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:

• 確定電源技術總方案
• 對高性能控制器進行設計
• 實現(xiàn)出大容量功率變換電路

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(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系統(tǒng)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(chǎn)權問題等,。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中的推廣應用受到制約,。

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,，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)外靜變電源的技術發(fā)展水平,，采用成熟可靠、適應性強,、技術先進,、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(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構，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(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(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(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構簡單，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)

本項目電源為適應新型電子任務系統(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),，在目前技術條件下,，IGBT并聯(lián)，不論是并聯(lián)技術本身,，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，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,。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,。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，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)輸出的等效開關頻率,，實現(xiàn)多重化控制，改善輸出性能,，降低開關器件的損耗,。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

5 結語

該系列電源性能測試和部隊現(xiàn)場試用結果均表明，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。