雷達(dá)電源保護(hù)電路設(shè)計

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)射機電源，由原來的大功率發(fā)射機電源改為向各個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，對雷達(dá)電源系統(tǒng)故障的快速定位.電源保護(hù).故障報警成為獲取電源故障信息，保證電源系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵.國內(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)線路過壓或欠壓時切斷線路，而當(dāng)電壓恢復(fù)正常時需手動使斷路器復(fù)位.

本文在分析了相控陣?yán)走_(dá)陣面電源的特點以及傳統(tǒng)雷達(dá)電源保護(hù)電路基礎(chǔ)上，設(shè)計了簡單實用的雷達(dá)電源保護(hù)電路，實現(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.靈敏度高等特點.可實現(xiàn)集成化自復(fù)位電源故障報警功能，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)簡介

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

在電源故障報警技術(shù)指標(biāo)中，報警電路的窗口電壓(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，同時激活報警電路到工作狀態(tài)，由報警器發(fā)出信號報警(如聲，光等)，或?qū)缶盘査腿肷衔粰C做后續(xù)處理，這個電壓值就稱作門限電壓.

2.2 報警電路基準(zhǔn)電壓的確定與靈敏度調(diào)整

2.2.1 基準(zhǔn)電壓的計算

報警器窗口電壓的極限系數(shù)為ε ,被測電源電壓的標(biāo)稱值為U0 ,報警器的門限電壓為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 是對報警電路系統(tǒng)指標(biāo)重要影響的參數(shù).

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

同理工頻報警窗口電壓：

根據(jù)上式所述，當(dāng)被測電源電壓處在(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故障進(jìn)行報警.ε0 可由用戶根據(jù)需求以及報警電路所需技術(shù)指標(biāo)所確定，設(shè)計者可根據(jù)用戶對電源報警的需要去確定ε0.U0 ,進(jìn)而確定報警電路的窗口電壓.

圖2為報警參數(shù)曲線圖.

2.2.2 報警電路靈敏度

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

3 電源電壓保護(hù)電路設(shè)計

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電路，當(dāng)出現(xiàn)故障時實現(xiàn)報警，也可將報警信號送入上位機做處理，作為電壓前端檢測電路.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是由雙運放完成的.圖中IC1A,IC1B為過壓.欠壓采樣比較器.D41,D42兩個開關(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(一般小于0 V)或為負(fù)電壓時，對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 在被檢測電源電壓采樣電路中起分壓作用.

計算公式如下：

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 輸出低電平時異名端的電平比同名端高.

當(dāng)設(shè)計一個電源電壓保護(hù)電路時，電源系統(tǒng)正常工作時需要重點考慮如下問題，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 就會產(chǎn)生欠壓保護(hù)信號，同理如果采樣電壓大于設(shè)置的基準(zhǔn)電壓，IC1B 就會產(chǎn)生過壓保護(hù)信號.需要注意設(shè)計人員在計算采樣電壓時，一定要同時考慮和分析過壓與欠壓基準(zhǔn)電壓值.

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

4 輸入缺相保護(hù)電路設(shè)計原理

為了減小電源的體積和降低電源損耗，檢測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，可能會導(dǎo)致被測電源出現(xiàn)缺相運行的狀況，且缺相不太容易被及時發(fā)現(xiàn).如果突然遇到電源掉相時，缺相保護(hù)電路中整流橋的其中一橋臂無電流，同時逆變器出現(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)被檢測中線不流過電流，及系統(tǒng)正常三相平衡，三個電容器的節(jié)點H 點的電壓為零.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)處于缺相運行時，光藕有電流流過，H 點電壓會立即升高.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，系統(tǒng)立即產(chǎn)生高電平保護(hù)信號，保護(hù)電路當(dāng)即立即禁止電源輸出.電源系統(tǒng)如果運行在缺相時，光藕的原邊電流Ic 取5~10 mA(H 點的電位最高，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)計了簡單實用的雷達(dá)電源保護(hù)電路.該電路可實現(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)確地對變頻發(fā)電機組與柴油發(fā)電機組進(jìn)行過.欠壓報警，同時對陣面電源(二次電源)進(jìn)行缺相保護(hù)，虛警率≤3%,故障報警率≥98%,故障隔離率≥96%,達(dá)到了對雷達(dá)電源保護(hù)的要求.