎn)生高電平保護(hù)信號(hào)，保護(hù)電路當(dāng)即立即禁止電源輸出.電源系統(tǒng)如果運(yùn)行在缺相時(shí)，光藕的原邊電流Ic 取5~10 mA(H 點(diǎn)的電位最高，為線電壓的1 2)，所以電容器的交流阻抗為：

5 結(jié)語

本文在分析了相控陣?yán)走_(dá)陣面電源的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)雷達(dá)電源保護(hù)電路基礎(chǔ)上，結(jié)合雷達(dá)電源系統(tǒng)的研制，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單實(shí)用的雷達(dá)電源保護(hù)電路.該電路可實(shí)現(xiàn)雷達(dá)一次電源故障中的過.欠壓保護(hù)和二次電源缺相保護(hù).實(shí)際應(yīng)用表明，該保護(hù)電路工作穩(wěn)定可靠，靈敏度高，能夠準(zhǔn)確地對(duì)變頻發(fā)電機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行過.欠壓報(bào)警，同時(shí)對(duì)陣面電源(二次電源)進(jìn)行缺相保護(hù)，虛警率≤3%,故障報(bào)警率≥98%,故障隔離率≥96%,達(dá)到了對(duì)雷達(dá)電源保護(hù)的要求.