CN115000958A - 一种防闪断飞机地面静变电源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防闪断飞机地面静变电源，所述防闪断飞机地面静变电源的结构包括输入整流模块、储能模块、中频逆变模块，其中：所述输入整流模块包括输入断路器、输入LC滤波单元、输入整流桥。所述储能模块包含若干储能电容、充放电控制电路及保护电路。所述中频逆变模块包括由IGBT模块组成的三相全桥逆变单元、中频变压器、输出滤波单元。当电网发生闪断时，本发明能够通过储能模块维持飞机地面静变电源稳定输出一段时间，并坚持到电网恢复正常，此期间飞机地面静变电源可以正常提供飞机检测用电，有效保障飞机不受电网闪断影响，完美解决电网闪断造成飞机供电中断问题。

Description

一种防闪断飞机地面静变电源
技术领域
本发明涉及飞机地面静变电源供电技术领域，具体提供一种防闪断飞机地面静变电源。
背景技术
稳定的供电质量是国民安全生产的前提，随着越来越多的先进设备及精密仪器投入运行，获得安全、稳定、持续的供电需求越来越突出，尤其在航空器检修、飞机地面供电领域，在飞机检修过程中一旦发生供电中断，轻则停工检查，重则烧坏器件，危及安全。在10kv以上的电网、供变电设备、负荷设备上电压有效值骤降至额定电压的10%~90%，且持续时间为10ms~1min，就形成了电网闪断。研究表明，电网闪断问题在供电质量问题中占比高达90%以上，且有不可预估的特点。例如雷电天气、外部施工、电网切换、大型用电设备启动等都可能造成电网闪断问题。
目前已有的飞机地面静变电源在电网发生闪断时，输出给飞机的供电也会发生中断，且电网恢复后不能自动恢复，会造成飞机供电中断。影响飞机检修过程，降低工作效率，甚至造成飞机元器件损坏。
目前通用解决方案是在传统飞机地面静变电源前端增加不间断供电电源，以应对电网闪断问题。但此方案会使系统体积、重量、成本和复杂度大幅增加，且不能够满足全部应用场合，尤其要求在室外环境下使用时，不间断供电电源往往不能够做到足够高的防护等级。
发明内容
本发明的技术任务是针对上述存在的问题，提供了一种具备防闪断功能的飞机地面静变电源，能有效提升飞机地面静变电源供电稳定性，并且适用于所有飞机地面供电应用场合。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种防闪断飞机地面静变电源，所述防闪断飞机地面静变电源的结构包括输入整流模块、储能模块、中频逆变模块，其中：
所述输入整流模块包括输入断路器、输入LC滤波单元、输入整流桥。
所述储能模块包含若干储能电容、充放电控制电路及保护电路。
所述中频逆变模块包括由IGBT模块组成的三相全桥逆变单元、中频变压器、输出滤波单元。
其中，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
所述防闪断飞机地面静变电源的结构还包括电缆收放模块；
所述电缆收放模块包括电机、电缆卷筒、专用电缆及航空插头。
所述防闪断飞机地面静变电源的工作过程如下：
1）电网正常时工作状态：
此时储能模块处于满能量状态，随时等待激活，能量传递过程为：380V三相市电经输入整流模块、中频逆变模块、电缆收放模块输出中频电给飞机供电；
2）闪断发生时工作状态：
当电网发生闪断时，380V三相市电消失，储能模块激活，开始工作，能量传递过程为：存储的高压直流电经储能模块、中频逆变模块、电缆收放模块输出中频电给飞机供电；
3）电网恢复时工作状态：
380V三相市电恢复正常，储能模块进行充电，能量传递过程为：380V三相市电一方面经输入整流模块、中频逆变模块、电缆收放模块输出中频电给飞机供电，另一方面经输入整流模块给储能模块进行充电，直至充满。
所述输入断路器前端与三相市电U、V、W相连，接地点与市电PE接地线相连；
所述输入断路器后端与输入LC滤波单元相连；
所述的输入LC滤波单元包括输入三相电感L1、滤波电容C8、C9、C10；
所述滤波电容C8、C9、C10一端连接三相电感L1的输出，另一端与PE连接；
所述输入LC滤波单元的输出端与所述输入整流桥连接。
所述的输入整流桥包括整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，母线电容C1、C11，均压电阻R1、R2；
所述输入整流桥的输出端与所述储能模块的DC+、DC-端连接。
所述储能模块包括保护熔断器F1，储能电容组Cc1、Cc2……Ccn，均压电阻Rc1、Rc2，充电控制电阻Rc3，放电控制二极管Dc1；
所述储能模块的DC+、DC-端与所述中频逆变模块的输入端连接。
所述的储能电容组包括n个储能电容，n为偶数，其中Cc1、Cc3……Cc(n-1)并联，Cc2、Cc4……Ccn并联，两组并联的电容组再串联；
所述的n个储能电容为电容类型、耐压、容量等参数完全相同的n个电容，每个电容的耐压值不低于400V；
所述的n个储能电容其数量n由飞机地面静变电源输出功率、要求能够抗闪断的时间以及每个储能电容的容量决定。
所述的中频逆变模块包括由IGBT模块Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12组成的三个逆变H桥，三相一体中频变压器T1，由C12、C13、C14组成的星形滤波电路；
其中，三个逆变H桥与所述三相一体中频变压器T1的三相输入端连接，所述三相一体中频变压器T1的输出端与三个电容C12、C13、C14组成的星形滤波电路连接；
所述中频逆变模块通过输出电缆与所述电缆收放模块连接。
所述IGBT模块的控制采用数字化SPWM方式控制，控制器件为FPGA。
所述的电缆收放模块包括电机、电缆卷筒、专用电缆及航空插头，其中所述电机与所述电缆卷筒连接，可带动卷筒旋转；
所述电缆卷筒通过旋转将所述专用电缆均匀排列在卷筒表面，所述卷筒表面存在电缆导槽，电缆在其表面单层分布，可容纳最多达42米专用电缆；
所述专用电缆为中频专用电缆，末端与航空插头连接，航空插头为标准民航客机专用插头，适配所有型号民航客机。
所述防闪断飞机地面静变电源的主体结构包含M1、M2、M3三个独立箱体，其中M1为输入整流模块和中频逆变模块，M2为储能模块，M3为电缆收放模块，三个箱体结构连接为一个整体。
与现有技术相比，本发明一种防闪断飞机地面静变电源具有以下突出的有益效果：
本发明集合电源变换、防闪断和电缆收放三大功能于一体，每个功能模块化设计，易于快速更换。整体结构一体化设计，集成度高，相较于传统飞机地面静变电源，具有体积小，重量轻，易于安装，方便维保等优势。
当电网发生闪断时，本发明能够通过储能模块维持飞机地面静变电源稳定输出一段时间，并坚持到电网恢复正常，此期间飞机地面静变电源可以正常提供飞机检测用电，有效保障飞机不受电网闪断影响，完美解决电网闪断造成飞机供电中断问题。
附图说明
图1是本发明一种防闪断飞机地面静变电源拓扑图；
图2是本发明一种防闪断飞机地面静变电源的储能模块原理图；
图3是本发明一种防闪断飞机地面静变电源电缆卷筒结构图；
图4是本发明一种防闪断飞机地面静变电源结构示意图；
图5是本发明一种防闪断飞机地面静变电源正常供电时能量传递图；
图6是本发明一种防闪断飞机地面静变电源闪断发生时能量传递图；
图7是本发明一种防闪断飞机地面静变电源供电恢复时能量传递图；
图8是本发明一种防闪断飞机地面静变电源母线电压监控保护图；
图9是本发明一种防闪断飞机地面静变电源模拟闪断过程的实测波形图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种防闪断飞机地面静变电源，如图1所示，包括：输入整流模块、储能模块、中频逆变模块、电缆收放模块。其中：
整流模块包括输入断路器K1、输入LC滤波单元、输入整流桥。输入LC滤波单元包括输入电感L1、滤波电容C8、C9、C10。 输入整流桥包括整流二极管D1~D6、母线电容C1、C11、均压电阻R1、R2。
储能模块包含若干储能电容、充放电控制电路及保护电路。如图2所示，储能模块包括保护熔断器F1，储能电容组Cc1、Cc2……Ccn，均压电阻Rc1、Rc2，充电控制电阻Rc3，放电控制二极管Dc1。
中频逆变模块包括由IGBT模块组成的三相全桥逆变单元、中频变压器、输出滤波单元。包括由IGBT模块Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12组成的三个逆变H桥、三相一体中频变压器T1、由C12、C13、C14组成的星形滤波。
电缆收放模块包括电机、电缆卷筒、专用电缆及航空插头。
市电输入与输入断路器K1连接，K1后端与输入电感L1连接，L1与D1~D6组成的整流桥中点连接，C8、C9、C10两端分别与L1输出和大地连接。母线电容C1与C11串联，均压电阻R1与R2串联，两组串联中点连接，两组串联两端与整流桥输出连接，并与储能模块的DC+与DC-连接。储能模块的DC+与DC-还与IGBT Q1~Q12组成的逆变全桥母线连接，逆变全桥桥臂中点与中频变压器T1三个原边绕组连接。中频变压器T1副边连接输出A、B、C、N。输出滤波电容C12、C13、C14两端分别连接到输出三相A、B、C与N之间。输出A、B、C、N与专用电缆连接，专用电缆另一端与航空插头连接。电缆依靠电缆卷筒进行收放操作，电缆卷筒的转动依靠电机提供动力。
如图3所示，电缆卷筒表面设计均匀的螺旋导槽，导槽间距比专用电缆外径稍大，以保证使电缆均匀排列。导槽高度与专用电缆直径相等，电缆在卷筒表面单层分布。
一种防闪断飞机地面静变电源，如图4所示，主体结构包含M1、M2、M3三部分，从外观看为三个独立箱体，M1为输入整流模块和中频逆变模块，M2为储能模块，M3为电缆收放模块。主体结构包含的M1、M2、M3三部分，三个箱体结构连接为一个整体。采用螺栓连接，连接缝隙处有防水胶条，密封设计。主体结构满足IP55防护等级。
如图2所示，储能模块储存的电能为市电三相380V经过输入整流模块后的高压直流电。储能模块的储能电容组包括n个储能电容，n为偶数，其中Cc1、Cc3……Cc(n-1)并联，Cc2、Cc4……Ccn并联，两组并联的电容组再串联。n个储能电容为电容类型、耐压、容量等参数完全相同的n个电容，每个电容的耐压值不低于400V。n个储能电容其数量n由飞机地面静变电源输出功率、要求能够抗闪断的时间以及每个储能电容的容量决定。具体计算方法如下：
当电网闪断发生时，需要储能电容提供的能量为：
Figure 193175DEST_PATH_IMAGE001
P—飞机地面静变电源当前输出功率
T—电网闪断时间
当发生电网闪断时，储能电容允许的电压下降终值需要不小于维持飞机地面静变电源正常输出需要的最小母线值，则储能电容需要释放的能量为：
Figure 431259DEST_PATH_IMAGE002
C—储能电容总容值
Uo—初始母线电压值
Uf—维持飞机地面静变电源正常输出需要的最小母线电压值
在电网闪断期间，飞机地面静变电源输出能量等于储能电容释放能量，即：
Figure 475264DEST_PATH_IMAGE003
即：
Figure 965151DEST_PATH_IMAGE004
根据上述公式，可以获得电网闪断时间与电容容量、电源输出功率之间的关系。其中，当电网电压为标准三相380V时，飞机地面静变电源正常工作初始母线电压值Uo约为535V，飞机地面静变电源在额定输出电压115V情况下，维持飞机地面静变电源正常输出需要的最小母线电压值Uf约为320V。将Uo、Uf带入上式可得：
Figure 620123DEST_PATH_IMAGE005
由上式可以根据飞机实际用电功率和需要的防电网闪断时间确定出匹配的储能电容总容量，可以得出如下电容容量配置表格：
Figure 638895DEST_PATH_IMAGE006
根据电容容量配置表格确定电容总容量，选择合适的单体电容，确定容值C1，需要的储能电容数量n为：
Figure 644897DEST_PATH_IMAGE007
C—储能电容总容值
C1—单个储能电容容值
如图2所示，电阻Rc3用于限制储能电容充电电流，保证充电过程平滑缓慢；放电二极管Dc1，与充电电阻Rc3并联，用于储能模块向飞机地面静变电源母线释放电流，保证放电过程及时迅速。
如图2所示，熔断器F1额定电流要大于瞬时充电电流和瞬时放电电流最大值的1.5倍。
瞬时充电电流计算方法：
Figure 141737DEST_PATH_IMAGE008
UO—充电电压；
Uf—初始电容电压；
瞬时放电电流计算方法：
Figure 916795DEST_PATH_IMAGE009
UDC—母线电压；
RL—母线等效负载；
熔断器额定电流IE≥1.5*MAX（IC，IF）。
电阻Rc3额定功率要大于最大瞬时充电功率的三十分之一。最大瞬时充电功率计算方法：
Figure 575310DEST_PATH_IMAGE010
UO—充电电压；
Uf—初始电容电压；
电阻Rc3额定功率PRc3=1/30*Pmax。
放电二极管Dc1额定电流大于最大瞬时放电电流IFmax，反向耐压大于1.5倍母线电压。
为了保证储能模块正常工作，飞机地面静变电源需要具有母线电压监控和保护功能，当电网闪断时间过长导致储能模块能量已消耗殆尽，无法提供飞机地面静变电源正常输出需要的母线电压值时，飞机地面静变电源需要停止输出，以保护后端飞机负载。监控模块需要迅速准确，如图8所示，当电网闪断发生时，母线电压从470V下降至约330V时，监控模块进行保护，飞机地面静变电源停止输出，母线电压不再下降。
一种防闪断飞机地面静变电源在实际使用时有三种工作状态：
电网正常时工作状态：
如图5所示，此时储能模块处于满能量状态，随时等待激活，能量传递过程为：市电三相380V经输入整流模块、中频逆变模块、电缆收放模块输出中频电给飞机供电。
闪断发生时工作状态：
如图6所示，当电网发生闪断时，市电三相380V消失，储能模块激活，开始工作。能量传递过程为：存储的高压直流电经储能模块、中频逆变模块、电缆收放模块输出中频电给飞机供电。
电网恢复时工作状态：
如图7所示，市电三相380V恢复正常，储能模块进行充电，能量传递过程为：市电三相380V一方面经输入整流模块、中频逆变模块、电缆收放模块输出中频电给飞机供电，另一方面经输入整流模块给储能模块进行充电，直至充满。
实施例2
以一款输出功率90kva，要求能够防电网闪断时间不低于100ms的防闪断飞机地面静变电源设计为例。
计算储能电容数量，根据电容容量配置表格确定电容总容量为187500uF。单体储能电容选择铝电解电容，容值参数为15000uF，额定电压为400VDC。根据公式计算电容数量n：
Figure 271870DEST_PATH_IMAGE011
计算熔断器额定电流：
瞬时充电电流：
Figure 431456DEST_PATH_IMAGE012
瞬时放电电流：
Figure 467545DEST_PATH_IMAGE013
熔断器额定电流：IE≥1.5*MAX（IC，IF）即IE≥251A
计算充电电阻功率：
充电最大功率：
Figure 421595DEST_PATH_IMAGE014
电阻Rc3额定功率：PRc3=1/30*Pmax=7155/ 30=238W
计算放电二极管电流：不小于瞬时放电最大电流167.2A。
为验证本发明的有效性，制作试验样机测试防闪断性能，如图9所示，电网闪断时间为100ms，飞机地面静变电源在闪断过程中仍能够正常稳定提供中频输出，且在闪断前后均未出现输出供电异常。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，所述防闪断飞机地面静变电源的结构包括输入整流模块、储能模块、中频逆变模块，其中：
所述输入整流模块包括输入断路器、输入LC滤波单元、输入整流桥；
所述储能模块包含若干储能电容、充放电控制电路及保护电路；
所述中频逆变模块包括由IGBT模块组成的三相全桥逆变单元、中频变压器、输出滤波单元。
2.根据权利要求1所述的一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，所述防闪断飞机地面静变电源的结构还包括电缆收放模块；
所述电缆收放模块包括电机、电缆卷筒、专用电缆及航空插头。
3.根据权利要求2所述的一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，所述防闪断飞机地面静变电源的工作过程如下：
1）电网正常时工作状态：
此时储能模块处于满能量状态，随时等待激活，能量传递过程为：380V三相市电经输入整流模块、中频逆变模块、电缆收放模块输出中频电给飞机供电；
2）闪断发生时工作状态：
当电网发生闪断时，380V三相市电消失，储能模块激活，开始工作，能量传递过程为：存储的高压直流电经储能模块、中频逆变模块、电缆收放模块输出中频电给飞机供电；
3）电网恢复时工作状态：
380V三相市电恢复正常，储能模块进行充电，能量传递过程为：380V三相
市电一方面经输入整流模块、中频逆变模块、电缆收放模块输出中频电给飞机供电，另一方面经输入整流模块给储能模块进行充电，直至充满。
4.根据权利要求3所述的一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，
所述输入断路器前端与三相市电U、V、W相连，接地点与市电PE接地线相连；
所述输入断路器后端与输入LC滤波单元相连；
所述的输入LC滤波单元包括输入三相电感L1、滤波电容C8、C9、C10；
所述滤波电容C8、C9、C10一端连接三相电感L1的输出，另一端与PE连接；
所述输入LC滤波单元的输出端与所述输入整流桥连接。
5.根据权利要求4所述的一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，
所述的输入整流桥包括整流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，母线电容C1、C11，均压电阻R1、R2；
所述输入整流桥的输出端与所述储能模块的DC+、DC-端连接。
6.根据权利要求5所述的一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，
所述储能模块包括保护熔断器F1，储能电容组Cc1、Cc2……Ccn，均压电阻Rc1、Rc2，充电控制电阻Rc3，放电控制二极管Dc1；
所述储能模块的DC+、DC-端与所述中频逆变模块的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，
所述的储能电容组包括n个储能电容，n为偶数，其中Cc1、Cc3……Cc(n-1)并联，Cc2、Cc4……Ccn并联，两组并联的电容组再串联；
所述的n个储能电容为电容类型、耐压、容量参数完全相同的n个电容，每个电容的耐压值不低于400V；
所述的n个储能电容其数量n由飞机地面静变电源输出功率、要求能够抗闪
断的时间以及每个储能电容的容量决定。
8.根据权利要求7所述的一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，
所述的中频逆变模块包括由IGBT模块Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12组成的三个逆变H桥，三相一体中频变压器T1，由C12、C13、C14组成的星形滤波电路；
其中，三个逆变H桥与所述三相一体中频变压器T1的三相输入端连接，所述三相一体中频变压器T1的输出端与三个电容C12、C13、C14组成的星形滤波电路连接；
所述中频逆变模块通过输出电缆与所述电缆收放模块连接。
9.根据权利要求8所述的一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，
所述的电缆收放模块包括电机、电缆卷筒、专用电缆及航空插头，其中所述电机与所述电缆卷筒连接，可带动卷筒旋转；
所述电缆卷筒通过旋转将所述专用电缆均匀排列在卷筒表面；
所述专用电缆为中频专用电缆。
10.根据权利要求9所述的一种防闪断飞机地面静变电源，其特征在于，
所述防闪断飞机地面静变电源的主体结构包含M1、M2、M3三个独立箱体，其中M1为输入整流模块和中频逆变模块，M2为储能模块，M3为电缆收放模块，三个箱体结构连接为一个整体。
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