船用靜變式電源裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

景 鵬，楊洪軍

?

船用靜變式電源裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

景 鵬1，楊洪軍2

（1.中國人民解放軍第4328工廠技術(shù)處，山西長治046011；2.艾諾儀器公司，山東濟(jì)南250101）

研制了一款船用靜變電源裝置。產(chǎn)品采用新一代高性能FPGA處理器實現(xiàn)純數(shù)字化控制及十二脈沖整流技術(shù)，在設(shè)計中充分考慮船舶的工作環(huán)境和電磁環(huán)境，重點針對電源進(jìn)行抗損減震、三防防護(hù)和電磁兼容性設(shè)計，具有環(huán)境適應(yīng)性強，波形失真度低，動態(tài)響應(yīng)速度快，輸出電壓穩(wěn)定的特點。

船用靜變電源 十二脈沖整流技術(shù) 抗損減震 三防防護(hù) 電磁兼容

0 引言

靜變電源是隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展而產(chǎn)生的第二代航空供電電源，主要用于機場飛機和機載設(shè)備的啟動和通電檢查，具有高可靠性、高供電品質(zhì)和無污染等特點。其工作原理是利用逆變技術(shù)將50Hz、230／400V輸入電源逆變?yōu)?00Hz、115／200V高品質(zhì)交流電源或變換為28V直流電源供飛機和機載設(shè)備使用[1]。

歐美等西方先進(jìn)國家從上世紀(jì)70年代起，就在航空供電領(lǐng)域開始應(yīng)用靜變電源，目前已達(dá)到廣泛應(yīng)用的階段。國內(nèi)靜變電源的研究和應(yīng)用發(fā)展也取得了不小的進(jìn)步，并且在我軍新裝備機場中得到實際應(yīng)用，能充分保證機場飛機和機載設(shè)備地面通電檢查所需交、直流電源的供電品質(zhì)，取得了十分明顯的效益。

本電源充分考慮船舶的工作環(huán)境和電磁環(huán)境，嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計和研制，采用功能強大、抗干擾能力強的新一代高性能FPGA處理器實現(xiàn)純數(shù)字化控制及十二脈沖整流技術(shù)。重點針對電源為適應(yīng)海洋環(huán)境條件和船舶工作環(huán)境而進(jìn)行減震設(shè)計和三防防護(hù)，具備超寬（-40～+60℃）工作溫度范圍，防護(hù)等級達(dá)IP55，是一款技術(shù)先進(jìn)的船用高端靜變電源。

1 系統(tǒng)功能組成、工作原理及接口要求

1.1 功能組成

船用靜變電源裝置包括直流電源裝置和中頻電源裝置，直流電源裝置提供28.5V直流電源，中頻電源裝置提供3相115V/400Hz電源。直流電源裝置包括直流電源，接口裝置及直流電纜組件（含卷盤）。中頻電源裝置包括中頻電源，接口裝置及中頻電纜組件（含卷盤），具體組成見表1。

1.2 工作原理

船舶主電網(wǎng)的50Hz、380V電力輸入直流電源，經(jīng)過輸入整流濾波、逆變、降壓、再次整流等環(huán)節(jié)后向接口裝置輸出直流電力。主電網(wǎng)的50Hz、380V電力輸入中頻電源，經(jīng)過輸入整流濾波、逆變、降壓等環(huán)節(jié)后向接口裝置輸出中頻電力。最后通過接口裝置向船上用電設(shè)備供電。

1.3 接口要求

船用靜變電源裝置的基本接口關(guān)系示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理

2.1 直流電源設(shè)計原理

主電網(wǎng)的380V/50Hz電力輸入直流電源，通過濾波板、三相輸入電感、濾波電容構(gòu)成π型濾波，通過濾波后得到質(zhì)量較高的正弦波形，經(jīng)移相電抗器將三相輸入分出6相，進(jìn)入輸入整流模塊。通過整流濾波后得到高壓直流電。再經(jīng)過DC/AC模塊輸出PWM脈寬電壓，通過變壓器和輸出整流濾波得到穩(wěn)定直流電壓電壓。通過中央處理器可以控制電源的輸出，以得到所需電壓。按鍵顯示模塊方便用戶操作和使用，通信模塊可實現(xiàn)與船上指揮管理設(shè)施之間的信息交互。其原理框圖如圖2所示。其主電路分為輸入濾波，輸入整流，DC/AC模塊，輸出變壓器，輸出整流、輸出濾波模塊。

2.2 中頻電源設(shè)計原理

主電網(wǎng)的380V/50Hz電力輸入中頻電源，經(jīng)過輸入濾波、十二脈沖整流電路，濾波后得到平滑穩(wěn)定的母線電壓，并可以有效降低整流中的5、7次諧波。再經(jīng)過輸入電感抑制后，源電流諧波含量可控制在8.5%以內(nèi)，輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.96。中頻交流電源逆變部分采用三相H橋方式，經(jīng)過三相一體變壓器輸出，變壓器漏感與輸出濾波電容組合成LC濾波器，將三相SPWM電壓濾波后輸出優(yōu)質(zhì)的正弦電壓。其原理框圖如圖3所示。整機主回路分為輸入濾波，十二脈沖整流，DC/AC模塊，輸出變壓器，輸出濾波五部分。

2.3 控制器設(shè)計原理

電源采用純數(shù)字控制器，模擬器件少，具有高可靠性、穩(wěn)定性。電源主控制采用FPGA實現(xiàn)，應(yīng)用最先進(jìn)的SPWM控制技術(shù)實現(xiàn)?？刂破黜憫?yīng)時間短，控制速度快，在額定功率加減載的情況下，可在10ms內(nèi)完成環(huán)路控制，穩(wěn)定輸出電壓。系統(tǒng)軟件均基于FPGA實現(xiàn)，采用分布式控制方式。FPGA內(nèi)部軟件分為兩部分，即硬核程序和軟核程序。其中軟核程序運行以硬核為基礎(chǔ)實現(xiàn)，軟核主要實現(xiàn)操作控制、設(shè)置、通信、采樣運算、保護(hù)功能等；硬核主要包括時鐘產(chǎn)生、采樣控制、Nios軟核框架、控制器以及各種接口連接等。其整體框架體系如圖4所示。軟核采用的C++的面向?qū)ο蠓椒āＳ埠酥饕捎肰HDL語言編程實現(xiàn)。其中采樣控制、控制器、SPWM波形驅(qū)動均在硬核中完成。通過電壓互感器、電流互感器以及采集電路將電壓電流采集為相應(yīng)數(shù)字量，經(jīng)過數(shù)字控制器輸出合適的SPWM信號，確保輸出電壓穩(wěn)定。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

直流電源與中頻電源采用相同規(guī)格的機箱，外形尺寸完全一致，整體外形如圖5所示。整機結(jié)構(gòu)分為三個部分，分別隔離放置在獨立的腔體內(nèi)，分為前腔體、下腔體、上腔體。

3.1 電源前腔體

前腔主要包括輸入斷路器，輸出接線銅排，輸入濾波板、吸收板、主控板、系統(tǒng)供電電源等。布局如圖6所示。

3.2 電源下腔體和上腔體

下腔體主要包括輸出變壓器、移相電抗器、三相輸入電感、輸出濾波電容。

上腔體為模組部分，包括輸入整流模塊、DC/AC逆變模塊、輸出整流模塊（直流特有）。模組主要由IGBT、整流二極管、電解電容、驅(qū)動板、散熱器等組成。如圖7所示。

4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

本電源在設(shè)計中充分考慮船舶的工作環(huán)境和電磁環(huán)境，重點針對電源為適應(yīng)海洋環(huán)境條件和船舶工作環(huán)境而進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計。

1）環(huán)境溫度適應(yīng)性設(shè)計

a) 所有進(jìn)口電子器件均選用工業(yè)級以上等級器件，國產(chǎn)器件選用軍級以上器件。b) 功率器件設(shè)計容量均有一定余量，在高溫環(huán)境中能夠可靠運行。c) 熱設(shè)計中風(fēng)量選用均采用1.5倍設(shè)計余量以上，可在高溫環(huán)境下可靠工作。

2） 三防設(shè)計

三防是指防潮濕、防鹽霧、防霉菌。產(chǎn)品在設(shè)計制造過程中采用符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的通用的、成熟的三防技術(shù)：a) 設(shè)備中材料、電氣元器件、零件的選用，滿足船用環(huán)境下的三防設(shè)計要求及使用環(huán)境要求。b) 印制板三防采用航天工業(yè)常用的三防漆進(jìn)行三防處理。c) 材料主要選用A3鋼、45#鋼、銅、鋁合金、不銹鋼等，并應(yīng)用噴塑、鈍化、鍍銀等進(jìn)行防腐處理。d) 金屬器件采用底漆、面漆雙層防護(hù)，防止銹蝕。底板采用鋁合金材料設(shè)計，防止積水生銹。

3） 抗沖擊減震設(shè)計

4） 防塵、防雨、防進(jìn)水設(shè)計

5）噪聲兼容性設(shè)計

6）電磁兼容性設(shè)計

5 結(jié)束語

本船用靜變電源裝置面向船舶用電設(shè)備的發(fā)展需求，在滿足其使用要求、安全保障前提下，貫徹通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計原則，嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計和研制。在設(shè)計中充分考慮船舶的工作環(huán)境和電磁環(huán)境，重點針對電源為適應(yīng)海洋環(huán)境條件和船舶工作環(huán)境而進(jìn)行減震設(shè)計、三防防護(hù)以及電磁兼容性設(shè)計。能夠適應(yīng)船舶供電工作環(huán)境，具備即開即用的供電能力，適應(yīng)性高，電力變換效率高，輸出電壓穩(wěn)定，品質(zhì)好，當(dāng)負(fù)載變化時，瞬態(tài)特性幅值小，恢復(fù)快等優(yōu)點，是一款技術(shù)先進(jìn)的船用高端靜變電源，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊秀芹，陳友龍.航空供電保障裝備[M].青島：海軍航空工程學(xué)院青島分院，2008：1-5.

[2] 溫志開.大容量400Hz中頻航空地面電源的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[3] 何陽.400Hz航空地面靜變電源[J].移動電源與車輛，2004,(4)：30-32.

[4] 范紅軍，陳友龍，李勛章.靜變電源在艦船航空供電中的應(yīng)用可行性研究[J].電源技術(shù)，2016：448-450.

[5] 張偉，陳友龍.靜變電源應(yīng)用于船舶等平臺的可行性分析[J].移動電源與車輛，2011,(3)：16-19.

[6] 陳立志，高嵬.船用中頻變流機組感應(yīng)子發(fā)電機模型的研究與應(yīng)用[J].船電技術(shù)，2011,(12)：28-31.

[7] 朱建東，郭強. 飛機400Hz地面靜變電源的研制[J].移動電源與車輛，2011,(1)：11-14.

[8] 李子欣，王平等.采用數(shù)字控制的400Hz大功率逆變電源[J].中國電機工程學(xué)報，2009,(06)：36-42.

Design and Implementation of Marine Static Variable Power Unit

Jing Peng1, Yang Hongjun2

(1. Technology Department, The 4328th Factory, Changzhi 046000, Shanxi, China; 2.Aino Instruments, Jinan 250101, Shandong, China)

TJ631.2

A

1003-4862（2016）11-0036-04

2016-06-15

景鵬（1982-），男，碩士研究生。研究方向：軍械裝備技術(shù)、航空四站技術(shù)。