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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(shí)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(shù)總方案
  • 對(duì)高性能控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)
  • 實(shí)現(xiàn)出大容量功率變換電路

采用新型電力電子技術(shù)的航空地面靜止變頻電源(以下簡(jiǎn)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(wú)排放的特點(diǎn),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(jìn)入航空領(lǐng)域保障飛機(jī)供電和起動(dòng)已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。

近年來,國(guó)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(jī)和機(jī)載電子任務(wù)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(duì)大容量電子任務(wù)系統(tǒng)負(fù)載的適應(yīng)性問題,可靠性、維修性問題,技術(shù)先進(jìn)性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題等。目前尚無(wú)一種同類產(chǎn)品按照軍工產(chǎn)品科研程序定型列裝的,無(wú)法適應(yīng)新型飛機(jī)對(duì)地面保障質(zhì)量的要求,這使靜變電源在國(guó)防建設(shè)中的推廣應(yīng)用受到制約。

根據(jù)部隊(duì)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(jìn)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(diǎn)解決總體方案、高性能控制器和大容量功率變換實(shí)現(xiàn)等問題,形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),嚴(yán)格按照軍工產(chǎn)品要求定型,使靜變電源成為符合部隊(duì)使用要求的好裝備。

1 技術(shù)方案的確定

電源總體方案根據(jù)國(guó)內(nèi)外靜變電源的技術(shù)發(fā)展水平,采用成熟可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)、立足國(guó)內(nèi)的原則確定。電源總體方案簡(jiǎn)述如下。

主電路采用交一直一交結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),啟動(dòng)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?zèng)_擊電流,實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。120 kVA以上電源整流電路分為獨(dú)立的兩組,通過增配移相變壓器,即可實(shí)現(xiàn)12脈波整流。

直一交逆變部分采用單相全橋結(jié)構(gòu),是本電源的核心。逆變器選用IGBT作為開關(guān)器件。利用IGBT開關(guān)頻率較高的優(yōu)點(diǎn),采用正弦脈寬調(diào)制方式(sPWM) 對(duì)逆變器進(jìn)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(bǔ)通斷,對(duì)角器件不同時(shí)通斷,產(chǎn)生兩路控制信號(hào)的調(diào)制波相位相同,但載波相位相差180°,因此,在相同開關(guān)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(duì)不平衡負(fù)載的適應(yīng)能力,電源主電路按照3套獨(dú)立的單相電源進(jìn)行設(shè)計(jì),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(yīng),本項(xiàng)目電源控制器針對(duì)單相電源設(shè)計(jì),電壓波形控制采用帶濾波電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)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(dú)立的調(diào)節(jié)器分別控制三相電壓,從而提高帶不平衡負(fù)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(shí)現(xiàn),有效值控制和電源監(jiān)控采用智能數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。數(shù)字電路以16位單片機(jī)為核心組成,通過模擬量和開關(guān)量接口電路對(duì)電源的運(yùn)行參數(shù)、工作狀態(tài)、故障狀態(tài)和單元模塊的狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)信息和監(jiān)控參數(shù)通過LCD中文顯示屏顯示和輸入。同時(shí),還設(shè)有通用的計(jì)算機(jī)通訊接口,以便通過計(jì)算機(jī)對(duì)電源進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 高性能控制器設(shè)計(jì)

飛機(jī)供電電源遠(yuǎn)比普通電源要求高,按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)要求,除常規(guī)參數(shù)外,還要對(duì)波形質(zhì)量、電壓調(diào)制、動(dòng)態(tài)特性等進(jìn)行嚴(yán)格考核。新型機(jī)載電子任務(wù)系統(tǒng)功率大、負(fù)載特性通常為非線形的使用特點(diǎn),更增加了保證良好供電指標(biāo)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(bǔ)償控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制、瞬時(shí)值反饋控制等。和其他控制方法相比,瞬時(shí)值反饋控制具有控制思想簡(jiǎn)單明了,控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),魯棒性強(qiáng),控制效果好等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),是近年來逆變電源控制方法研究的熱點(diǎn)?,F(xiàn)有的瞬時(shí)值反饋控制方法有3種,即單一的電壓瞬時(shí)值控制、帶濾波電感電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制、帶濾波電容電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制。單一的電壓瞬時(shí)值反饋控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但空載時(shí)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(shí)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(dòng)截流保護(hù)功能,但負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較差。帶濾波電容電流內(nèi)環(huán)的電壓瞬時(shí)值反饋控制方法使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性大大提高,但系統(tǒng)沒有自動(dòng)截流保護(hù)的功能

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)逆變電源的控制器時(shí),采用一種帶有輸出電壓有效值控制及負(fù)載電流前饋控制的雙環(huán)反饋控制方案,對(duì)輸出電壓的幅值、頻率、波形進(jìn)行精確控制。

電壓有效值環(huán)是外環(huán),它檢測(cè)輸出電壓有效值,通過PI調(diào)節(jié)器,對(duì)輸出電壓的有效值進(jìn)行控制,使輸出電壓與設(shè)定電壓一致。

波形環(huán)位于電壓有效值環(huán)之內(nèi),用來對(duì)輸出電壓的波形進(jìn)行實(shí)時(shí)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(fù)載電流前饋控制的電流控制環(huán)。它同時(shí)檢測(cè)濾波電感電流和負(fù)載電流,控制濾波電感電流實(shí)時(shí)地跟蹤電感電流指令,使電感電流被限制在限幅值所對(duì)應(yīng)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(dòng)的截流保護(hù)功能,提高電源抵抗沖擊負(fù)載的能力。同時(shí),負(fù)載電流前饋的引入,可使系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的變化有及時(shí)的調(diào)節(jié)能力,使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性大大提高

對(duì)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(shí)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(shí)時(shí)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(shí)的均流控制容易實(shí)現(xiàn)。
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3 大容量功率變換電路的實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目電源為適應(yīng)新型電子任務(wù)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(yīng)在600A以上。目前,市場(chǎng)上可方便購(gòu)買的器件大多在600A以下,超過600A的器件即使能買到,不僅價(jià)格昂貴,而且周期和渠道均無(wú)法保證,將給后期生產(chǎn)、服務(wù)造成很大問題。因此,現(xiàn)實(shí)的方法是立足通用器件提供解決方案。

采用小電流器件實(shí)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(shù)條件下,IGBT并聯(lián),不論是并聯(lián)技術(shù)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(kuò)大容量,實(shí)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(shù)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(shù),對(duì)多單元進(jìn)行集中控制;并聯(lián)則采用各單元獨(dú)立控制,但必須有可靠的均流措施,技術(shù)難度比較大。

本項(xiàng)目采用逆變電源輸出直接并聯(lián)的擴(kuò)容技術(shù)。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(fù)載電流前饋控制的電感電流控制方式,不但實(shí)現(xiàn)了電源輸出的截流控制,而且使單元間并聯(lián)時(shí)的均流控制變得容易。并聯(lián)均流控制采用主從式運(yùn)行模式,一個(gè)單元為主,其余單元為從,主單元按電壓模式運(yùn)行,對(duì)裝置輸出電壓的幅值、頻率、相位及波形進(jìn)行控制,并產(chǎn)生電感電流指令。從單元按電流模式運(yùn)行,對(duì)系統(tǒng)的輸出電壓不進(jìn)行控制,只是完成分擔(dān)負(fù)載電流的任務(wù)。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(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的大容量功率變換。

采用功率單元并聯(lián)技術(shù),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(guān)頻率,實(shí)現(xiàn)多重化控制,改善輸出性能,降低開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和運(yùn)行維護(hù)。

4 產(chǎn)品研制和應(yīng)用情況

按照軍工產(chǎn)品定型的程序,本項(xiàng)目研制出60kVA、90kVA、150kVA產(chǎn)品樣機(jī)各1臺(tái),先后在中航一集團(tuán)601和611飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所電氣試驗(yàn)室通過了性能試驗(yàn),在空軍兩個(gè)場(chǎng)站與重點(diǎn)型號(hào)飛機(jī)進(jìn)行了對(duì)接試驗(yàn)和試用,運(yùn)行狀況良好

5 結(jié)語(yǔ)

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