船用靜變式電源裝置的設計與實現

景 鵬，楊洪軍

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船用靜變式電源裝置的設計與實現

景 鵬1，楊洪軍2

（1.中國人民解放軍第4328工廠技術處，山西長治046011；2.艾諾儀器公司，山東濟南250101）

研制了一款船用靜變電源裝置。產品采用新一代高性能FPGA處理器實現純數字化控制及十二脈沖整流技術，在設計中充分考慮船舶的工作環境和電磁環境，重點針對電源進行抗損減震、三防防護和電磁兼容性設計，具有環境適應性強，波形失真度低，動態響應速度快，輸出電壓穩定的特點。

船用靜變電源 十二脈沖整流技術 抗損減震 三防防護 電磁兼容

0 引言

靜變電源是隨著現代電力電子技術的飛速發展而產生的第二代航空供電電源，主要用于機場飛機和機載設備的啟動和通電檢查，具有高可靠性、高供電品質和無污染等特點。其工作原理是利用逆變技術將50Hz、230／400V輸入電源逆變為400Hz、115／200V高品質交流電源或變換為28V直流電源供飛機和機載設備使用[1]。

歐美等西方先進國家從上世紀70年代起，就在航空供電領域開始應用靜變電源，目前已達到廣泛應用的階段。國內靜變電源的研究和應用發展也取得了不小的進步，并且在我軍新裝備機場中得到實際應用，能充分保證機場飛機和機載設備地面通電檢查所需交、直流電源的供電品質，取得了十分明顯的效益。

本電源充分考慮船舶的工作環境和電磁環境，嚴格按照有關標準和技術指標進行設計和研制，采用功能強大、抗干擾能力強的新一代高性能FPGA處理器實現純數字化控制及十二脈沖整流技術。重點針對電源為適應海洋環境條件和船舶工作環境而進行減震設計和三防防護，具備超寬（-40～+60℃）工作溫度范圍，防護等級達IP55，是一款技術先進的船用高端靜變電源。

1 系統功能組成、工作原理及接口要求

1.1 功能組成

船用靜變電源裝置包括直流電源裝置和中頻電源裝置，直流電源裝置提供28.5V直流電源，中頻電源裝置提供3相115V/400Hz電源。直流電源裝置包括直流電源，接口裝置及直流電纜組件（含卷盤）。中頻電源裝置包括中頻電源，接口裝置及中頻電纜組件（含卷盤），具體組成見表1。

1.2 工作原理

船舶主電網的50Hz、380V電力輸入直流電源，經過輸入整流濾波、逆變、降壓、再次整流等環節后向接口裝置輸出直流電力。主電網的50Hz、380V電力輸入中頻電源，經過輸入整流濾波、逆變、降壓等環節后向接口裝置輸出中頻電力。最后通過接口裝置向船上用電設備供電。

1.3 接口要求

船用靜變電源裝置的基本接口關系示意圖如圖1所示。

2 系統設計原理

2.1 直流電源設計原理

主電網的380V/50Hz電力輸入直流電源，通過濾波板、三相輸入電感、濾波電容構成π型濾波，通過濾波后得到質量較高的正弦波形，經移相電抗器將三相輸入分出6相，進入輸入整流模塊。通過整流濾波后得到高壓直流電。再經過DC/AC模塊輸出PWM脈寬電壓，通過變壓器和輸出整流濾波得到穩定直流電壓電壓。通過中央處理器可以控制電源的輸出，以得到所需電壓。按鍵顯示模塊方便用戶操作和使用，通信模塊可實現與船上指揮管理設施之間的信息交互。其原理框圖如圖2所示。其主電路分為輸入濾波，輸入整流，DC/AC模塊，輸出變壓器，輸出整流、輸出濾波模塊。

2.2 中頻電源設計原理

主電網的380V/50Hz電力輸入中頻電源，經過輸入濾波、十二脈沖整流電路，濾波后得到平滑穩定的母線電壓，并可以有效降低整流中的5、7次諧波。再經過輸入電感抑制后，源電流諧波含量可控制在8.5%以內，輸入功率因數可達到0.96。中頻交流電源逆變部分采用三相H橋方式，經過三相一體變壓器輸出，變壓器漏感與輸出濾波電容組合成LC濾波器，將三相SPWM電壓濾波后輸出優質的正弦電壓。其原理框圖如圖3所示。整機主回路分為輸入濾波，十二脈沖整流，DC/AC模塊，輸出變壓器，輸出濾波五部分。

2.3 控制器設計原理

電源采用純數字控制器，模擬器件少，具有高可靠性、穩定性。電源主控制采用FPGA實現，應用最先進的SPWM控制技術實現。控制器響應時間短，控制速度快，在額定功率加減載的情況下，可在10ms內完成環路控制，穩定輸出電壓。系統軟件均基于FPGA實現，采用分布式控制方式。FPGA內部軟件分為兩部分，即硬核程序和軟核程序。其中軟核程序運行以硬核為基礎實現，軟核主要實現操作控制、設置、通信、采樣運算、保護功能等；硬核主要包括時鐘產生、采樣控制、Nios軟核框架、控制器以及各種接口連接等。其整體框架體系如圖4所示。軟核采用的C++的面向對象方法。硬核主要采用VHDL語言編程實現。其中采樣控制、控制器、SPWM波形驅動均在硬核中完成。通過電壓互感器、電流互感器以及采集電路將電壓電流采集為相應數字量，經過數字控制器輸出合適的SPWM信號，確保輸出電壓穩定。

3 結構設計

直流電源與中頻電源采用相同規格的機箱，外形尺寸完全一致，整體外形如圖5所示。整機結構分為三個部分，分別隔離放置在獨立的腔體內，分為前腔體、下腔體、上腔體。

3.1 電源前腔體

前腔主要包括輸入斷路器，輸出接線銅排，輸入濾波板、吸收板、主控板、系統供電電源等。布局如圖6所示。

3.2 電源下腔體和上腔體

下腔體主要包括輸出變壓器、移相電抗器、三相輸入電感、輸出濾波電容。

上腔體為模組部分，包括輸入整流模塊、DC/AC逆變模塊、輸出整流模塊（直流特有）。模組主要由IGBT、整流二極管、電解電容、驅動板、散熱器等組成。如圖7所示。

4 環境適應性設計

本電源在設計中充分考慮船舶的工作環境和電磁環境，重點針對電源為適應海洋環境條件和船舶工作環境而進行環境適應性設計。

1）環境溫度適應性設計

a) 所有進口電子器件均選用工業級以上等級器件，國產器件選用軍級以上器件。b) 功率器件設計容量均有一定余量，在高溫環境中能夠可靠運行。c) 熱設計中風量選用均采用1.5倍設計余量以上，可在高溫環境下可靠工作。

2） 三防設計

三防是指防潮濕、防鹽霧、防霉菌。產品在設計制造過程中采用符合相關標準要求的通用的、成熟的三防技術：a) 設備中材料、電氣元器件、零件的選用，滿足船用環境下的三防設計要求及使用環境要求。b) 印制板三防采用航天工業常用的三防漆進行三防處理。c) 材料主要選用A3鋼、45#鋼、銅、鋁合金、不銹鋼等，并應用噴塑、鈍化、鍍銀等進行防腐處理。d) 金屬器件采用底漆、面漆雙層防護，防止銹蝕。底板采用鋁合金材料設計，防止積水生銹。

3） 抗沖擊減震設計

4） 防塵、防雨、防進水設計

5）噪聲兼容性設計

6）電磁兼容性設計

5 結束語

本船用靜變電源裝置面向船舶用電設備的發展需求，在滿足其使用要求、安全保障前提下，貫徹通用化、模塊化、標準化的設計原則，嚴格按照有關標準和技術指標進行設計和研制。在設計中充分考慮船舶的工作環境和電磁環境，重點針對電源為適應海洋環境條件和船舶工作環境而進行減震設計、三防防護以及電磁兼容性設計。能夠適應船舶供電工作環境，具備即開即用的供電能力，適應性高，電力變換效率高，輸出電壓穩定，品質好，當負載變化時，瞬態特性幅值小，恢復快等優點，是一款技術先進的船用高端靜變電源，具有良好的經濟和社會效益。

參考文獻：

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Design and Implementation of Marine Static Variable Power Unit

Jing Peng1, Yang Hongjun2

(1. Technology Department, The 4328th Factory, Changzhi 046000, Shanxi, China; 2.Aino Instruments, Jinan 250101, Shandong, China)

TJ631.2

A

1003-4862（2016）11-0036-04

2016-06-15

景鵬（1982-），男，碩士研究生。研究方向：軍械裝備技術、航空四站技術。