30 kVA正弦波恒流助航調光器優化設計

張可貴，鐘 浪，董志強，柳 明，歐陽暉

30 kVA正弦波恒流助航調光器優化設計

張可貴1，鐘 浪1，董志強1，柳 明2，歐陽暉2

（1. 中國核工業二三建設有限公司，北京 101300；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064)

本文研究了一種AC-DC-AC型正弦波恒流助航調光器的主電路結構，并以30 kVA容量實驗樣機為研究對象，通過理論計算對電路中的主要參數進行了詳細設計。最后本文通過Matlab/Simulink仿真軟件對所設計電路的不同工作狀態進行了仿真，驗證了樣機設計的正確性和可行性。結果表明，所設計的調光器精度高，諧波含量低，滿足實際工作的性能指標。

AC-DC-AC 正弦波恒流控制 機場助航調光器 Matlab/Simulink

0 引言

助航燈光系統是機場重要的飛行安全級設備[1, 2]，用來引導飛機的進近、著陸和滑行。恒流調光器作為助航燈光系統中的供電系統，對燈光亮度的調節起著決定性的作用[3, 4]，是助航燈光系統中非常關鍵的設備。

傳統的恒流調光器是一種基于相控技術的晶閘管變流裝置[5]，該裝置網側和輸出側諧波含量高，電網電能質量較低[6, 7]，一方面加快了燈光回路電纜和隔離變壓器的老化速度，另一方面對燈光系統周圍的通訊設備造成嚴重干擾[8, 9]。新一代正弦波恒流調光器采用高速開關器件和數字控制技術[10]，能實現網側和輸出側電流正弦化，具有網側功率因數高，輸出波形諧波含量低，智能化程度高等優點[11-13]，是未來機場發展的必然趨勢。

1 恒流調光技術的發展趨勢

目前國內外機場現行使用的恒流調光器還是以傳統的晶閘管恒流調光器為主，但根據現在助航系統燈具LED燈的應用[14, 15]以及變流器的性能指標分析，新一代的正弦波恒流調光器必將是未來的發展趨勢。

從應用對象助航燈的發展上看，隨著節能低碳理念的深入，以及飛行保障對助航燈光系統安全穩定性能的要求，半導體發光二極管(LED)燈具與傳統的白熾燈、鹵鎢燈相比具有壽命長、節能高效、發光顏色多樣、體積小、適應環境廣以及便于控制等諸多優點，在國內外民航機場助航燈光系統中已得到推廣應用，并有逐步取代傳統鹵鎢燈的趨勢[16]。鑒于LED的半導體特性，以及對電流諧波的要求，現有的晶閘管調光器是不可行的，唯一的解決辦法就是與之匹配的正弦波恒流調光器[17]。

從性能指標上看，晶閘管恒流調光器是基于相控技術的變流裝置，其輸出中諧波含量很高，致使電網電能質量下降，同時加快了導線老化，并對燈光系統周圍的通訊等設備產生干擾，降低了機場系統運行的可靠性[18]。而采用高速開關器件的正弦波恒流調光器具有輸出波形品質好，諧波小，可延長助航燈具光源使用壽命；功率因數高、諧波小，無需專項電網治理；整體效率高，節省成本；噪音低，污染小；智能程度高、可靠性高、維修性好[19]，在性能上有明顯的優勢。

根據最新的調查，青島新機場以及北京新建的大興國際機場中明確指定調光器使用正弦波調光器，從中可以看到正弦波調光器將逐漸走進市場。

通過上面分析，機場調光器未來將是正弦波恒流調光器的方向，近年來國內外調光器廠家正在積極推進正弦波恒流調光器的研發。其中國外ADB Safegate公司走在前面，其研發的VIS系列、CRE系列的正弦波調光器采用了交-直-交拓撲結構，IDM 9000型正弦波調光器采用了交-交斬波結構。在國內最早研發正弦波調光器的廠家西安愛科，其在2009年研制的S1系列正弦波調光器采用了交-交斬波結構。國內調光器市場占比最大的大連電子所（大連宗益）也在2012年研制了自己的正弦波調光器CCR-2100S。

2 正弦波恒流調光器類型

現有的正弦波恒流調光器主電路主要采用AC-AC一級變換[20]和AC-DC-AC兩級變換的拓撲結構來實現，圖1（a）為AC-AC方案，圖1（b）為AC-DC-AC方案。

AC-AC電路的優點是結構簡單，無需直流母線電容；體積小，結構緊湊；只有一級變換，效率高。但其缺點是無自然續流通路，雖然可以構造自然續流通路，但增加了電路的復雜度，可靠性差。AC-DC-AC電路的優點是有自然續流通路，控制方案成熟，可靠性高。但其缺點是有兩級變換，損耗大，效率相對較低。

考慮到調光器是機場飛行安全級設備，對可靠性的要求很高，因此本文研究的正弦波恒流調光器選擇AC-DC-AC電路實現。

3 AC-DC-AC正弦波恒流調光器

本文研究的AC-DC-AC型正弦波恒流調光器的主電路拓撲結構如圖2所示，其前級為三電平BOOST-PFC整流電路，該電路實現整流的同時還具備功率因數校正功能。后級變換為H橋逆變電路，實現DC/AC變換和恒流控制功能。

圖2 三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調光器

采用三電平BOOST電路進行功率因數校正時，兩路開關器件的相差保持為180°。隨交流輸入電壓u瞬時值的變化，兩路開關器件的驅動有不同的模式，如圖3所示。

圖3 三電平BOOST-PFC電路驅動模態

圖3(a)中，輸入交流電壓整流值小于1/2的直流母線電壓時，兩路開關器件的驅動占空比大于0.5。兩組開關器件的驅動狀態對應主電路4種模態：其中Q1與Q2同時導通時，BOOST電感上的電壓為整流后輸入電壓；當Q1與Q2中只有一個導通時，BOOST電感上的電壓為整流后輸入電壓與1/2的直流母線電壓之差。

圖3(b)中，輸入交流電壓整流值大于1/2的直流母線電壓時，兩路開關器件的驅動占空比小于0.5。兩組開關器件的驅動狀態對應主電路4種模態：其中Q1與Q2中只有一個導通時，升壓電感上的電壓為整流后輸入電壓與1/2的直流母線電壓之差；當Q1與Q2中同時關斷時，兩個升壓電感上的總電壓為整流后輸入電壓與直流母線電壓之差。

4 30 kVA正弦調光器的參數設計

本文以30 kVA容量的正弦波恒流調光器為研究對象，通過理論計算對電路中主要的參數進行設計。所設計的調光器的交流輸入電壓有效值為U=380 V±10%，頻率=50 Hz，輸出電流有效值恒定o=6.6 A，額定輸出功率S=30 kVA。

1）直流母線電壓參數計算

圖2中交流輸入電壓最高為U=418 V，經不控整流后的峰值電壓為U=591 V，由于整流電路采用的是BOOST型PFC電路，其直流母線電壓將大于591 V。綜合考慮IGBT的效率、實用性與開關頻率等因素，直流母線電壓U=700 V。

2）直流母線電容參數計算

實際工程中要求調光器在開機后從空載到滿載的時間在1 s以內，即緩起需在1 s內完成。通過該條件計算母線電容。

由于調光器輸出控制采用的是電流有效值閉環控制，緩起時輸出電流有效值與緩起時間成正比，因此在負載一定的條件下輸出功率與緩起時間的平方呈正比，即：

限定在緩起結束時刻直流母線電壓為額定值的90%，假設在0.5 s的時間內負載所需能量的10%由母線電容提供，即：

將式(3)代入(4)得到母線電容為：

（3）不控整流橋參數計算

輸入端的4個整流二極管承受的最大反壓為：

當輸入電壓最低，整機效率=0.92，輸入功率因數PF=0.95，則輸入交流電流有效值為：

輸入整流二極管額定電流為：

（4）IGBT參數計算

IGBT關斷時，IGBT承受的最大反壓為直流母線電壓U的1/2，即：

IGBT開通時流過的電流即為輸入電感電流，因此流過IGBT的電流最大值為:

（5）續流二極管參數計算

當IGBT導通時，續流二極管承受的反壓為輸出電壓，即：

在IGBT關斷時，流過續流二極管的電流即為輸入電感電流，因此流過IGBT的電流最大值為：

續流二極管在輸入正弦電壓的整個周期內，在IGBT關斷時都流過電流。在一個工頻周期內，假設二極管一直流過電感電流，與上述電流發熱等效的正弦半波電流的平均值為：

因此可以選擇額定電壓600 V，額定電流200 A的IGBT。

（6）BOOST升壓電感參數計算

限定電感電流紋波最大值不超過輸入電流幅值的25%。

首先以圖3(a)對應的狀態計算電感值。在一個開關周期中兩個開關器件同時導通的時長均為：

在這段時間內電感電流紋波為：

根據BOOST電路輸出電壓與輸入電壓間的關系可得占空比表達式為：

將式(14)代入式(15)中：

式(15)中當輸入電壓絕對值為1/4的直流母線電壓值時，電感電流紋波最大。限定電感電流紋波為交流輸入電流額定幅值的25%，即：

求解上式可得電感值為：

在圖3(b)對應的模態中使用同樣的分析計算方法可知當輸入電壓絕對值為3/4的直流母線電壓值時，電感電流紋波最大，并且紋波最大值表達式與式(15)相同。因此依照限制電感電流紋波的判據計算出來的電感值也相同。

（7）交流濾波電感參數計算

交流輸入LC濾波器的作用是濾除來自BOOST電感的開關頻率紋波電流。為減小濾波電感體積，限定濾波電感上的基波壓降不超過電網電壓的1%。根據以上限定條件，則有：

可求得：

（8）交流濾波電容參數計算

交流輸入LC濾波器的諧振頻率設定為開關頻率的1/10，即：

求解得：

將式(19)代入式(21)，可求出1，流過濾波電容的電流為：

（9）隔離升壓變壓器設計

隔離變壓器副邊電壓的有效值為：

逆變電路的直流側電壓dc最低為630 V，設定最大調制比為0.85。逆變電路橋臂中點電壓基波有效值最大為：

忽略逆變器輸出濾波電感上的壓降，則變壓器的變比為：

（10）逆變電路IGBT參數計算

當IGBT關斷時，IGBT承受的反壓為直流母線電壓，其最大值為：

在IGBT導通時，忽略輸出濾波電容電流，輸出升壓變壓器原邊電流即為流過IGBT的電流，其額定值為:

（11）輸出濾波電感設計

限定電感電流紋波最大值不超過額定電流幅值的30%，則：

（12）輸出濾波電容設計

逆變器采用單極倍頻調制，最低次開關諧波集中在2倍開關頻率附近。為有效濾除開關諧波，限定逆變器輸出LC濾波器諧振頻率為最低次開關諧波頻率的1/10，即：

代入數據可求解得輸出濾波電容為：

將式(28)帶入式(30)可求出C15.8 μF，流過該濾波電容的電流為：

5 仿真驗證

在Matlab/Simulink中對上述設計的30 kVA的恒流調光器進行仿真。

（1）額定負載工況仿真

額定功率下，帶純阻性負載，R=688.7 Ω，仿真結果如圖4所示。

圖4 額定負載工況仿真波形

可以看到：額定工況下，輸出電流有效值恒定在6.6 A，恒流精度基本保持在0.01 A以內，交流輸入電流THD為1.34%，輸出電流THD為0.17%。

（2）開機時序仿真

仿真開機時序：0～0.1 s對直流電容充電，0.1 s后開始整流，0.3 s后開始逆變，其仿真波形如圖5所示。

可以看到，直流母線電壓最大不超過800 V，在所選開關器件的耐壓范圍內，交流輸出電流i達到穩定的時間為0.8 s。

圖5 開機時序仿真

（4）輸入網側電壓畸變仿真

向網側電壓注入4%的三次和3%的五次諧波，即輸入電壓發生5%的畸變時，仿真波形如圖6所示。

圖6 輸入網側電壓畸變仿真波形

可以看到，輸入網側電壓畸變時，電容電壓均衡輸出電流有效值恒定在6.6 A，交流輸入電流THD為1.09%，輸出電流THD為0.17%，因此網側電壓畸變時，對所設計的電路橫流功能基本沒影響。

6 結論

本文以30 kVA容量的工程樣機為設計對象，對其參數進行了詳細設計，并在Matlab/Simulink中對所設計電路的不同工作狀態進行了仿真，包括額定工作狀態、開機工作狀態，以及輸入電網電壓發生畸變工作狀態。仿真結果表明，所設計的調光器恒流精度高，諧波含量低，抗干擾性強，能滿足實際工作的性能指標。

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The Optimal Design of 30 kVA Airfield light Dimmer with Sine Wave Constant Current Control

Zhang Kegui1, Zhong Lang1, Dong Zhiqiang1, Liu Ming2, Ouyang Hui2

(1. China Nuclear Industry 23 Construction Co. Ltd., Beijing 101300, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

V351.32

A

1003-4862（2021）10-0059-04

2021-03-09

張可貴(1969-)，男，工程師。研究方向：自動化和儀控技術研究。