CN202333829U

CN202333829U - 一种用于400Hz中频电源的动态电压恢复器

Info

Publication number: CN202333829U
Application number: CN2011205102427U
Authority: CN
Inventors: 宋璟毓; 姜广文; 张鋆; 高飞; 陈浩; 朱达书; 魏丹; 赵辉; 张泽帮; 许涛
Original assignee: Ship System Engineering Department China State Shipbuilding Corp
Current assignee: Ship System Engineering Department China State Shipbuilding Corp; CSSC Systems Engineering Research Institute
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2021-12-09

Abstract

本实用新型提出了一种用于400Hz中频电源的动态电压恢复器，包括18脉冲整流器、逆变电路、串联变压器以及DVR检测与控制电路，DVR逆变电路包括三个并联的单相全桥电路，18脉冲整流器输出的直流输入到直流侧电容，直流侧电容的一端连接第一开关管的漏极和第三开关管的漏极，直流侧电容的另一端连接第二开关管的源极和第四开关管的源极，单相全桥电路的第一桥臂和第二桥臂的中点连接到逆变单元低通滤波器；逆变单元低通滤波器的输出与串联变压器原边相连，串联变压器串联接入三相主电路中的一相。本实用新型只需要补偿系统电压中的电缆压降，无需承担负荷所需的全部电压，DVR的容量小，仅为负荷容量的1/5～1/3。

Description

一种用于400Hz中频电源的动态电压恢复器

技术领域

本实用新型涉及一种动态电压恢复器，特别涉及一种用于400Hz中频电源的动态电压恢复器。

背景技术

随着航空技术的全面发展，先进飞机正朝着多电、全电方向发展，机载电子用电设备迅速增加。为了满足飞机内部用电设备的地面检查、维护和发动机启动需求，需要机场向飞机提供400Hz三相交流电源。初期使用的带有柴油发动机的交流电源车笨重、噪声大，且供电特性往往满足不了要求；随后研制出的以航空静止变流器为核心技术的交流电源车改善了柴油发动机电源车的缺点，体积变小，噪音降低，具有完全无排放的优点。这种电源车供电方式虽然有灵活机动的特点，但是需要大量的人员用于对车辆的日常维护和现场运行管理，而且运行成本较高。为了实现现代机场综合地面保障能力，必须提供快速可靠的供油、供电保障。在该要求下，直线加电系统日益得到人们的重视。直线加电系统终端一般接设在机位附近，能够使飞机随时获得必要的电力供给而无需其他人员的保障，从而大大提高了保障能力，减轻了机务人员的工作强度，而且其运行费用很低。

直线加电系统主要由工频配电系统、中频机组、中频配电系统以及若干加电井组成。工频配电系统就是常规的380V/50Hz电源系统，直线加电所需的低压工频可由附近设施直接获得，或者经本站变压器直接降压获得，其设计原则与一般的配电系统相同。中频机组是直线加电系统的核心，它将工频380V/50Hz电源经过一系列的转化，变成中115V/400Hz标准机用电源。中频配电系统的作用是把中频电源根据需要分配到各加电井，系统中包含了大量长距离的配电电缆。加电井的位置在飞机加电口附近，一机一井，电缆直接放在井内。由于电源频率较高，电缆上的压降较明显，电缆末端电压容易超出指标要求范围，从而导致飞机负载无法正常工作。特别是在飞机处于突加、突卸工况时，中频机组公共连接点处的瞬态电压相应出现较大幅度的下降、上升，从而影响其他飞机负载的正常工作。

为了解决上述问题，可以选用专用的中频电缆，以减小电缆的单位长度阻抗，从而避免负载电压的大幅度波动；也可以使中频机组输出较高幅值的电压，减少线缆损耗，再从负荷侧通过变压器降压获得飞机负载需要的合格电源。这两种解决方法不能彻底解决电缆压降问题，只能在一定程度上进行缓解。

另外，也可以通过在负载侧加装一个UPS来实现供电冗余，如果供电电压超出飞机负载用电指标，就切断输入电压，转由UPS供电。这种方案可以完全消除电缆压降的影响，但此时UPS是一种全功率变换器，成本较高。

采取电缆压降补偿是一种常用的方法，通过辨认电缆参数、检测瞬态负载大小和性质，实时调节50Hz/400Hz变换器的参考电压的方式来满足负载供电要求。这种方式需要进行复杂的计算，工程实用困难，且不适应一台电源向多架飞机供电的需求。

动态电压恢复器(简称DVR)是一种串联在电源与敏感负载之间的电能质量控制装置。动态电压恢复器能够在电网电压发生突变时快速输出补偿电压，将敏感负载侧电压恢复到正常电压值，是目前解决电压暂降问题最经济有效的一种电力电子装置。但是，目前对DVR的研究和应用主要集中在50Hz电力系统，还没有应用到400Hz系统。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提出了一种用于400Hz中频电源的动态电压恢复器，其特征在于包括18脉冲整流器、DVR逆变电路、串联变压器以及DVR检测与控制电路，DVR逆变电路包括三个并联的单相全桥电路，所述三个单相全桥电路结构相同，分别对应A、B、C三相，即A相全桥电路、B相全桥电路、C相全桥电路，单相全桥电路包括直流侧电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极形成第一桥臂，第三开关管的源极连接第四开关管的漏极形成第二桥臂，18脉冲整流器输出的直流输入到直流侧电容，直流侧电容的一端连接第一开关管的漏极和第三开关管的漏极，直流侧电容的另一端连接第二开关管的源极和第四开关管的源极，单相全桥电路的第一桥臂和第二桥臂的中点连接到逆变单元低通滤波器；逆变单元低通滤波器的输出与串联变压器原边相连，串联变压器串联接入三相主电路中的一相。

所述单相全桥电路采取6管合一IGBT模块FS75R06KE3，该模块第一个桥臂作为直流电压保护，第二、三个桥臂作为DVR逆变电路的单相全桥电路。

所述逆变单元低通滤波器采用LC二阶低通滤波器。

本实用新型专门针对400Hz中频电力系统设计，相比全功率的UPS，本实用新型只需要补偿系统电压中的电缆压降，无需承担负荷所需的全部电压，DVR的容量可以比较小，通常为负荷容量的1/5至1/3，因此造价可大幅下降。另外，相比其他复杂的实现方法，DVR在工程上实现也比较简单。

附图说明

图1是本实用新型用于400Hz中频电源的动态电压恢复器结构框图

图2是本实用新型隔离降压变压器绕组示意图

图3是本实用新型18脉冲整流器电路图

图4是本实用新型自耦变压器电压矢量图

图5是本实用新型DVR逆变电路的A相全桥电路的示意图

图6是本实用新型单相全桥电路的具体实现。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型用于400Hz中频电源的动态电压恢复器做进一步的描述。例。

本实用新型用于400Hz中频电源的动态电压恢复器的结构如图1所示，400Hz中频电源提供的400Hz三相三线交流电通过降压变压器后，变换为400Hz的三相四线交流电，然后通过虚框内的动态电压恢复器调节补偿后，输出稳定的400Hz的交流电到飞机负载。从图1中可以看出，中频供电负载主要由隔离降压变压器和400HzDVR组成。由于400Hz中频电源是390V±15％/400Hz三相三线交流电，负载需要电压为115V/400Hz的三相四线交流电，因此需要采用隔离变压器来实现降压。同时因为400HzDVR采用的是一个能量单向流动的主电路拓扑，它不能从负载端吸收能量，即只能补偿电压暂降，不能补偿电压的暂升。因此，该变压器的变比设置为390∶100，“△-Y”型，如图2所示。当输入线电压达到上限值即390V+15％时，副边电压为100V+15％＝115V，这样对于DVR就不会出现电压暂升的情况。

400HzDVR包括18脉冲整流器、DVR逆变电路、串联变压器以及DVR检测与控制电路。电网侧整流器从降压变压器的副边获得能量，将100V±15％/400Hz交流电整流得到直流电，供给后级DVR逆变电路使用。为了减少电网侧整流器的谐波，采用了多脉冲整流技术即18脉冲整流器，它通过增加整流的脉冲数来减少输入电流中的谐波含量。18脉冲整流器如图3所示，自耦变压器原边绕组三角形联结于隔离降压变压器副边，两个副边绕组用于产生两组辅三相电压。三组三相电压分别与主整流桥和两个辅整流桥相连，整流桥输出直接并联到直流母线。

图4为自耦变压器电压矢量图。自耦变压器产生的三组三相电压中，其中主三相电压(v_a，v_b，v_c)与输入电压幅值相位相同，另外两组辅三相电压(v_a’，v_b’，v_c’)与(v_a”，v_b”，v_c”)分别滞后与超前于输入电压37°，相电压幅值为输入相电压幅值的0.767倍。矢量合成后的线电压幅值均相等，相位依次相差20°。

DVR逆变电路包括三个并联的单相全桥电路。这三个单相全桥电路结构相同，分别对应A、B、C三相，即A相全桥电路、B相全桥电路、C相全桥电路。三相电压独立补偿，三相之间除输入并联外没有任何公共点连接。每相补偿电压的输出可以为±Vdc/2、0三种状态。开关管的电压应力为Vdc。独立单相全桥式DVR结构清晰，控制方法同普通单相全桥电路，易于工程实现。

DVR逆变电路还包括逆变单元低通滤波器。由于逆变桥的输出为一系列的高频矩形波，其中不仅包括400Hz的中频电压分量，还包括同开关频率及其倍数次的高频谐波，要得到其中的400Hz电压，逆变单元低通滤波器可采用LC二阶低通滤波器，由电感、电容组成。

DVR逆变电路的A相全桥电路如图5所示，在该电路拓扑中，A相全桥电路包括直流侧电容、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极形成第一桥臂，第三开关管的源极连接第四开关管的漏极形成第二桥臂，直流侧电容的一端连接第一开关管的漏极和第三开关管的漏极，直流测电容的另一端连接第二开关管的源极和第四开关管的源极。18脉冲整流器输出的直流输入到直流侧电容。全桥电路的输出与逆变单元低通滤波器相连，从第一桥臂和第二桥臂的中点输出，连接到电感La、电容Ca。逆变单元低通滤波器的输出与串联变压器原边相连，也就是电容Ca与串联变压器并联。串联变压器串联接入三相主电路中的一相。

单相全桥电路选取英飞凌公司的六管合一IGBT模块FS75R06KE3。该模块内部集成六个带反向二极管的IGBT，每个功率管的电压定额为600V，在环境温度为70℃时，电流定额为75A。该模块第一个桥臂作为直流电压保护，第二、三个桥臂作为DVR逆变电路的单相全桥电路。如图6所示，若直流侧电压超过电压上限，Q2闭合，直流电压通过电阻释放能量，若直流侧电压低于电压下限，Q2断开，不形成回路。

串联变压器起到电气隔离、补偿电压匹配和传递功率的作用。因为18脉冲整流器能够提供的直流电压范围为：(100V±15％)×3×1.35即200～270V，若逆变单元最大工作调制比m设定为0.95，那么逆变器最大输出电压为135V。同时，DVR需要补偿的最大电压为115V-85V＝30V。因此可以将串联变压器的变比设置为135∶30。DVR最大补偿总功率为7.83kVA，因此串联变压器容量为7.83/3＝2.61kVA。

DVR检测与控制电路包括电压检测与调理电路和DSP控制部分。电压检测与调理电路主要检测隔离变压器副边电压与负载电压，隔离变压器副边电压信号由一个隔离检测变压器提供，设置一定的输入输出变比即可实现电压隔离与幅值的调理。负载电压需要较为精确的计算，因此选用莱姆电子有限公司(LEM)的电压传感器LV28-P。DSP控制部分采用DSP作为微处理器来控制中频供电负载终端的运行。DSP主控芯片采用美国德州仪器公司(TI)生产的TMS320LF2407A。

Claims

1.一种用于400Hz中频电源的动态电压恢复器，其特征在于包括18脉冲整流器、DVR逆变电路、串联变压器以及DVR检测与控制电路，DVR逆变电路包括三个并联的单相全桥电路，所述三个单相全桥电路结构相同，分别对应A、B、C三相，即A相全桥电路、B相全桥电路、C相全桥电路，单相全桥电路包括直流侧电容、第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)和第四开关管(Q4)，第一开关管(Q1)的源极连接第二开关管(Q2)的漏极形成第一桥臂，第三开关管(Q3)的源极连接第四开关管(Q4)的漏极形成第二桥臂，18脉冲整流器输出的直流输入到直流侧电容，直流侧电容的一端连接第一开关管的漏极和第三开关管的漏极，直流侧电容的另一端连接第二开关管的源极和第四开关管的源极，单相全桥电路的第一桥臂和第二桥臂的中点连接到逆变单元低通滤波器；逆变单元低通滤波器的输出与串联变压器原边相连，串联变压器串联接入三相主电路中的一相。

2.根据权利要求1所述的用于400Hz中频电源的动态电压恢复器，其特征在于单相全桥电路采取6管合一IGBT模块FS75R06KE3，该模块第一个桥臂作为直流电压保护，第二、三个桥臂作为DVR逆变电路的单相全桥电路。

3.根据权利要求1所述的用于400Hz中频电源的动态电压恢复器，其特征在于逆变单元低通滤波器采用LC二阶低通滤波器。