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    大容量航空地面靜止變頻電源研制

    2007-04-27 電源技術應用

    摘要:詳細介紹了60 kVA~1 80 kVA系列大容量航空地面靜變電源的研制過程。經過論證.功率變換部分采用三相半控整流、三組單相全橋逆變器加單相變壓器的總體方案,實現了對輸入側電網的軟起動和三相輸出的完全解耦;控制部分采用了帶電感電流的輸出電壓瞬時值雙閉環控制方案,3個調節器分別控制三相輸出,提高了波形質量、動態響應速度以及帶不平衡負載的能力;該系列采用輸出直接并聯的模式實現了擴容。樣機檢驗結果完全滿足設計要求,已完成了飛機對接試驗并在多個機場試用,運行情況良好。
    關鍵詞:航空靜變電源;瞬時值控制;并聯;均流

    0 引言
        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境污染問題,極大地提高了航空地面電源保障的質量,進入航空領域保障飛機供電和起動已成為必然的發展趨勢。

        近年來,國內的一些企業相繼開發出靜變電源產品,但隨著新型飛機和機載電子任務系統越來越多地投入使用,這些產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權問題等。目前尚無一種同類產品按照軍工產品科研程序定型列裝的,無法適應新型飛機對地面保障質量的要求,這使靜變電源在國防建設中的推廣應用受到制約。

        根據部隊使用需要和產品現存問題,我們按照軍工產品科研程序進行系列靜變電源產品的研制,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等問題,形成自主知識產權,嚴格按照軍工產品要求定型,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
       
    電源總體方案根據國內外靜變電源的技術發展水平,采用成熟可靠、適應性強、技術先進、立足國內的原則確定。電源總體方案示意圖如圖1所示,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交流市電經橋式整流、平波電抗器、電解電容濾波后變為平穩直流。橋式整流電路為半控結構,啟動過程中,調節晶閘管的觸發角,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開關頻率較高的優點,采用正弦脈寬調制方式(sPWM)對逆變器進行控制,將平穩直流變換為脈寬調制輸出的交流,輸出SPWM波幅值恒定,寬度按正弦規律變化,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,產生兩路控制信號的調制波相位相同,但載波相位相差180°,因此,在相同開關頻率下,等效調制比增加一倍,可有效改善輸出波形。

        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環的電壓瞬時值反饋控制方案,電壓有效值控制采用PI調節器方案,控制系統具有3套獨立的調節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,有效值控制和電源監控采用智能數字電路實現。數字電路以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、工作狀態、故障狀態和單元模塊的狀態進行智能監測,監測信息和監控參數通過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,除常規參數外,還要對波形質量、電壓調制、動態特性等進行嚴格考核。新型機載電子任務系統功率大、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,魯棒性強,控制效果好等獨特的優點,是近年來逆變電源控制方法研究的熱點。現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、帶濾波電感電流內環的電壓瞬時值反饋控制、帶濾波電容電流內環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,但空載時系統的穩定性差。帶濾波電感電流內環的電壓瞬時值反饋控制方法由于存在濾波電感電流內環,使系統具有自動截流保護功能,但負載變化時系統的動態響應特性較差。帶濾波電容電流內環的電壓瞬時值反饋控制方法使系統的動態響應特性大大提高,但系統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反饋控制方案,對輸出電壓的幅值、頻率、波形進行精確控制。控制器結構如圖2所示。

        電壓有效值環是外環,它檢測輸出電壓有效值,通過PI調節器,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。

        波形環位于電壓有效值環之內,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。波形環采用帶負載電流前饋控制的電流控制環。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,因此,濾波電感電流內環使系統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,可使系統對負載的變化有及時的調節能力,使系統的動態響應特性大大提高。

        對于有輸出變壓器的系統,電流控制內環將變為變壓器原邊電流控制環,此時電流反饋量將是變壓器的原邊電流,快速的電流內環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。電感電流內環的采用還使單元間并聯時的均流控制容易實現。


    3 大容量功率變換電路的實現

        本項目電源為適應新型電子任務系統供電需要,最大規格容量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、服務造成很大問題。因此,現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大容量裝置的功率變換,有兩種方案。一是采用IGBT并聯,在目前技術條件下,IGBT并聯,不論是并聯技術本身,還是并聯后裝置的可靠性、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,通過單元的串聯或并聯擴大容量,實現大功率變換。該方案IGBT的規格和數量均與前者相同,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。

        裝置串聯或并聯需要解決的核心問題是控制,目前,串聯多采用移相多重化PWM技術,對多單元進行集中控制;并聯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的擴容技術,系統結構如圖3所示。各功率單元的控制器采用雙環控制,波形控制內環采用帶負載電流前饋控制的電感電流控制方式,不但實現了電源輸出的截流控制,而且使單元間并聯時的均流控制變得容易。并聯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,并產生電感電流指令。從單元按電流模式運行,對系統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生的電感電流指令,只要各單元的電感電流控制內環增益一致,均流精度就可得到保證。從而實現整個裝置的大容量功率變換。

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


    4 產品研制和應用情況
       
    按照軍工產品定型的程序,本項目研制出60kVA、90kVA、150kVA產品樣機各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。

        樣機主要技術指標如下:
        輸入 3相3線、50Hz、380V;
        輸出 3相4線、400Hz、115V/200V;
        穩壓精度±l%;
        穩頻精度±0.0.1%;
        總諧波含量 <2%(線性負載);
        電壓調制量 <3.5V:
        動態電壓超調<10%
        (負載O~100%變化時);
        恢復時間<O.05 s;
        相位 120°±2°(1/3不平衡負載);
        120°±3°(完全不平衡負載)。

        樣機試驗測試過程,輸出電壓波形如圖4所示。其中的突加載波形是經過電壓電流霍爾采樣后的波形。


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




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