CN110198051A - 一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置 - Google Patents

一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置 Download PDF

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CN110198051A CN201910587032.9A CN201910587032A CN110198051A CN 110198051 A CN110198051 A CN 110198051A CN 201910587032 A CN201910587032 A CN 201910587032A CN 110198051 A CN110198051 A CN 110198051A
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回彦年
康元丽
马跃
曲江磊
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Abstract

一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，包括：升压变换模块(1)，其输入端连接至直流电源，用于将所述直流电源的直流电压升压；交直流转换模块(2)，其输入端连接至所述升压变换模块(1)的输出端，用于将升压后的所述直流电压转换为交流电压；变压器(3)，其输入端连接至所述交直流转换模块(2)的输出端，其输出端连接至电网，用于将交流电压变压得到电网的额定输入电压并输入至电网。从而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。

Description

一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置
技术领域
本发明属于航空电气***领域，具体涉及一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置。
背景技术
高压直流非线性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高压直流非线性负载将在飞机上得到广泛应用，一种高压直流非线性负载模拟装置的需求变得极为迫切，尤其在飞机电力***前期设计阶段，在实验室论证，***联调，***层设计时，都需要一种三相桥式不控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***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***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。高压直流非线性负载模拟装置的使用可以大大缩短飞机电气***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，替代样机进行试验联调测试的飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置。
(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飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，包括：升压变换模块，其输入端连接至直流电源，用于将所述直流电源的直流电压升压；交直流转换模块，其输入端连接至所述升压变换模块的输出端，用于将升压后的所述直流电压转换为交流电压；变压器，其输入端连接至所述交直流转换模块的输出端，其输出端连接至电网，用于将交流电压变压得到电网的额定输入电压并输入至电网。
(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：通过依次相连的升压变换模块、交直流变换模块和变压器，以及将升压变换模块的输入端连接至直流电源，变压器的输出端连接至电网，从而模拟飞机上的高压直流非线性负载，在实验室论证，***联调，***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。
附图说明
图1是本发明实施例的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置的结构示意图；
图2是一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置的电路连接示意图；
图3是本发明实施例的闭环控制原理图。
附图标记：
1：升压变换模块；11：滤波电路；12：电感；13：升压电路；14：母线电容；131：第一开关管；132：第二开关管；133:第一驱动器；2：交直流转换模块；21：逆变电路；210:第三开关管；211:第四开关管；212:第五开关管；213:第六开关管；214：第七开关管；215：第八开关管；216:第二驱动器；22：直流侧支撑电容；23：逆变侧滤波电路；3：变压器；4：控制器；5：接触器；6：断路器。
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。
图1是本发明实施例的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置的结构示意图；
图2是一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置的电路连接示意图。
如图1、图2所示，一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，包括：升压变换模块1、交直流转换模块2和变压器3，其中，升压变换模块1的输入端连接至直流电源，用于将直流电源的直流电压升压；交直流转换模块2的输入端连接至升压变换模块1的输出端，用于将升压后的直流电压转换为交流电压；变压器3的输入端连接至交直流转换模块2的输出端，其输出端连接至电网，用于将交流电压变压得到电网的额定输入电压并输入至电网。
在另一个实施例中，一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，还包括：控制器4，分别与升压变换模块1、交直流转换模块2和变压器3连接，用于根据升压变换模块1、交直流转换模块2和变压器3中至少一个的电压和/或电流，控制模拟装置的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、输入功率、输出功率和电阻值恒定。具体地，是控制器4通过检测升压变换模块1、交直流转换模块2和变压器3中至少一个的电压和/或电流，并将检测到的电压值和/或电流值作为反馈信号，进而根据控制器4给定的电流、阻抗或者功率指令通过闭环控制的方式控制升压变换模块1和交直流转换模块2中开关管的导通或者关断，实现对本发明实施例的模拟装置的无静差调节，从而使模拟装置的输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、输入功率、输出功率或阻抗值保持恒定。
此外，还可以在控制器4中设定电压(包括输入电压和输出电压)和/或电流(包括输入电流和输出电流)的保护阈值，将检测到的电压值和/或电流值与对应的保护阈值进行比较，从而对本发明实施例的模拟装置进行过压、欠压、过频、欠频、过流、过温等保护。具体实现可以是将控制器4与上位计算机相结合，实现该模拟装置输入电压、输出电压、输入电流、输出电流、输入功率和输出功率等保护阈值的快速设置。
在一个可选的实施方式中，升压变换模块1包括：滤波电路11、电感12、升压电路13和母线电容14，其中，滤波电路11的输入端与直流电源连接，用于对直流电源的输出电压进行滤波；电感12的一端连接至滤波电路11，用于对滤波后的输出电压继续升压；升压电路13的一端连接至电感12的另一端，升压电路13的另一端连接至控制器4，用于基于控制器4的变压指令，对升压后的输出电压继续升压；母线电容14的两端分别连接至升压电路13的两端，用于稳定升压电路13的输出母线电压，降低输出电压的纹波。
其中，升压电路13包括：第一开关管131、第二开关管132和第一驱动器133，第一开关管131的栅极连接至第一驱动器133，第一开关管131基于第一驱动器133的驱动指令进行相应的导通或者断开；第二开关管132的栅极连接至第一驱动器133，第二开关管132基于第一驱动器133的驱动指令进行相应的导通或者断开；所述第二开关管132的集电极与所述第一开关管131的发射极还连接至所述电感12；所述第二开关管132的发射极与所述第一开关管131的集电极还连接至所述母线电容14，第一驱动器133与所述控制器4连接，用于基于控制器4对第一开关管131和第二开关管132的控制指令，形成对第一开关管131和第二开关管132的驱动指令。
优选地，第一开关管131和第二开关管132可以采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)，IGBT可以不用机械按钮来控制，而是直接采用控制器4控制，实现把电源侧的电压变成所需电压的功能，且其具有饱和压降小、耐压高、节能、安装维修方便和散热稳定等特点。在本发明实施例中，控制器4通过对第一开关管131和第二开关管132采用PWM脉冲调节方式进行控制，使二者按照既定的顺序和时间进行开通和关断，从而得到所需电压。
本发明实施例中，第一开关管131和第二开关管132构成半桥结构，因此，可以对二者采用互补式设计，即在同一时刻，保证至少一个开关管是导通状态，使电流一直处于连续(CCM)模式，从而能够降低电流采样难度，使得对于电路中恒流的控制更为简单。
其中，升压变换模块1采用PID闭环控制，对于升压变换模块而言，输入电压和输出电压的关系可以表示为：D为开关管导通的占空比，D∈[0，1]，升压变换模块的输入电压为500-580VDC，故输出电压大于580V。
其中，交直流转换模块2包括：逆变电路21、直流侧支撑电容22和逆变侧滤波电路23，逆变电路21的输入端与升压变换模块1连接，用于将升压后的直流电转换为交流电；直流侧支撑电容22，并联在逆变电路21的两端，用于稳定逆变电路21的直流侧输入电压，逆变侧滤波电路23，其输入端连接在逆变电路21的输出端，其输出端连接至电网，用于对交流电进行滤波。
其中，逆变电路21为三相全桥逆变电路；所述三相全桥逆变电路包括：第三开关管210、第四开关管211、第五开关管212、第六开关管213、第七开关管214、第八开关管215和第二驱动器216；第三开关管210的栅极连接至所述第二驱动器133，第三开关管210基于所述第二驱动器133的驱动指令进行相应的导通和断开；第四开关管211的栅极连接至所述第二驱动器133，第四开关管211基于所述第二驱动器133的驱动指令进行相应的导通和断开；第五开关管212的栅极连接至所述第二驱动器133，第五开关管212基于所述第二驱动器133的驱动指令进行相应的导通和断开；第六开关管213的栅极连接至所述第二驱动器133，第六开关管213基于所述第二驱动器133的驱动指令进行相应的导通和断开；第七开关管214的栅极连接至所述第二驱动器133，第七开关管214基于第二驱动器133的驱动指令进行相应的导通和断开；第八开关管215的栅极连接至所述第二驱动器133，第八开关管215基于第二驱动器133的驱动指令进行相应的导通和断开；第二驱动器216，与所述控制器4连接，基于所述控制器4的控制指令，形成对第三开关管210、第四开关管211、第五开关管212、第六开关管213、第七开关管214和第八开关管215的驱动指令。所述第三开关管210、所述第五开关管212和所述第七开关管214的集电极均连接至所述直流侧支撑电容22的一端，所述第四开关管211、所述第六开关管213和所述第八开关管215的发射极均连接至所述直流侧支撑电容22的另一端；所述第三开关管210的发射极与所述第四开关管211的集电极、所述第五开关管212的发射极与所述第六开关管213的集电极、所述第七开关管214的发射极与所述第八开关管215的集电极均连接至所述逆变侧滤波电路23的三相。
交直流变换模块中开关管也采用IGBT，其采用SVPWM调制方式，母线最大电压可达2Uapp。交直流变换模块中的控制环采用带有前馈环节的电流内环和电压外环的双闭环PID控制，提高***动态和稳态性能。在保护设计方面，设备的软/硬件保护功能如下表所示。
硬件保护列表
软件保护列表
NO. 软件保护类型
1 直流过压
2 直流侧极性反接
3 交流过压
4 直流过流
5 交流过流
6 母线过压
7 接触器动作异常
8 各项超时保护
在一个可选的实施方式中，升压变换模块1和所述直流电源之间还串联一接触器5。变压器3通过断路器6与所述电网连接。增加接触器5和断路器6主要是出于安全考虑。
在一个可选的实施方式中，变压器可以选用隔离变压器，隔离变压器的输入绕组和输出绕组之间带有电气隔离，通过对变压器原副边绕线圈的电流进行隔离，能够避免原副边偶然同时触及带电体，且隔离变压器的次级和大地不相连，因此，次级的任一根线与大地之间都没有电位差，使用安全。变压器的频率可以选择工频变压器或者高频变压器。
本发明实施例采用两级式功率变换，电源侧功率经过升压变换模块升压，将能量传递至直流母线，然后经过交直流变换模块及变压器隔离后回馈至电网。
升压变换模块采用BOOST升压电路，交直流变换模块采用全桥逆变拓扑，不管是升压变换模块还是交直流变换模块，其功率器件均采用IGBT模块，能够降低设备损耗。控制器采用16bit ADC芯片采样，采用PID双闭环反馈控制。控制器对直流侧采用PWM脉冲调节方式，对交流侧采用SVPWM脉冲调节方式，保证***稳定无差调节，其具体参数如下表所示。
540V高压直流非线性负载
最大直流功率 100kW每通道200kW(两通道)
输入通道数 2ch
工作电压范围 500Vdc～580Vdc
最大输入电流 200A每通道400A(两通道并联)
电流电压采样精度 0.1％fs.
额定电网电压 380Vac
额定电网频率 50Hz
工作模式 恒流、恒压、恒功率，恒阻
防护等级 IP20
针对电气方面的模块化设计，结构设计也可以采用模块化设计方式，例如：将升压变换模块及交直流变换模块分别设计成独立的模块，从而有利于安装、调试及维护。
本发明实施例的飞机高压直流非线性负载模拟装置，其所需电压为540VDC，具体是基于电力电子结构，采用DSP数字控制技术，16位高精度采样及SVPWM控制算法，实现双通道快速可编程恒流、恒压、恒功率、恒阻等运行功能，具备过/欠压、过/欠频、过流、过温等全方位保护。
飞机高压直流非线性负载模拟装置的电路拓扑设计是根据负载需求，且便于控制及硬件实现，采用两级式设计，DC/AC(交直流转换模块)部分和DC/DC(升压变换模块)部分解耦设计的结构。根据单通道功率100kW采用三相电压型逆变器拓扑。电压型逆变器由3个半桥(6个全控功率器件)及反并联二极管、电感等组成。主要特点为母线采用电容储能，呈电压源特性，交流侧输出的电压波形为矩形波。
如图3所示，在本发明实施例中，通过双闭环控制时，控制原理为：控制器4通过检测被控模块，即升压变换模块1、交直流转换模块2和变压器3中至少一个的电压和/或电流，并将检测到的电压值和/或电流值作为反馈值1输入到控制器4中，控制器4将反馈值1与预先设定的参考值1进行对比，通过外环PID控制算法得出内环PID控制算法的参考值2，再与控制器4检测到的升压变换模块1、交直流转换模块2和变压器3中至少一个的电压值和/或电流值(即反馈值2)进行对比，通过内环PID控制算法得出PWM算法的参考值3，进而通过PWM算法得到升压变换模块1和/或交直流转换模块2中开关器件的控制指令，控制升压变换模块1和/或交直流转换模块2中开关管的导通与关断，实现对所述模拟装置的无静差调节，从而使模拟装置输入输出的电压、电流、功率或阻抗值保持恒定。
可选的，若仅为闭环控制时，控制器4通过检测被控模块，即升压变换模块1、交直流转换模块2和变压器3中至少一个的电压和/或电流，并将检测到的电压值和/或电流值作为反馈值1输入到控制器4中，控制器4将反馈值1与预先设定的参考值1进行对比，通过外环PID控制算法得出内环PID控制算法的参考值2，外环PID输出的参考值2直接作为PWM控制算法的参考值3，进而通过PWM算法得到升压变换模块1和/或交直流转换模块2中开关器件的控制指令，控制升压变换模块1和/或交直流转换模块2中开关管的导通与关断，实现对所述模拟装置的无静差调节，从而使模拟装置输入输出的电压、电流、功率或阻抗值保持恒定。
对于飞机上的高压直流非线性负载来说，由于其具有恒功率、恒流等输入输出特性，本发明实施例通过将其划分为升压、交直流转换和变压等三部分，根据检测到的输入电压、输出电压、输入电流和输出，采用闭环控制算法，从而模拟飞机上高压直流非线性负载的恒功率、恒流等电气特性，因此，本发明实施例通过电力电子变换技术能够实现对飞机高压直流非线性负载的模拟，针对飞机前期实验论证阶段，不仅能模拟高压直流非线性负载，而且节约能源，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。飞机高压直流非线性负载模拟装置在飞机电力***前期设计阶段，在实验室论证，***联调，***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。飞机供电***高压直流非线性负载模拟方法可用于飞机电气***概念设计阶段、初步设计阶段和详细设计仿真阶段，它的使用可以大大缩短飞机电气***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，为当前飞机供电***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)

1.一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，包括：
升压变换模块(1)，其输入端连接至直流电源，用于将所述直流电源的直流电压升压；
交直流转换模块(2)，其输入端连接至所述升压变换模块(1)的输出端，用于将升压后的所述直流电压转换为交流电压；
变压器(3)，其输入端连接至所述交直流转换模块(2)的输出端，其输出端连接至电网，用于将交流电压变压得到电网的额定输入电压并输入至电网。
2.如权利要求1所述的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，还包括：
控制器(4)，分别与所述升压变换模块(1)、所述交直流转换模块(2)和所述变压器(3)连接，用于根据升压变换模块(1)、交直流转换模块(2)或变压器(3)的输入电压、输入电流、输出电压和/或输出电流进行闭环控制，保持所述模拟装置的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、输入功率、输出功率或电阻值恒定。
3.如权利要求2所述的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，所述升压变换模块(1)包括：
滤波电路(11)，其输入端与所述直流电源连接，用于对所述直流电源的输出电压进行滤波；
电感(12)，其一端连接至所述滤波电路(11)，用于对滤波后的所述输出电压进行升压；
升压电路(13)，其一端连接至所述电感(12)的另一端，另一端连接至所述控制器(4)，用于基于所述控制器(4)的变压指令，对升压后的所述输出电压继续升压；
母线电容(14)，其两端分别连接至所述升压电路(13)的两端，用于稳定所述升压电路(13)的输出母线电压。
4.如权利要求3所述的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，所述升压电路(13)包括：第一开关管(131)、第二开关管(132)和第一驱动器(133)；
第一开关管(131)，其栅极连接至所述第一驱动器(133)，用于基于所述第一驱动器(133)的驱动指令，进行相应的导通或者断开；
第二开关管(132)，其栅极连接至所述第一驱动器(133)，用于基于所述第一驱动器(133)的驱动指令，进行相应的导通或者断开；
第一驱动器(133)，与所述控制器(4)连接，用于基于所述控制器(4)对所述第一开关管(131)和所述第二开关管(132)的控制指令，形成对所述第一开关管(131)和所述第二开关管(132)的驱动指令。
5.如权利要求4所述的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，
所述第二开关管(132)的集电极与所述第一开关管(131)的发射极还连接至所述电感(12)；
所述第二开关管(132)的发射极与所述第一开关管(131)的集电极还连接至所述母线电容(14)。
6.如权利要求2所述的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，所述交直流转换模块(2)包括：
逆变电路(21)，其输入端与所述升压变换模块(1)连接，用于将升压后的所述直流电转换为交流电；
直流侧支撑电容(22)，其并联在所述逆变电路(21)的两端，用于稳定所述逆变电路(21)的直流侧输入电压；
逆变侧滤波电路(23)，其输入端连接在所述逆变电路(21)的输出端，其输出端连接至电网，用于对所述交流电进行滤波。
7.如权利要求6所述的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，所述逆变电路(21)为三相全桥逆变电路；
所述三相全桥逆变电路包括：第三开关管(210)、第四开关管(211)、第五开关管(212)、第六开关管(213)、第七开关管(214)、第八开关管(215)和第二驱动器(216)；
第三开关管(210)，其栅极连接至所述第二驱动器(133)，用于基于所述第二驱动器(133)的驱动指令，进行相应的导通和断开；
第四开关管(211)，其栅极连接至所述第二驱动器(133)，用于基于所述第二驱动器(133)的驱动指令，进行相应的导通和断开；
第五开关管(212)，其栅极连接至所述第二驱动器(133)，用于基于所述第二驱动器(133)的驱动指令，进行相应的导通和断开；
第六开关管(213)，其栅极连接至所述第二驱动器(133)，用于基于所述第二驱动器(133)的驱动指令，进行相应的导通和断开；
第七开关管(214)，其栅极连接至所述第二驱动器(133)，用于基于第二驱动器(133)的驱动指令，进行相应的导通和断开；
第八开关管(215)，其栅极连接至所述第二驱动器(133)，用于基于第二驱动器(133)的驱动指令，进行相应的导通和断开；
第二驱动器(216)，与所述控制器(4)连接，用于基于所述控制器(4)的控制指令，形成对第三开关管(210)、第四开关管(211)、第五开关管(212)、第六开关管(213)、第七开关管(214)和第八开关管(215)的驱动指令。
8.如权利要求7所述的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，
所述第三开关管(210)、所述第五开关管(212)和所述第七开关管(214)的集电极均连接至所述直流侧支撑电容(22)的一端，所述第四开关管(211)、所述第六开关管(213)和所述第八开关管(215)的发射极均连接至所述直流侧支撑电容(22)的另一端；
所述第三开关管(210)的发射极与所述第四开关管(211)的集电极、所述第五开关管(212)的发射极与所述第六开关管(213)的集电极、所述第七开关管(214)的发射极与所述第八开关管(215)的集电极分别连接至所述逆变侧滤波电路(23)的三相。
9.如权利要求1所述的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，所述升压变换模块(1)和所述直流电源之间还串联一接触器(5)。
10.如权利要求1所述的一种飞机电力***高压直流非线性负载模拟装置，其特征在于，所述变压器(3)通过断路器(6)与所述电网连接。
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