0 引言
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(lǐng)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(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。例如對大容量電子任務(wù)系統(tǒng)負載的適應(yīng)性問題,，可靠性,、維修性問題，技術(shù)先進性和自主知識產(chǎn)權(quán)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(yīng)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(shè)中的推廣應(yīng)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(quán),，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(shù)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(shù)發(fā)展水平,，采用成熟可靠,、適應(yīng)性強、技術(shù)先進,、立足國內(nèi)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(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(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,，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(guān)頻率下，等效調(diào)制比增加一倍,，可有效改善輸出波形,。
為提高對不平衡負載的適應(yīng)能力，電源主電路按照3套獨立的單相電源進行設(shè)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(yīng),，本項目電源控制器針對單相電源設(shè)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,，波形控制捎媚Ｄ獾緶肥迪鄭行е悼刂坪偷繚醇囁夭捎彌悄蓯值緶肥迪幀Ｊ值緶芬?6位單片機為核心組成，通過模擬量和開關(guān)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(shè)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(shè)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(wù)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(fù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(shè)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,。控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
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(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(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(yīng)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),。
3 大容量功率變換電路的實現(xiàn)
本項目電源為適應(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(wù)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(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(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(shù)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(shù),，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。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(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(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，便于標準化生產(chǎn)和運行維護,。
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(shè)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(shù)指標如下：
輸入3相3線,、50Hz,、380V；
輸出3相4線,、400Hz,、115V／200V；
穩(wěn)壓精度±l％,；
穩(wěn)頻精度±0．0.1％,；
總諧波含量 <2％(線性負載)；
電壓調(diào)制量 <3.5V：
動態(tài)電壓超調(diào)<10％
(負載O～100％變化時),；
恢復(fù)時間
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(jīng)過電壓電流霍爾采樣后的波形。
5 結(jié)語
該系列電源性能測試和部隊現(xiàn)場試用結(jié)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,。