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[经验] 基于电能反馈式电子负载技术应用于航空电源测试中

2020-8-28 09:06:41  253 电子负载 电源 电源测试
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随着现代科学航空技术的飞速发展,现代飞机用电设备大量增加,正向多电、全电飞机方向发展,用电能代替机械能、液压能、气压能已成趋势。这将使飞机用电量急剧增加,为了保证用电设备在各种条件下能够正常工作,对飞机电源的可靠性及性能就提出了更高的要求。这就要求在出厂时对电源系统进行更为严格的测试,如可靠性试验(老化放电试验)、输出特性试验等。目前,国内航空电源出厂试验、科研院所对电源的测试试验都是采用电阻箱或水阻试验台作为负载。这种传统的试验方式存在诸多缺点:负载采用有级调节、电阻功率小、试验的电能全部消耗在电阻上、负载设备体积庞大,占用很大的空间。随着半导体技术的发展,电力电子变流技术的迅速发展,尤其是各种电流控制技术不断出现和应用,出现了可以仿真传统真实阻抗负载的电子负载。用电子负载对电源进行试验,采用有效的电流控制技术,在大范围内控制放电电流,就能仿真各种阻抗值的负载,使得一个电子负载就能满足任何阻抗值的试验场合;可将试验的能量全部回馈给电网,解决电能浪费的问题;采用大容量的功率开关器件,完成对大功率电源的试验;由于不存在大功率的耗能电阻,因此负载的体积较小,可大大节约安装空间。本文针对目前国内航空电源测试的缺点, 对电子负载进行深入研究,将电能反馈式电子负载应用剑航空电源试验中去,解决传统航空电源试验存在的诸多问题。
  1 航空电子负载概述
  1.1 飞机电源系统
  飞机电源系统是飞机供电系统的重要组成部分,包括主电源、辅助电源、应急电源利二次电源。其中飞机主电源由发电机及其传动、调节、控制、保护装置组成,向正常飞行的飞机用电设备供电;辅助电源是航空蓄电池或辅助动力装置驱动的发电机,在主电源不工作时工作;应急电源有航空蓄电池和风动涡轮发电机,在飞行中主电源一旦发生故障不能正常供电时,则由应急电源供电;二次电源是将主电源一种形式的电能转变为不同电压、不同电流和不同质量的设备,以满足不同用电设备对不同形式电能的要求。
  航空电子负载即是对飞机电源系统中的输出电能的设备或转换装置,如发电机、AC∕DC、DC∕AC变换器、航空蓄电池、整流器及电感、电容等部件的输出特性、可靠性(老化放电试验)进行可靠全面地测试。
  1.2 电子负载原理
  电子负载是利用电子组件吸收电能并将其消耗的一种负载。其中的电子组件一般为功率场效应管(PowerMOS)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等功率半导体器件。而电能反馈型电子负载即在实现电源试验的前提下将试验能量回馈给电网,实现电能循环利用的节约型电子负载。图1为电能反馈式电子负载原理示意图。
  电子负载的输入为试验电源的输出,输出接低压电网220∕380V。在输入侧,电子负载要精确控制输入电流的大小和相位,使其对电源呈现的阻抗值或电流值为设定值;在输出侧要控制其输出电流与电网电压同相位,实现试验电能的单位功率因子反馈。
  电子负载的工作模式有:定电流模式,定电阻模式,定电压模式及过压、过流、短路等动态试验模式。其中定电流模式用于测试电压源及AC∕DC电源的负载调整率,负载调整率是电源在负载变动时能够提供稳定的输出电压的能力,是电源输出电压偏差率的百分比;定电阻模式通常用于测试电压或电流源的激活与限流特性;定电压模式用于测试电源的限流特性,因为电压为定值,所以可以仿真电池端电压,对电池充电器进行测试;动态试验模式即通过对电子负载的控制仿真电源系统中各种故障或一些参数的突变,以试验系统的可靠性。
  1.3 航空电子负载分类
  航空电源按功用可分为主电源、辅助电源、应急电源和二次电源,都可以概括为两类电源,即直流电源和交流电源。航空直流电源如:直流发电机(额定电压有6V、12V、28.5V、270V等),航空蓄电池,航空变压整流器等;航空交流电源如:交流发电机(普遍为115∕200V、400Hz、三相),AC∕DC变换器,静止变流器等。
  针对航空电源有直流和交流之分,航空电子负载也分为直流电子负载和交流电子负载两类。反馈型直流电子负载用于航空直流电源的测试,一般直接采用逆变将直流电源的电能回馈到交流电网中;反馈型交流电子负载用于航空交流电源的测试,采用AC∕AC变换实现电源试验的同时将电能回馈给交流电网。
  2 、航空电子负载拓扑结构
  2.1 直流电子负载拓扑结构
  目前直流电子负载研究得已较成熟,从节约能量、简化结构、降低成本等方面综合考虑,确定直流电子负载主电路拓扑结构为DC∕DC、DC∕AC两级结构,如图2所示。其主电路主要包括DC∕DC和DC∕AC变换器两部分,其中DC∕DC采用了电容储能的Cuk变换器,如图2左虚线框所示,既可以实现输入和输出电流的分开控制,又无需其它辅助电路即实现开关管的软关断从而减少开关损耗,同时其结构比Boost-Buck变换器要简单得多;DC∕AC变换器产生与电网同步的逆变电流,输出滤波器将逆变电流中高次谐波滤除,降低输出电流THD。
  2.2 交流电子负载拓扑结构
  交流电子负载输入、输出侧均为交流电压,所以总体而言,它是一个AC∕AC变换器。按中间功率传递环节类型,AC∕AC变换器可分三类:中间直流环节(DC link)AC∕AC变换器、中间交流环节(AC link)AC∕AC变换器和直接(direct link)AC∕AC变换器。
  考虑到中间交流环节AC∕AC变换器加入高频LC谐振电路,由于提供给负载的能量完全从谐振电路通过,其电感和电容组件需要很大额定容量,功率双向流动和高频母线的控制较复杂,需要开关管数量为中间直流环节变换器的两倍,成本高;直接AC∕AC变换器又称矩阵式交交变换器,需要采用双向全控开关,即两个全控型器件反向串联,因此需要总共18个全控开关器件,输出电压最大为输入电压的0.866倍,转换效率不够高,以及短路保护等方面也存在问题。而中间直流环节AC∕AC变换器结构最简单,易于控制,是目前最常见的AC∕AC变换电路,虽然采用硬开关方式,但航空交流电源一般400Hz的频率不会使开关损耗较大。由上分析,本文采用中间直流环节的交直交结构为电子负载的主电路结构,如图3所示。
  3、 航空电子负载控制方式
  对于直流电子负载的控制比较简单,主要是通过集成电路IC产生的PWM波分别控制cuk电路中的两个三极管,改变它们的导通比以实现输入输出电流的控制;DC∕AC的控制将采用交流电子负载中控制方式。
  对于交流电子负载,控制较复杂。由电子负载的拓扑结构可以看出,直流电子负载的DC∕AC级、交流电子负载的DC∕AC和AC∕DC级均采用电压型可逆PWM整流器(voltage source rectifier,VSR)。常规的VSR控制系统一般采用双死循环控制,即电压外环和电流内环控制。因电压的控制也是通过电流的控制而间接实现的,电流控制的动态性能直接影响整个系统的性能,所以内环的电流控制是关键,这里采用电流控制。VSR的直接电流控制以快速反馈的网侧电流为控制对象进行死循环控制,能够获得较高品质的电流响应,其中在众多VSR的直接电流控制方式中,滞环PWM电流控制具有更快的电流响应,且电流跟踪动态偏差由滞环宽度确定,而不随电流变化率变化而波动。所以本文采用滞环PWM电流控制作为交流电子负载的控制方式。
  图4为滞环电流控制原理图,控制对像是输入电流i,其控制目标值为i*。检测实际输入电流i,并与电流参考值i*进行比较,当i与i*的偏差不超过环宽时,开关管的状态维持不变;当i与i*的偏差不超过环宽时,控制相应的开关管导通或关闭,使得电流i朝着与i*的偏差减小的方向变化。
  4、 航空电子负载控制策略
  直流电子负载的控制策略较为简单,如图5所示,WM IC控制器用于实现输入电流的控制,若参考电流值liref改变,Ti的导通比σi将改变以获得相应值。其中,稳态时,σi是常数。如图6所示,电容Cb两端电压必须等于参考电压Vref,若不相等就会产生电压误差,电压误差与输出电压的修正值的乘积作为参考电压流,参考电流与i0比较后生成PWM控制信号。
  由于交流电子负载采用了交一直一交的电路结构,因此输入(整流)和输出(逆变)可分开拎制。整流环节通过精确控制输入电流(包括幅值和相位)实现电子负载的恒定电流或匣定阻抗工作模式;逆变环节通过控制输出电流与电网电压同相位以实现单位功率因子逆变,即电能的反馈。如图7所示,直接以i1和i5作为输入和输出滞环控制的对象,那么i1和i5将含有幅值为环宽的高频波动,输入和输出的滤波电容将不能起到滤波作用。这里以i2和i4作为滞环控制对象,使得滞环控制电流中的部分高频谐波经过滤波电容滤除,从而获得较理想的输入输出电流波形。同时,计算参考电流值时将滤波电容中流过的基波无功电流i3和i6考虑进去以实现通过直接控制i2和i4间接控制i1和i5的目的。值得注意的是,采用滞环电流控制,首先要满足直流侧电压大于交流侧电压幅值这一条件;其次,电子负载能否仿真设定的阳抗或电流,关键就在于参考电流的计算是否准确。
  5 、航空电子负载系统结构
  航空电子负载系统结构如图8所示。其硬件系统包括微处理器电路、电子负载主电路、检测电路,触发驱动电路、保护电路和滤波电路。微处理器电路由微处理器及其供电电路构成,采用Ti公司TMS320C2000系列的TMS320LF2407A,它具有强大的数据处理能力,丰富的片内资源和外围资源,尤其是提供可编程的PWM波形控制。电子负载主电路主要是由输入、输出两个VSR的四组开关桥臂构成。系统检测到输入输出电流及电压信号,进行滤波偏置处理后送入微处理器,保护电路信号同样送入微处理器,由微处理器完成参考电流(电压)的计算、控制方式及策略编程的实现、驱动信号的生成,从而实现电子负载的控制。

  在目前民用直流电子负载已成熟、交流电子负载正在深入研究的背景下,针对目前国内航空电源测试的缺点,将电能反馈式电子负载应用到航空电源试验中去,从航空电子负载的拓扑结构、控制方式及控制策略等方面论证其可行性。基于电能反馈的航空电子负载具有体积小、节约能源、高度自动化等优点,将为国防工业带来巨大经济效益。

王栋春 2020-8-28 12:54:46
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