如何研制大容量航空地面靜止變頻電源
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
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，波形控制采用模擬電路實現(xiàn)，有效值控制和電源監(jiān)控采用智能數(shù)字電路實現(xiàn)。數(shù)字電路以16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。
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)。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，
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