CN109270312A - 一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置 - Google Patents

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Abstract

一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，包括主控板卡以及分别与主控板卡连接的交流预充电单元、自耦变压整流器、直流输入接口与预充电单元和并网逆变三相功率单元；交流预充电单元与自耦变压整流器串联，且所述自耦变压整流器与所述直流输入接口与预充电单元并联至所述并网逆变三相功率单元；交流预充电单元的输入端与三相交流电源连接；直流输入接口与预充电单元的输入端与直流电源连接。能够无差别模拟飞机上真实负载的输入输出特性，起到替代样机进行试验联调测试的多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置。

Description

一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置
技术领域
本发明属于航空电气系统领域，具体涉及一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置。
背景技术
自耦变压整流器负载在飞机上有大量工程的应用，传统飞机上采用较小容量的交流负载，而随着商用飞机的发展，达到百千瓦级别的大容量自耦变压整流器负载将在飞机上得到广泛应用，一种自耦变压整流器负载模拟装置的需求变得极为迫切，尤其在飞机电力系统前期设计阶段，在实验室论证，系统联调，系统层设计时，都需要一种自耦变压整流器负载模拟装置，能够无差别模拟飞机上真实负载的输入输出特性，起到替代样机进行试验联调测试的重要作用。
目前国内在进行系统联调时采用了样机作为测试对象，可替代性差，成本高，等待周期长，影响了飞机电气系统的整体设计周期，尤其在没有样机的情况下，由于无替代产品设备，实验将无法进行。自耦变压整流器负载模拟装置的使用可以大大缩短飞机电气系统研制周期，在样机到来之前能够无差别模拟飞机上真实负载的输入输出特性，起到替代样机进行试验联调测试的重要作用。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种能够无差别模拟飞机上真实负载的输入输出特性，起到替代样机进行试验联调测试的多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，包括主控板卡以及分别与主控板卡连接的交流预充电单元、自耦变压整流器、直流输入接口与预充电单元和并网逆变三相功率单元；交流预充电单元与自耦变压整流器串联，且所述自耦变压整流器与所述直流输入接口与预充电单元并联至所述并网逆变三相功率单元；交流预充电单元的输入端与三相交流电源连接；直流输入接口与预充电单元的输入端与直流电源连接。
进一步，负载模拟装置还包括：并网开关单元和工频并网电抗器；所述并网开关单元的输入端通过工频并网电抗器连接至所述并网逆变三相功率单元的输出端；所述并网开关单元的输出端通过升压变压器连接至电网。
进一步，负载模拟装置还包括：中频电网电抗器；所述交流预充电单元的输出端通过中频并网电抗器连接至所述自耦变压整流器的输入端。
进一步，所述交流预充电单元包括：3个交流输入熔断器、3个交流输入主接触器、3个三相预充电接触器和3个交流电阻；所述三相交流电源的每一相输出依次与1个交流输入熔断器和1个交流输入主接触器连接；每个三相预充电接触器和每个交流电阻串联后并联在每个所述交流输入主接触器的两端；每个所述交流输入主接触器与所述自耦变压整流器的输入端连接。
进一步，所述交流预充电单元还包括：交流输出电压传感器，设置在所述交流输入熔断器的输出端与所述交流输入主接触器的输入端之间，用于测量所述三相交流电源的交流输出电压并发送至所述主控板卡；交流输出电流传感器，连接在所述交流输入主接触器的输出端，用于测量所述三相交流电源的交流输出电流并发送至所述主控板卡。
进一步，所述自耦变压整流器包括：四绕组变压器，三个三相二极管整流桥，分别与所述四绕组变压器的输出端连接，用于对交流电源进行整流，得到直流母线输出电压；四个第一薄膜电容，分别并联在每个三相二极管整流桥的两端，用于进行交流预充电。
进一步，所述三相二极管整流桥包括：3个上桥臂和3个下桥臂，每个上桥臂和每个下桥臂上分别设置有一个二极管；所述四绕组变压器的输出端分别与每个上桥臂和每个下桥臂的输入端连接。
进一步，所述自耦变压器还包括：直流母线电压传感器，并联在所述第一薄膜电容的两端，用于采集整流后得到的直流母线电压并发送至所述主控板卡；直流母线电流传感器，设置在所述直流母线上，用于采集整流后得到的直流母线电流并发送至所述主控板卡。
进一步，所述直流输入接口与预充电单元包括：2个直流输入熔断器、1个第一直流母线断路器、1和直流继电器和1个第二电阻；其中一个直流输入熔断器与所述直流电源的正输出端连接，另一个直流输入熔断器与所述直流电源的负输出端连接；与所述直流电源的正输出端连接的直流输入熔断器的输出端还串联有第一直流母线断路器；所述直流继电器和所述第二电阻串联后并联在所述第一直流母线断路器的两端；所述第一直流母线断路器以及与所述直流电源的负输出端连接的所述直流输入熔断器分别与所述并网逆变三相功率单元连接。
进一步，所述并网逆变三相功率单元包括：并联的三组Sic半桥、4个第二薄膜电容、3个驱动板卡和分别并联在每个所述Sic半桥输入侧的四个吸收电容；每组Sic半桥包括1个上桥臂和1个下桥臂，每个所述上桥臂和每个所述下桥臂上均设置有三极管；每组Sic半桥中的两个三极管分别连接至1个驱动板卡；靠近所述交流电源和直流电源侧的所述Sic半桥的两端分别并联有四个第二薄膜电容以及逆变器输入电压传感器。
进一步，所述并网开关单元包括：3个并网熔断器和3个并网主接触器；每个并网熔断器与每个并网主接触器串联；每个所述并网熔断器的输出端通过工频变压器连接至电网；每个所述并网主接触器的输入端通过工频并网电抗器连接至所述并网逆变三相功率单元的输出端；所述并网熔断器的输入端还连接有逆变器输出电压传感器，所述并网主接触器的输入端还连接有逆变器输出电流传感器。
进一步，所述自耦变压整流器输出侧的直流母线上设置有第二直流母线断路器；所述第二母线断路器，用于提供整流后的直流母线电压输入的开关控制。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：通过交流电源模拟飞机上发电机，自耦变压整流器模拟飞机上的二次电源(将交流电整流形成直流电)，直流电源模拟飞机上的直流输入电源，直流输入接口与预充电单元模拟为飞机上的负载提供直流电的直流电源，并网逆变三相功率单元模拟飞机上的逆变器，从而为负载提供电源，以此实现无差别模拟飞机上真实负载的输入输出特性，替代样机进行试验联调测试，从而缩短飞机电气系统研制周期。
附图说明
图1是本发明实施例的多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置的结构示意图；
图2是本发明实施例中的自耦变压整流器的电气架构示意图；
图3本发明实施例中的并网逆变三相功率单元的矢量控制原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
对于多电系统飞机上的自耦变压整流器类型的负载而言，按照功能进行划分后，供电系统主要包括：交流电机、二次电源(自耦变压整流器)和直流电机部分。故本发明采用电子负载对飞机上自耦变压整流器类型的负载的输入输出特性进行模拟。
图1是本发明实施例的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置的电气结构。
如图1所示，一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，包括主控板卡以及分别与主控板卡连接的交流预充电单元、自耦变压整流器、直流输入接口与预充电单元和并网逆变三相功率单元；交流预充电单元与自耦变压整流器串联，且自耦变压整流器与直流输入接口与预充电单元并联至并网逆变三相功率单元；交流预充电单元的输入端与三相交流电源连接，其中，三相交流电源为230VAC、400-800Hz；直流输入接口与预充电单元的输入端与直流电源连接，直流电源为540VDC。
具体地，交流预充电单元2的输出端通过中频并网电抗器连接至所述自耦变压整流器的输入端；自耦变压整流器的输出端连接至所述并网逆变三相功率单元的输入端；直流输入接口与预充电单元的输出端连接至所述并网逆变三相功率单元的输入端。230VAC的三相交流电源经自耦变压整流器整流后得到660VDC的直流电源，意味着可以有两种不同直流电压的输入，故本申请实施例还在自耦变压整流器的直流输出母线上设置一直流接触器，作为第一母线断路器，为660VDC直流输入电压提供开关功能；并在540VDC的直流输出线上设置一个直流接触器，作为第二母线断路器，为540VDC直流输入电压提供开关功能。
其中，中频并网电抗器用于自耦变压整流，其大小取决于电流THD要求以及自耦变压整流器母线电压和调制深度。由于输入电源频率高，为减小电感上的压降，电感值必须尽量小，而为满足电流THD不超过3％的要求，电感值越大电流谐波越小，经理论计算和仿真验证得出中频并网电抗器最佳电感量为0.5mH。
本申请实施例通过交流电源模拟飞机上发电机，自耦变压整流器模拟飞机上的二次电源(将交流电整流形成直流电)，直流电源模拟飞机上的直流输入电源，直流输入接口与预充电单元模拟为飞机上的负载提供直流电的直流电源，并网逆变三相功率单元模拟飞机上的逆变器，从而为负载提供电源，以此实现无差别模拟飞机上真实负载的输入输出特性，替代样机进行试验联调测试，从而缩短飞机电气系统研制周期。
进一步地，为了实现绿色能源，本申请实施例增加一能量回馈功能，将输入的电能再反馈回电网，具体实施过程是：将并网逆变三相功率单元的输出端依次通过一个工频并网电抗器和一个升压变压器连接至电网，从而将输入侧的能量反馈回电网，实现绿色能源。工频并网电抗器的选取原则与中频电抗器类似，经理论计算和仿真验证得出最佳电感量为1mH。
此外，交流预充电单元的输出端还通过中频并网电抗器连接至所述自耦变压整流器的输入端。
下面分别对主控板卡、交流预充电单元、自耦变压整流器、直流输入接口与预充电单元和并网逆变三相功率单元进行介绍：
交流预充电单元包括：3个交流输入熔断器、3个交流输入主接触器、3个三相预充电接触器和3个交流电阻；三相交流电源的每一相输出依次与1个交流输入熔断器和1个交流输入主接触器连接；每个三相预充电接触器和每个交流电阻串联后并联在每个交流输入主接触器的两端；每个交流输入主接触器与自耦变压整流器的输入端连接。3个交流输入熔断器均采用Bussmann的90FE，额定电流90A，3个交流输入主接触器均采用ABB的交流接触器AX115系列或其替代型号，额定工作电压690VAC，额定电流160A。三相预充电接触器采用ABB的交流接触器AX09系列或其替代型号。
优选地，可以将交流预充电单元与自耦变压整流器设置在同一块板卡上，即第一传感器及接口PCB板卡，进一步地，在第一传感器及接口PCB板卡设置多个传感器，用于驱动其上设置的交流输入主接触器和三相预充电接触器，以及采集传感器数据并发送给主控板卡，传感器包括交流输出电压传感器、交流输出电流传感器和温度传感器；
其中，交流输出电压传感器，设置在交流输入熔断器的输出端与交流输入主接触器的输入端之间，用于测量所述三相交流电源的交流输出电压；
交流输出电流传感器，连接在交流输入主接触器的输出端，用于测量所述三相交流电源的交流输出电流；
温度传感器，用于测量第一传感器及接口PCB板卡的温度；
第一公信号接插件，与所述主控板卡连接，用于将所述交流输出电压、所述交流输出电流和所述温度发送至所述主控板卡。
自耦变压整流器作用是将输入高压直流逆变并入工频电网，包括：四绕组变压器，三个三相二极管整流桥，分别与所述四绕组变压器的输出端连接，用于对交流电源进行整流，得到直流母线输出电压；四个第一薄膜电容，分别并联在每个三相二极管整流桥的两端，用于进行交流预充电。三相二极管整流桥包括：3个上桥臂和3个下桥臂，每个上桥臂和每个下桥臂上分别设置有一个二极管；四绕组变压器的输出端分别与每个上桥臂和每个下桥臂的输入端连接。自耦变压器还包括：直流母线电压传感器，并联在第一薄膜电容的两端，用于采集整流后得到的直流母线电压。四个第一薄膜电容的额定电压为1100V，频率为420uF。
自耦变压整流器输出侧的直流母线上设置有第二直流母线断路器，用于提供整流后的直流母线电压输入的开关控制。
自耦变压整流器的电气架构如图2所示，包括自耦变压器和两辅一主一共三个整理器。
直流输入接口与预充电单元包括：2个直流输入熔断器、1个第一直流母线断路器、1和直流继电器和1个第二电阻；其中一个直流输入熔断器与所述直流电源的正输出端连接，另一个直流输入熔断器与所述直流电源的负输出端连接；与所述直流电源的正输出端连接的直流输入熔断器的输出端还串联有第一直流母线断路器；所述直流继电器和所述第二电阻串联后并联在第一直流母线断路器的两端；第一直流母线断路器和与所述直流电源的负输出端连接的直流输入熔断器分别与所述并网逆变三相功率单元连接。直流输入接口设置在高压直流接口板卡上，高压直流接口板卡上设置有第二公信号接插件。
直流输入接口与预充电单元的作用是提供直流输入接口，并通过输入直流电压对负载母线电容预充电。当需要测试540VDC电源时，只需要断开第二直流母线断路器，合上第一直流母线断路器即可，反之，当需要测试660VDC电源时，只需要断开第一直流母线断路器，合上第二直流母线断路器即可，不需要另外改接线。第一直流母线断路器选择额定电压900V，额定电流500A。直流输入熔断器采用额定电压1000VDC，额定电流70A。
并网逆变三相功率单元包括：并联的三组Sic半桥、4个第二薄膜电容、3个驱动板卡和分别并联在每个所述Sic半桥输入侧的四个第二吸收电容；每组Sic半桥包括1个上桥臂和1个下桥臂，每个所述上桥臂和每个所述下桥臂上均设置有三极管；每组Sic半桥中的两个三极管分别连接至1个驱动板卡；靠近所述交流电源和直流电源侧的所述Sic半桥的两端并联有四个第二逆变器输入电压传感器。4个第二薄膜电容型号为B25620-S1427-K000，额定电压为1100V，频率为420uF；4个吸收电容型号为B32656Y7474K，额定电压为1200V，频率为0.47uF。
此外，自耦变压整流器的直流输出侧与第二薄膜电容之间还设置有串联的负载直流接触器和负载电阻。负载直流接触器用于导通负载，负载电阻用于作为负载使用。
并网逆变三相功率单元设置在单元控制与光纤接口板卡上，单元控制与光纤接口板卡上设置有光纤接口。并网逆变三相功率单元的控制，只需要根据给定功率指令执行电流单闭环控制即可，控制原理如图3所示：
将三相交流电压uab、uac、ubc进行锁相环运算，工频电网相角θc，从abc坐标轴变换到dq坐标轴，得到uq和ud，以及将iab、iac、ibc，将iab、iac、ibc从abc坐标轴变换到dq坐标轴，得到iq和id，根据有功功率Pref、Uq和Ud计算得到idref，以及根据无功功率Qref、Uq和Ud计算得到iqref,基于idref、iqref、iq、id、Uq和Ud进行电流单闭环控制，得到usd和usq，然后将usd和usq从dq轴变换到abc坐标系，得到usa、usb、usc,再基于usa、usb、usc进行PWM整流，得到并网逆变的输出电压。
并网开关单元包括：3个并网熔断器和3并网主接触器；每个并网熔断器与每个并网主接触器串联；每个并网熔断器的输出端通过工频变压器连接至电网；每个并网主接触器的输入端通过工频并网电抗器连接至所述并网逆变三相功率单元的输出端；并网熔断器的输入端还连接有逆变器输入电压传感器，并网主接触器的输入端还连接有逆变器输出电流传感器，逆变器输入电压传感器用于测量并网逆变三相功率单元的输入电压，逆变器输出电流传感器用于测量并网逆变三相功率单元的输出电流，并网开关单元设置在第二传感器及接口PCB板卡上，可选的，第二传感器及接口PCB板卡上也设置有一个温度传感器，用于测量第二传感器及接口PCB板卡上的温度。第二传感器及接口PCB板卡上设置有第三公信号接插件。其中，并网熔断器的额定电流为50A，并网主接触器的额定工作电压为690VAC，额定电流为115A。
工频变压器的设置主要是为了兼容540VDC的直流输入，将其进行升压后才能并入380V工频电网，考虑到并网电感上的压降和一定的调制裕量，将升压变压器变比设置为1.2，原副边相电压为230V：190V。
主控板卡采用通用DSP主控板，具备与输入输出传感器与接口PCB板卡、高压直流接口板卡以及整流逆变两套三相功率单元的单元控制与接口板卡的接口，同时具备CAN总线接口和串口与上位机进行通讯。具体地，主控板卡上设置有第一母信号接插件、第二母信号接插件、第三母信号接插件和光纤接口，其中，第一母信号接插件与第一公信号接插件通信连接，第一母信号接插件与第一公信号接插件通信连接，第一母信号接插件与第一公信号接插件通信连接，主控板卡上的光纤接口与并网逆变三相功率单元上的光纤接口通信连接。主控板卡接收所有传感器发送的数据，并根据这些数据形成控制指令发送至每个驱动板卡，从而控制相应的三极管的占空比，达到对逆变器输出电压的控制。
主控板卡上还设置有串口和/或CAN口，主控板卡通过串口或CAN接口连接至上位机，上位机控制负载的有功功率和无功功率，即主控板卡接收上位机的指令并执行或者向上位机发送数据。
本发明旨在保护一种利用电力电子变换技术实现对多电飞机自耦变压整流器类型的负载进行模拟的装置，针对飞机前期实验论证阶段的自耦变压整流器类型的负载进行模拟，能够节约能源，不产生大量的热量，节省使用冷却设备的空间，大大减小噪音污染，从而节约了成本。
此外，在飞机电力系统前期设计阶段，在实验室论证，系统联调，系统层设计时，都能够无差别模拟飞机上真实负载的输入输出特性，在试验联调测试中起到替代样机的重要作用。
多电飞机自耦变压整流器模拟方法可用于飞机电气系统概念设计阶段、初步设计阶段和详细设计仿真阶段，可以大大缩短飞机电气系统研制周期，在样机到来之前能够无差别模拟飞机上真实负载的输入输出特性，起到替代样机进行试验联调测试的重要作用，为当前多电飞机以及未来更加绿色环保的全电飞机的研制提供技术基础和研究基础。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，包括主控板卡以及分别与所述主控板卡连接的交流预充电单元、自耦变压整流器、直流输入接口与预充电单元和并网逆变三相功率单元；
所述交流预充电单元与所述自耦变压整流器串联，且所述自耦变压整流器与所述直流输入接口与预充电单元并联至所述并网逆变三相功率单元；
所述交流预充电单元的输入端与三相交流电源连接；
所述直流输入接口与预充电单元的输入端与直流电源连接。
2.根据权利要求1所述的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，还包括：并网开关单元和工频并网电抗器；
所述并网开关单元的输入端通过所述工频并网电抗器连接至所述并网逆变三相功率单元的输出端；
所述并网开关单元的输出端通过升压变压器连接至电网。
3.根据权利要求1或2所述的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，还包括：中频电网电抗器；
所述交流预充电单元的输出端通过所述中频并网电抗器连接至所述自耦变压整流器的输入端。
4.根据权利要求1所述的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，所述交流预充电单元包括：3个交流输入熔断器、3个交流输入主接触器、3个三相预充电接触器和3个交流电阻；
所述三相交流电源的每一相输出依次与1个交流输入熔断器和1个交流输入主接触器连接；
每个三相预充电接触器和每个交流电阻串联后并联在每个所述交流输入主接触器的两端；
每个所述交流输入主接触器与所述自耦变压整流器的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，所述交流预充电单元还包括：
交流输出电压传感器，设置在所述交流输入熔断器的输出端与所述交流输入主接触器的输入端之间，用于测量所述三相交流电源的交流输出电压并发送至所述主控板卡；
交流输出电流传感器，连接在所述交流输入主接触器的输出端，用于测量所述三相交流电源的交流输出电流并发送至所述主控板卡。
6.根据权利要求1所述的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，所述自耦变压整流器包括：
四绕组变压器，
三个三相二极管整流桥，分别与所述四绕组变压器的输出端连接，用于对交流电源进行整流，得到直流母线输出电压；
四个第一薄膜电容，分别并联在每个三相二极管整流桥的两端，用于进行交流预充电。
7.根据权利要求6所述的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，所述三相二极管整流桥包括：
3个上桥臂和3个下桥臂，每个上桥臂和每个下桥臂上分别设置有一个二极管；
所述四绕组变压器的输出端分别与每个上桥臂和每个下桥臂的输入端连接。
8.根据权利要求6所述的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，所述自耦变压器还包括：
直流母线电压传感器，并联在所述第一薄膜电容的两端，用于采集整流后得到的直流母线电压并发送至所述主控板卡；
直流母线电流传感器，设置在所述直流母线上，用于采集整流后得到的直流母线电流并发送至所述主控板卡。
9.根据权利要求1所述的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，所述直流输入接口与预充电单元包括：2个直流输入熔断器、1个第一直流母线断路器、1和直流继电器和1个第二电阻；
其中一个所述直流输入熔断器与所述直流电源的正输出端连接，另一个所述直流输入熔断器与所述直流电源的负输出端连接；
与所述直流电源的正输出端连接的直流输入熔断器的输出端还串联所述第一直流母线断路器；
所述直流继电器和所述第二电阻串联后并联在所述第一直流母线断路器的两端；
所述第一直流母线断路器以及与所述直流电源的负输出端连接的所述直流输入熔断器分别与所述并网逆变三相功率单元连接。
10.根据权利要求1所述的一种多电飞机自耦变压整流器负载模拟装置，其特征在于，所述并网逆变三相功率单元包括：并联的三组Sic半桥、4个第二薄膜电容、3个驱动板卡和分别并联在每个所述Sic半桥输入侧的四个吸收电容；
每组Sic半桥包括1个上桥臂和1个下桥臂，每个所述上桥臂和每个所述下桥臂上均设置有三极管；
每组Sic半桥中的两个三极管分别连接至1个驱动板卡；
靠近所述交流电源和直流电源侧的所述Sic半桥的两端分别并联有四个第二薄膜电容以及逆变器输入电压传感器。
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