30 kVA正弦波恒流助航調(diào)光器優(yōu)化設(shè)計

張可貴，鐘 浪，董志強，柳 明，歐陽暉

30 kVA正弦波恒流助航調(diào)光器優(yōu)化設(shè)計

張可貴1，鐘 浪1，董志強1，柳 明2，歐陽暉2

（1. 中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300；2. 武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064)

本文研究了一種AC-DC-AC型正弦波恒流助航調(diào)光器的主電路結(jié)構(gòu)，并以30 kVA容量實驗樣機為研究對象，通過理論計算對電路中的主要參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。最后本文通過Matlab/Simulink仿真軟件對所設(shè)計電路的不同工作狀態(tài)進(jìn)行了仿真，驗證了樣機設(shè)計的正確性和可行性。結(jié)果表明，所設(shè)計的調(diào)光器精度高，諧波含量低，滿足實際工作的性能指標(biāo)。

AC-DC-AC 正弦波恒流控制 機場助航調(diào)光器 Matlab/Simulink

0 引言

助航燈光系統(tǒng)是機場重要的飛行安全級設(shè)備[1, 2]，用來引導(dǎo)飛機的進(jìn)近、著陸和滑行。恒流調(diào)光器作為助航燈光系統(tǒng)中的供電系統(tǒng)，對燈光亮度的調(diào)節(jié)起著決定性的作用[3, 4]，是助航燈光系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的設(shè)備。

傳統(tǒng)的恒流調(diào)光器是一種基于相控技術(shù)的晶閘管變流裝置[5]，該裝置網(wǎng)側(cè)和輸出側(cè)諧波含量高，電網(wǎng)電能質(zhì)量較低[6, 7]，一方面加快了燈光回路電纜和隔離變壓器的老化速度，另一方面對燈光系統(tǒng)周圍的通訊設(shè)備造成嚴(yán)重干擾[8, 9]。新一代正弦波恒流調(diào)光器采用高速開關(guān)器件和數(shù)字控制技術(shù)[10]，能實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)和輸出側(cè)電流正弦化，具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，輸出波形諧波含量低，智能化程度高等優(yōu)點[11-13]，是未來機場發(fā)展的必然趨勢。

1 恒流調(diào)光技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)外機場現(xiàn)行使用的恒流調(diào)光器還是以傳統(tǒng)的晶閘管恒流調(diào)光器為主，但根據(jù)現(xiàn)在助航系統(tǒng)燈具LED燈的應(yīng)用[14, 15]以及變流器的性能指標(biāo)分析，新一代的正弦波恒流調(diào)光器必將是未來的發(fā)展趨勢。

從應(yīng)用對象助航燈的發(fā)展上看，隨著節(jié)能低碳理念的深入，以及飛行保障對助航燈光系統(tǒng)安全穩(wěn)定性能的要求，半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)燈具與傳統(tǒng)的白熾燈、鹵鎢燈相比具有壽命長、節(jié)能高效、發(fā)光顏色多樣、體積小、適應(yīng)環(huán)境廣以及便于控制等諸多優(yōu)點，在國內(nèi)外民航機場助航燈光系統(tǒng)中已得到推廣應(yīng)用，并有逐步取代傳統(tǒng)鹵鎢燈的趨勢[16]。鑒于LED的半導(dǎo)體特性，以及對電流諧波的要求，現(xiàn)有的晶閘管調(diào)光器是不可行的，唯一的解決辦法就是與之匹配的正弦波恒流調(diào)光器[17]。

從性能指標(biāo)上看，晶閘管恒流調(diào)光器是基于相控技術(shù)的變流裝置，其輸出中諧波含量很高，致使電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，同時加快了導(dǎo)線老化，并對燈光系統(tǒng)周圍的通訊等設(shè)備產(chǎn)生干擾，降低了機場系統(tǒng)運行的可靠性[18]。而采用高速開關(guān)器件的正弦波恒流調(diào)光器具有輸出波形品質(zhì)好，諧波小，可延長助航燈具光源使用壽命；功率因數(shù)高、諧波小，無需專項電網(wǎng)治理；整體效率高，節(jié)省成本；噪音低，污染小；智能程度高、可靠性高、維修性好[19]，在性能上有明顯的優(yōu)勢。

根據(jù)最新的調(diào)查，青島新機場以及北京新建的大興國際機場中明確指定調(diào)光器使用正弦波調(diào)光器，從中可以看到正弦波調(diào)光器將逐漸走進(jìn)市場。

通過上面分析，機場調(diào)光器未來將是正弦波恒流調(diào)光器的方向，近年來國內(nèi)外調(diào)光器廠家正在積極推進(jìn)正弦波恒流調(diào)光器的研發(fā)。其中國外ADB Safegate公司走在前面，其研發(fā)的VIS系列、CRE系列的正弦波調(diào)光器采用了交-直-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，IDM 9000型正弦波調(diào)光器采用了交-交斬波結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)最早研發(fā)正弦波調(diào)光器的廠家西安愛科，其在2009年研制的S1系列正弦波調(diào)光器采用了交-交斬波結(jié)構(gòu)。國內(nèi)調(diào)光器市場占比最大的大連電子所（大連宗益）也在2012年研制了自己的正弦波調(diào)光器CCR-2100S。

2 正弦波恒流調(diào)光器類型

現(xiàn)有的正弦波恒流調(diào)光器主電路主要采用AC-AC一級變換[20]和AC-DC-AC兩級變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，圖1（a）為AC-AC方案，圖1（b）為AC-DC-AC方案。

AC-AC電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，無需直流母線電容；體積小，結(jié)構(gòu)緊湊；只有一級變換，效率高。但其缺點是無自然續(xù)流通路，雖然可以構(gòu)造自然續(xù)流通路，但增加了電路的復(fù)雜度，可靠性差。AC-DC-AC電路的優(yōu)點是有自然續(xù)流通路，控制方案成熟，可靠性高。但其缺點是有兩級變換，損耗大，效率相對較低。

考慮到調(diào)光器是機場飛行安全級設(shè)備，對可靠性的要求很高，因此本文研究的正弦波恒流調(diào)光器選擇AC-DC-AC電路實現(xiàn)。

3 AC-DC-AC正弦波恒流調(diào)光器

本文研究的AC-DC-AC型正弦波恒流調(diào)光器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其前級為三電平BOOST-PFC整流電路，該電路實現(xiàn)整流的同時還具備功率因數(shù)校正功能。后級變換為H橋逆變電路，實現(xiàn)DC/AC變換和恒流控制功能。

圖2 三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調(diào)光器

采用三電平BOOST電路進(jìn)行功率因數(shù)校正時，兩路開關(guān)器件的相差保持為180°。隨交流輸入電壓u瞬時值的變化，兩路開關(guān)器件的驅(qū)動有不同的模式，如圖3所示。

圖3 三電平BOOST-PFC電路驅(qū)動模態(tài)

圖3(a)中，輸入交流電壓整流值小于1/2的直流母線電壓時，兩路開關(guān)器件的驅(qū)動占空比大于0.5。兩組開關(guān)器件的驅(qū)動狀態(tài)對應(yīng)主電路4種模態(tài)：其中Q1與Q2同時導(dǎo)通時，BOOST電感上的電壓為整流后輸入電壓；當(dāng)Q1與Q2中只有一個導(dǎo)通時，BOOST電感上的電壓為整流后輸入電壓與1/2的直流母線電壓之差。

圖3(b)中，輸入交流電壓整流值大于1/2的直流母線電壓時，兩路開關(guān)器件的驅(qū)動占空比小于0.5。兩組開關(guān)器件的驅(qū)動狀態(tài)對應(yīng)主電路4種模態(tài)：其中Q1與Q2中只有一個導(dǎo)通時，升壓電感上的電壓為整流后輸入電壓與1/2的直流母線電壓之差；當(dāng)Q1與Q2中同時關(guān)斷時，兩個升壓電感上的總電壓為整流后輸入電壓與直流母線電壓之差。

4 30 kVA正弦調(diào)光器的參數(shù)設(shè)計

本文以30 kVA容量的正弦波恒流調(diào)光器為研究對象，通過理論計算對電路中主要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。所設(shè)計的調(diào)光器的交流輸入電壓有效值為U=380 V±10%，頻率=50 Hz，輸出電流有效值恒定o=6.6 A，額定輸出功率S=30 kVA。

1）直流母線電壓參數(shù)計算

圖2中交流輸入電壓最高為U=418 V，經(jīng)不控整流后的峰值電壓為U=591 V，由于整流電路采用的是BOOST型PFC電路，其直流母線電壓將大于591 V。綜合考慮IGBT的效率、實用性與開關(guān)頻率等因素，直流母線電壓U=700 V。

2）直流母線電容參數(shù)計算

實際工程中要求調(diào)光器在開機后從空載到滿載的時間在1 s以內(nèi)，即緩起需在1 s內(nèi)完成。通過該條件計算母線電容。

由于調(diào)光器輸出控制采用的是電流有效值閉環(huán)控制，緩起時輸出電流有效值與緩起時間成正比，因此在負(fù)載一定的條件下輸出功率與緩起時間的平方呈正比，即：

限定在緩起結(jié)束時刻直流母線電壓為額定值的90%，假設(shè)在0.5 s的時間內(nèi)負(fù)載所需能量的10%由母線電容提供，即：

將式(3)代入(4)得到母線電容為：

（3）不控整流橋參數(shù)計算

輸入端的4個整流二極管承受的最大反壓為：

當(dāng)輸入電壓最低，整機效率=0.92，輸入功率因數(shù)PF=0.95，則輸入交流電流有效值為：

輸入整流二極管額定電流為：

（4）IGBT參數(shù)計算

IGBT關(guān)斷時，IGBT承受的最大反壓為直流母線電壓U的1/2，即：

IGBT開通時流過的電流即為輸入電感電流，因此流過IGBT的電流最大值為:

（5）續(xù)流二極管參數(shù)計算

當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，續(xù)流二極管承受的反壓為輸出電壓，即：

在IGBT關(guān)斷時，流過續(xù)流二極管的電流即為輸入電感電流，因此流過IGBT的電流最大值為：

續(xù)流二極管在輸入正弦電壓的整個周期內(nèi)，在IGBT關(guān)斷時都流過電流。在一個工頻周期內(nèi)，假設(shè)二極管一直流過電感電流，與上述電流發(fā)熱等效的正弦半波電流的平均值為：

因此可以選擇額定電壓600 V，額定電流200 A的IGBT。

（6）BOOST升壓電感參數(shù)計算

限定電感電流紋波最大值不超過輸入電流幅值的25%。

首先以圖3(a)對應(yīng)的狀態(tài)計算電感值。在一個開關(guān)周期中兩個開關(guān)器件同時導(dǎo)通的時長均為：

在這段時間內(nèi)電感電流紋波為：

根據(jù)BOOST電路輸出電壓與輸入電壓間的關(guān)系可得占空比表達(dá)式為：

將式(14)代入式(15)中：

式(15)中當(dāng)輸入電壓絕對值為1/4的直流母線電壓值時，電感電流紋波最大。限定電感電流紋波為交流輸入電流額定幅值的25%，即：

求解上式可得電感值為：

在圖3(b)對應(yīng)的模態(tài)中使用同樣的分析計算方法可知當(dāng)輸入電壓絕對值為3/4的直流母線電壓值時，電感電流紋波最大，并且紋波最大值表達(dá)式與式(15)相同。因此依照限制電感電流紋波的判據(jù)計算出來的電感值也相同。

（7）交流濾波電感參數(shù)計算

交流輸入LC濾波器的作用是濾除來自BOOST電感的開關(guān)頻率紋波電流。為減小濾波電感體積，限定濾波電感上的基波壓降不超過電網(wǎng)電壓的1%。根據(jù)以上限定條件，則有：

可求得：

（8）交流濾波電容參數(shù)計算

交流輸入LC濾波器的諧振頻率設(shè)定為開關(guān)頻率的1/10，即：

求解得：

將式(19)代入式(21)，可求出1，流過濾波電容的電流為：

（9）隔離升壓變壓器設(shè)計

隔離變壓器副邊電壓的有效值為：

逆變電路的直流側(cè)電壓dc最低為630 V，設(shè)定最大調(diào)制比為0.85。逆變電路橋臂中點電壓基波有效值最大為：

忽略逆變器輸出濾波電感上的壓降，則變壓器的變比為：

（10）逆變電路IGBT參數(shù)計算

當(dāng)IGBT關(guān)斷時，IGBT承受的反壓為直流母線電壓，其最大值為：

在IGBT導(dǎo)通時，忽略輸出濾波電容電流，輸出升壓變壓器原邊電流即為流過IGBT的電流，其額定值為:

（11）輸出濾波電感設(shè)計

限定電感電流紋波最大值不超過額定電流幅值的30%，則：

（12）輸出濾波電容設(shè)計

逆變器采用單極倍頻調(diào)制，最低次開關(guān)諧波集中在2倍開關(guān)頻率附近。為有效濾除開關(guān)諧波，限定逆變器輸出LC濾波器諧振頻率為最低次開關(guān)諧波頻率的1/10，即：

代入數(shù)據(jù)可求解得輸出濾波電容為：

將式(28)帶入式(30)可求出C15.8 μF，流過該濾波電容的電流為：

5 仿真驗證

在Matlab/Simulink中對上述設(shè)計的30 kVA的恒流調(diào)光器進(jìn)行仿真。

（1）額定負(fù)載工況仿真

額定功率下，帶純阻性負(fù)載，R=688.7 Ω，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 額定負(fù)載工況仿真波形

可以看到：額定工況下，輸出電流有效值恒定在6.6 A，恒流精度基本保持在0.01 A以內(nèi)，交流輸入電流THD為1.34%，輸出電流THD為0.17%。

（2）開機時序仿真

仿真開機時序：0～0.1 s對直流電容充電，0.1 s后開始整流，0.3 s后開始逆變，其仿真波形如圖5所示。

可以看到，直流母線電壓最大不超過800 V，在所選開關(guān)器件的耐壓范圍內(nèi)，交流輸出電流i達(dá)到穩(wěn)定的時間為0.8 s。

圖5 開機時序仿真

（4）輸入網(wǎng)側(cè)電壓畸變仿真

向網(wǎng)側(cè)電壓注入4%的三次和3%的五次諧波，即輸入電壓發(fā)生5%的畸變時，仿真波形如圖6所示。

圖6 輸入網(wǎng)側(cè)電壓畸變仿真波形

可以看到，輸入網(wǎng)側(cè)電壓畸變時，電容電壓均衡輸出電流有效值恒定在6.6 A，交流輸入電流THD為1.09%，輸出電流THD為0.17%，因此網(wǎng)側(cè)電壓畸變時，對所設(shè)計的電路橫流功能基本沒影響。

6 結(jié)論

本文以30 kVA容量的工程樣機為設(shè)計對象，對其參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，并在Matlab/Simulink中對所設(shè)計電路的不同工作狀態(tài)進(jìn)行了仿真，包括額定工作狀態(tài)、開機工作狀態(tài)，以及輸入電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變工作狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的調(diào)光器恒流精度高，諧波含量低，抗干擾性強，能滿足實際工作的性能指標(biāo)。

[1] 費海濤, 林建華. 談機場助航燈光系統(tǒng)的建設(shè)[J]. 江蘇航空, 2008(04): 27-29.

[2] 李荊晶. 機場助航燈調(diào)光器的研究與開發(fā)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2008.

[3] 甘雪, 曹太強, 劉中豪, 林玉婷. 助航燈光系統(tǒng)中恒流調(diào)光器的研究[J]. 電測與儀表, 2017, 54(17): 88-93.

[4] 王曉強. 民航機場助航燈光系統(tǒng)探究[J]. 工程技術(shù)研究, 2019, 4(21): 223-224.

[5] 沈恒德. 助航燈光用恒流調(diào)光器[J]. 航空工程與維修, 1999(06): 19.

[6] 朱李軍. 30KVA機場調(diào)光器的設(shè)計及其實驗研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2011.

[7] 高建樹, 劉憲峰. DDS技術(shù)在機場助航燈恒流調(diào)光器系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電源技術(shù)應(yīng)用, 2009, 12(03): 25-29.

[8] 雷勇濤, 李光斌. 機場助航燈調(diào)光器的控制系統(tǒng)研制[J]. 機械與電子, 2003(02): 41-44.

[9] 陳井亮. 機場助航燈光系統(tǒng)的研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2013.

[10] 王芳. 全數(shù)字式機場助航燈調(diào)光器的研制[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2007.

[11] 史波微. TMS320F2812在恒流調(diào)光器設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 工業(yè)控制計算機, 2018, 31(11): 140-141.

[12] 李曉明. 基于DSP的助航燈恒流調(diào)光器的設(shè)計[D]. 大連: 大連交通大學(xué), 2008.

[13] 王煦. 助航燈正弦波調(diào)光器操作顯示部分的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 大連: 大連交通大學(xué), 2013.

[14] 虞再道. 發(fā)光二極管機場助航燈具功率因數(shù)的測量方法[J]. 光源與照明, 2014(02): 9-11.

[15] 王卓. LED光源在助航燈光系統(tǒng)中應(yīng)用的相關(guān)問題探討[J]. 民航管理, 2018(09): 28-32.

[16] 趙平. 民用助航燈立式助航燈具的選擇[J]. 中國科技信息, 2014(23): 174-175.

[17] 劉學(xué)建. 基于脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的機場LED助航燈光系統(tǒng)應(yīng)用研究[J]. 民航學(xué)報, 2018, 2(04): 17-20.

[18] 李荊晶. 機場助航燈調(diào)光器的研究與開發(fā)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2008.

[19] 王煦. 助航燈正弦波調(diào)光器操作顯示部分的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 大連: 大連交通大學(xué), 2013.

[20] 李琦. 機場燈光調(diào)光器控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2003.

[21] 歐陽暉, 蔡凱, 吳浩偉, 徐正喜, 楊定國, 羅國偉, 谷五芳. 基于降壓型交流斬波電路的正弦波恒流調(diào)光裝置研究[J].船電技術(shù), 2014, 34(07): 51-55.

The Optimal Design of 30 kVA Airfield light Dimmer with Sine Wave Constant Current Control

Zhang Kegui1, Zhong Lang1, Dong Zhiqiang1, Liu Ming2, Ouyang Hui2

(1. China Nuclear Industry 23 Construction Co. Ltd., Beijing 101300, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

V351.32

A

1003-4862（2021）10-0059-04

2021-03-09

張可貴(1969-)，男，工程師。研究方向：自動化和儀控技術(shù)研究。