【正文】 .................... 61 本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 第一章 緒論 研究背景及意義 飛機電源系統(tǒng)的主要功能是產(chǎn)生或存儲機載用電設(shè)備所需的電能，以保證機上各種用電設(shè)備正常工作時電能的供應(yīng) [1]。目前飛機電源系統(tǒng)主要包括一次電源、二次電源、輔助電源和應(yīng)急電源。一次電源是直接由航空發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機及其控制保護器組成；二次電源是將飛機上主電源的能量轉(zhuǎn)換為另一種或者多種形式的電能，以滿足機 載用電設(shè)備對電能形式的多樣化需求；輔助電源主要由輔助動力裝置組成；應(yīng)急電源是一個獨立的電源，在主電源都發(fā)生故障時，向飛機重要用電設(shè)備供電，可采用蓄電池或應(yīng)急發(fā)電機供電 [2][3]。 在傳統(tǒng)的飛機能源系統(tǒng)中存在著多種二次能源，如氣壓能源、液壓能源、電能源等，多種二次能源要求飛機發(fā)動機附件機匣上裝配發(fā)電機，液壓泵、燃料泵和氣壓等機件，造成安裝空間緊張，維修不便，發(fā)動機迎風(fēng)面積大等難以克服的缺點 [3]。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動機構(gòu)的性能不斷提高，在一些應(yīng)用中逐漸取代了液壓和氣壓傳動機構(gòu) [2][3]。這 種廣泛采用電能作為飛機供電系統(tǒng)的二次能源的飛機稱為多電飛機（ More Electric Aircraft， MEA） [1]。多電飛機的出現(xiàn)和發(fā)展優(yōu)化了飛機的動力系統(tǒng)，進而優(yōu)化了飛機系統(tǒng)的性能，為飛機動力系統(tǒng)帶來了歷史性的變化。多電技術(shù)的應(yīng)用不僅大大降低了飛機的成本與重量，而且提高了飛機的可靠性和維護性。 此外，多電飛機技術(shù)的快速發(fā)展，使機載用電設(shè)備的數(shù)量和種類日趨龐雜。各用電設(shè)備對供電類型和電壓等級都有不同要求，這對供電系統(tǒng)的容量和供電質(zhì)量提出了更高要求。可靠穩(wěn)定、高功率密度、低噪聲等，成為多電飛機電力系統(tǒng)的 發(fā)展方向。當(dāng)今飛機交流發(fā)電技術(shù)有恒速恒頻、變速恒頻和變頻三種。其中，恒速恒頻系統(tǒng)通過將恒速傳動裝置（ CSD）與發(fā)電機整合，形成組合傳動發(fā)電機（ IDG）來實現(xiàn)；變速恒頻系統(tǒng)的發(fā)電機直接連到發(fā)動機齒輪箱，發(fā)電機輸出通過電源變換裝置，得到 400Hz恒頻輸出；變頻系統(tǒng)將發(fā)電機直接連到發(fā)動機齒輪箱，發(fā)電機輸出頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)速成正比。恒速恒頻系統(tǒng)的 IDG成本高、體積重量大、維護難、可靠性差；變速恒頻系統(tǒng)的電力變換與配套裝置也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高、笨重和可靠性差等缺點；變頻系統(tǒng)無需恒速傳動裝置，電源變換裝置少、工作頻率范圍 寬、系統(tǒng)容量大，但對發(fā)電機輸出調(diào)壓的要求高，而價格低、重量輕、可靠性好、維護便利，使變頻系統(tǒng)更具優(yōu)勢。 20世紀 80年代，變頻技術(shù)首先 本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 應(yīng)用于轉(zhuǎn)速范圍較小的渦輪螺旋槳飛機，隨后空客 A380飛機選用了 TRW公司的變頻發(fā)電技術(shù)，波音 B787飛機也采用了變頻發(fā)電系統(tǒng)。諸多實踐和經(jīng)驗證明了變頻供電系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢，目前，國內(nèi)也在積極將變頻供電系統(tǒng)付諸實踐 [6]。 總而言之，變頻供電的優(yōu)點在于： (1)相對于恒頻交流發(fā)電而言，變頻發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積重量小，電能轉(zhuǎn)換率高（可達 90%），系統(tǒng)可靠性好（ MTBF可達 3500飛 行小時）；（ 2）對于很多對電源頻率不敏感的設(shè)備，如燈、純阻性負載等，其所需要的電能中間不需要進行任何變換就直接利用，某些電動機也可以直接由變頻交流電直接驅(qū)動，所以提高了可靠性和系統(tǒng)效率；（ 3）對于現(xiàn)代的飛機來說，很多設(shè)備需要控制器來改善其性能，以便提高整個飛機系統(tǒng)的效率和飛行舒適性，如環(huán)控系統(tǒng)在飛行中可以根據(jù)不同的飛行狀態(tài)來調(diào)節(jié)客艙壓力滿足乘客的需求。電力系統(tǒng)代替其他飛機二次能源的優(yōu)勢也體現(xiàn)在其可以方便的傳輸和控制，所以可以根據(jù)飛行狀態(tài)來調(diào)節(jié)設(shè)備的工作狀態(tài)以節(jié)約飛行成本；（ 4）對于大容量的飛機電力系統(tǒng)，主發(fā) 電機輸出額定電壓為 230V甚至更高，有利于減輕系統(tǒng)重量。因此，鑒于多電飛機供電系統(tǒng)大容量特點變頻供電體制具有明顯優(yōu)勢 [4]。 在變頻供電系統(tǒng)背景下，飛機電氣負載根據(jù)電源頻率對其影響程度，可分為一般負載和特殊負載。一般負載指對供電頻率變化不敏感的用電設(shè)備，包括照明、客艙加溫、除冰設(shè)備、無刷直流電機等；特殊負載指對供電頻率變化比較敏感的用電設(shè)備，如交流電機、變壓器、風(fēng)扇和一些電子控制設(shè)備。由于異步電機結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定可靠，飛機的重要電動泵類負載，如電動燃油泵、電動液壓泵等，多由異步電機驅(qū)動。然而，異步電機由變 頻供電與恒頻供電相比，結(jié)構(gòu)和起動、運行特性都有所不同。由 115V/360Hz～ 800Hz飛機變頻電源直接驅(qū)動的異步電機，工作在變頻恒壓輸入狀態(tài)。根據(jù)定子電壓方程 ? ? ?1 1 m s N sU E f N k及電機電磁轉(zhuǎn)矩與 m? 近似正比知：定子端交流電壓 1U 恒定時，隨電源頻率 1f 升高，繞組磁通 m? 減小，起 動轉(zhuǎn)矩變小，電機起動能力降低，可能導(dǎo)致電機無法帶載甚至空載起動；若 1f 降低，則 ?m 升高，起動轉(zhuǎn)矩加大，電機起動能力增強。按額定400Hz設(shè)計的航空電動機，在電源頻率低于 400Hz時，起動能力較強，超過 400Hz，起動能力隨頻率升高而變差，在電源頻率較高時，電機可能無法起動，因而需要為電機配置電源變換器，將供電系統(tǒng)提供的變頻交流電變換為適合電機起動和運行的交流電 [1]。 上述電源變換器，本質(zhì)上為電力變頻器，最常 用的結(jié)構(gòu)是不控整流與變頻逆變級聯(lián)。傳統(tǒng)變頻器注重逆變級的結(jié)構(gòu)與控制，而不控整流器作為非線性電氣負載，將大量諧波電流注入供電系統(tǒng)，導(dǎo)致電壓、電流波形畸變，系統(tǒng)功率因數(shù)降 本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 低，干擾嚴重，供電品質(zhì)下降，引發(fā)的功率損耗還會造成不必要的發(fā)熱，這在電能和散熱空間有限的航空飛機上，尤其是變頻供電系統(tǒng)中，情況復(fù)雜，危害嚴重，不能適應(yīng)多電飛機技術(shù)的要求。為降低諧波影響，功率因數(shù)校正（ PFC）技術(shù)受到重點關(guān)注。與地面電源系統(tǒng)不同，采用變頻電源系統(tǒng)的多電飛機對 PFC 技術(shù)有著特殊要求：（ 1）輸入電源頻率變化范圍為 360～ 800Hz；（ 2）更為嚴格的諧波標(biāo)準(zhǔn)；（ 3）對用電設(shè)備效率、體積和重量要求更高。因此，航空 PFC中需要解決的關(guān)鍵問題，可歸納為變頻率輸入條件下的高效率、高性能、高密度 [7]。 此外，隨著新型飛機變頻電源系統(tǒng)對恒頻電源系統(tǒng)的取代，傳統(tǒng)的電力有源濾波和無功補償技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足新型航空電源變頻系統(tǒng)的要求，迫切需要一種適合于變頻電源系統(tǒng)的有源濾波和無功補償器。采用電網(wǎng)電動勢前饋、直接電流控制的電壓型整流器作為變頻轉(zhuǎn)恒頻電源（ VFCFC）的整流級，可以補償系統(tǒng)諧波（其諧波補償原理是從網(wǎng)側(cè)檢測出諧波電流，然后產(chǎn)生一個與該諧波 電流大小相等極性相反的補償電流，補償電流注入電網(wǎng)以抵消諧波電流的影響，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量）。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。還可以根據(jù)實際需要，將網(wǎng)側(cè)電壓電流分解為有功和無功分量，通過一定的控制算法，實現(xiàn)對有功功率和無功功率的控制，進而實現(xiàn)電網(wǎng)的功率因數(shù)可調(diào)，為無功負載提供所需的無功功率。 20 世紀 90 年代以來， PWM 整流技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)整流器的單位功率因數(shù)運行，不僅輸入電流諧波含量低，且能雙向傳輸功率，甚至按需調(diào)節(jié)功率因數(shù)，實現(xiàn)供電系統(tǒng)的無功功率優(yōu) 化，成為 PFC 裝置的技術(shù)熱點。本文的電源變換器，為了能夠適應(yīng)飛機電力系統(tǒng)的對諧波和功率因數(shù)等的要求，輸入整流電路需要采用合適的諧波抑制措施，提高交流功率因數(shù)，改善整流級輸入特性，這也是本文的工作重點。 PWM 整流器的直流電壓受控恒定，可實現(xiàn)電能的“綠色變換”，成為本文變換器輸入級的首選。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著電力電子裝置在工業(yè)應(yīng)用場合的不斷擴大以及電力變換器的大功率化，諧波污染，無功功率損耗等問題越來越引起人們的重視 ,為了降低成本，節(jié)約能源 ,減少污染 ,在越來越多的電氣設(shè)備應(yīng)用中，對電能的品質(zhì) 提出了新的要求。 電網(wǎng)中的電力電子設(shè)備是電力系統(tǒng)諧波的主要來源之一，而各種整流裝置在這些設(shè)備中所占的比例最大，常用的整流裝置大多采用二極管不控整流或晶閘管相控整流 ,其電路簡單，經(jīng)濟可靠，但是這種不控或是半控型整流器的功率因數(shù)低，網(wǎng)側(cè)電流波形畸變并含有大量低次諧波，消耗大量的無功功率，影響供電質(zhì) 本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 量，而且對于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，這種整流器的單向?qū)щ娦韵拗屏穗姍C制動能量向電網(wǎng)的回饋，造成大量的能源浪費。 隨著這類非線性負載應(yīng)用的普及和容量的增大 ,電力電子裝置的諧波污染問題已經(jīng)成為目前電氣工程領(lǐng)域的棘 手問題之一，解決上述問題的主要方法有兩種 :一種是被動的解決方法，如利用有源濾波器 (Active Power Filter APF)或者靜止無功補償器 (Static Var Compensator SVC)等，在網(wǎng)側(cè)對諧波和無功功率進行補償 [38][39]。另一種是主動的解決方法，即將電力電子裝置本身進行改造 ,通過改造使裝置輸入側(cè)的電壓和電流實現(xiàn)同相位，從而不再產(chǎn)生諧波 ,也不再消耗無功功率。實質(zhì)上，這種方法對電力電子裝置進行了功率因數(shù)校正，使其實現(xiàn)單位功率因數(shù)輸入。而且，利用這種方法 ,可以根據(jù)需要對其功率因數(shù) 進行調(diào)節(jié)，在這兩種方法中，前者是產(chǎn)生諧波后進行補償，而后者是消除諧波源，是解決諧波問題的根本措施 [31][32]。 PWM 整流器控制策略有多種，常用的控制策略主要有電流控制 [16]、功率控制[17]、精確反饋線性化 [18]、基于 Lyapunov 穩(wěn)定理論 [19]，以上策略各有其優(yōu)缺點 [20]，不能使整流器達到理想性能。由于無源性控制是一種本質(zhì)的能量控制，國內(nèi)外學(xué)者開始將無源控制理論應(yīng)用到整流器控制中 [21]。整流器無源控制基于系統(tǒng)的歐拉 拉格朗日 EL（ Euler Lagrange）模型，采用阻尼注入方法 [19]設(shè)計控制器，與其它控制策略相比，整流器性能雖有改進，但當(dāng)負載變化、電源波動和不平衡時存在直流電壓穩(wěn)態(tài)誤差較大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度不理想等問題 [35][36]。 目 前 ，國內(nèi)外 PWM整流器 的主要研究領(lǐng)域有如下幾方面 [22]： （ 1） PWM 整流 器的建模 ：這是 PWM 整流器運行原理和控制技術(shù)研究的基礎(chǔ)。 和 等在時域下建立了較為系統(tǒng)的 PWM 整流器數(shù)學(xué)模型，并將其分解為高頻和低頻兩種。 和 Chun 則在基于等效電路 [23]的基礎(chǔ)上，給出了 PWM 整流器的低頻變壓器數(shù)學(xué)模型 ，并利用該模型對整流器在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)條件下的運行特性進行了分析。 Hengchun Mao 等人則在前人的基礎(chǔ)上，對數(shù)學(xué)模型進行降階后，得到了一種新穎的 PWM 整流器小信號數(shù)學(xué)模型，使得 PWM 整流器的特性分析大為簡化。 （ 2） PWM 整流 器拓撲結(jié)構(gòu) ： 根據(jù) 直流 濾波元件 的不同， 分為電壓型 PWM 整流 器和電流型 PWM整流 器。 二者拓撲結(jié)構(gòu)、 PWM波調(diào)制方式、系統(tǒng)的整體控制策略均不相同。 針對不同的 用途 ， 對于 PWM 變換器的拓撲結(jié)構(gòu)研究 的 側(cè)重點也不同。小功率應(yīng)用場合 ，一般專注于減少成本和改善輸出性能等方面，因此拓撲結(jié)構(gòu)的改進集中于如 何能利用更少的開關(guān)管來得到更好的輸出性能； 而大功率場合 一般伴隨著高電壓、大電流，對開關(guān)器件的耐壓和耐流提出了更高要求，因此拓撲結(jié)構(gòu)的研究集中于如何使器件僅需承受較低電壓和較小電流，多電平技術(shù)、多變流器拓撲組合和軟開關(guān)技術(shù)是主要研究方向， 結(jié)構(gòu)簡單，損耗小，控制方便 的 電壓 本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 型 PWM 整流 器成為 了 研究熱點 。 （ 3） PWM 整流器電流控制 方法：常用的有直接電流控制和間接電流控制兩種 。間接電流控制 通過控制整流橋交流側(cè)電壓的幅值來控制交流電流幅值，通過控制整流橋交流側(cè)電壓的相位來控制交流電流相位，因此對網(wǎng)側(cè)電流的控制是間接實 現(xiàn)的，這造成動態(tài)過程中，間接電流控制首先要改變整流橋網(wǎng)側(cè)電壓，然后才能達到改變網(wǎng)側(cè)電流的目的，電流響應(yīng)速度較慢，同時系統(tǒng)參數(shù)變化通過這個間接過程后，必然使電流控制效果受到影響。而直接電流控制的電流動態(tài)響應(yīng)速度快，魯棒性好，因此是目前主要的電流控制策略。直接電流控制主要包括滯環(huán)電流控制、固定開關(guān)頻率控制以及空間矢量電流控制等等。而 直接電流控制的研究 領(lǐng)域 中， SPWM 整流器 和 SVPWM 整流器 的研究最 為 活躍。 （ 4） PWM整流器系統(tǒng)控制策略 ： PWM 整流 器通常采用 外環(huán) 電壓 、內(nèi)環(huán) 電流 的雙閉環(huán)控制策略 [24]。電壓外環(huán) 用 來保持 直流母線電壓穩(wěn)定，而電流內(nèi)環(huán) 用來 實現(xiàn) 網(wǎng)側(cè) 電流 跟蹤指令電流 ，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化。 在 PWM 整流 器 的 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，基于電網(wǎng)電壓定向的 空間 矢量控制是目前 主流 的電壓型 PWM 整流 器控制策略 [25]。電壓 矢量控制的關(guān)鍵是 要 通過 對 電網(wǎng)電壓信號的檢測 來取得 同步信號，因此 控制系統(tǒng) 必須要 增加電網(wǎng)電壓傳感器，這 就導(dǎo)致了 控制系統(tǒng)復(fù)雜， 成本增加 ，可靠性降低。應(yīng)用較多的是正弦波脈寬調(diào)制（ SPWM）和空間電壓矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM）兩種。 國內(nèi)外 PWM 整流技術(shù)的應(yīng)用研究集中在恒頻電力系統(tǒng)，其在變頻電力系統(tǒng)下的研究與應(yīng)用尚不多見 。本文采用固定開關(guān)頻率的直接電流控制方法設(shè)計變頻輸入 SPWM 整流器控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)較好的電流波形、功率因數(shù)控制和變頻輸入下的整流工作特性 [8]。 研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文的主要研究內(nèi)容 靜止變換器是利用電力電子半導(dǎo)體器件，將一種直流或