飞机供电系统中的AC/DC变换器,将115 V/400 Hz交流电转换为270 V直流电,提供给大量的电力电子设备。为了减小电网上的电流谐波,多脉冲整流技术得到广泛使用,自耦变压整流器(ATRU)是其中之一。论文讨论了18脉波ATRU的直流滤波器设计,重点分析了在驱动PWM控制的脉冲负载时的滤波特性,以及驱动恒功率负载时的滤波器参数的选择。 The AC/DC converter of aircraft power supply system, converting 115 V/400 HZ AC to 270 V DC, drives a lot of power electronic devices. In order to reduce the grid current harmonic, multi-pulse rectifier technology is widely used and the auto-transformer rectifier unit (ATRU) technology is one of them. This essay discusses the filter design of 18-pulse ATRU, analyzes the filtering charac-teristics when ATRU drives pulse load and the choice of filter parameters when drives constant power load.
孙立荣1,刘亮1,樊馨月1,裴夏青2,周元钧2
1沈阳飞机设计研究所,辽宁,沈阳
2北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京
Email: peixiaqing@163.com
收稿日期:2015年1月20日;录用日期:2015年1月31日;发布日期:2015年2月4日
飞机供电系统中的AC/DC变换器,将115 V/400 Hz交流电转换为270 V直流电,提供给大量的电力电子设备。为了减小电网上的电流谐波,多脉冲整流技术得到广泛使用,自耦变压整流器(ATRU)是其中之一。论文讨论了18脉波ATRU的直流滤波器设计,重点分析了在驱动PWM控制的脉冲负载时的滤波特性,以及驱动恒功率负载时的滤波器参数的选择。
关键词 :自耦变压整流器,脉冲负载,滤波,恒功率负载
在采用交流电源供电的现代飞机中,随着电力电子设备类型和数量的大量增加,导致供电系统对AC/DC变换器的需求大量增加,即需要将115 V/400 Hz交流电转换为270 V直流电,提供给不同的电力电子用电设备。大量的电力电子设备使得电网中的谐波问题日益严重,对电网的安全正常运行构成威胁,为了减小飞机电网上的电流谐波,多脉冲整流技术得到广泛使用,即采用变压器移相,增加整流器的输入电流的相数,抑制输入电流中的低次谐波,自耦变压整流器(ATRU)是被广泛应用的装置之一。
大部分电力电子设备采用PWM控制,使ATRU驱动的是脉冲负载,以及闭环控制而形成恒功率负载。本文针对一种航空18脉波ATRU,讨论了直流侧滤波器的设计,重点分析了驱动PWM负载时的滤波特性以及驱动恒功率负载时的滤波器参数的选择。
应用于航空变频交流电源的18脉冲ATRU系统结构如图1所示。它由18脉冲自耦变压器、三组三相桥整流器(R1、R2、R3)、两组三相电流平衡电抗器、LC滤波器组成[
其中18脉冲自耦变压器的电压矢量图如图2所示,变压器原边三角形连接,每相副边有两个变比为
18脉冲ATRU的电源输入电流在理论上最低次谐波为17次和19次,相对幅值分别为5.9%和5.3%,
图1. 十八脉冲ATRU的供电系统基本结构
THD为0.09843。对于400 Hz的航空交流电源,其中一相输入电流波形如图3所示。
图1中LC滤波器的目的是将直流侧270 V电压脉动降低到希望的水平。但另一方面,现代飞机电气设备大量地采用斩波控制,对于电源而言形成了高频脉冲负载,在直流电源供电的系统中,为了防止脉冲负载在电网上产生电磁干扰,往往需要增加电磁兼容(EMI)滤波器。当ATRU驱动的是由斩波器实现的脉冲负载时,作为直流电源滤波的LC滤波器,与直流系统的EMI滤波器的结构相同,可以同时完成脉冲负载的EMI滤波。
本论文研究的ATRU要求将270 V直流输出电压纹波波动抑制到3 V以下,据此设计了滤波器。首先分析得到电源频率为400 Hz时,18脉波ATRU输出直流电压的脉动频率,即需要滤除的主要谐波的频率为7.2 kHz,故取截止频率
式中:
并且使7.2 kHz谐波的衰减率为
为了分析该滤波器的滤波性能,将ATRU滤波部分的电路简化为图4,图中
图2. 十八脉波ATRU电压矢量图
图3. 十八脉波ATRU的电源输入电流
势,
根据图4的简化电路,可以得到电压平波滤波器的传递函数为
由此得到谐振频率
当上述LC滤波器作为EMI滤波器时,脉冲负载的
由此得到:
图4. 滤波部分的简化电路
图5. LC滤波器的频率特性
将式(3)与式(2)比较可知,电源滤波器作为EMI滤波器时,因为一般
为验证上述结论,对采用上述要求设计的滤波器的ATRU进行仿真,如图7所示。其中图7(a)为10 kHz的脉冲负载,其中图7b为1 kHz的脉冲负载。
图6. EMI滤波传递函数波特图
对图7所示的电流波形进行傅里叶变换,得到不同负载的谐波含量如表1所示,其中将非脉冲负载,即电阻负载也列于表中,作为比较。
由表1中数据可见,10 kHz的脉冲负载,含有的17次和19次谐波与纯电阻负载时比较增加很少。但是1 kHz的脉冲负载,除17次和19次谐波与纯电阻负载近似外,2次、3次和4次等低次谐波增加很多,THD增加很多。
因此,如果ATRU被要求驱动低于7.2 kHz的脉冲负载,则需要依照脉冲负载的滤波要求来设计LC滤波器,而不能依照电压平波的要求来设计。
所谓恒功率负载是指闭环控制装置对于电源所呈现的负载特性,这里如果ATRU输出端接的是闭环控制的系统,则ATRU驱动的是恒功率负载。
ATRU驱动恒功率负载时的等效电路如图8所示,图中
恒功率负载在电压
如果
由式(5)可得到谐振频率和阻尼系数为
谐波次数 | 10 kHz脉冲负载 | 1 kHz脉冲负载 | 电阻负载 |
---|---|---|---|
2 | -- | 14.74% | -- |
3 | -- | 14.94% | -- |
4 | -- | 9.04% | -- |
17 | 4.85% | 4.07% | 4.03% |
19 | 4.05% | 3.06% | 3.31% |
THD | 6.566% | 23.66% | 5.375% |
表1. 驱动不同负载时电网电流谐波分析
图8. 恒功率负载时的等效电路
为了保证系统稳定,由文献[
式(8)表明,为了保证系统稳定,恒功率负载的功率需要受到限制。与此同时,滤波器的电感L和电容C的比例也受到限制,并且减小滤波电感L和增大滤波电容C都有利于系统稳定。
由文献[
式中:
由此可见,交流电源频率,自耦变压器参数,整流桥中二极管等效电阻等等都会影响电源等效内阻
论文研究了十八脉波自耦变压整流器(18-pulse ATRU)驱动脉冲负载时直流滤波器设计和滤波特性。结果表明,合理地设计作为电压平波作用的直流滤波器,可以兼顾脉冲负载的EMI滤波器的功能。当驱动的脉冲负载为闭环控制系统时,还需要进一步合理选择滤波器电感和电容的参数,就可以保证系统的稳定性。
孙立荣,刘 亮,樊馨月,裴夏青,周元钧, (2015) 驱动脉冲负载的18脉波ATRU滤波特性分析Analysis on Filtering Characteristics of 18-Pulse ATRU Based on Pulse Load. 电路与系统,01,1-7. doi: 10.12677/OJCS.2015.41001