陸軍武器裝備供電系統(tǒng)設計的先進理念及技術探討

王 鑫，徐博寧，高 英，余繼良

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

武器裝備供電系統(tǒng)是武器裝備的重要組成部分之一，是戰(zhàn)場的能量之源。現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器信息化、快速響應能力等的發(fā)展趨勢，以及新概念武器應用于現(xiàn)代戰(zhàn)場，對武器裝備在戰(zhàn)場中的殺傷力和生存能力提出更高的要求。為了適應現(xiàn)代戰(zhàn)場的需求，武器裝備的組成日趨復雜，這就對供電系統(tǒng)提出了更高的要求。作者根據(jù)工作經(jīng)驗以及認真分析總結出陸軍武器裝備供電系統(tǒng)設計的一些先進的理念以及相關技術，在此進行探討。

1 供電系統(tǒng)的先進設計理念

經(jīng)分析陸軍武器裝備供電系統(tǒng)的供電特性實質為直流供電特性。因此，圍繞這一供電特性將引起供電系統(tǒng)組件設計概念的變革，這些變革的基本內容包括驅動供電系統(tǒng)的原動機不必穩(wěn)速運轉，只要滿足在預定的轉速范圍內，使發(fā)電裝置能實現(xiàn)有效值穩(wěn)定的電能輸出即可。為使組成供電系統(tǒng)的組件結構更加合理，本文作者據(jù)研發(fā)供電系統(tǒng)的經(jīng)驗，提出以下設計概念：

1)混合激磁雙電壓交流發(fā)電機概念。

2)補償式電源變換器概念。

3)供電系統(tǒng)的數(shù)字化概念。

4)模塊電源的串并聯(lián)概念。

5)采用軟開關技術的開關電源概念。

其中混合激磁雙電壓交流發(fā)電機和補償式電源變換器是我們自行研發(fā)的先進技術成果。發(fā)電機的雙電壓輸出方式是適應復雜武器裝備的一種供電體制，因為在武器裝備中，不同的設備需求不同的電壓等級電能，雙電壓供電體制為合理配置電源變換器，提高能量流傳輸效率提供了條件；補償式電源變換器是一種從發(fā)電機到負載設備間合理配置能量流的變換器，可實現(xiàn)電源變換器能量密度高，效費比高的目的[1]。

混合激磁雙電壓交流發(fā)電機與補償式電源變換器已在多個型號武器裝備上成功配套使用的技術。

2 供電系統(tǒng)先進技術

2.1 混合勵磁雙電壓發(fā)電技術

中頻交流發(fā)電機在武器裝備供電系統(tǒng)中得到廣泛的應用，其優(yōu)勢在于發(fā)電機的轉速可以提高，從而提高發(fā)電機的功率密度，即降低發(fā)電機單位輸出功率所需的質量[2]。采用混合勵磁雙電壓發(fā)電技術后，該種發(fā)電機應用于武器裝備供電系統(tǒng)具有更加明顯的優(yōu)勢。

混合激磁雙電壓同步發(fā)電機的基本結構為：

1)以稀土永磁材料構成發(fā)電機的基本激磁結構。

2)以電流激磁方式構成發(fā)電機的輔助激磁結構，通過調節(jié)發(fā)電機的激磁電流可為發(fā)電機配置電壓調節(jié)器[3]。

3)雙電壓輸出指：發(fā)電機在同一電樞結構內配置兩套繞組，其中一套繞組輸出低電壓，經(jīng)電源變換后為直流28 V供電裝置饋電，另一套繞組輸出高電壓，經(jīng)電源變換后為武器裝備的伺服系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)等使用較高電壓的設備供電。

該種發(fā)電機因激磁系統(tǒng)設計合理，發(fā)電機溫升低，功率密度高，發(fā)電機能配置電壓調節(jié)器，能保障輸出電壓的穩(wěn)壓精度，再由于該發(fā)電機為雙電壓輸出，為簡化電源變換器創(chuàng)造了有利條件。另外，由于發(fā)電機的基本激磁結構為稀土永磁結構，能有效降低發(fā)電機輸出繞組的輸出電抗值，從而提高了發(fā)電機的過電流輸出能力。

2.1.1 發(fā)電機激磁系統(tǒng)設計

發(fā)電機激磁系統(tǒng)設計原則是：當發(fā)電機由穩(wěn)定轉速的原動機驅動時，稀土永磁的激磁結構使發(fā)電機能夠輸出額定電壓，電流激磁部分磁通鏈僅占很小的比重，用來彌補因發(fā)電機負載電流變化引起的電壓波動值。當發(fā)電機的驅動原動機轉速在較大范圍內變化時，例如，用武器裝備的車輛發(fā)動機驅動供電系統(tǒng)發(fā)電機時，轉速需要在較大范圍內變化，則應適當增大電流激磁結構磁通鏈的比例，并且電壓調節(jié)器自然輸出的激磁電流為雙極性的，即當發(fā)電機的轉速低于額定轉速時，稀土永磁激磁結構與電流激磁結構形成的磁通鏈疊加，形成助磁效應；當發(fā)電機的轉速高于額定轉速時，電流激磁部分對稀土永磁部分形成袪磁效應。上述激磁結構設計原則提高了武器裝備供電系統(tǒng)的可靠性，因為即使電壓調節(jié)器發(fā)生故障，只要保障發(fā)電機在額定轉速鄰近工作，則供電系統(tǒng)在降低輸出功率的情況下，可繼續(xù)向系統(tǒng)供電[4]。

2.1.2 發(fā)電機轉速選擇

由于中頻發(fā)電機頻率高，相對工頻發(fā)電機轉速選擇范圍較大，可選擇3 000、4 800、6 000 r/min三個等級的轉速。

2.1.3 發(fā)電機電壓選擇

中頻混合激磁雙電壓同步發(fā)電機的高壓輸出部分按三相四線制，線電壓220 V；發(fā)電機低壓輸出部分按三相四線制，線電壓63 V。

由于發(fā)電機的低壓輸出部分通常經(jīng)電源變換器后形成與蓄電池并網(wǎng)的直流28 V電源，故發(fā)電機低壓部分的中線允許接武器裝備的殼體。而為安全考慮，發(fā)電機高壓輸出部分的中線應該懸浮，兩條中線按電隔離設計。

2.2 發(fā)電機的驅動裝置說明

發(fā)電機用沖程式柴油發(fā)動機驅動，為與發(fā)電機轉速匹配應在柴油發(fā)動機輸出軸與發(fā)電機輸入軸間設置增速傳動箱，增速箱的輸入軸側應配置電磁離合器或聯(lián)軸器。

2.3 補償式電源變換技術

筆者前面已對雙電壓交流發(fā)電機用于武器裝備中的合理性作了說明，該種發(fā)電機的優(yōu)點在于用發(fā)電機的低壓輸出繞組經(jīng)電源變換器向直流28 V供電體制饋電，而發(fā)電機的高壓輸出繞組則經(jīng)電源變換器向負載設備中需求較高電壓的設備饋電。能量流向由高電壓向低電壓方向流動，電源變換器能量轉換效率高。

筆者推薦應用一種補償式電源變換器方案，該種方案應用于首臺輸出功率10 kW，輸出電壓為直流28 V，質量40 kg的電源變換器中，成功與自行武器配套。隨后又研制成功不同功率不同電壓等級的補償式電源變換器。

補償式電源變換器將被轉換的電能分為兩個通道傳遞，其基礎能量部分由發(fā)電機輸出電壓或發(fā)電機輸出電壓經(jīng)變壓器后直接整流形成，而能量流的可控制部分通過一個幅值可調節(jié)的通道調節(jié)后，經(jīng)整流后與基礎能量部分串聯(lián)形成電源變換器的輸出電壓。以下如圖1所示，說明補償式電源變換器的工作原理，發(fā)電機向兩臺電源變換器供電，實現(xiàn)兩種規(guī)格的電能轉換。在實際工程設計中，電源變換器的品種將由負載設備的需求確定。

補償式電源變換器不是全功率電壓調節(jié)功率變換器，其基礎能量流占總傳遞能量的70%以上，由發(fā)電機輸出端或發(fā)電機輸出端經(jīng)變壓器簡單整流形成，而輔助能量流則通過電壓調節(jié)器及調節(jié)元件實現(xiàn)保障整個電源變換器輸出電壓的精度調節(jié)，因而實現(xiàn)了用調節(jié)部分能量流的方法，保障全部能量流精度的目的。因而不僅提高了電源變換器的效率，而且降低了造價，是用于武器裝備供電系統(tǒng)的合理電源變換器。

2.4 數(shù)字化技術

傳統(tǒng)的電源多是采用模擬控制方式，但是模擬電路設計復雜，靈活度不夠，不便于調試，產(chǎn)品的一致性較差。軍用電站系統(tǒng)的數(shù)字化就是用數(shù)字控制器代替原模擬控制器，數(shù)字控制芯片可選技術成熟可靠的DSP芯片，數(shù)字化后的電源系統(tǒng)具備以下特點：

1)有效克服了原模擬電路溫漂、畸變等帶來的信號失真。

2)高集成度，實現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化, 將大量的分立式元器件整合到一個芯片或一組芯片中，減小了體積，并有效減低了大量分立器件導致的雜散電感，從而降低了雜散信號干擾。

3)實現(xiàn)控制器硬件統(tǒng)一，不同的電源變換器，無論輸出交流還是直流，單相輸出還是多相輸出，不同的功率等級，都可以用同一控制器實現(xiàn)，無需改動控制器硬件，只需改動算法就可實現(xiàn)，從而縮短了開發(fā)周期和成本。

4)高技術指標。能充分發(fā)揮數(shù)字信號處理器及微控制器的優(yōu)勢, 使所設計的數(shù)字電源達到高技術指標。例如, 其脈寬調制(PWM)分辨力可達150ps的水平, 這是傳統(tǒng)電源望塵莫及的。

2.5 模塊化串并聯(lián)技術

軍用電站中的直流電源工作在低壓大電流或高壓小電流狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下受構成電源模塊的半導體功率器件，磁性材料等自身性能的影響，單個電源模塊的最大輸出功率有限，實際應用中往往需要用若干臺直流電源串、并聯(lián)運行，以滿足負載的要求。分布式直流電源供電相對于集中式供電更具優(yōu)勢：這樣每個變換器只處理較小功率，降低了電流應力，因此可將開關電源的開關頻率提高到兆赫級，從而提高電源功率密度使系統(tǒng)體積、重量進一步減小，更便于集成。

2.6 軟開關技術

在傳統(tǒng)直流電源的變換中，開關器件多處于硬開關方式，這種開關過程中電壓、電流均不為0，出現(xiàn)了重疊，如圖2所示，因此導致了開關損耗，這部分損耗會使開關器件發(fā)熱，另外過大的開關損耗會限制了開關頻率的提高，變壓器體積比較大，而且在功率器件關斷時，由于分布電感的存在，開關器件承受較大的應力，再次，在全橋電路中易產(chǎn)生同一個橋臂上的兩個功率管同時導通的現(xiàn)象?？傊?，在硬開關過程中會產(chǎn)生較大的開關損耗和開關噪聲。開關損耗隨開關頻率的提高而增加，使電路效率下降，阻礙了開關頻率的提高；開關噪聲給電路帶來嚴重的電磁干擾問題，影響周邊電子設備的正常工作。

軟開關技術，即實現(xiàn)開關管的零電壓零電流開通和關斷，減小開關管在開關損耗。移相全橋零電壓變換電路具有開關損耗小，開關噪聲小等一系列優(yōu)點，并且目前已經(jīng)應用，軍用電站中的低壓大功率直流電源可采用該變換電路，開展大功率開關電源軟開關技術研究對提高軍用電站電源變換部分的功率密度，解決散熱問題，提高電源變換效率和系統(tǒng)可靠性具有重大意義[5]。

3 結束語

隨著科學技術的不斷發(fā)展，武器裝備供電系統(tǒng)的設計在不同的階段有不同的設計理念，其目的都是為了在工業(yè)基礎提供的條件下，使工程化設計更合理，降本增效、推陳出新。本文僅就現(xiàn)階段的發(fā)展做一探討，后續(xù)發(fā)展將會繼續(xù)關注和研究。

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