一種現代雷達非線性脈沖特性的模擬裝置

李 鍇，李建科，季少衛，王春明，邢 鳴，龐玲玉

(1. 解放軍理工大學 國防工程學院, 南京 210007； 2. 南京電子技術研究所， 南京 210039)(3. 江蘇鎮安電力設備有限公司， 江蘇 鎮江 212004)

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·仿真技術·

一種現代雷達非線性脈沖特性的模擬裝置

李 鍇1，李建科1，季少衛2，王春明1，邢 鳴3，龐玲玉3

(1. 解放軍理工大學 國防工程學院, 南京 210007； 2. 南京電子技術研究所， 南京 210039)(3. 江蘇鎮安電力設備有限公司， 江蘇 鎮江 212004)

雷達中含有大量非線性元件，工作時呈連續脈沖特性，增加了選配電源的難度。文中提出一種連續脈沖模擬裝置，將復雜的雷達系統簡化為整流器模塊、直流開關模塊、負載模塊，利用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)控制多組電阻負載的投切模擬脈沖負載的功率突變，通過設置直流開關的觸發脈沖來實現不同的開關周期與占空比，還通過改變接入電路的電阻組數實現不同的脈沖負載峰值功率，并以濾波電容C、導通時間TS、占空比D、功率PL四個參數表示雷達脈沖負載，分析了裝置工作原理，設計了控制電路，研制了實物裝置，最后通過實驗驗證了連續脈沖模擬裝置的工作特性。

雷達；脈沖負載；柴油發電機組；功率匹配

0 引 言

雷達是利用電磁波探測目標的電子裝備，現代雷達普遍采用相控陣雷達技術以提高雷達性能。相控陣雷達采用有源電子掃描陣列和大功率電源代替普通雷達中發射機和天線兩功能部件[1-2]，使用大量微波集成電路，取代原來的高壓速調管和行波管。由于大量采用收/發(T/R)組件[3]，供電電源系統必須滿足中電壓、大電流、高穩定度、高可靠性、且能夠適應模塊化結構等要求，且T/R組件在正常工作時消耗的功率并不均勻，呈脈沖特性，表現為平均功率較低，但峰值功率較大。為T/R組件供電的開關電源通常為電容濾波的開關電源[4]，由于體積限制，電容不可能無限大，組件的脈沖工作特性將導致開關電源的輸出電壓發生波動，輸出電流以一定的周期呈脈沖特性。在一個周期中，當組件的脈沖功率來臨時，首先由開關電源的電容對負載放電，直流電壓開始下降，由于電容電量有限，一段時間后，二次電源從交流側吸收電能，當脈沖功率結束時，開關電源的電容開始蓄能，直流電壓開始上升。組件的連續脈沖特性經過開關電源反映在交流側，而開關電源是非線性設備，因此，雷達負載系統可認為具有連續非線性脈沖特性。雷達正常運行時的功率突變對供電電源形成反復加載與卸載作用，引起輸電線路中電流大幅頻繁變化，影響電力系統中電源的輸出特性，因此，含脈沖負載的供電系統的動態特性與普遍發供電系統有很大不同[5-6]。

雷達系統的顯著特點是以一定周期工作，而占空比隨負載工作狀態的改變而變化，如一種野戰雷達負載，其電源為移動柴油發電機組，雷達負載工作周期固定，占空比隨雷達工作狀態的不同而變動。采用柴油發電機組供電時，由于機組容量小、內阻抗大，非線性負載產生的畸變電流在電機內部產生諧波磁場，造成磁場畸變，一方面影響電磁轉矩[6]，并通過機械轉矩影響原動機，造成原動機轉速變化，引起頻率波動；另一方面造成電壓畸變[7]，畸變的電壓將影響不規則脈沖負載的運行狀態，導致電流畸變更加嚴重，形成惡性循環，最終可能導致系統無法工作[8]。例如，某裝備設計中采用一臺150 kW的柴油發電機組通過100 kVA的不間斷電源(UPS)，向標稱功率為40 kW的雷達負載供電，系統因機組自動保護跳閘停機而不能正常工作，分析得知，雷達負載消耗的功率呈連續脈沖特性，平均功率小于負載標稱功率，但瞬時功率很大，導致柴油發電機組轉速發生較大波動，引起供電系統頻率超限。

針對上述問題，當前工程處理方法通常有兩種：一是增大柴油發電機組的容量，如將柴油發電機組容量配置為非線性負載功率的2～3.5倍，采用“大馬拉小車”方式，雖然解決了部分問題，但是增大了投資，且機組長期在低功率因數下運行，效率低、震動大、噪音高、機械磨損嚴重、壽命縮短，而且還不能解決所有功率匹配的問題；二是改變負荷結構，如選用具有多脈波整流環節的負載，但這種方法只適用于新設計系統，對于很多已經模塊化的定型設備，其結構很難改變；同時如何改變負荷結構，也沒有統一的方法。對此，有的文獻提出采用增大同步發電機容量，提高機組視在功率的方法，以增大機組非線性負載能力；而有的文獻則提出采用增大柴油機功率以克服非線性負載瞬時大功率影響的方法等，這些方案都有一定道理，但都缺乏深入的理論分析，也沒有進行系統的仿真研究和試驗驗證，所以至今仍然沒有可靠的解決方法。

在實際工程中，具有脈沖功率特性的設備一般造價較高，且工作模式往往因任務需要相對固定，同時內部精密的電子元器件往往不允許進行極限試驗，難以得到脈沖負載對電源的影響規律，本文研制一種連續脈沖負載裝置，可以模擬電子雷達電氣特性，便于研究柴油發電機組與脈沖負載相互作用機理，為解決柴油發電機組與雷達脈沖負載功率匹配奠定基礎。

1 雷達供電系統等效電路

雷達負載工作時消耗的功率呈脈沖特性，顯著特點是平均功率小、瞬時功率很大。同一型號的雷達系統可認為周期工作固定，占空比隨工作模式的不同而變化。雷達脈沖負載工作時，由于負載功率的脈沖變化，柴油發電機組反復受到加載與卸載的作用，輸出電壓畸變嚴重，且電壓幅值與頻率出現周期性波動，系統處于近似穩定狀態。

為了突出研究雷達系統的連續非線性脈沖特性，忽略冷卻負載、電子顯示器、伺服電機等常規設備對供電電源的影響，由柴油發電機組作為主電源的雷達供電系統簡化框圖，如圖1所示。

圖1 雷達供電系統簡化框圖

圖1中，柴油發電機組-整流器等效為直流電源，經LC濾波后為脈沖負載供電，脈沖負載消耗的功率隨直流開關S的動作呈連續脈沖狀，令開關S的通斷切換周期為開關周期Ts，而閉合時間與開關周期的比值為占空比D，在DTs時間內負載消耗功率的平均值視作脈沖負載的峰值功率PL，而在(1-D)Ts時間內消耗功率近似為0(忽略雷達負載系統中的線性負載)；可變電阻代表不同峰值功率的電力電子負載。

2 連續脈沖模擬裝置

根據圖1所示的簡化框圖，連續脈沖模擬裝置由整流器模塊、直流開關模塊和負載模塊三部分組成。

2.1 整流器模塊

整流器模塊實現柴油發電機組輸出三相交流電能轉化為直流電能，并通過LC濾波器，降低直流紋波。考慮雷達發射機一般為低壓，選用可控硅器件T1～T6組成輸出電壓可調的整流器模塊；為了便于實現濾波電容在線可調，3個濾波器支路通過繼電器k1～k3接入電路中，兩臺濾波電容串聯提高耐壓水平，兩端并聯功率電阻實現均壓，原理如圖2所示。

圖2 整流器模塊原理圖

整流器模塊性能指標為：

(1) 輸入電壓：380 VAC；

(2) 輸出電壓范圍：0～530 VDC；

(3) 最大輸出功率：200 kW；

(4) 內置平波電抗：400 A,0.125 mH；

(5) 內置濾波電容： 4組，每組4 000 μF；

2.2 直流開關模塊

直流開關模塊實現對直流電壓的斬波控制。直流開關采用全控型絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，根據雷達負載的工作模式，設定直流開關的工作周期和占空比。為了更加真實的模擬雷達工作特性，采用兩個IGBT(IGBT1、IGBT2)以串聯的形式組成直流開關模塊，g1和g2分別為兩個IGBT的控制信號，原理如圖3所示。

圖3 直流開關模塊原理圖

設定IGBT1的工作周期為Ts，占空比為D，IGBT2的工作周期為T1，占空比為d，直流開關模塊的工作波形，如圖4所示。雷達負載實際工作中消耗的功率呈雙周期的形式，但在分析雷達脈沖負載對柴油發電機組的影響規律時，IGBT1的周期很短，可僅考慮IGBT2的工作模式。

圖4 直流開關模塊工作流形

直流開關模塊的控制電路以自主研發的基于現場總線智能控制器為核心，集成了電壓、電流、功率等參數檢測和IGBT控制功能，并提供大屏幕觸控人機操作界面。直流開關模塊性能指標如下：

(1)占空比調節范圍：0～1.0；

(2)調節精度：1%；

(3)調節方式：人機界面觸摸屏輸入；

(4)IGBT：1 200 V、350 A；

2.3 負載模塊

負載模塊模擬雷達發射機的峰值功率。負載選用繞線式電阻器，共100 kW，分十級，每級負載為10 kW，并通過繼電器控制每級負載的運行和退出。負載模塊裝設溫度傳感器，當模塊周圍溫度超過設定值后，溫度傳感器產生信號，并通過控制電路啟動散熱器。

控制電路以自主研發的基于現場總線智能控制器為核心，集成了電壓、電流、功率等參數檢測和溫度、風扇等控制報警功能，并提供人機操作界面。

負載模塊性能指標為：

(1)輸入電壓范圍：直流0～550 V；

(2)額定功率：100 kW；

(3)功率調節：10檔；

(4)最大耗散功率：110 kW；

2.4 功能實現流程

根據雷達脈沖負載的工作機理，將結構復雜的供電系統簡化，等效為整流器模塊、直流開關模塊和負載模塊，用關鍵的參數以簡明的形式表現出來，通過設置參數濾波電容C、導通時間Ts、占空比D、功率PL的大小，可得到這種工作模式雷達的電氣特性，改變這些參數，也可得到不同工作模式雷達的電氣特性。連續脈沖模擬裝置功能流程，如圖5所示。

圖5 連續脈沖模擬裝置工作流程圖

3 實驗結果分析

在脈沖負載模擬裝置中，通過接入3組電阻，并設置IGBT1的觸發脈沖為周期56 ms，占空比為0.4，IGBT2的觸發脈沖為周期1 ms，占空比為0.7，脈沖負載工作模式可表示為：峰值功率PL=30 kW，開關周期Ts=56 ms，占空比D=0.40。

選用標稱功率為30 kW的柴油發電機組，其中柴油機型號為東風康明斯4BT3.9-G2，額定功率36 kW，額定轉速1 500 r/min，采用電子調速；同步發電機為江蘇英泰YTW系列凸極無刷勵磁發電機，極對數為2，額定容量37.5 kVA，設計功率因數0.8(即額定功率為30 kW)，勵磁調節器采用他勵式SE353型AVR，機組的輸出線電壓為400 V，頻率為50 Hz。可控整流器輸出電壓設定為500 V，整流器濾波電容值根據試驗內容進行調整，平波電抗器為0.125 mH。在圖6所示的實驗裝置中，從右到左依次為含濾波電感與電容的可控整流柜(1號柜)、含IGBT及觸發信號的直流開關控制柜(2號柜)、各含五組混聯制動電阻的負載柜(3號、4號柜)。

圖6 實物裝置

實驗結果如圖7所示。

圖7 實驗結果

由圖7可知，直流電壓和直流電流呈周期性波動，且波動周期與設定周期一致。直流電壓在脈沖負載來臨時電壓下降，在脈沖負載消失時電壓上升，在脈沖負載期間，電壓波形與電流波形保持一致，其原因是負載為純阻性負載；直流電流呈雙周期變化，與設定一致，且符合圖4所示的工作波形；交流電壓和交流電流同樣發生周期性波動，由于脈沖負載的作用，柴油發電機組相當于頻繁的突加突減負載，且變化為毫秒級，機組的調速器和調壓器的時間常數較大，作用時間延遲，導致機組輸出電壓發生周期性波動。

4 結束語

現代雷達負載包含大量的精密元件，是強非線性、耦合的復雜系統，工作特性呈連續脈沖特性。在為其選配柴油發電機組時，由于對電源和負載相互作用機理認識不深入，功率選配存在一定的盲目性。本文將復雜的雷達負載系統，采用等效模擬的方式，用關鍵的參數以簡明的形式表現出來，通過設置參數濾波電容C、導通時間Ts、占空比D、功率PL的大小，即可得到這種工作模式雷達的電氣特性，與現有測量方法相比，其顯著優勢在于能夠快速、等效模擬雷達電源的電氣特性，且通用性強。采用此裝置進行試驗研究，可模擬各種工作模式的雷達負載，便于深入研究雷達脈沖負載的工作周期、占空比、濾波電容、負載峰值功率等參數變化時對柴油發電機組的影響規律，為選配柴油發電機組的容量提供參考，避免功率選配的盲目性。

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李 鍇 男，1987年生，碩士。研究方向為溫差發電技術。

李建科 男，1986年生，博士。研究方向為新能源發電與智能微電網。

季少衛 男，1972年生，碩士。研究方向為雷達電源系統設計。

王春明 男，1964年生，碩士。研究方向為電力系統可靠性分析。

A Simulation Device Based on Modern Radar with Continuous Pulse Characteristic

LI Kai1，LI Jianke1，JI Shaowei2，WANG Chunming1，XING Ming3，PANG Lingyu3

(1. College of Defense Engineering, PLA University of Science and Techology, Nanjing 210007, China)(2. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nanjing 210039, China)(3. Jiangsu Zhenan Power Equipments Co. & Ltd., Zhenjiang 212004, China)

The electronic radar contains large amounts of non-liner elements. It presents a continuous pulse characteristic when working and increases the difficulty of matching power source. This paper presents a continuous pulse simulator to simplify the complex radar systems with rectifier modules, DC switching modules and load modules. The power mutation of pulse load can be simulated by controlling the input and output of multiple groups resistive load with IGBT. The switching cycle and duty of pulse load can be simulated by setting the DC switch trigger pulse. The peak power of pulse load can be simulated by changed the number of resistance groups access to the circuit. At last, we measured the radar pulse load with the following four parameters such as the filter capacitor C, the conduction time TS, the duty ratio D, power PL. We analyzed the device works, designed a control circuit and developed a physical device. Finally, we verification the operating characteristics of continuous pulse simulation apparatus with experiments.

radar; pulsed load; diesel generator; power matching

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.03.019

李建科 Email：511746569@qq.com

2015-10-22

2015-12-26

TN955

A

1004-7859(2016)03-0091-04