機(jī)場(chǎng)地面電源中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

摘 要：本文采用系統(tǒng)工程理論與數(shù)電模擬雙環(huán)控制策略，對(duì)機(jī)場(chǎng)地面電源中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究。研究重點(diǎn)是電壓補(bǔ)償器工作原理的優(yōu)化、變壓器匹配模塊的設(shè)計(jì)以及高效的補(bǔ)償策略。通過結(jié)合硬件電路和軟件算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中頻動(dòng)態(tài)負(fù)載的精準(zhǔn)響應(yīng)和電壓的穩(wěn)定輸出。提出了一系列創(chuàng)新方案，如電流精準(zhǔn)檢測(cè)與系統(tǒng)層補(bǔ)償策略，以提升系統(tǒng)性能和可靠性，有效解決機(jī)場(chǎng)地面電源系統(tǒng)中存在的電能質(zhì)量問題。

關(guān)鍵詞：機(jī)場(chǎng)地面；中頻動(dòng)態(tài)；電壓補(bǔ)償器；硬件電路

中圖分類號(hào)：TM 30" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著航空業(yè)的日益蓬勃發(fā)展，機(jī)場(chǎng)地面電源的穩(wěn)定性與電能質(zhì)量對(duì)飛機(jī)維護(hù)和乘客服務(wù)至關(guān)重要。鑒于機(jī)場(chǎng)地面電源系統(tǒng)性能要求不斷提升，中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器成為確保供電可靠性的關(guān)鍵設(shè)備。本文旨在為機(jī)場(chǎng)地面電源中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)提供一套系統(tǒng)化的解決方案，以支持航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 設(shè)計(jì)原理與框架

1.1 電壓補(bǔ)償器工作原理

在機(jī)場(chǎng)地面電源中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)中，補(bǔ)償器工作原理的核心是通過電磁感應(yīng)調(diào)節(jié)輸出電壓，以適應(yīng)不同負(fù)載條件下的穩(wěn)壓需求。電壓補(bǔ)償器工作原理如圖1所示。輸入端Ui通過開關(guān)S1向變壓器T供電，變壓器一次側(cè)的電感Lx和電阻Rx共同決定輸入電流i1的特性。通過精確控制開關(guān)S1和S2，變壓器的次級(jí)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)調(diào)節(jié)后的電壓Uo，供給負(fù)載RL[1]。圖1中，補(bǔ)償器的核心包括匝數(shù)比Np∶Ns的線圈、主電感Lpm和匹配電阻Rpm，共同構(gòu)成了電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)。電流ip通過電感Lpm流向負(fù)載，而電流i2通過匹配電阻Rpm，這種配置可以有效抑制可能產(chǎn)生的諧波，確保電壓輸出的穩(wěn)定性。此外，補(bǔ)償器還需要考慮鐵損和銅損。其中鐵損主要由磁芯的磁滯和渦流損耗構(gòu)成，銅損是由線圈電阻產(chǎn)生的熱損耗。通過精細(xì)調(diào)節(jié)Lx、Lpm和Rpm的值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓Uo的精準(zhǔn)控制，滿足機(jī)場(chǎng)地面電源的特定需求。該過程要求高度的精確性和對(duì)中頻動(dòng)態(tài)負(fù)載變化的快速響應(yīng)，以確保電源質(zhì)量和飛機(jī)地面服務(wù)的連續(xù)性。

1.2 設(shè)計(jì)框架

在機(jī)場(chǎng)地面電源中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)框架中，必須先確立模塊化的設(shè)計(jì)理念，以實(shí)現(xiàn)高效能的補(bǔ)償特性。設(shè)計(jì)框架圍繞主要的功能模塊構(gòu)建，包括輸入隔離模塊、變壓器匹配模塊、濾波與補(bǔ)償模塊以及輸出調(diào)節(jié)模塊[2]。輸入隔離模塊負(fù)責(zé)確保輸入信號(hào)的穩(wěn)定性，防止電網(wǎng)波動(dòng)直接影響補(bǔ)償器性能；變壓器匹配模塊通過調(diào)整變壓器匝數(shù)比和匹配電感、電阻值來優(yōu)化電壓轉(zhuǎn)換效率。濾波與補(bǔ)償模塊利用先進(jìn)的濾波技術(shù)和補(bǔ)償算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑處理，以消除不必要的諧波干擾；輸出調(diào)節(jié)模塊負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓，以適配不同的負(fù)載需求。設(shè)計(jì)方法論基于系統(tǒng)工程理論，結(jié)合數(shù)電模擬雙環(huán)控制策略和實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，可保證中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器在多變負(fù)載條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行。仿真分析與實(shí)物測(cè)試相結(jié)合的方法將用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)框架的有效性，從而確保補(bǔ)償器能在機(jī)場(chǎng)地面電源系統(tǒng)中提供高效、穩(wěn)定且可靠的電能。

2 中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器變壓器平滑投切與補(bǔ)償策略

2.1 補(bǔ)償電路驅(qū)動(dòng)層的變壓器平滑投切控制研究

補(bǔ)償電路驅(qū)動(dòng)層的變壓器平滑投切控制如圖2所示。變壓器平滑投切過程涉及多個(gè)控制開關(guān)（VT1、VT2、VT3和VT4）和二極管（VD1、VD2、VD3和VD4），通過精確控制這些開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷來對(duì)電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，以匹配不同的負(fù)載變化[3]。在圖2（a）～圖2（d）的4個(gè)不同狀態(tài)下，可以觀察到對(duì)應(yīng)開關(guān)的操作變化，這些操作須由精確的控制邏輯和驅(qū)動(dòng)信號(hào)完成，以確保變壓器的次級(jí)側(cè)能夠輸出平滑且連續(xù)的電壓Uo。具體為當(dāng)VT4關(guān)斷時(shí)，電流通過VT1和VD1完成回路，而當(dāng)VT2導(dǎo)通時(shí)，電流路徑變更通過VD2，以平衡負(fù)載側(cè)電壓。在該過程中，必須考慮開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間和二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，原因是這些參數(shù)會(huì)直接影響電壓波形的平滑度和補(bǔ)償精度。此外，電流和電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也比較重要，需要通過高速ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）采集，再由DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）分析處理，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電壓的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

2.2 電流精準(zhǔn)檢測(cè)與判斷方法

電流波形的理想軌跡與實(shí)際軌跡如圖3所示。在電流波形分析中，精確檢測(cè)電流的峰值（Imax+/-）和實(shí)時(shí)電流值（I）是確保電壓補(bǔ)償器有效運(yùn)作的關(guān)鍵[4]。通過應(yīng)用霍爾效應(yīng)傳感器或者電流互感器，可以對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），由數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

電流波形精準(zhǔn)檢測(cè)的關(guān)鍵在于標(biāo)定每個(gè)周期內(nèi)的最大偏差（ΔI）。該偏差應(yīng)保持在制定的誤差范圍內(nèi)，例如允許的偏差范圍可設(shè)定為±2%的Imax。電流檢測(cè)系統(tǒng)必須能夠區(qū)分峰值電流與實(shí)時(shí)電流，如公式（1）所示。

I（t）=Imax·sin（wt+?） " "（1）

式中：ω是角頻率；?是相位差；t是時(shí)間。

電流檢測(cè)的精度直接影響補(bǔ)償策略的反應(yīng)速度和補(bǔ)償精度，需要對(duì)每個(gè)周期的電流波形進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），以識(shí)別并濾除可能存在的諧波成分。

對(duì)于電流檢測(cè)的判斷方法，需要采用基于軟件的閾值設(shè)定和硬件的過流保護(hù)雙重機(jī)制，確保電流異常時(shí)能夠迅速切斷電源，防止設(shè)備損壞。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控電流峰值和實(shí)時(shí)值，并結(jié)合溫度、時(shí)間等因素的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可構(gòu)建一個(gè)多參數(shù)反饋系統(tǒng)，對(duì)補(bǔ)償器進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.3 系統(tǒng)層補(bǔ)償策略

系統(tǒng)層采用調(diào)制器K對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過圓整器（Round）處理以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的離散化，后續(xù)通過一系列增益模塊G1～Gn對(duì)處理后的信號(hào)進(jìn)行放大，再通過低壓釋放器（LVR）輸出至電源線路Vabc。整體補(bǔ)償策略基于實(shí)時(shí)均方根（RMS）值的反饋，確保輸出電壓的穩(wěn)定性和對(duì)負(fù)載變化的敏感性。如圖4所示。系統(tǒng)層補(bǔ)償策略的核心是動(dòng)態(tài)調(diào)整增益模塊Gn的參數(shù)，以適配負(fù)載需求和穩(wěn)定輸出電壓。該策略利用先進(jìn)的PID（比例-積分-微分）控制算法，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整K值，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制的精確性。PID控制器的傳遞函數(shù)如公式（2）所示。

（2）

式中：Kp、Ki、Kd分別是比例、積分、微分控制器的增益系數(shù)；s是拉普拉斯變換中的復(fù)頻率。

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源線路Vabc的RMS值，系統(tǒng)能夠?qū)值進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證輸出電壓Vabc的穩(wěn)定性。系統(tǒng)層補(bǔ)償策略強(qiáng)調(diào)的是整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同工作，通過信號(hào)處理和反饋機(jī)制來實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償[5]。在變壓器平滑投切操作中，該策略確保了從源頭到輸出的每個(gè)環(huán)節(jié)均能精確響應(yīng)負(fù)載變化，從而優(yōu)化電壓補(bǔ)償效果。此外，通過數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄和分析，補(bǔ)償策略能夠根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行自我優(yōu)化，提高系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載的適應(yīng)性和整體的能效比。

3 機(jī)場(chǎng)地面電源中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)

3.1 功能與技術(shù)要求

電壓補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)必須滿足苛刻的技術(shù)規(guī)格，以確保其在機(jī)場(chǎng)地面電源系統(tǒng)中能夠提供穩(wěn)定、可靠的服務(wù)。功能要求強(qiáng)調(diào)補(bǔ)償器必須能夠處理中頻范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)負(fù)載變化，并在極短的時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓以匹配負(fù)載需求[6]。技術(shù)要求涉及電壓穩(wěn)定度、響應(yīng)時(shí)間、效率以及與現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)電源系統(tǒng)的兼容性。電壓補(bǔ)償器必須滿足的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)見表1。

設(shè)計(jì)中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器時(shí)，必須采用先進(jìn)的半導(dǎo)體材料和高精度的電路設(shè)計(jì)和精密的控制算法來確保滿足上述技術(shù)要求。電壓穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)要求在設(shè)計(jì)中采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整輸出電壓。響應(yīng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)要求補(bǔ)償器的控制邏輯必須優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)快速切換和補(bǔ)償。效率標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)者優(yōu)化電力轉(zhuǎn)換路徑，以減少能量損耗。諧波失真的控制則要求在設(shè)計(jì)中加入有效的濾波電路，以減少非線性負(fù)載引起的電能質(zhì)量問題。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)涵蓋了從電源輸入最終輸出的所有電路組件，包括濾波器、控制邏輯單元、功率調(diào)制器、反饋系統(tǒng)和保護(hù)機(jī)制?？紤]輸入電壓可能存在的不穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)中裝有一個(gè)EMI濾波器，以減少電網(wǎng)噪聲的干擾[7]。功率調(diào)制器也必須采用高效率的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）或MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管），確保高頻運(yùn)作時(shí)的最低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。功率調(diào)制器的設(shè)計(jì)如公式（2）所示。

Ploss=I2·Ron+fsw·Esw" （2）

式中：I是電流；Ron是導(dǎo)通電阻；fsw是開關(guān)頻率；Esw是每次開關(guān)的能量損耗。

控制邏輯單元核心是DSP或FPGA，負(fù)責(zé)實(shí)施PWM（脈寬調(diào)制）策略，精確控制IGBT或MOSFET的開關(guān)動(dòng)作，以維持穩(wěn)定的輸出電壓。該單元利用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電壓和電流，對(duì)PWM信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，確保輸出電壓符合設(shè)計(jì)規(guī)格?？刂七壿嬤€整合了過流、過壓和過熱保護(hù)功能。如檢測(cè)發(fā)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)超出閾值時(shí)，應(yīng)立即斷開功率輸出，防止硬件損壞。

反饋系統(tǒng)包括電壓和電流傳感器，可持續(xù)監(jiān)測(cè)輸出參數(shù)，并將數(shù)據(jù)反饋給控制邏輯單元。該系統(tǒng)通過高精度模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性和響應(yīng)速度。設(shè)計(jì)中還應(yīng)包括一個(gè)軟啟動(dòng)電路，避免在啟動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。硬件電路設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到所有的安全和性能標(biāo)準(zhǔn)，包括但不限于IEC61000系列標(biāo)準(zhǔn)，以確保補(bǔ)償器在不同的運(yùn)行環(huán)境下均能可靠工作。

3.3 軟件算法設(shè)計(jì)

軟件算法設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效電壓補(bǔ)償功能的核心。該設(shè)計(jì)涉及多個(gè)層面，包括控制算法、信號(hào)處理、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)/診斷以及用戶界面。其中控制算法必須能夠準(zhǔn)確響應(yīng)負(fù)載變化，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)與補(bǔ)償，同時(shí)還需要具備自我診斷和適應(yīng)環(huán)境變化的能力。

控制算法的設(shè)計(jì)基于PID控制理論，通過設(shè)置合理的比例（Kp）、積分（Ki）和微分（Kd）參數(shù)，確保系統(tǒng)對(duì)負(fù)載波動(dòng)響應(yīng)快速且精確。算法通過收集電壓和電流傳感器的反饋信息，計(jì)算出控制偏差e（t），并實(shí)時(shí)調(diào)整PWM信號(hào)來控制功率開關(guān)元件，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。PID控制器如公式（3）所示。

（3）

式中：u（t）是控制器的輸出；e（t）是設(shè)定值與測(cè)量值之間的偏差。

信號(hào)處理算法利用快速傅里葉變換（FFT）分析電壓和電流信號(hào)的頻率成分，識(shí)別并濾除不必要的諧波，并優(yōu)化輸出信號(hào)的質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)場(chǎng)地面電源中頻動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方案。該方案不僅滿足了電源系統(tǒng)對(duì)電能穩(wěn)定性和高質(zhì)量輸出的需求，還具備高效的響應(yīng)速度和優(yōu)良的適應(yīng)性，有效提高了機(jī)場(chǎng)電源系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。在硬件設(shè)計(jì)方面，通過采用先進(jìn)的功率電子元件和精密的電路布局，確保了補(bǔ)償器的高效率和低損耗。而在軟件算法層面，通過先進(jìn)的控制策略和智能數(shù)據(jù)處理，對(duì)電壓波動(dòng)進(jìn)行了精準(zhǔn)補(bǔ)償。本問研究成果為機(jī)場(chǎng)地面電源系統(tǒng)提供了一種新的解決方案，為未來航空電源技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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