一种现代雷达非线性脉冲特性的模拟装置

李 锴，李建科，季少卫，王春明，邢 鸣，庞玲玉

(1. 解放军理工大学 国防工程学院, 南京 210007； 2. 南京电子技术研究所， 南京 210039)(3. 江苏镇安电力设备有限公司， 江苏 镇江 212004)



·仿真技术·

一种现代雷达非线性脉冲特性的模拟装置

李 锴1，李建科1，季少卫2，王春明1，邢 鸣3，庞玲玉3

(1. 解放军理工大学 国防工程学院, 南京 210007； 2. 南京电子技术研究所， 南京 210039)(3. 江苏镇安电力设备有限公司， 江苏 镇江 212004)

雷达中含有大量非线性元件，工作时呈连续脉冲特性，增加了选配电源的难度。文中提出一种连续脉冲模拟装置，将复杂的雷达系统简化为整流器模块、直流开关模块、负载模块，利用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)控制多组电阻负载的投切模拟脉冲负载的功率突变，通过设置直流开关的触发脉冲来实现不同的开关周期与占空比，还通过改变接入电路的电阻组数实现不同的脉冲负载峰值功率，并以滤波电容C、导通时间TS、占空比D、功率PL四个参数表示雷达脉冲负载，分析了装置工作原理，设计了控制电路，研制了实物装置，最后通过实验验证了连续脉冲模拟装置的工作特性。

雷达；脉冲负载；柴油发电机组；功率匹配

0 引 言

雷达是利用电磁波探测目标的电子装备，现代雷达普遍采用相控阵雷达技术以提高雷达性能。相控阵雷达采用有源电子扫描阵列和大功率电源代替普通雷达中发射机和天线两功能部件[1-2]，使用大量微波集成电路，取代原来的高压速调管和行波管。由于大量采用收/发(T/R)组件[3]，供电电源系统必须满足中电压、大电流、高稳定度、高可靠性、且能够适应模块化结构等要求，且T/R组件在正常工作时消耗的功率并不均匀，呈脉冲特性，表现为平均功率较低，但峰值功率较大。为T/R组件供电的开关电源通常为电容滤波的开关电源[4]，由于体积限制，电容不可能无限大，组件的脉冲工作特性将导致开关电源的输出电压发生波动，输出电流以一定的周期呈脉冲特性。在一个周期中，当组件的脉冲功率来临时，首先由开关电源的电容对负载放电，直流电压开始下降，由于电容电量有限，一段时间后，二次电源从交流侧吸收电能，当脉冲功率结束时，开关电源的电容开始蓄能，直流电压开始上升。组件的连续脉冲特性经过开关电源反映在交流侧，而开关电源是非线性设备，因此，雷达负载系统可认为具有连续非线性脉冲特性。雷达正常运行时的功率突变对供电电源形成反复加载与卸载作用，引起输电线路中电流大幅频繁变化，影响电力系统中电源的输出特性，因此，含脉冲负载的供电系统的动态特性与普遍发供电系统有很大不同[5-6]。

雷达系统的显著特点是以一定周期工作，而占空比随负载工作状态的改变而变化，如一种野战雷达负载，其电源为移动柴油发电机组，雷达负载工作周期固定，占空比随雷达工作状态的不同而变动。采用柴油发电机组供电时，由于机组容量小、内阻抗大，非线性负载产生的畸变电流在电机内部产生谐波磁场，造成磁场畸变，一方面影响电磁转矩[6]，并通过机械转矩影响原动机，造成原动机转速变化，引起频率波动；另一方面造成电压畸变[7]，畸变的电压将影响不规则脉冲负载的运行状态，导致电流畸变更加严重，形成恶性循环，最终可能导致系统无法工作[8]。例如，某装备设计中采用一台150 kW的柴油发电机组通过100 kVA的不间断电源(UPS)，向标称功率为40 kW的雷达负载供电，系统因机组自动保护跳闸停机而不能正常工作，分析得知，雷达负载消耗的功率呈连续脉冲特性，平均功率小于负载标称功率，但瞬时功率很大，导致柴油发电机组转速发生较大波动，引起供电系统频率超限。

针对上述问题，当前工程处理方法通常有两种：一是增大柴油发电机组的容量，如将柴油发电机组容量配置为非线性负载功率的2～3.5倍，采用“大马拉小车”方式，虽然解决了部分问题，但是增大了投资，且机组长期在低功率因数下运行，效率低、震动大、噪音高、机械磨损严重、寿命缩短，而且还不能解决所有功率匹配的问题；二是改变负荷结构，如选用具有多脉波整流环节的负载，但这种方法只适用于新设计系统，对于很多已经模块化的定型设备，其结构很难改变；同时如何改变负荷结构，也没有统一的方法。对此，有的文献提出采用增大同步发电机容量，提高机组视在功率的方法，以增大机组非线性负载能力；而有的文献则提出采用增大柴油机功率以克服非线性负载瞬时大功率影响的方法等，这些方案都有一定道理，但都缺乏深入的理论分析，也没有进行系统的仿真研究和试验验证，所以至今仍然没有可靠的解决方法。

在实际工程中，具有脉冲功率特性的设备一般造价较高，且工作模式往往因任务需要相对固定，同时内部精密的电子元器件往往不允许进行极限试验，难以得到脉冲负载对电源的影响规律，本文研制一种连续脉冲负载装置，可以模拟电子雷达电气特性，便于研究柴油发电机组与脉冲负载相互作用机理，为解决柴油发电机组与雷达脉冲负载功率匹配奠定基础。

1 雷达供电系统等效电路

雷达负载工作时消耗的功率呈脉冲特性，显著特点是平均功率小、瞬时功率很大。同一型号的雷达系统可认为周期工作固定，占空比随工作模式的不同而变化。雷达脉冲负载工作时，由于负载功率的脉冲变化，柴油发电机组反复受到加载与卸载的作用，输出电压畸变严重，且电压幅值与频率出现周期性波动，系统处于近似稳定状态。

为了突出研究雷达系统的连续非线性脉冲特性，忽略冷却负载、电子显示器、伺服电机等常规设备对供电电源的影响，由柴油发电机组作为主电源的雷达供电系统简化框图，如图1所示。

图1 雷达供电系统简化框图

图1中，柴油发电机组-整流器等效为直流电源，经LC滤波后为脉冲负载供电，脉冲负载消耗的功率随直流开关S的动作呈连续脉冲状，令开关S的通断切换周期为开关周期Ts，而闭合时间与开关周期的比值为占空比D，在DTs时间内负载消耗功率的平均值视作脉冲负载的峰值功率PL，而在(1-D)Ts时间内消耗功率近似为0(忽略雷达负载系统中的线性负载)；可变电阻代表不同峰值功率的电力电子负载。

2 连续脉冲模拟装置

根据图1所示的简化框图，连续脉冲模拟装置由整流器模块、直流开关模块和负载模块三部分组成。

2.1 整流器模块

整流器模块实现柴油发电机组输出三相交流电能转化为直流电能，并通过LC滤波器，降低直流纹波。考虑雷达发射机一般为低压，选用可控硅器件T1～T6组成输出电压可调的整流器模块；为了便于实现滤波电容在线可调，3个滤波器支路通过继电器k1～k3接入电路中，两台滤波电容串联提高耐压水平，两端并联功率电阻实现均压，原理如图2所示。

图2 整流器模块原理图

整流器模块性能指标为：

(1) 输入电压：380 VAC；

(2) 输出电压范围：0～530 VDC；

(3) 最大输出功率：200 kW；

(4) 内置平波电抗：400 A,0.125 mH；

(5) 内置滤波电容： 4组，每组4 000 μF；

2.2 直流开关模块

直流开关模块实现对直流电压的斩波控制。直流开关采用全控型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，根据雷达负载的工作模式，设定直流开关的工作周期和占空比。为了更加真实的模拟雷达工作特性，采用两个IGBT(IGBT1、IGBT2)以串联的形式组成直流开关模块，g1和g2分别为两个IGBT的控制信号，原理如图3所示。

图3 直流开关模块原理图

设定IGBT1的工作周期为Ts，占空比为D，IGBT2的工作周期为T1，占空比为d，直流开关模块的工作波形，如图4所示。雷达负载实际工作中消耗的功率呈双周期的形式，但在分析雷达脉冲负载对柴油发电机组的影响规律时，IGBT1的周期很短，可仅考虑IGBT2的工作模式。

图4 直流开关模块工作流形

直流开关模块的控制电路以自主研发的基于现场总线智能控制器为核心，集成了电压、电流、功率等参数检测和IGBT控制功能，并提供大屏幕触控人机操作界面。直流开关模块性能指标如下：

(1)占空比调节范围：0～1.0；

(2)调节精度：1%；

(3)调节方式：人机界面触摸屏输入；

(4)IGBT：1 200 V、350 A；

2.3 负载模块

负载模块模拟雷达发射机的峰值功率。负载选用绕线式电阻器，共100 kW，分十级，每级负载为10 kW，并通过继电器控制每级负载的运行和退出。负载模块装设温度传感器，当模块周围温度超过设定值后，温度传感器产生信号，并通过控制电路启动散热器。

控制电路以自主研发的基于现场总线智能控制器为核心，集成了电压、电流、功率等参数检测和温度、风扇等控制报警功能，并提供人机操作界面。

负载模块性能指标为：

(1)输入电压范围：直流0～550 V；

(2)额定功率：100 kW；

(3)功率调节：10档；

(4)最大耗散功率：110 kW；

2.4 功能实现流程

根据雷达脉冲负载的工作机理，将结构复杂的供电系统简化，等效为整流器模块、直流开关模块和负载模块，用关键的参数以简明的形式表现出来，通过设置参数滤波电容C、导通时间Ts、占空比D、功率PL的大小，可得到这种工作模式雷达的电气特性，改变这些参数，也可得到不同工作模式雷达的电气特性。连续脉冲模拟装置功能流程，如图5所示。

图5 连续脉冲模拟装置工作流程图

3 实验结果分析

在脉冲负载模拟装置中，通过接入3组电阻，并设置IGBT1的触发脉冲为周期56 ms，占空比为0.4，IGBT2的触发脉冲为周期1 ms，占空比为0.7，脉冲负载工作模式可表示为：峰值功率PL=30 kW，开关周期Ts=56 ms，占空比D=0.40。

选用标称功率为30 kW的柴油发电机组，其中柴油机型号为东风康明斯4BT3.9-G2，额定功率36 kW，额定转速1 500 r/min，采用电子调速；同步发电机为江苏英泰YTW系列凸极无刷励磁发电机，极对数为2，额定容量37.5 kVA，设计功率因数0.8(即额定功率为30 kW)，励磁调节器采用他励式SE353型AVR，机组的输出线电压为400 V，频率为50 Hz。可控整流器输出电压设定为500 V，整流器滤波电容值根据试验内容进行调整，平波电抗器为0.125 mH。在图6所示的实验装置中，从右到左依次为含滤波电感与电容的可控整流柜(1号柜)、含IGBT及触发信号的直流开关控制柜(2号柜)、各含五组混联制动电阻的负载柜(3号、4号柜)。

图6 实物装置

实验结果如图7所示。

图7 实验结果

由图7可知，直流电压和直流电流呈周期性波动，且波动周期与设定周期一致。直流电压在脉冲负载来临时电压下降，在脉冲负载消失时电压上升，在脉冲负载期间，电压波形与电流波形保持一致，其原因是负载为纯阻性负载；直流电流呈双周期变化，与设定一致，且符合图4所示的工作波形；交流电压和交流电流同样发生周期性波动，由于脉冲负载的作用，柴油发电机组相当于频繁的突加突减负载，且变化为毫秒级，机组的调速器和调压器的时间常数较大，作用时间延迟，导致机组输出电压发生周期性波动。

4 结束语

现代雷达负载包含大量的精密元件，是强非线性、耦合的复杂系统，工作特性呈连续脉冲特性。在为其选配柴油发电机组时，由于对电源和负载相互作用机理认识不深入，功率选配存在一定的盲目性。本文将复杂的雷达负载系统，采用等效模拟的方式，用关键的参数以简明的形式表现出来，通过设置参数滤波电容C、导通时间Ts、占空比D、功率PL的大小，即可得到这种工作模式雷达的电气特性，与现有测量方法相比，其显著优势在于能够快速、等效模拟雷达电源的电气特性，且通用性强。采用此装置进行试验研究，可模拟各种工作模式的雷达负载，便于深入研究雷达脉冲负载的工作周期、占空比、滤波电容、负载峰值功率等参数变化时对柴油发电机组的影响规律，为选配柴油发电机组的容量提供参考，避免功率选配的盲目性。

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李 锴 男，1987年生，硕士。研究方向为温差发电技术。

李建科 男，1986年生，博士。研究方向为新能源发电与智能微电网。

季少卫 男，1972年生，硕士。研究方向为雷达电源系统设计。

王春明 男，1964年生，硕士。研究方向为电力系统可靠性分析。

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