提高DX系列中波发射机电源系统稳定性的探析
王兴松
(国家新闻出版广电总局七五一台)
【摘 要】本文简述电源系统对DX系列中波发射机稳定运行的重要意义以及影响电源系统稳定性的因素，重点分析研究提高电源系统稳定性的综合防护设计及措施。【关键字】DX系列发射机 浪涌 滤波器 UPS 开关电源 美国哈里斯公司生产的DX系列全固态中波发射机具有整机效率高、综合技术指标好、设备运行稳定等优点，已经成为国内外中波广播领域的主流机型，但是，它在抵御外部干扰方面较传统广播发射机并不占优势。对于南方地区发射台站而言，常年气候多变，春夏季强雷电多发频发。雷雨天气时，经常因雷电致使外电不稳，电源浪涌和雷电浪涌使发射机工作极不稳定，甚至直接击毁元件，常造成发射机停止工作，给安全传输发射工作带来了较大损失，而且造成直接经济损失。因此，对发射机电源系统稳定性的研究分析十分必要。1 概述
高度集成化、固态化和数字化的DX系列中波发射机组成设备以半导体器件为主，而半导体器件的一般损伤阈值为，易损器件的损伤阈值为，在仅仅引起瞬间失效的情况下，半导体器件的损伤阈值还要低2～3个数量级。当发射机中使用的元器件遭受如强雷电等外部电磁干扰时，易导致元器件的损坏，致使某块功能板卡失效，影响发射机的安全稳定运行。外部电磁干扰由电源系统进入发射机的模型如图1所示。由图1可见，进入发射机电源系统的外部电磁干扰主要来源是雷电浪涌、电源浪涌、静电感应和高频感应等方面。DX系列中波发射机系统在设计安装施工时，充分考虑到来自外部的电磁干扰对发射机的影响，通过良好的接地系统和有效的电磁屏蔽措施，最大限度地降低了高频感应和静电感应对发射机的影响。因此，笔者主要介绍如何减小雷电浪涌和电源浪涌对发射机电源系统的影响，以及如何采取有效措施提高DX系列中波发射机电源稳定性。图1 侵入发射机电源的各类外部电磁干扰
2 电源浪涌和雷电浪涌
浪涌指电源线路中瞬间出现超过稳定值的峰值，包括浪涌电压和浪涌电流。浪涌电压是指超出正常工作电压的瞬间过电压；浪涌电流使指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于瞬态电流的峰值电流或过载电流。电源浪涌往往由广播发射台站大功率设备的开启或关断、设备线路异态、设备自投或切换等原因造成。雷电浪涌通常是由于户外强雷电导致，主要是间接雷击，其对广播发射台站设备的电源系统危害极大。总结DX系列中波发射机的运行维护经验分析，得出电源浪涌和雷电浪涌对发射机的危害主要有以下两点：（1）元器件被强雷电产生的瞬间电压击穿。比如，广播发射台站调配室内真空陶瓷电容器在强雷电作用下接收到瞬间大电流，并产生高电压，使得电容器短时间迅速发热，而散热速度却远不及温升快，造成温度过高，导致电容器发生热击穿，瞬间失效。（2）元器件遭受强雷电产生的脉冲电流破坏。当发生强雷电时，广播发射台站的发射机机柜上会感应出脉冲电流，脉冲电流可以通过发射机机柜门缝、小孔等侵入，造成发射机功能板卡上元器件损坏或者瞬间失效。3 提高电源稳定性的有效措施
对于DX系列中波发射机而言，主要采用最大限度减小雷电浪涌和电源浪涌来提高电源系统稳定性。原设计中，一般采用在电源进线端安装浪涌保护器，另外在每一部分的供电线路中使用电源滤波器。由于对电源系统采取的防护等级不够，许多广播发射台站在实际应用中对雷电浪涌和电源浪涌的抑制和消除并不理想，由此产生的浪涌电磁干扰信号导致DX系列中波发射机系统元器件受损，甚至失效，影响发射机的安全稳定运行。多年的维护经验告诉我们，通过抑制和稳定相结合的方式能够大大提高DX系列中波发射机电源系统的稳定性。3.1 安装浪涌保护器雷电的本质是一种强电磁干扰，具有干扰电压幅度大、瞬间变化快，能够使电子元器件瞬间受损或者失效，给无线发射台站的安全传输发射工作造成了巨大损失。无线广播发射台站的防雷系统主要包括外部防雷和内部防雷。外部防雷主要是通过避雷针、引下线等将可能击中技术机房的雷电泄放入大地；内部防雷主要是通过在需要保护设备的前端安装雷电浪涌保护器，将可能进入的雷电阻挡在外，确保后端设备的安全。针对雷电浪涌对DX系列全固态发射机稳定运行造成的威胁与危害，无线发射台站的工程师们主要采用雷电浪涌保护器，它具有响应速度快、保护功能完善等特点，能够较好地对雷电浪涌进行抑制。浪涌保护器，又称防雷器(简称SPD)，可以对间接雷击和直接雷击影响或其它瞬时过压的雷电浪涌进行保护，具有相对相、相对地、相对中线、中线对地及其组合等保护模式。实际应用中，往往采用分级防护的措施将雷击危害程度减小到最低。第一级防雷器可以对于直接雷击电流进行泄放。第二级防雷器是针对前级防雷器的残余电压以及区内感应雷击的防护设备；同时，经过第一级防雷器的传输线路也会感应雷击电磁脉冲辐射，需要第二级防雷器进一步对雷击能量实施泄放。第三级防雷器是对雷击电磁脉冲和通过第二级防雷器的残余雷击能量进行保护。对于无线广播发射台站而言，外部防雷系统工作已经非常完善，设计和施工的标准远高于GB50057《建筑物防雷设计规范》的要求。而对DX系列全固态发射机的系统防雷措施应将外部防雷与内部防雷完美结合，根据有利于保护对象的不同而采取不同的防护措施。在无线广播发射台站的电源系统中，一般仅在高压电源进线端安装防雷器，在实际应用中，防雷效果非常不理想。针对这种情况，可以对广播发射台站的电源系统采取两级或者以上的防护措施，最大限度的减小雷电浪涌，尽最大可能保护广播发送设备，避免可能发生的停播事故。DX系列中波发射机低压220V电源的瞬间电压浪涌抑制由法国CITEL公司生产的MSB230-HF浪涌保护器来实现，它提供三级保护。第一级使用一个非辐射性气体管浪涌避雷器，具有高功率和高放电能力。第二级包含一个双极性滤波器，用以保护由强雷电、电机电枢磨损、其它常见来源产生的EMI/RFI电源线噪声。第三级使用一个半导体，用以削弱在少于5ns时间内的低能量高速瞬间浪涌。3.2 加装电磁干扰电源滤波器无线广播发射台站的大功率发射机是一个产生大功率发射信号的设备，本身就是一个强大的干扰源，在运行过程中不可避免地会产生复杂的电磁干扰信号，这些信号具有幅度大、频谱宽的特点。如果对这些信号处理不妥当，势必影响发射机的安全稳定运行。针对大功率发射机所处的复杂的电磁环境，DX系列中波发射机中广泛采用电磁干扰电源滤波器，最大限度减小电磁干扰信号对发射机的影响。在DX系列中波发射机中使用了三相交流电磁干扰电源滤波器和单相交流电磁干扰电源滤波器。DX系列中波发射机中采用美国CORCOM公司生产的10VK6单相电磁干扰电源滤波器，主要对单相交流220V电源进行抗电磁干扰保护，其基本电路如图2所示，它是由集中参数组件构成的四端口无源网络。当把这个电源滤波器的进线端接发射机220VAC电源入口处，电源滤波器的负载端接发射机，和、和就组成、两个两对完全独立端口之间的低通滤波器，它们主要用来滤除发射机220VAC电源通路中共模干扰信号，最大限度地阻止干扰信号进入电源的负载设备。和之差称为差模电感，它和组成一个独立端口间的低通滤波器，用来抑制电源上存在的差模干扰信号，防止电源的负载设备被干扰。该四端口无源网络中电阻主要用来泄放掉电容器上积累的电荷，以提高整个无源网络的滤波特性。图2 单相电源电磁干扰滤波器基本电路
DX系列中波发射机中采用瑞士SCHAFFNER公司生产的FN256-36-47三相电磁干扰电源滤波器，主要对三相交流380V电源进行抗电磁干扰保护，其基本电路如图3所示。三相交流电磁干扰电源滤波器与单相交流电磁干扰电源滤波器的工作原理基本相同。由于三相电源滤波器在进线端和负载端都安装了滤波电容器，所以其对电源系统中的电磁干扰信号滤波效果会比单相电源滤波器更好。图3 三相电源电磁干扰滤波器基本电路
3.3 配置大功率在线式UPS系统为了提高发射机低压电源系统的稳定性，大多数发射台站采用低压稳压器来实现。早期比较多的采用380V电刷型补偿式稳压器，随着380V微机控制(数字式)无触点稳压器的问世，随即取代了早期的电刷型补偿式稳压器。但是，随着UPS技术的迅猛发展，UPS在无线广播发射台站的应用也更加广泛和普及，特别是当前市场上主流的采用模块化设计与N+X并联冗余技术的在线式UPS系统。这种UPS系统具有工作制式多样、工作效率高、功率密度大、冗余性和扩展性好、高效节能环保等诸多优点。模块化UPS系统采用标准的结构设计，主要由功率模块、监控模块、静态开关组成，其中的功率模块可以并联组合共同分担负载；如果遇到系统中某功率模块故障则自动退出系统，由剩下的功率模块共同分担负载，具有良好的扩展性，其独特的冗余并机技术确保了电源系统的最高可用性。在线式UPS系统还可以防止外电闪或者外电中断对广播发射机工作的影响，避免安全播出事故。同时，在线式UPS系统可以消除市电电源浪涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电源频率偏移等“电源污染”，改善发射机电源质量。当前，无线广播发射台站正逐步通过技术改造，使用模块化设计与N+X并联冗余技术的在线式UPS系统替代传统的低压稳压器，给广播发射机提供更优质、更稳定的供电电源。3.4 应用开关电源DX系列中波发射机对电源质量的要求极高，当电源电压过高或者过低时，均有非常完备的保护电路进行监测，以保护发射机设备。输出稳定性决定电源成败，电压稳定性、输出纹波这两点更能反应一个电源的品质和功夫内涵。随着电子技术的快速发展，开关电源已经逐渐成为市场上的主流，用小型、轻量和低功耗、高效率的开关电源代替发射机上传统的非稳压电源组件已是大势所趋。DX系列中波发射机中所应用的+24V非稳压电源组件，它是由一个线性变压器、一个桥式整流器及一只滤波电解电容器组成。这种线性电源的缺点是：⑴功耗非常大、效率比较低；⑵输入电压动态范围小；⑶输出电压调整麻烦，仅能步进调整输出电压；⑷必须使用较大容量的滤波电容；⑸重量非常重、体积庞大。在DX系列大功率中波发射机的单个PB200功放单元和合成器并机网络中，这种+24V非稳压电源组件的输出供电线路如图4所示。在DX系列中波发射机的单个PB200功放单元中，+24V非稳压电源经过低压电源板后，主要输出+24V、+35V、+18V/-18V/+8V电源分别送至可编程逻辑控制器、缓冲放大器模块、发射机大部分板卡供电；合成器并机网络中的+24V非稳压电源输出+24V电源给合成器内大电流射频接触器、触摸屏和可编程逻辑控制器提供电源，同时经过低压电源板后，输出+24V、+15V/-15V/+5V电源送至合成器并机网络中大部分板卡供电。鉴于+24V非稳压电源组件在DX系列中波发射机属于重点部位、关键器件，非常有必要进行改造，以确保电源系统的稳定可靠。图4 +24V非稳压电源组件供电线路简图
上世纪90年代开始开关电源开始在电子电器设备领域、控制设备领域、通讯领域得以广泛地应用，随着开关电源技术的不断创新和开关电源价格的趋于合理，无线广播发射台站也开始使用开关电源替代原设计的非稳压电源组件。当前市场上主流的开关电源均是利用电子开关器件，通过控制电路，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。其主要特点有：⑴内部功率损耗小，转换效率高；⑵对输入电压的动态范围要求较宽，其输出电压在标称电压的一定范围内连续可调；⑶对输入电源的滤波效果比较明显；⑷相对传统电源组件，其自身体积小且重量轻；⑸开关电源内部具有比较完善的保护电路，使用中更加安全可靠。另外，对于DX系列中波发射机而言，在使用不同功率等级的开关电源替代+24V非稳压电源组件后，在安装空间上留有足够的冗余，在实际的技术改造过程中，可以考虑安装两套开关电源来代替原设计的一套+24V非稳压电源组件，并通过串接二极管可以非常容易实现两套开关电源互为备份，实现自动切换工作，大大提高电源系统的可靠性保障等级。在安装开关电源后，通过测试结果分析，DX系列中波发射机的+24V电源品质得以明显改善。(1)+24V输出电压纹波更小。将同一路220V交流电源分别接至+24V非稳压电源组件和开关电源的输入端，使其空载输出，输出电压波形分别接入双踪示波器的两个输入端，从双踪示波器界面可直接观察两者输出电压纹波情况。图5所示为两者输出电压波形对比图，从图中可以看出采用含功率因素校正功能的开关电源，其输出电压的纹波极小，远远好于原设计的+24V非稳压电源组件。图5 两种电源组件输出电压波形对比
(2)+24V输出电压更稳定。在实际的测试工作中，发现原设计的+24V非稳压电源组件空载输出电压为31.0V，半载输出电压为28.4V，满载输出电压为26.7V；而+24V开关电源在空载状态、半载状态和满载状态情况下，其输出电压相当稳定。在DX系列中波发射机待机状态和高功率开机状态下，分别测试技术改造前后的输出电压数值，其中A路和B路的电压偏移量和电压偏移幅度如表1所示，从表中可以看出开关电源的输出电压偏移量几乎为零，其输出电压稳定性远远好于原设计的+24V非稳压电源组件。表1 两种电源组件使用中电压偏移情况对比
| +24V非稳压电源组件 | ||||
| 输出端 | 待机 | 高功率 | 电压偏移△V | 电压偏移幅度 |
| A路 | 25.88V | 25.61V | 0.27V | -1.04% |
| B路 | 25.88V | 25.56V | 0.32V | -1.24% |
| +24V开关电源 | ||||
| 输出端 | 待机 | 高功率 | 电压偏移△V | 电压偏移幅度 |
| A路 | 25.92V | 25.92V | 0V | 0% |
| B路 | 25.82V | 25.81V | 0.01V | ≌0% |
图6 DX600发射机电源系统的综合防护设计
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