??? 摘? 要: 航空蓄電池野外充放電車的設(shè)計與研制,采用電子集成化模塊和開關(guān)電源技術(shù),使航空蓄電池野外充放電車的功率大,、體積小、穩(wěn)態(tài)精度高,。通過在航空兵部隊的使用,證明移動式綜合充放電設(shè)備具有重要的經(jīng)濟和軍事效益,。?
??? 關(guān)鍵詞: 電子集成化模塊? 開關(guān)電源技術(shù)? 野外充放電車
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??? 航空蓄電池是航空兵部隊和民航機場飛機的地面啟動,、通電檢查、機載備份化學電源,在航空領(lǐng)域占有十分重要的地位,。為了確保野外作戰(zhàn)機動性和飛行安全并延長蓄電池的壽命,必須有野外充電車作保障,。目前航空蓄電池的種類和型號繁多,蓄電池的充放電設(shè)備大多為固定式的形式。隨著航空裝備和開關(guān)電源技術(shù)的飛速發(fā)展,對充放電設(shè)備的性能,、充電效率,、可靠性和可維修性提出了更高的要求,因此研制新型的充電車是極為重要的。航空蓄電池野外充放電車是根據(jù)國軍標GJB3855-99及航標HB6448的要求,將NKR55GLFAJ型汽車二類底盤強化改裝,以24GF交流工頻發(fā)電機組為供電電源,集12個充電模塊的充電系統(tǒng),、8個放電模塊的放電系統(tǒng)和一個放電電阻箱為一體的移動綜合充放電設(shè)備,。?
1 充放電車的設(shè)計?
1.1充放電車的功能?
??? (1)具有良好的機動性和適應野外作戰(zhàn)能力;?
??? (2)具有自發(fā)電功能;?
??? (3)可對各種酸、堿性航空蓄電池進行智能充放電;?
??? (4)充電設(shè)備具有軟啟動和各種保護功能,。?
1.2 性能指標?
??? (1)發(fā)電機組供電電源為三相四線制,380(1±10%)V/50Hz的線電壓不平衡度不大于5%;?
??? (2)滿足6路酸性蓄電池和4路酸性蓄電池自動充放電,40V≤電壓≤60V,、電流≤20A;?
??? (3)滿足6路堿性蓄電池和4路酸性蓄電池自動充電,20V≤電壓≤60V、電流≤20A;?
??? (4)具有短路,、過流,、過壓、過充電,、過放電和反極性等保護功能,。?
1.3 方案的設(shè)計?
1.3.1 汽車二類底盤的選型?
??? 為了使該車具有良好的改裝性能、可靠性,、動力性和經(jīng)濟性以適應航空兵部隊的要求,采用NKR55GLFAJ型汽車二類底盤,。經(jīng)計算驗證,整車質(zhì)量符合原車改裝要求。?
1.3.2 發(fā)電機組的選型?
??? 發(fā)電機組是充放電裝置的動力源,機組主要由發(fā)動機、發(fā)電機及電氣控制屏等三部分組成,。為了保證發(fā)電功率有一定的裕度,可靠性指標應達到或接近國際同類產(chǎn)品的要求,同時應具有良好的環(huán)境適應能力,決定選用濰坊柴油機有限公司生產(chǎn)的24GF交流工頻發(fā)電機組,。此機組可靠性高(MTBF≥1000h),廣泛適應于民航和軍事領(lǐng)域。?
1.3.3 充電模塊的設(shè)計?
??? 野外充電車的充電系統(tǒng)由12個模塊的充電機組成,充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。充電模塊采用高頻開關(guān)功率變換技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù),充電模塊主電路由整流濾波電路,、高頻開關(guān)功率變換電路和濾波電路組成。高頻開關(guān)功率變換電路拓撲電路形式很多,主要有半橋,、推挽,、全橋和正激等拓撲結(jié)構(gòu)形式。本充電模塊主電路選用了雙正激變換拓撲電路結(jié)構(gòu),其工作脈沖頻率為50Hz;相位相差180°;高頻變壓器選用鐵氧體材料,以減小高頻損耗;變比設(shè)計為5:1;兩套整流輸出電路采取并聯(lián)輸出形式,可提高輸出方波電壓的工作頻率,為開關(guān)管工作頻率的2倍,有利于減小輸出平波電感體積和輸出電流脈動量,提高穩(wěn)流精度,?？紤]到整流輸出電壓高的特點,主開關(guān)管選用了900V的高速IGBT開關(guān)器件,輸出平波電感選用鐵粉芯電感器。?
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1.3.4 放電模塊的設(shè)計?
??? 放電系統(tǒng)由8個放電模塊和一個放電電阻箱組成,放電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示,。配電系統(tǒng)為放電模塊提供單相控制電源,每個模塊可對一組蓄電池進行放電,電流為0～20A任意設(shè)定值,所有的放電模塊輸出均接至放電電阻箱,。?
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2 關(guān)鍵技術(shù)的解決?
2.1充電模塊中控制單元的雙環(huán)控制方式?
??? 控制單元是充電機的核心,其設(shè)計方案直接影響到整機性能。為提高控制精度和動態(tài)響應速度以及進一步提高系統(tǒng)的可靠性,控制單元采取了帶有逐脈沖比較控制的雙閉環(huán)控制方式,其控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,。在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中,外環(huán)的電流控制器采用了PID控制方式,以保證輸出電流的無靜差調(diào)節(jié),。內(nèi)環(huán)的脈沖比較控制器完成將電流控制器的輸出直流信號轉(zhuǎn)換為脈沖寬度信號,并將該脈沖信號送至脈沖分配電路。脈沖分配電路將脈沖比較控制器送來的單路脈沖信號轉(zhuǎn)換為與4支主開關(guān)管相對應的4路脈沖驅(qū)動信號,經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大以驅(qū)動主開關(guān)管,。脈沖分配電路在形成4路脈沖驅(qū)動信號的同時,對最大脈沖占空比進行限制,。由于采用的是正激變換,根據(jù)變壓器伏秒特性要求,最大占空比Dmax應小于50%,本設(shè)計中,Dmax=45%。?
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2.2 自動關(guān)機電路的實現(xiàn)?
??? 在蓄電池充電的后期階段,即當蓄電池達到額定容量時,充電機能自動關(guān)機,以防止蓄電池過充電,。關(guān)機控制電路由系統(tǒng)時鐘,、分頻計時器、A/D變換器,、dv/dt判斷電路,、關(guān)機控制電路、基準電路和關(guān)機執(zhí)行電路組成,。其電路有兩種關(guān)機判斷依據(jù),一種是檢測蓄電池端電壓的dv/dt變化量,另一種是定時關(guān)機,。蓄電池端電壓的dv/dt變化量的檢測是通過對固定時間內(nèi)的兩次A/D采集到的數(shù)據(jù)進行比較獲得,若偏差小于恒定值,即認為蓄電池端電壓的dv/dt變化量不再變化。其目的是檢測蓄電池充電電壓數(shù)值和電壓變化率數(shù)值,確定最佳關(guān)機時機并實施關(guān)機,。?
2.3 系統(tǒng)抗干擾措施?
??? 為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,采取了以下措施:?
??? (1)驅(qū)動電路與IGBT柵射極接線長度應小于1m,而且使用雙絞線,以提高抗干擾能力,。IGBT驅(qū)動電路如圖4所示。?
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??? (2)為防止柵控信號振蕩及減小IGBT集電極電壓尖脈沖,增加IGBT柵極串聯(lián)電阻RG的阻值,。?
??? (3)外接的兩個47μF電容是用來吸收由電源接線阻抗變化引起的電源波動,。?
??? (4)對于外來空間的電磁干擾的抑制,采用了IGBT模塊和接口電路用封閉金屬罩等位屏蔽層接地技術(shù),對共模干擾、電磁或靜電干擾有較強的抑制作用,。?
??? 將開關(guān)電源技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)應用于航空蓄電池野外充放電車設(shè)備中,實驗結(jié)果表明:充放電模塊的魯棒性好,能適應外界條件的變化,有一定的抗干擾能力,。此設(shè)備采用的電源技術(shù)先進,機動保障能力強,具有較高的軍事效益和經(jīng)濟效益。?
參考文獻?
1 張 立. 電力電子場控器件及其應用. 北京:機械工業(yè)出版社,1999?
2 張 岳.飛機電器系統(tǒng)總體設(shè)計.西安:西安空軍工程大學出版社,1996?
3 李 荻.電化學原理.北京:北京航空航天大學出版社,1999?
4 Temple,et al.MOS-Controlled Thyristor Power SwitchPart II:Gate Drive and Applications.PCIM,1993(1)?
5 Temple,et al.MOS-Controlled Thyristor Power Switch-Part?III:Gate Switch Applications and the Future.PCIM,1993(2)