張可貴，鐘 浪，董志強(qiáng)，柳 明，歐陽(yáng)暉

一種三電平BOOST-PFC結(jié)構(gòu)的正弦波恒流調(diào)光器的技術(shù)研究

張可貴1，鐘 浪1，董志強(qiáng)1，柳 明2，歐陽(yáng)暉2

（1. 中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，北京 101300；2. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064)

介紹恒流調(diào)光技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)，介紹一種新型三電平升壓型功率因數(shù)校正（BOOST-PFC）結(jié)構(gòu)的正弦波恒流調(diào)光技術(shù)，并在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建了該技術(shù)調(diào)光器主電路。仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的H橋交-直-交變換型正弦波恒流調(diào)光器，本文研究的恒流調(diào)光器具有效率高，功率因數(shù)高，諧波小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

正弦波 恒流調(diào)光器 交-直-交變換 三電平 BOOST-PFC 助航調(diào)光器

0 引言

機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)是在夜間和能見(jiàn)度受限制的情況下為飛機(jī)駕駛員提供跑道位置、方向和對(duì)正引導(dǎo)，以便駕駛員在目視可達(dá)的情況安全著陸[1]。機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)主要包括恒流調(diào)光器、高壓切換柜、在線絕緣電阻監(jiān)測(cè)模塊以及集中監(jiān)控系統(tǒng)等[2]，本文主要對(duì)恒流調(diào)光器進(jìn)行研究。

1 恒流調(diào)光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)外機(jī)場(chǎng)現(xiàn)行使用的恒流調(diào)光器還是以傳統(tǒng)的晶閘管恒流調(diào)光器為主，但根據(jù)現(xiàn)在助航系統(tǒng)燈具LED燈的應(yīng)用[3～4]以及變流器的性能指標(biāo)分析，新一代的正弦波恒流調(diào)光器必將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

從應(yīng)用對(duì)象——助航燈的發(fā)展上看，隨著節(jié)能低碳理念的深入，以及飛行保障對(duì)助航燈光系統(tǒng)安全穩(wěn)定性能的要求，半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)燈具與傳統(tǒng)的白熾燈、鹵鎢燈相比具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能高效、發(fā)光顏色多樣、體積小、適應(yīng)環(huán)境廣以及便于控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外民航機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)中已得到推廣應(yīng)用，并有逐步取代傳統(tǒng)鹵鎢燈的趨勢(shì)[5]。鑒于LED的半導(dǎo)體特性，以及對(duì)電流諧波的要求，現(xiàn)有的晶閘管調(diào)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(diào)光器[6]。

從性能指標(biāo)上看，晶閘管恒流調(diào)光器是基于相控技術(shù)的變流裝置，其輸出中諧波含量很高，致使電網(wǎng)電能質(zhì)量下降，同時(shí)加快了導(dǎo)線老化，并對(duì)燈光系統(tǒng)周圍的通訊等設(shè)備產(chǎn)生干擾，降低了機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[7]。而采用高速開(kāi)關(guān)器件的正弦波恒流調(diào)光器輸出波形品質(zhì)好，諧波小，可延長(zhǎng)助航燈具光源使用壽命；功率因數(shù)高、諧波小，無(wú)需專項(xiàng)電網(wǎng)治理；整體效率高，節(jié)省成本；噪音低，污染??；智能程度高、可靠性高、維修性好[8]，在性能上有明顯優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)最新調(diào)查，青島新機(jī)場(chǎng)以及北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)中明確指定調(diào)光器使用正弦波調(diào)光器，從中可以看到正弦波調(diào)光器將逐漸走進(jìn)市場(chǎng)。

通過(guò)上面分析，機(jī)場(chǎng)調(diào)光器未來(lái)將是正弦波恒流調(diào)光器的方向，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外調(diào)光器廠家正在積極推進(jìn)正弦波恒流調(diào)光器的研發(fā)。其中國(guó)外ADB Safegate公司走在前面，其研發(fā)的VIS系列、CER系列的正弦波調(diào)光器采用了交-直-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，IDM 9000型正弦波調(diào)光器采用了交-交斬波結(jié)構(gòu)。在國(guó)內(nèi)最早研發(fā)正弦波調(diào)光器的廠家西安愛(ài)科，其在2009年研制的S1系列正弦波調(diào)光器采用了交-交斬波結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)調(diào)光器市場(chǎng)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(diào)光器CCR-2100S。

2 現(xiàn)有恒流調(diào)光器種類

傳統(tǒng)雙向晶閘管相控調(diào)光器拓?fù)淙鐖D1所示，其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，穩(wěn)定可靠，缺點(diǎn)為輸出波形為移相波形，功率因數(shù)低、諧波含量豐富，電流波峰系數(shù)大，影響助航燈具壽命，噪聲大，電磁干擾嚴(yán)重[9]。正弦波調(diào)光器與晶閘管相控調(diào)光器相比，在輸出電流波形的品質(zhì)上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

圖1 雙向晶閘管相控恒流調(diào)光器

現(xiàn)有的正弦波調(diào)光器主要有三種結(jié)構(gòu)：一種是可控鐵磁諧振正弦波調(diào)光器，如圖2所示；第二種是交-直-交方案，如圖3所示；第三種是交-交斬波正弦波調(diào)光器，如圖4所示。

圖2 可控鐵磁諧振正弦波恒流調(diào)光器

圖3 交-直-交拓?fù)涞恼也ê懔髡{(diào)光器

圖4 交-交斬波正弦波恒流調(diào)光器

在正弦波調(diào)光器的幾種電路中，可控鐵磁諧振正弦波恒流調(diào)光器其體積大、噪音高，輸出波形質(zhì)量沒(méi)有全控型器件IGBT式調(diào)光器好，本文重點(diǎn)研究交-直-交和交-交斬波正弦波調(diào)光器。

交-直-交和交-交斬波正弦波調(diào)光器各有優(yōu)劣。從性能上分析，采用交-交斬波技術(shù)是一種直接將交流變交流的技術(shù)，而交-直-交技術(shù)有整流和逆變兩級(jí)變換，因此在功率因數(shù)、諧波含量、波形品質(zhì)以及效率上，交-交斬波技術(shù)性能更好。成本上，交-直-交結(jié)構(gòu)使用的開(kāi)關(guān)器件多，且有支撐電容，因此體積大，成本更高；交-交斬波結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低。從可靠性上分析，交-交斬波電路沒(méi)有自然的續(xù)流通道，在換流時(shí)為了不損壞電路，需通過(guò)軟件設(shè)計(jì)專門的續(xù)流控制電路[10]，當(dāng)軟件檢測(cè)失誤時(shí)將出現(xiàn)不可恢復(fù)的問(wèn)題，影響可靠性；交-直-交電路通過(guò)反并二極管和母線電容構(gòu)成自然續(xù)流通路，不需要進(jìn)行續(xù)流控制，可靠性更高。

在工程實(shí)際中設(shè)備的可靠性是最先考慮的因素，當(dāng)可靠性滿足要求后，再?gòu)男阅芎统杀旧蟽?yōu)化設(shè)計(jì)。本文從工程實(shí)際的角度考慮，對(duì)可靠性滿足設(shè)計(jì)要求的交-直-交拓?fù)涞恼也ê懔髡{(diào)光器進(jìn)一步優(yōu)化，研究了一種性能更優(yōu)、成本更低的正弦波恒流調(diào)光器。

3 新型正弦波恒流調(diào)光器

本文引入了三電平BOOST型PFC電路替換圖3中H橋整流電路，研究了一種基于三電平BOOST-PFC的正弦波恒流調(diào)光器，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調(diào)光器

采用三電平BOOST-PFC結(jié)構(gòu)，相比于H橋整流電路，開(kāi)關(guān)器件數(shù)量是其一半，對(duì)于電力電子設(shè)備，開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量是影響成本和設(shè)備效率的直接因素，因此通過(guò)該結(jié)構(gòu)即降低了設(shè)備的成本，又提高了設(shè)備效率。另外采用三電平拓?fù)?，通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件同時(shí)分擔(dān)直流母線電壓，從而減小了開(kāi)關(guān)器件承受電壓的應(yīng)力[11]，因此在器件選型時(shí)，可選擇耐壓值更低的器件型號(hào)；同時(shí)三電平結(jié)構(gòu)成倍增大等效開(kāi)關(guān)頻率，能夠降低磁性元件的大小[12]，進(jìn)一步節(jié)省設(shè)備成本。

3.1 電路工作原理

三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調(diào)光器電路的前級(jí)整流電路為三電平BOOST-PFC結(jié)構(gòu)，后級(jí)逆變電路為傳統(tǒng)的H橋結(jié)構(gòu)。交流輸入電壓u通過(guò)輸入LC濾波電路和升壓型PFC電路得到穩(wěn)定的直流電壓U，同時(shí)PFC電路對(duì)輸入側(cè)功率因數(shù)進(jìn)行矯正控制，使輸入電流i和輸入電壓u達(dá)到同相位[13]，即功率因數(shù)為1。H橋逆變電路和輸出LC濾波電路將直流電壓逆變成交流電壓，同時(shí)以輸出電流有效值為控制目標(biāo)，通過(guò)電流有效值控制，輸出恒定的電流。

采用三電平BOOST電路進(jìn)行功率因數(shù)校正時(shí)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件Q1、Q2的相差保持為180°。隨交流輸入電壓u瞬時(shí)值的變化，Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)有不同的模式，如圖6所示。

圖6（a）中，當(dāng)輸入交流電壓整流值|i|小于1/2的直流母線電壓dc時(shí)，1、2的驅(qū)動(dòng)占空比大于0.5。兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的主電路4種模態(tài)，如圖6（a）中①、②、③、④所示，在這4種模態(tài)下電感電壓L在|i|和|i|-(dc/2)之間變化。

圖6(b)中，當(dāng)輸入交流電壓整流值|i|大于1/2的直流母線電壓dc時(shí)，1、2的驅(qū)動(dòng)占空比小于0.5。兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的主電路4種模態(tài)，如圖6(b)中①、②、③、④所示，在這4種模態(tài)下電感電壓L在|i|-(dc/2)和|i|-dc之間變化。

圖6 三電平BOOST-PFC電路驅(qū)動(dòng)模態(tài)

后級(jí)H橋逆變電路的有效工作狀態(tài)如圖7所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)管5和8導(dǎo)通，7和6關(guān)斷時(shí)，直流電流經(jīng)5，逆變側(cè)LC濾波電路和8，產(chǎn)生正向電流；當(dāng)開(kāi)關(guān)管7和6導(dǎo)通，5和8關(guān)斷時(shí)，直流電流經(jīng)7，逆變側(cè)LC濾波電路和6，產(chǎn)生反向電流，可將直流變換成交流。

圖7 逆變電路

3.2 控制器設(shè)計(jì)

1）帶均壓控制的整流控制設(shè)計(jì)

圖8 整流控制器

在PFC整流電路中，通過(guò)直接電流控制方式[14～15]控制升壓電感電流i(t)跟蹤參考電流i(t)*。假設(shè)輸入電流i()達(dá)到了單位功率因數(shù)，且無(wú)畸變，則其相位與電壓u相位保持一致，且為正弦波，即：

當(dāng)輸入電流經(jīng)不控整流電路后，變?yōu)椤梆z頭”波，則流經(jīng)升壓電感2和開(kāi)關(guān)器件的參考電流i(t)*為：

在整流器的控制策略中，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，其中電壓控制環(huán)為外環(huán)，主要控制直流側(cè)電壓穩(wěn)定且達(dá)到給定值dc*；電流控制環(huán)為內(nèi)環(huán)，主要控制電感電流達(dá)到單位功率因數(shù)。在圖8控制器中，直流母線電壓dc與給定電壓dc*作差后得到誤差值Δdc，然后經(jīng)PI控制器得到電感電流L*，L*與輸入電壓鎖相后的信號(hào)相乘，并取絕對(duì)值后，得到電感參考電流i(t)*。實(shí)際電流i(t)與參考電流i(t)*作差后得到誤差值Δi(t)，其經(jīng)過(guò)比例放大后，得到調(diào)制信號(hào)com。1、2交錯(cuò)導(dǎo)通和關(guān)斷，圖8中PWM1和PWM2信號(hào)的相角差180°。

本文研究的電路用到了三電平結(jié)構(gòu)，需要控制兩個(gè)電容電壓均衡，因此控制器中還需增加均壓控制。分析圖5中的PFC整流電路，電容電壓變化方向與其對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)占空比變化方向相反。設(shè)計(jì)的均壓策略為在調(diào)制信號(hào)com上增加電流調(diào)節(jié)量Δ，對(duì)電壓高的電容，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的調(diào)制信號(hào)增加調(diào)節(jié)量Δ，電壓低的電容，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的調(diào)制信號(hào)減去調(diào)節(jié)量Δ。在圖8控制器中，將兩個(gè)電容電壓U1和U2做差后經(jīng)過(guò)PI控制器得到電流調(diào)節(jié)Δ，由于Δ為有正負(fù)方向的變量，因此Q1的調(diào)制波為com+Δ，Q2的調(diào)制波為com-Δ，即可實(shí)現(xiàn)電容的均壓控制。

2）逆變控制設(shè)計(jì)

圖9為逆變控制器的實(shí)現(xiàn)框圖，其采用電流有效值和電壓瞬時(shí)值控制的雙閉環(huán)控制，電流有效值作為控制器的外環(huán)，控制輸出電流有效值達(dá)到給定值I，電壓瞬時(shí)值控制作為控制器的內(nèi)環(huán)，控制輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定。

圖9 逆變控制器

在控制器中，輸出電流i通過(guò)實(shí)時(shí)效值計(jì)算模塊得到電流有效值i， i與給定有效值命令I作差得到誤差信號(hào)Δi，誤差信號(hào)Δi經(jīng)過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)后得到輸出電壓的幅值U*，輸出電壓的幅值U*與鎖相后的信號(hào)相乘得到輸出電壓參考值U*sin。輸出電壓u(t)跟蹤電壓參考值U*sin，其與參考值U*sin作差后通過(guò)比例積分調(diào)節(jié)得到調(diào)制波com，最后通過(guò)單極性調(diào)制得到PWM信號(hào)作用于開(kāi)關(guān)器件。

4 仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建如圖5所示的三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調(diào)光器主電路，對(duì)上述設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)為：調(diào)光器的交流輸入電壓有效值為U=380 V，頻率=50 Hz，輸出電流有效值恒定oN=6.6 A，輸出變壓器變比k=12，結(jié)果如下。

1）靜態(tài)仿真

在輸出恒流控制模式下，仿真結(jié)果分別如圖10、圖11所示。通道1為輸入電壓電流波形，通道2為兩個(gè)直流母線電容電壓波形，通道3為直流母線電壓波形，通道4為輸出電流波形。圖11為通過(guò)FFT分析的輸入輸出電流的THD。

圖10 靜態(tài)仿真波形

可以看到，穩(wěn)定狀態(tài)下，兩個(gè)直流母線電容電壓均衡，輸出電流有效值恒定在6.6 A，恒流精度在0.01 A以內(nèi)，交流輸入電流THD為1.34%，輸出電流THD為0.17%。

圖11 輸入電流ii和輸出電流io的THD

2）動(dòng)態(tài)仿真

0～0.1 s對(duì)直流電容充電，0.1 s后開(kāi)始整流，0.3 s后開(kāi)始逆變，其仿真波形如圖12所示。通道1為輸入電壓電流波形，通道2為兩個(gè)直流母線電容電壓波形，通道3為直流母線電壓波形，通道4為輸出電流波形。

圖12 動(dòng)態(tài)仿真波形

可以看到，直流母線電容電壓均衡，直流母線電壓最大不超過(guò)800 V，在所選開(kāi)關(guān)器件耐壓范圍內(nèi)交流輸出電流i達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間為0.8 s。

3）開(kāi)路限幅仿真

在仿真中運(yùn)行1 s后突然切除負(fù)載，使電路運(yùn)行在開(kāi)路狀態(tài)下，變壓器副邊最大電壓限制在7000 V以內(nèi)，仿真波形分別如圖13所示。

圖13 開(kāi)路限幅仿真波形

可以看到，在開(kāi)路狀態(tài)下，經(jīng)限幅后輸出電壓能夠很好的限制在預(yù)定電壓范圍內(nèi)，并且直流母線電壓最大不超過(guò)1000 V。

5 結(jié)論

本文將PFC技術(shù)應(yīng)用在交-直-交變換型恒流調(diào)光器中，提出了一種新型三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調(diào)光器，其相對(duì)傳統(tǒng)的H橋整流型正弦波恒流調(diào)光器，具有效率高，功率因數(shù)高，諧波小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了該電路的工作原理，研究了其整流側(cè)和逆變側(cè)的控制方式，通過(guò)整流器和逆變器的電壓、電流雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了整流側(cè)直流母線電壓恒壓，逆變側(cè)輸出電流恒流的控制目標(biāo)，且達(dá)到波形高度正弦，輸入功率因數(shù)為1。同時(shí)在整流控制器中增加均壓調(diào)節(jié)量，從而實(shí)現(xiàn)了直流母線電壓的均衡。最后本文通過(guò)Matlab/ Simulink仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制方式的正確性。

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Research on Airfield Light Dimmer Based on a Three Level Boost-PFC and Sinusoidal Constant Current Technology

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)

TM46

A

1003-4862（2021）11-0036-05

2021-03-09

張可貴(1969-)，男，工程師。研究方向：自動(dòng)化和儀控技術(shù)研究。E-mail:ouyanghui.hust@foxmail.com