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如何研制大容量航空地面靜止變頻電源

發(fā)布時間:2011-07-29

中心議題:
  • 討論研制大容量航空地面靜止變頻電源
解決方案:
  • 確定電源技術總方案
  • 對高性能控制器進行設計
  • 實現(xiàn)出大容量功率變換電路

采用新型電力電子技術的航空地面靜止變頻電源(以下簡稱靜變電源),與傳統(tǒng)的航空電源車相比,具有同樣的性能、更小的體積、更低的噪音水平和完全無排放的特點,可有效減少地面綜合保障空間和環(huán)境污染問題,極大地提高了航空地面電源保障的質(zhì)量,進入航空領域保障飛機供電和起動已成為必然的發(fā)展趨勢。

近年來,國內(nèi)的一些企業(yè)相繼開發(fā)出靜變電源產(chǎn)品,但隨著新型飛機和機載電子任務系統(tǒng)越來越多地投入使用,這些產(chǎn)品在試用和使用中不同程度地暴露出一些問題。例如對大容量電子任務系統(tǒng)負載的適應性問題,可靠性、維修性問題,技術先進性和自主知識產(chǎn)權問題等。目前尚無一種同類產(chǎn)品按照軍工產(chǎn)品科研程序定型列裝的,無法適應新型飛機對地面保障質(zhì)量的要求,這使靜變電源在國防建設中的推廣應用受到制約。

根據(jù)部隊使用需要和產(chǎn)品現(xiàn)存問題,我們按照軍工產(chǎn)品科研程序進行系列靜變電源產(chǎn)品的研制,容量范圍60~180kVA。通過研制,重點解決總體方案、高性能控制器和大容量功率變換實現(xiàn)等問題,形成自主知識產(chǎn)權,嚴格按照軍工產(chǎn)品要求定型,使靜變電源成為符合部隊使用要求的好裝備。

1 技術方案的確定

電源總體方案根據(jù)國內(nèi)外靜變電源的技術發(fā)展水平,采用成熟可靠、適應性強、技術先進、立足國內(nèi)的原則確定。電源總體方案簡述如下。

主電路采用交一直一交結構,包括整流器,直流濾波器、逆變器、變壓器及交流濾波等組成部分。交一直部分將50Hz交流市電經(jīng)橋式整流、平波電抗器、電解電容濾波后變?yōu)槠椒€(wěn)直流。橋式整流電路為半控結構,啟動過程中,調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角,可以控制直流電壓由低到高逐漸變化,減少沖擊電流,實現(xiàn)軟啟動。120 kVA以上電源整流電路分為獨立的兩組,通過增配移相變壓器,即可實現(xiàn)12脈波整流。

直一交逆變部分采用單相全橋結構,是本電源的核心。逆變器選用IGBT作為開關器件。利用IGBT開關頻率較高的優(yōu)點,采用正弦脈寬調(diào)制方式(sPWM) 對逆變器進行控制,將平穩(wěn)直流變換為脈寬調(diào)制輸出的交流,輸出SPWM波幅值恒定,寬度按正弦規(guī)律變化,該交流基波頻率為所需要的電源輸出頻率。逆變器輸出的脈寬凋制波經(jīng)LC濾波電路濾波后,得到純正的正弦波交流電。

SPWM波控制采用二重化方式,即同一橋臂上下兩只IGBT器件為互補通斷,對角器件不同時通斷,產(chǎn)生兩路控制信號的調(diào)制波相位相同,但載波相位相差180°,因此,在相同開關頻率下,等效調(diào)制比增加一倍,可有效改善輸出波形。
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為提高對不平衡負載的適應能力,電源主電路按照3套獨立的單相電源進行設計,直一交逆變部分具有3套完全相同的單相逆變器,它們共用一條直流母線,輸出互差120°,在變壓器副邊接成星形,輸出所要求的三相交流電與主電路相適應,本項目電源控制器針對單相電源設計,電壓波形控制采用帶濾波電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制方案,電壓有效值控制采用PI調(diào)節(jié)器方案,控制系統(tǒng)具有3套獨立的調(diào)節(jié)器分別控制三相電壓,從而提高帶不平衡負載的能力。為提高電源輸出控制的快速性、抗干擾能力和可靠性,波形控制采用模擬電路實現(xiàn),有效值控制和電源監(jiān)控采用智能數(shù)字電路實現(xiàn)。數(shù)字電路以16位單片機為核心組成,通過模擬量和開關量接口電路對電源的運行參數(shù)、工作狀態(tài)、故障狀態(tài)和單元模塊的狀態(tài)進行智能監(jiān)測,監(jiān)測信息和監(jiān)控參數(shù)通過LCD中文顯示屏顯示和輸入。同時,還設有通用的計算機通訊接口,以便通過計算機對電源進行遠程監(jiān)控。

2 高性能控制器設計

飛機供電電源遠比普通電源要求高,按照國家軍用標準要求,除常規(guī)參數(shù)外,還要對波形質(zhì)量、電壓調(diào)制、動態(tài)特性等進行嚴格考核。新型機載電子任務系統(tǒng)功率大、負載特性通常為非線形的使用特點,更增加了保證良好供電指標的難度。上述問題的解決完全取決于電源控制器的性能。

逆變電源波形的控制方法有多種,比如諧波補償控制、無差拍控制、重復控制、瞬時值反饋控制等。和其他控制方法相比,瞬時值反饋控制具有控制思想簡單明了,控制結構簡單,容易實現(xiàn),魯棒性強,控制效果好等獨特的優(yōu)點,是近年來逆變電源控制方法研究的熱點?,F(xiàn)有的瞬時值反饋控制方法有3種,即單一的電壓瞬時值控制、帶濾波電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制、帶濾波電容電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制。單一的電壓瞬時值反饋控制雖然結構簡單,但空載時系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。帶濾波電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制方法由于存在濾波電感電流內(nèi)環(huán),使系統(tǒng)具有自動截流保護功能,但負載變化時系統(tǒng)的動態(tài)響應特性較差。帶濾波電容電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時值反饋控制方法使系統(tǒng)的動態(tài)響應特性大大提高,但系統(tǒng)沒有自動截流保護的功能

本項目在設計逆變電源的控制器時,采用一種帶有輸出電壓有效值控制及負載電流前饋控制的雙環(huán)反饋控制方案,對輸出電壓的幅值、頻率、波形進行精確控制。

電壓有效值環(huán)是外環(huán),它檢測輸出電壓有效值,通過PI調(diào)節(jié)器,對輸出電壓的有效值進行控制,使輸出電壓與設定電壓一致。

波形環(huán)位于電壓有效值環(huán)之內(nèi),用來對輸出電壓的波形進行實時控制,確保輸出電壓跟蹤正弦波參考電壓。波形環(huán)采用帶負載電流前饋控制的電流控制環(huán)。它同時檢測濾波電感電流和負載電流,控制濾波電感電流實時地跟蹤電感電流指令,使電感電流被限制在限幅值所對應的電流之內(nèi),因此,濾波電感電流內(nèi)環(huán)使系統(tǒng)具有自動的截流保護功能,提高電源抵抗沖擊負載的能力。同時,負載電流前饋的引入,可使系統(tǒng)對負載的變化有及時的調(diào)節(jié)能力,使系統(tǒng)的動態(tài)響應特性大大提高

對于有輸出變壓器的系統(tǒng),電流控制內(nèi)環(huán)將變?yōu)樽儔浩髟呺娏骺刂骗h(huán),此時電流反饋量將是變壓器的原邊電流,快速的電流內(nèi)環(huán)使變壓器的原邊電流受到實時控制,有利于防止變壓器的偏磁飽和。電感電流內(nèi)環(huán)的采用還使單元間并聯(lián)時的均流控制容易實現(xiàn)。
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3 大容量功率變換電路的實現(xiàn)

本項目電源為適應新型電子任務系統(tǒng)供電需要,最大規(guī)格容量180 kVA,額定輸出電流520A,過載電流696A。若采用單組橋式變換,逆變橋峰值電流過載狀態(tài)下為574 A,IGBT的電流至少應在600A以上。目前,市場上可方便購買的器件大多在600A以下,超過600A的器件即使能買到,不僅價格昂貴,而且周期和渠道均無法保證,將給后期生產(chǎn)、服務造成很大問題。因此,現(xiàn)實的方法是立足通用器件提供解決方案。

采用小電流器件實現(xiàn)大容量裝置的功率變換,有兩種方案。一是采用IGBT并聯(lián),在目前技術條件下,IGBT并聯(lián),不論是并聯(lián)技術本身,還是并聯(lián)后裝置的可靠性、可維修性等,都存在很多問題。二是采用IGBT單模塊組成較小功率的變換器單元,通過單元的串聯(lián)或并聯(lián)擴大容量,實現(xiàn)大功率變換。該方案IGBT的規(guī)格和數(shù)量均與前者相同,但由于變換器單元功率較小,技術和工藝成熟,可靠性高,單元之間可以互換。因此,在成本差別不大的情況下,裝置整體的工藝性、可靠性和維修性均大大提高,成為目前.IGBT大容量裝置的首選。

裝置串聯(lián)或并聯(lián)需要解決的核心問題是控制,目前,串聯(lián)多采用移相多重化PWM技術,對多單元進行集中控制;并聯(lián)則采用各單元獨立控制,但必須有可靠的均流措施,技術難度比較大。

本項目采用逆變電源輸出直接并聯(lián)的擴容技術。各功率單元的控制器采用雙環(huán)控制,波形控制內(nèi)環(huán)采用帶負載電流前饋控制的電感電流控制方式,不但實現(xiàn)了電源輸出的截流控制,而且使單元間并聯(lián)時的均流控制變得容易。并聯(lián)均流控制采用主從式運行模式,一個單元為主,其余單元為從,主單元按電壓模式運行,對裝置輸出電壓的幅值、頻率、相位及波形進行控制,并產(chǎn)生電感電流指令。從單元按電流模式運行,對系統(tǒng)的輸出電壓不進行控制,只是完成分擔負載電流的任務。所有從單元的給定均為主單元產(chǎn)生的電感電流指令,只要各單元的電感電流控制內(nèi)環(huán)增益一致,均流精度就可得到保證。從而實現(xiàn)整個裝置的大容量功率變換。

采用功率單元并聯(lián)技術,不但可使較小功率IGBT模塊輸出較大的功率,而且可提高并聯(lián)輸出的等效開關頻率,實現(xiàn)多重化控制,改善輸出性能,降低開關器件的損耗。由于并聯(lián)的功率單元完全相同,可以互換,因此,便于標準化生產(chǎn)和運行維護。

4 產(chǎn)品研制和應用情況

按照軍工產(chǎn)品定型的程序,本項目研制出60kVA、90kVA、150kVA產(chǎn)品樣機各1臺,先后在中航一集團601和611飛機設計研究所電氣試驗室通過了性能試驗,在空軍兩個場站與重點型號飛機進行了對接試驗和試用,運行狀況良好

5 結語

該系列電源性能測試和部隊現(xiàn)場試用結果均表明,樣機完全滿足研制總要求和戰(zhàn)技指標,可以高質(zhì)量為空軍現(xiàn)役和在研各型飛機提供地面供電保障。系列產(chǎn)品具備在部隊推廣使用的條件。
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