雷达电源保护电路设计

随着相控阵雷达技术的迅速发展，相控阵雷达技术被广泛用于地面防御系统中。然而，在目前有源相控阵雷达中去掉了传统雷达中的大功率发射机电源，由原来的大功率发射机电源改为向各个T／R组件供电，雷达的二次电源数量明显增多，电源系统越来越复杂，故障率明显增多。由于军用雷达常常工作在恶劣环境下，雷达电源的常见故障如过压、欠压、过热、短路、缺相等，往往难以避免 。因此，对雷达电源系统故障的快速定位、电源保护、故障报警成为获取电源故障信息，保证电源系统安全运行的关键。国内采用的保护技术，解决方案多数是在线路人口处设置断路器，当线路过压或欠压时切断线路，而当电压恢复正常时需手动使断路器复位。

本文具体分析了相控阵雷达阵面电源的特点以及传统雷达电源保护电路基础上，设计了简单实用的雷达电源保护电路，实现了雷达一次电源故障中的过、欠压保护和二次电源缺相保护。该电源保护电路具有抗干扰能力强、灵敏度高等特点。可实现集成化自复位电源故障报警功能，提高了雷达电源系统的可靠性及灵敏度。

1、 电源系统简介

雷达主电源系由30 kW柴油发电机组、总控配电机柜、50 kW变频发电机组(两台)与变频机控制柜、ATS切换柜、电力变压器、发电机组本机控制柜、通信及监控系统构成。在电源系统中，柴油发电机组与市电互为备份，当市电不能正常使用的时候开启柴油发电机对雷达系统进行工频供电，控制系统分为手动方式和自动方式(手动系统享有最高优先级)。系统结构如图1所示。

2 、基本参数确定

2．1 门限电压定义

在电源故障报警技术指标中，报警电路的窗口电压(上，下门限电压)是主要参数指标。该指标根据雷达电源的使用条件，决定报警电路的试用范围，保证雷达系统的正常工作。

门限电压的定义：指被监测的电源受到内部或外部的原因，电压突然达到了供电电源电压的极限值，同时激活报警电路到工作状态，由报警器发出信号报警(如声，光等)，或将报警信号送人上位机做后续处理，这个电压值就称作门限电压

2．2 报警电路基准电压的确定与灵敏度调整

2．2．1 基准电压的计算

报警器窗口电压的极限系数为ε，被测电源电压的标称值为Uo，报警器的门限电压为Ug，则有如下关系表达式：

用Us表示过压门限电压；UL为欠压门限电压。则：

式中：ε0是对报警电路系统指标重要影响的参数。

下面根据某型号雷达技术指标确定ε0=5％ ，可由式(1)求出中频报警窗口电压(门限电压)；

根据上式所述，当被测电源电压处在(Us-UL)的范围内，则视为系统正常工作，若超出此范围则需要立即对故障进行报警。ε

0可由用户根据需求以及报警电路所需技术指标所确定，设计者可根据用户对电源报警的需要去确定。ε0、Uo，进而确定报警电路的窗口电压。图2为报警参数曲线图。

2．2．2 报警电路灵敏度

报警电路的灵敏度是当报警电路对被测电源电压在门限电压临界值之外变化时，报警电路所根据实际情况所反映出的灵敏程度。这一指标主要取决于运放开环直流差模增益，表达式为：

实际应为差分放大的两个输入电压(Aod在理想的运放中应为无穷大)，只要有及其微小的差别，也会使输出电压有很大的幅度变化，因此，调整△（Vi1-Vi2）的值，可以保证报警器的灵敏度。

3、 电源电压保护电路设计

自复位保护电路的过、欠压保护部分，亦可用于电压精密检测电路，当出现故障时实现报警，也可将报警信号送人上位机做处理，作为电压前端检测电路。过、欠压保护电路原理图如图3所示。

电压值比较器的功能其实是由双运放完成的。图中IC1A，IC1B为过压、欠压采样比较器。D41，D42 ：两个开关二极管，在电源保护电路中起输出整流、限幅作用。如果开关二极管处于低电压状态时(一般小于0 V)或为负电压时，对接口电路中的逻辑电路产生影响，从而导致系统不能正常工作D 10，D11在系统有效地防止输出负电平损坏其后续的接口电路。保护电路中 RP1、RP2两个电位器组成有效的分压器，VrefG，VrefQ

为IC1B和IC1A过欠比较器的基准电压，R 10，R11尺 在被检测电源电压采样电路中起分压作用计算公式如下：

式中：U取样为经过R10,R11分压后R11上的电压；U入为被检测电源电压值。

当输入电压采样问题成功解决后，此过程为，设计人员拿预先设定的保护基准电压与采样电压进行数值比较。IC1B输出低电平时异名端的电平比同名端高。当设计一个电源电压保护电路时，电源系统正常工作时需要重点考虑如下问题，送到IC 1B的电压经过采样器分压电路之后，3脚的电压值必须低于的IC1B 2脚的电压。(1脚为输出端，3脚为同名端，2脚为异名端)。只要采样得到的电压小于设置的基准电压，Ic1A就会产生欠压保护信号，同理如果采样电压大于设置的基准电压，IC1B就会产生过压保护信号。需要注意设计人员在计算采样电压时，一定要同时考虑和分析过压与欠压基准电压值。

被检测电源经过整流电路后，就可以分别与被测电源基准电压进行比较，若被监测的电源电压均在正常工作的窗口电压之内，则系统工作正常无需要报警。如果被测电源突然出现故障(不论过压或欠压)比较电路的输出端便立即送出报警信号，以便在毫秒级内完成故障排除故障。

4、 输入缺相保护电路设计原理

为了减小电源的体积和降低电源损耗，检测部分采用无损电容器替换传统的电阻器。由于电网自身和人为的接线问题，可能会导致被测电源出现缺相运行的状况，且缺相不太容易被及时发现。如果突然遇到电源掉相时，缺相保护电路中整流桥的其中一桥臂无电流，同时逆变器出现工作异常，而现其他桥臂过流，甚至导致电源与设备的严重损坏。因此，在进行有效的缺相保护设备安全中显得尤为重要。图4是阵面电源(雷达二次电源)的缺相保护电路原理图。

当被检测中线不流过电流，及系统正常三相平衡，三个电容器的节点H点的电压为零。当光藕副边不流过电流，即采样电阻R2上电压为0。当系统处于缺相运行时，光藕有电流流过，H点电压会立即升高。电阻R2上则产生电压，此电压通过C4滤波后，与R4,R5产生的电源基准电压进行有效的比较；当电源系统直接掉相或三相严重不平衡时，系统立即产生高电平保护信号，保护电路当即立即禁止电源输出。电源系统如果运行在缺相时，光藕的原边电流Ic取5 10 mA(H点的电位最高，为线电压的1／2)，所以电容器的交流阻抗为

式中：V1为三相电源的线电压。电容器阻抗在回路中为：

根据式(6)可以得出电容器的大小。

5、 结 语

相控阵雷达阵面电源的特点以及传统雷达电源保护电路基础上，结合雷达电源系统的研制，设计了简单实用的雷达电源保护电路。该电路可实现雷达一次电源故障中的过、欠压保护和二次电源缺相保护。实际应用表明，该保护电路工作稳定可靠，灵敏度高，能够准确地对变频发电机组与柴油发电机组进行过、欠压报警，同时对阵面电源(二次电源)进行缺相保护，虚警率≤3％ ，故障报警率≥98％ ，故障隔离率≥96％，达到了对雷达电源保护的要求。  

审核编辑：汤梓红