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(wèn)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(lái),，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(lái)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(wèn)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(wèn)題,，可靠性、維修性問(wèn)題,，技術(shù)先進(jìn)性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)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。

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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(lái)逆變電源控制方法研究的熱點(diǎn)。現(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(méi)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(guò)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(lái)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)。

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(guò)載電流696A。若采用單組橋式變換,，逆變橋峰值電流過(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)題。二是采用IGBT單模塊組成較小功率的變換器單元,，通過(guò)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(wèn)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(guò)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,。