摘要：詳細介紹了60 kVA～1 80 kVA系列大容量航空地面靜變電源的研制過程。經(jīng)過論證．功率變換部分采用三相半控整流、三組單相全橋逆變器加單相變壓器的總體方案，實現(xiàn)了對輸入側(cè)電網(wǎng)的軟起動和三相輸出的完全解耦；控制部分采用了帶電感電流的輸出電壓瞬時值雙閉環(huán)控制方案，3個調(diào)節(jié)器分別控制三相輸出，提高了波形質(zhì)量、動態(tài)響應速度以及帶不平衡負載的能力；該系列采用輸出直接并聯(lián)的模式實現(xiàn)了擴容。樣機檢驗結(jié)果完全滿足設計要求，已完成了飛機對接試驗并在多個機場試用，運行情況良好。
關鍵詞：航空靜變電源；瞬時值控制；并聯(lián)；均流
0 引言
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(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(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(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。現(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?？刂破鹘Y(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，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。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。
樣機主要技術指標如下：
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)；
恢復時間<O．05 s；
相位 120°±2°(1／3不平衡負載)；
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。
