大功率短波发射机通用控制系统灯丝控制简述

钟明

摘要：该文介绍了大功率短波发射机灯丝调压器控制方式及原理，阐述了五0一台研制的大功率短波发射机通用控制系统，关于灯丝控制部分采用的控制方式，解析了设计思路、和技术实现。

关键词：可控硅调压器；机械调压器；分段控制；灯丝控制；灯丝冷却

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）15-0183-02

大功率短波发射机工作在3.9M-26.1M的频率范围内，由于其工作频率范围宽，目前功率放大均采用了大功率电子管来实现，而大功率电子管属于贵重器材，售价高昂，在使用中应保证其运行安全可靠，灯丝控制环节就是其中非常重要的一环。电子管因其冷态灯丝电阻远低于热态灯丝电阻，而其从冷态转变成热态需要一定的时间，所以在升降灯丝过程中，需要根据电子管的特性逐渐将灯丝电压从0V逐步升到正常工作状态，同时电子管灯丝电流非常大，根据不同机型，前级管一般在100A以内，末级管一般在1000A以内，在如此高的电流下电子管的灯丝就显得相当脆弱，如何保证电子管的使用寿命及灯丝运行的稳定是控制的关键所在。

1 灯丝调压控制方式分类

大功率短波发射机的灯丝控制主要是针对高周前级管和高周末级管的灯丝控制，尤其是高周末级管，由于其大功率高电流，是灯丝控制系统的核心控制对象。在不同的机型中，由于使用的电子管不一样，采用的灯丝控制方式也会有些差异，常用的灯丝控制方式有三种：可控硅调压器控制方式、机械调压器方式和分段控制方式等，这三种结构的控制方式各有特点，应用上对应不同的机器，其中分段式控制方式多应用于小功率发射机，而可控硅调压控制方式及机械调压控制方式多用于大功率发射机上。

五0一台研制的通用控制系统在灯丝调压控制方式上针对可控硅调压器方式、机械调压器方式和分段控制方式都有设计，针对不同的机器设备可以选用不同的控制方式，系统针对这三种控制方式均按模块化的方式进行设计，在使用过程中，通过灯丝逻辑控制选择三种控制方式其中的一种；同时还设置了供电故障快速恢复灯丝的方案，现将这3种控制方式分别进行说明。

1.1 可控硅调压器控制方式

可控硅调压器通过控制移相角达到改变电压的目的，一般来说，可控硅调压只能做降压调整，即输入电压即是调压器输出的最高电压。可控硅调压器工作时在电压（或电流）过零点导通，也截止于电压（或电流）过零点，输出的波形在全通状态时是完整的正弦波，调压状态时就是不同幅度的波峰，在可控硅调压器还在开通率低时，对电源系统有不同程度的杂波污染，但短波发射机在处于全灯丝状态下时，可控硅开通率在80%以上，对电源基本没有影响。可控硅调压器型号较多，控制方式也较多，但所有可控硅调压器均具备0-20mA的电流型控制方式，灯丝控制系统采用通过灯丝控制板送出0-4095的数字控制信号，送到D/A转换AD5628进行处理后送出相应模拟量，经过隔离耦合放大器送到功率运算放大器进行跟随、放大后，输出到可控硅调压器进行控制灯丝电压升降。

1.1.1 灯丝的升降控制

灯丝升的过程是指灯丝电压从零开始直至升到正常工作电压，降即是升的逆过程。在正常控制升降灯丝时，根据电子管的特性，需要稳步提升升降速度，一般从零升至正常灯丝全程需要15分钟左右，这样做的主要原因是灯丝冷状态时阻抗低，为了保证冷态灯丝电流不能过大，必须控制灯丝电压大小，防止灯丝过电流而产生形变造成电子管碰极损坏。一般灯丝升分为黑灯丝状态、灯丝一挡、灯丝二档、半灯丝、全灯丝状态、灯丝预热等几个阶段。可控硅调压器在零位灯丝时，处于关断状态，不输出电压，在灯丝电压在从零位到黑灯丝位置时，开始导通输出灯丝电压，开始升降步骤是每秒10个字，在黑灯丝位置进行预热延迟，大概需要5分钟左右，不同的电子管可以设置不同时间。延迟完成后，由黑灯丝位置到全灯丝位置，升降步骤是每秒50个字，灯丝电压到达5V后，灯丝基本处于热灯丝状态，此时可以提高灯丝的升降速度直至全灯丝。由于电子管灯丝的冷热状态差别很大，为了保持电子管工作恒定，发射机在不使用过程中，可以让其长期处于黑灯丝状态，保持灯丝热态，这样有利于延长电子管使用寿命，在需要播音时升到全灯丝状态，提高黑灯丝到全灯丝的升降速度，使得发射机能及时进入播音状态。

1.1.2 运行过程中意外处理

在设备运行中，经常会出现由于电网不稳定而造成的电力短时中断现象，俗称的外电闪或者短时停电，这时对于灯丝控制来说，会因为外电闪动而从全灯丝掉至初始状态，系统恢复需要重新控制一次升降过程，这时控制系统会立即输出灯丝零位控制电压，保证灯丝电压在零位，并立即合上相应冷却系统，保证灯丝处于冷却状态，若当前处于黑灯丝状态，在电力恢复后，系统按照正常控制方式，恢复到黑灯丝，若当前处于播音状态，则判断失电时间是否超过5秒，失电时间在5秒以内，则在电力恢复后，系统改变灯丝控制步骤，在12秒内快速恢复到全灯丝状态，在15秒内恢复播音，以减少停播时间；若超过5秒，在1分钟以内，则在1分钟以内将灯丝电压恢复到全灯丝状态；若超过1分钟，在5分钟以内，则取消灯丝预热过程，按照正常控制步骤将灯丝恢复到正常位置，恢复时长大概要4分钟；若超过12分钟，则按照正常方式恢复控制，恢复时长需根据灯丝预热延迟时间决定（可手动取消预热延迟）。以上恢复时间也是可以根据不同的发射机进行调整的。

1.2 机械式调压器控制方式

机械调压器控制方式是通过控制电机驱动灯丝调压器，改变二次线圈匝数的多少来达到改变输出电压的目的，因此波形上没有畸变，但相应速度慢，体积庞大，存在机械磨损等问题；在控制灯丝电压升降过程中，系统通过灯丝控制板输出控制2个灯丝升/降继电器，控制调压器电机的转动方向，完成灯丝电压的升/降控制。

1.2.1 灯丝升降压控制

在正常控制过程中，系统进行开机后，若灯丝调压器位置不在零位，则系统自动发出降灯丝控制，当灯丝调压器位置到达零位后，合上灯丝调压器电磁闸供电，此时才能逐步将灯丝升到预定位置。升降压的流程与可控硅调压器控制方式是一致的，这里就不再赘述。

1.2.2运行过程中意外处理

在设备运行中出现外电停电时，系统将会先切断灯丝供电电磁闸，控制调压器倒动到零位后方可重新进行灯丝升的操作，若出现外电闪或短时间断电，这时灯丝基本属于热灯丝，但机械型调压器升/降的速度不能像可控硅调压器一样，可以改变升/降速度，在电力恢复后，灯丝由全灯丝位置降到零位后，再次升到全灯丝位置，大约需要3分钟左右，这样会延长了停播时间，为此系统针对机械调压器专门设置快速恢复功能，在电力系统恢复后，首先立即恢复相应冷却系统，电力系统在出现5秒以内停电故障时，灯丝调压器保持原位置，在电力恢复后，直接恢复到全灯丝状态，以减少停播时间；若电力系统出现故障超过5秒，则要重新执行升灯丝操作，控制过程中系统自动取消灯丝预热过程，在5分钟以内，则在灯丝完成正常控制后，进行短暂预热后恢复播音；若超过5分钟，则按照正常方式恢复控制。以上流程可以根据不同的机器及控制方式进行设定。

1.3 分段控制方式

分段控制主要是针对功率较小的电子管，通过控制2段接触器， 完成灯丝的控制，这种方式的优点是结构简单，不需要设置专门的灯丝调压器，目前使用最多的100KW短波发射机就采用这种方式，这种方式对发射机电子管灯丝多少会有些冲击，特别是在升灯丝过程中，在合上一段时，灯丝电流瞬间从零到50A左右，在合上二段时，灯丝电流瞬间从50A到400A左右，灯丝一段和二段是通过电阻来限流。

1.3.1 升降灯丝控制

系统在正常控制时，通过灯丝控制板输出控制2个继电器，完成灯丝一段和灯丝二段的控制，系统开机后，合上灯丝一段，在一段灯丝电流电压正常后延迟系统设置时间后，发出灯丝二段合控制指令，当灯丝二段合上后，断开灯丝二段的控制，进入灯丝预热阶段，预热完成后，可开始播音。

1.3.2 运行过程中意外处理

在电力系统出现故障时，系统发出断开灯丝控制，在电力系统恢复后，首先立即恢复相应冷却系统，若电力系统在出现5秒以内停电故障时，系统按照正常方式完成灯丝一段、二段控制，灯丝到达二段后，自动取消预热延迟，开始进入播音状态；若电力系统出现故障超过5秒，在5分钟以内，则在灯丝完成正常控制后，进行短暂预热后恢复播音；若超过5分钟，则按照正常方式恢复控制。以上流程可以根据不同的机器及控制方式进行设定。

2 黑灯丝状态的设置

为了提高电子管寿命，灯丝工作状态尽量应保持在热状态，而从省电的角度考虑，在发射机不工作的时候，可以使灯丝电压降低到一定的数值，既保持了灯丝的热状态，又可以大幅减少用电量，同时减少发射机冷却系统的消耗。具备黑灯丝控制的发射机，当系统发出黑灯丝指令后，系统开始降灯丝控制，当灯丝到达黑灯丝位置后，进行冷却延迟（系统内设置高限是120分钟），当延迟完成后，关闭全灯丝冷却系统，进入黑灯丝冷却状态。

3 灯丝控制过程中的状态监测

灯丝控制过程中的状态监测主要是针对灯丝调压器故障、灯丝控制信号故障、灯丝供电故障等原因导致灯丝升/降过程中无正确响应，发出相应的告警信息。

1）在发出开机指令后，若灯丝控制逻辑不满足，则立即发出告警，提示处理故障点，若灯丝控制逻辑满足，则系统开始进入升灯丝控制阶段。

2）在升灯丝控制过程中，系统会监控灯丝电压，当灯丝电压低于设定值时，说明可能有缺相或灯丝调压器故障等现象，发出灯丝调压器输出电压过低告警，并发出灯丝暂停指令；若有灯丝电压，无灯丝电流，则发出灯丝电路断路故障告警。

3）灯丝电流检测

因灯丝电流过大，所以系统采用灯丝电流互感器，为避免走线过长，导致信号受到干扰等因素，系统采用4-20mA的电流型判断方式，在系统加电启动灯丝升压过程后，若灯丝电流检测低于4mA，则立即发出灯丝电流检测故障告警。

4 结束语

灯丝控制系统的设计必须在保证电子管安全可靠运行的基础上来设计，电子管是大功率短波发射机上非常昂贵的大型器件，完善的灯丝控制方式将极大提高电子管的使用寿命，在保护电子管使用寿命的基础上，如何缩短故障情况下快速恢复播音是控制的关键；同时针对灯丝设置大量告警手段，使系统故障在出现故障时，能准确提供故障点信息。

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