一種高穩定大功率雷達電源系統的設計與實現

彭曉星，賈愛鵬，吳民忠，周美慶，劉萬清，蔡恒之

(1.浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316000；2.舟山市向海電子科技有限公司，浙江 舟山 316000)

1 雷達電源供電系統現狀

船用雷達是船舶航行的關鍵設備，船舶電源接入到雷達電源后，雷達正常發射時工作電壓300～550 V之間，要求電源必須具有良好的工作穩定性和可靠性[1]，才能滿足雷達長時間可靠工作的要求。由于工作環境惡劣，船舶供電不穩定容易引起電壓大幅度變化，對雷達安全帶來隱患。穩定的船電對雷達正常工作和雷達的各部件使用周期十分重要，顯然船舶在倒車、大風浪等特殊情況下無法長時間穩定供電，此時柴油發電機被動進行調速和調壓，超出雷達正常工作時的負荷波動范圍，脈沖性負荷反過來會給船舶電力系統造成嚴重影響，容易導致雷達部件受損。實驗證明，需要設計電壓諧波小于5%，頻率穩定，工作電壓220 V穩定在±1%的電源供電系統，才能確保雷達電源板正常工作。

事實上，為了節省成本，大多數國內船舶配置的雷達穩壓電源系統并非針對雷達而設計，不能完全滿足雷達電源的維修保障需求，無法高效地完成修復，為了克服集中式供電系統缺點，當前新型雷達采用分布式供電系統，輸出電壓穩定性好，效率高，適應性強，容易實現標準化，電磁兼容性能優越等。然而這種一對一的供電方式，一旦某個串聯的DC-DC模塊故障，就會直接導致后部負載無法工作，所以分布式供電的冗余技術難以實現，任務可靠性不高[2]。船舶電力系統逐步電力電子化的過程中，大量的變流設備產生的諧波導致電能質量下降，導致雷達工作受到影響,面臨著兼容性、穩定性等問題[3]。分析當前雷達電源存在問題，當非線性負載施加正弦波電壓時， 電流就不是正弦波，產生了諧波。諧波危害的表現:影響雷達供電系統的穩定運行；容易使中性線長期過熱,損壞絕緣甚至引發火災；諧波過大將會導致額定工作點的偏移,造成設備的功能不能正常發揮,重要部件容易損壞；諧波除使發電機過熱外,還會產生過零點產生位移, 容易引起控制電路的工作不穩。這些諧波可能相互疊加，帶有高頻率諧波分量的過電流，可能導致雷達部件過熱或燒毀。雷達由非線性負載與線性負載組成，二者比率越高，諧波過載的可能性越大。具體分析原因表明，發射機容易出現故障時高壓無法加載，功率不夠導致沒有回波信號，接收機主要是因為頻率不穩定引起故障，天線主要是因為船舶運動導致馬達轉速不穩定引起故障，這些部件正常工作都離不開雷達電源的穩定供電。統計發現國內船舶雷達大量采用日本JRC、FURUNO、歐洲SPERRY、Kelvin Hughes等型號產品，使用年限過長，更新成本高昂，這些雷達自帶電源系統健康度隨電源老化時間變化整體性能呈現下降的特點，影響雷達的正常使用，維修中采用的策略是放棄原有雷達電源部分，改用單獨的開關電源系統，只能通過單路AC供電是目前國內外民用雷達普遍現狀，直流供電雷達相關研究少。

2 船用雷達內部電源系統設計原理

雷達正常工作需要高效穩定、易于擴展、抗干擾能力強的雷達電源。在船舶出現失速失控狀態下船電供電狀態變化大，此時船舶雷達電源要求較高，大多數船舶采用的開關穩壓電源存在適用電壓變動范圍只有±10%、開關干擾嚴重、元器件易損、功率小、故障率高、動態響應速度慢等特點，無法適應船電變化時滿足雷達工作的需求。目前船舶雷達供電工作過程：當船舶定速航行時，船舶主機帶動軸帶發電機單獨或與其他發電機并聯供電；當船舶機動航行時僅由柴油機發電供電，此時雷達電源來自主配電板。當主配電板失電時，在45 s時間內由蓄電池系統經過逆變系統為雷達設備供電，45 s后應急發電機合閘僅向應急配電板供電，此時不向主配電板供電，并且蓄電池停止供電，雷達由應急配電板供電。常用船用雷達電源一般包含：三相整流電路、濾波電路、橋變換器、高頻變壓器、輸出濾波電路、驅動電路、控制保護及均流電路等，為了確保供電不正常情況下電源的儲能，采用超級電容模塊的兩種儲能方案,從重量、體積、能量利用率、可靠性等方面進行比較[4],采用了高可靠性、小體積的優選儲能方案,目前船用雷達電源系統電能變換流程圖見圖1。

圖1 雷達內部電源電能變換和傳遞流程

電源供電系統設計流程框圖見圖2，對于在航行中的船舶，雷達、電羅經等設備直接使用交流電工作，這些設備需要始終處于工作狀態，如果船舶穩定正常定速航行，軸帶發電機供電電壓正常穩定，雷達等大功率通導設備正常工作，在船舶進出港口時一旦低速航行、或者沿海密集航區相互避讓、拋錨前等特殊環境下，造成船電供電電壓發生大范圍的波動，引起雷達自帶電源系統故障,從而對整個雷達系統工作產生影響,就會導致雷達等導航設備損壞的嚴重后果，因此雷達的故障大多是與電源相關[5]。

圖2 電源供電系統設計流程

如果希望避免船舶主機不能正常供電時可能給雷達等設備造成損壞，只能保持船舶輔機一直供電，從能耗角度來講是不合理的，并且也無法保證始終穩定在220 V供電。多年的維修案例統計結果表明，電源電壓不正常造成雷達設備受損概率為40%左右。

根據電源供電系統設計流程框圖，對于在航行中船舶穩定正常定速航行，軸帶發電機供電電壓正常穩定，軸帶發電機主機對主配電板供電，經交流穩壓單元初步穩壓后實現內部AC110 V穩壓輸出和內部AC220 V穩壓輸出，并通過并聯雙路穩壓AC-DC電路、橋式整流電路、開關電源DC-AC電路輸出至雷達穩定供電AC220 V。當主配電板失電時，電子開關啟動船電蓄電池經過橋式整流電路、開關電源DC-AC電路為雷達設備供電。

3 船用高穩定電源系統的電路設計

為了得到穩定的交流輸出電壓，在充分考慮船舶通信導航設備之間的電磁兼容設計， 在電源輸入端大功率濾波器抑止高次諧波，輸入和輸出的電源線上外加鐵氧體磁環，用于抑制線內的高頻共模和減小電源線輻射能量，芯片和開關管加裝去耦電容，輸入的交流、輸入直流、輸出交流分開走線，減少輸入輸出產生的電磁耦合，屏蔽整改措施后,最終解決了輻射發射的問題。根據流程圖設計的流程框圖見圖3，采用交流電和應急電源相互補償的方式，充分考慮全船電網失電等極限情況下輸出電壓的穩定性設計而成，經過實驗室反復測試效果良好。

圖3 雷達電源供電系統的流程

電源供電系統的電路工作過程：主、副發電機輸入端J1與交流穩壓單元相連，輸入端J1與交流穩壓單元間設有AC開關SW1、SW2，當SW1閉合時，SW2打開，此時主發電機提供交流輸入電壓，當SW1打開時，SW2閉合，此時副發電機提供交流輸入電壓，由于電壓波動大，通過交流穩壓單元穩壓后輸出穩定的AC110 V和AC220 V，滿足雷達內部供電要求，交流穩壓單元與并聯雙路穩壓AC-DC單元相連，并聯雙路穩壓AC-DC單元經整流橋與開關電源DC-AC單元相連，當檢測到交流電供電不正常時，DC24電源提供備用電源，開關電源DC-AC單元經繼電器K6與雷達相連，船舶穩定正常定速航行時，軸帶發電機供電電壓正常穩定，交流電壓經初步交流穩壓、AC-DC穩壓、整流、DC-AC逆變后供給雷達。

船電輸入端經整流橋與開關電源DC-AC單元相連，船電輸入端與整流橋間設有電子開關SW3，當軸帶發電機供電電壓低于額定范圍時或者主機副機換電時或者其他情況導致非正常斷電時，電子開關SW3自動啟動船舶蓄電池提供的直流電進行整流、DC-AC逆變提供保證雷達設備工作的持續進行，當交流電再次正常供電，在10 s內直流供電將自動切斷供電。

4 電源系統成型產品及測試結果

設計完成的電源系統，首先綜合考慮電磁兼容進行設計,包括屏蔽信號處理、穩定接地、合理散熱布置、防振動和防沖擊等方面的因素，同時針對船舶環境特別要求在濕熱、鹽霧影響、霉菌等方面進行測試。利用船舶穩定航行時由軸帶發電機提供交流供電，經過本電源系統轉換后為雷達提供供電，起到環保節能作用，電源系統使用的相互補償機制實現不間斷穩定供電，即使船舶AC供電電壓不斷變化，實踐證明供電電壓變化范圍在90～280 V之間，也能實現為雷達提供穩定可靠的220 V交流電，為了防止船舶換電過程中經常產生短暫斷電，造成雷達設備損壞的情況，該電源系統還利用船舶提供的24 V直流電進行逆變提供保證設備工作的持續進行。產品外觀見圖4，成型產品已經批量生產，并在多艘船舶實際使用。

圖4 雷達電源供電系統成型產品

產品經過基于專家系統的故障樹測試法對雷達電源的故障診斷分析和檢測，完全滿足兩臺30 kW大功率雷達同時工作時電源穩定工作的需求，解決了一直以來困擾船舶雷達穩定工作的供電問題，所設計電源達到以下設計參數要求。

1)適用電壓范圍：輸入電壓在AC90～280 V之間工作，電源輸出穩定為220 V±1.5%。

2)使用實際雷達進行測試，在輸入電壓為90 V時，交流電流為3.4 A,平均功耗為0.3 kW；在輸入電壓為245 V時，交流電流為1.1 A,平均功耗為0.24 kW。

3)目前航行船舶主機輔機換電時，影響到雷達通信導航設備工作，正常情況下由輪機員通知駕駛員關機，以保證設備不會損壞，此電源則可以自動切換到直流供電，確保設備維持到更換新的供電方式，特別是大多數情況下非正常斷電，以及輪機員沒有及時通知駕駛員斷電等情況下，設計電源提供了一種保護方案。

4)當交流電壓低于90 V或者意外斷電時，應急電源會自動啟動24 V直流電工作，通過逆變器進行DC-AC轉換，直至正常供電，確保輸出電壓220 V正常穩定。

5)電磁兼容性能檢測可靠、屏蔽效果良好，加裝磁環和陶瓷電容，增加RC吸收電路，吸收浪涌電壓，對抑制0.3G～30G Hz噪聲有效。

6)在極限情況下，當交流電壓斷開，由蓄電池直流電為一臺雷達供電時，電流15 A左右，當交流電再次正常供電，在10 s內直流供電將自動切斷，由交流電供電。

5 結論

船員對航海雷達有全天候的依賴，維修時往往是多種故障并存且相互影響，雷達自帶電源系統只能處理交流供電，故障也主要是供電不穩定造成的損壞。在設計的電源系統中增加去偶電路和濾波器，減少噪音達到理想的濾波效果，產品通過實驗反復驗證和實際船舶試用，產品的性能得到船員的實際認可。在船電大幅波動情況下雷達工作性能下降、故障率變高，新的電源系統能夠克服船電頻率波動大，減少調速器故障率，抑制噪音電流、降低電磁輻射等問題，同時解決了船電頻率偏低時電功率不足，雷達馬達怠速運轉，造成雷達發射機自動保護進而停止工作的業界難題，通過交直流交替供電起到延長雷達重要部件使用壽命、能確保多臺大功率雷達同時穩定工作，特別是適合電壓波動范圍較大的軍艦、漁船等船舶通導設備的工作需要。