“大功率逆变器”在小型化内燃电站中的应用

潮流360

“大功率逆变器”在小型化内燃电站中的应用
张文昌、于功山、王怀杰
（济南吉美乐电源技术有限公司，山东 济南）
摘  要：本方案涉及一种内燃机逆变发电机组，是中频永磁发电机与逆变器相结合的发电机组。符合当前的内燃机组的发展趋势，即“小型化、轻量化”。
关键词：大功率逆变器、小型化、轻量化
中图分类号：         文献标识码：         文章编号：
1引言
　　　随着内燃机电站在现代武器装备上的广泛应用，用电设备对电源设备提出了越来越高的要求。随着科技的发展和基础科学研究的不断深入，新材料和新技术的应用，对发电机组（系统）的发展起到了较大的推动作用。目前国内逆变技术已广泛应用于小功率发电机组，该技术对提高机组的电性能指标及小型化和轻量化起到了推动作用。目前×××部的×××项目已装备逆变发电机组。
2 逆变发电机组原理介绍
　　　以内燃机作为动力，由中频发电机将内燃机输出的机械能转化为初级三相或三相以上中频电能(本文以三相介绍)，再经过逆变器进行AC/DC/AC转换，输出工频交流电能（50Hz,230V）。
　　　方案框图：
　　　
　　　　　机械能 　　　　   　    交流中频电能　    　　　       交流工频供电
　　　                           500Hz,400V            　      50Hz,230V输出　
　　　
　　　逆变器主逆变系统的设计采用高集成度数字化控制芯片智能集成功率模块（IPM）的电路方案，逆变器的基本工作原理如图所示，发电机产生的三相交流电送入逆变器的L1、L2、L3三条线电压输入端，三相交流电压经三相整流桥（D1、D2、D3、D4、D5、D6）整流后，再经电容EC2滤波，变成平滑的直流电，然后，通过控制功率管Q1、Q2、Q3、Q4按照预定的频率和脉宽周期性的开关，在L1、L2前端就可获得频率固定、脉宽不等的PWM波，PWM波经电感、电容滤波后，就可获得标准的交流电压。
　　　    逆变器控制回路的设计由数字智能模块和电流、电压检测电路、保护电路三部分组成。数字智能模块根据采集的电压反馈产生频率固定、脉宽不等的PWM波，实现对输出电压的实时调节，确保输出电压稳定，同时根据采集的电流信号，实现过流、短路保护，保证发电机组的输出电性能指标。
3逆变发电机组方案设计介绍
　　　机组由内燃机、永磁发电机、控制箱、油箱、机架、逆变器组成。
3.1内燃机的功能：
　　　内燃机是整个机组的动力来源，将燃油的化学能转化为旋转的机械能，为发电机提供原始动力。
3.2永磁中频发电机设计：
　　　将内燃机提供的机械动能转变为一次电能，中频500Hz、400V交流电能。发电机设计为中频永磁发电机，结构采用外转子结构型式，利用永磁材料直接提供发电机旋转励磁磁场，为防止磁性材料在高温和振动环境中退磁，充磁后的转子再进行老化处理，使转子磁场能够稳固不变；定子安装在电机外壳上，定子铁芯与线圈之间设计有1.5mm厚注射成型的聚砜绝缘层，并且线圈绕制后再进行浸漆处理，确保绝缘良好；另外，在转子上设计安装大流量冷却风扇，对定子和转子进行冷却，保证定转子温升不高于60C?；同时，为进一步保证其可靠性，发电机的功率设计和冷却散热设计都实施了较大幅度的降额；转子轴承选国内名牌产品（哈轴或洛轴产品），并且额定承载负荷和额定转速降额选择。
　　　发电机平均无故障工作时间预计MTBF≥100000h
　　　主要参数如下表：
型号        　　电压
　　（V）        转速范围            (rpm)        功率(kW)        重  量
　(kg)        外形尺寸
　（mm）
JML8000        　　400        2500～3600        8.5        　　19        　　φ370×170
3.3逆变器设计：
　　　将永磁发电机输出的中频电能进行AC/AC变换，逆变成50Hz/230V工频电能。
逆变器是机组关重件，其可靠性、环境适应性和电磁兼容性的设计，直接影响机组的正常使用。因此在设计中，技术人员充分论证，最大可能地采用现有成熟技术，选用应用广泛且已证明可靠性高，性能稳定的元器件，从而保证逆变稳压器的可靠使用，性能指标满足战术技术要求，下面从几个方面介绍逆变器的设计。
3.3.1电路设计
a.逆变控制电路采用全数字化方式，由专用DSP芯片实现基准正弦波发生、频率设定、电压调节、直流平衡、软启动、正弦脉宽调制、驱动脉冲形成、故障保护等全部功能，其输出控制信号可直接驱动IPM模块，因而硬件电路达到最简化，性能稳定可靠，失效率极低，无参数漂移问题；控制软件借鉴成熟的现代工业控制技术，并固化于DSP芯片内部的FLASH存储器，性能稳定可靠。
b.逆变器功率电路采用富士第四代工业级IPM（智能功率模块），使逆变主回路达到智能化和最简化；IPM采用第四代IGBT功率器件，内部集成了智能化的驱动、控制与保护电路，驱动参数达到最优化，抗干扰能力强，并具备防直通功能； IGBT功率芯片内部集成有温度传感器和电流传感器，实现可靠的过热保护、过流保护和短路保护；保护时采取软关断技术，可有效防止产生尖峰电压冲击。IPM电压、电流级别选用时采取大幅度降额，额定工作状态下电压应力系数仅为0.5左右，电流应力系数仅为0.28左右，保证充足的过载能力和抗误用能力。
c.输出滤波电抗器采用进口优质铁芯和优化磁路设计，效率高，损耗低，滤波电容采用损耗低，自愈性能优良的金属化聚丙烯电容器，并采用计算机辅助设计手段设计滤波器参数，保证良好的输出电压质量，高效率，高可靠性。
d.变器外围电路也全部采用计算机辅助设计和优化，保证电路性能优良、完善，电路结构简洁、可靠。选用优质电子元器件，确保优良品质。
3.3.2可靠性设计
3.3.2.1系统方案与电路的可靠性设计
　　　主逆变系统采用高集成度数字化控制芯片+智能集成功率模块的电路方案，以最大限度地简化硬件电路，同时保证完善的自保护功能，在系统级上为取得高可靠性提供了基础保证。在此基础上，各级电路设计力求简洁而完善，并尽量避免使用失效率较高的元器件；工作电源采用高度成熟可靠的电路拓扑，并采用独立低压系统，为大幅度降额设计提供保证。
3.3.2.2元器件的优化筛选和降额设计
　　　采用高可靠优质名牌元器件，并经过老化筛选，同时进行充分的降额设计。主功率器件的电压降额系数不大于0.6，电流、功率降额系数不大于0.3，其他半导体器件的电应力降额系数不大于0.3；主电容器、主电感器电应力降额系数不大于0.8，功率电阻的功率降额系数不大于0.3，其他器件的电应力降额系数一般在0.1～0.3之间。
3.3.2.3热设计
　　　正确进行热设计，为大功率器件设计了足够面积的散热器，以防止温升过高，在功率器件与散热器之间涂有导热硅脂，以降低热阻；对发热量大的元件的安装位置与安装方式给予充分考虑，最大限度地降低元器件温升和机内温升；对于所有功率1W以上的元件，电路板上留有足够的散热空间和通道，并避免晶振、集成电路、晶体管、电解电容等元件与之靠近而受到热冲击。
3.3.2.4保护电路设计
　　　主功率器件采用保护功能完善的IPM（集成智能功率模块），内部设计有可靠的过压保护、欠压保护、过流保护和过热保护，可有效防止功率器件的意外失效；同时，为各功率器件设计了完善的缓冲与吸收电路，以降低功率器件的电应力；为核心数字控制芯片设计了干扰隔离电路和瞬变抑制电路；为整机设计了冗余保护电路，包括过压保护、过流保护、短路保护、故障保护和软启动电路等，使整机具有很强的过载能力和抗误用能力。
3.3.2.5结构设计
　　　整机采用了紧凑的一体化结构设计，全部计件均固定在铝制散热器基板上，基板主安装表面经精铣加工，具有良好的平整度和光洁度，以保证与功率器件良好的热接触，并避免安装机械应力；对质量大的机件和印制电路板给予充分固定，电路板与各器件间均采用直接连接方式，除输入、输出和控制导线外，无互连导线，并最大限度地避免使用连接器；电路板合理布局与走线，模拟、数字、功率等各部分之间保证充分的隔离与屏蔽，大电流导线直而短，设计足够线宽，高压电路设计足够爬电距离和电气间隙，能够卧装的器件全部采用卧装。整机装配调适完成后，用导热、绝缘性能良好的硅基灌封料浇筑成一体接构，具有优良的抗震、绝缘、散热和防潮湿性能。
3.3.2.6环境适应性设计
a.所用核心控制芯片、光耦合器以及外围集成电路的额定正常工作温区均为-40～85℃；
b.工业级IPM额定正常工作温区为-20～100℃（-40℃可以启动，由于其工作时的温升，能够保证-40℃环境下正常工作，需要时可改用军用级IPM）；
c.所用电解电容额定正常工作温区为-40～105℃；
d.电感器正常工作温区为-40～120℃；
e.其他器件的工作温区均不窄于-40～100℃。
f.由于整机效率较高（93%），且设计有足够的散热器面积，正常工作时散热器温升不大于40℃,电路板温升不大于30℃，因而可以适应-40～55℃的工作环境。
g.经灌封处理的模块具有优良密封、防潮湿和抗震性能，完全能够适应所要求的工作环境。
3.3.2.7电磁兼容性
a.逆变功率部分采用IPM，直流母线和功率输出回路紧凑集中，直流母线电容合输出滤波电感紧靠IPM，最大限度地减少了逆变载波干扰外泻；
b.为各功率器件设计了完善的缓冲与吸收电路，在降低功率器件的电应力的同时，可有效降低功率级的电磁干扰；
c.电力输出电路由大功率、大感量差模电感和大容量无感电容构成滤波器，并设计了足够容量的EMC  X电容和Y电容，以抑制载波干扰外泄，合理布局，最大限度地减少分布参数造成的干扰外泄；
d.选用适当低的逆变PWM频率，以减少干扰；
e.整流器输入线和控制连线均接有干扰抑制电容；
f.为核心数字控制芯片设计了干扰隔离电路和瞬变抑制电路，电路板上设计了屏蔽层，对晶振采取屏蔽措施，以防控制芯片受到外界干扰，同时防止高频控制信号外泄；
g.电路板合理布局与走线，模拟、数字、功率等各部分之间保证充分的隔离与屏蔽，各集成电路电源与地之间就近并联了去耦电容，大电流导线直而短，能够卧装的器件全部采用卧装，以减少机内相互干扰，提高整机的稳定性与可靠性；
h.整机采用了紧凑的一体化结构设计，电路板与各器件间均采用直接连接方式，除输入、输出和控制导线外，无互连导线，可有效降低电磁发射；
i.整机采用金属外壳封闭结构，有效防止双向辐射干扰。
3.3.2.8可靠性预计
　　用快速可靠性预计法对整机可靠性进行预计，预计公式为：
　λp=λbK1K2K3K4K5N
其中：
λp为整机失效率；
λb为元件的基本失效率，根据所用元件的种类与质量水平取λb =10-6；
K1为降额因子，一般在（1～10）×10-2， 考虑到设计中采取了充分降额，取K1=3×10-2；
K2为老化筛选因子，一般取值10-1
K3为环境因子，其值一般为1.1～10，考虑到模块工作环境较为恶劣，取K3=10
K4为结构因子，一般为1.5～2.5，取K4=2
K5为制造工艺因子，一般为1.5～3.5，取K5=2
N为元件总数，本产品N=177
将以上数据代入公式，求得λp=2.1×10-5
对应的MTBF预计值为：MTBF =1/λp=4.8×104（小时）
3.4控制箱设计:
　　　控制内燃机的启动/停机、机组的输出/断电、输出（电流、电压和频率）显示、保护报警（短路、过载、过压、欠压、超速和润滑不良）和油箱油量显示。
　　　控制箱的基本原理：
　　　控制箱设计安装固定于框架前端部，采用箱体面板结构，面板上安装主要部件有：预热启动开关，控制机组的启动和停机；供电按钮、断电按钮,控制机组电流的输出和断开；YGD型输出插座，输出6kW交流工频电能；数字表：显示机组输出电压、电流和频率;油量表，显示油箱油量；M6接线柱，作为备用输出，为临时用电设备供电。
　　　平均无故障工作时间 MTBF≥6.6×106;
3.5油箱设计：
　　　用1毫米厚的冷轧钢板拉深成型，容积设计为16升，满足机组满功率6小时工作的要求。
3.6机架设计：
　　　采用整体框架式结构,框架与机组之间配装斜置式橡胶阻尼减振器，进行阻尼减振;框架采用角钢制造，底梁采用3mm冷轧钢板制造，既保证机架的刚性，又减轻了机组的重量;在框架中部设有四个伸缩式抬把，顶部设有四个吊装孔，便于搬运和吊装。
4机组总体结构布置
　　　内燃机和发电机通过锥轴联为一体，用斜置式橡胶减震机脚隔离安装在机架底座上，控制箱安装于机架前端部，逆变器和控制箱并行放置。油箱固定在机架的端部，控制箱与逆变器的下部。
总体外形尺寸：670×475×560mm；
重量：125kg
　　　　
5小型化机组与传统机组对比
        传统机组        小型化机组
体积（长×宽×高㎜）        790×590×640        670×475×560
重  　   量（㎏）        198        125
　　　额定功率(kW)        6.0        6.0
　　　最大功率(kW)        7.5        7.2
性
能
指
标        　频率稳态调整率(%)        ±3        0.001
        　频率波动率(%)        0.5        0.001
        　频率稳定时间(s)        2        0.001
        　频率瞬态调整率(%)        ±7        0.001
        　电压稳态调整率(%)        ±0.8        ±0.8
        　电压波动率(%)        ±0.1        ±0.1
        　电压稳定时间(s)        1        1
        　电压瞬态调整率(%)        ±5        ±3
柴
油
机        　持续功率(kW)        10.9        8.6
        　重  量（㎏）        93        60
        体积（长×宽×高㎜）        360×506.5×614.5        420×455×455
        　缸    数        单        双
        　噪声dB（A）        99        97
发
电
机        　功  率(kW)        9        8.5
        　重  量（㎏）        65        19
        体  积（长×宽×高㎜）        360×340×380        φ370×170
6测试结果
　　　a发电机输出波形图如下：
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　发电机输出波形
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　b逆变器输出波形如下图：
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　逆变器输出波形
7结束语
　　　该逆变发电机组经过实验证明各项技术指标都达到了设计的要求，已顺利通过军方的基地试验。经过三年在雷达系统中的长期稳定可靠的运行，证明该方案设计合理，抗干扰能力强，能满足通信车辆恶劣电磁环境下运行的要求。
　　　本文是作者和项目组成员长期研究和实践工作的结晶。参加研制的人员有张文昌、于功山、王怀杰、张瑞英、陈爱伟等。张文昌负责统稿，于功山、王怀杰负责审稿。由于本文作者水平有限，加之变频逆变技术正在迅猛发展，文中难免存在不妥之处，恳请同行、专家质疑指正，共同探讨、提高。