30 kVA正弦波恒流助航调光器优化设计

张可贵，钟 浪，董志强，柳 明，欧阳晖

30 kVA正弦波恒流助航调光器优化设计

张可贵1，钟 浪1，董志强1，柳 明2，欧阳晖2

（1. 中国核工业二三建设有限公司，北京 101300；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

本文研究了一种AC-DC-AC型正弦波恒流助航调光器的主电路结构，并以30 kVA容量实验样机为研究对象，通过理论计算对电路中的主要参数进行了详细设计。最后本文通过Matlab/Simulink仿真软件对所设计电路的不同工作状态进行了仿真，验证了样机设计的正确性和可行性。结果表明，所设计的调光器精度高，谐波含量低，满足实际工作的性能指标。

AC-DC-AC 正弦波恒流控制 机场助航调光器 Matlab/Simulink

0 引言

助航灯光系统是机场重要的飞行安全级设备[1, 2]，用来引导飞机的进近、着陆和滑行。恒流调光器作为助航灯光系统中的供电系统，对灯光亮度的调节起着决定性的作用[3, 4]，是助航灯光系统中非常关键的设备。

传统的恒流调光器是一种基于相控技术的晶闸管变流装置[5]，该装置网侧和输出侧谐波含量高，电网电能质量较低[6, 7]，一方面加快了灯光回路电缆和隔离变压器的老化速度，另一方面对灯光系统周围的通讯设备造成严重干扰[8, 9]。新一代正弦波恒流调光器采用高速开关器件和数字控制技术[10]，能实现网侧和输出侧电流正弦化，具有网侧功率因数高，输出波形谐波含量低，智能化程度高等优点[11-13]，是未来机场发展的必然趋势。

1 恒流调光技术的发展趋势

目前国内外机场现行使用的恒流调光器还是以传统的晶闸管恒流调光器为主，但根据现在助航系统灯具LED灯的应用[14, 15]以及变流器的性能指标分析，新一代的正弦波恒流调光器必将是未来的发展趋势。

从应用对象助航灯的发展上看，随着节能低碳理念的深入，以及飞行保障对助航灯光系统安全稳定性能的要求，半导体发光二极管(LED)灯具与传统的白炽灯、卤钨灯相比具有寿命长、节能高效、发光颜色多样、体积小、适应环境广以及便于控制等诸多优点，在国内外民航机场助航灯光系统中已得到推广应用，并有逐步取代传统卤钨灯的趋势[16]。鉴于LED的半导体特性，以及对电流谐波的要求，现有的晶闸管调光器是不可行的，唯一的解决办法就是与之匹配的正弦波恒流调光器[17]。

从性能指标上看，晶闸管恒流调光器是基于相控技术的变流装置，其输出中谐波含量很高，致使电网电能质量下降，同时加快了导线老化，并对灯光系统周围的通讯等设备产生干扰，降低了机场系统运行的可靠性[18]。而采用高速开关器件的正弦波恒流调光器具有输出波形品质好，谐波小，可延长助航灯具光源使用寿命；功率因数高、谐波小，无需专项电网治理；整体效率高，节省成本；噪音低，污染小；智能程度高、可靠性高、维修性好[19]，在性能上有明显的优势。

根据最新的调查，青岛新机场以及北京新建的大兴国际机场中明确指定调光器使用正弦波调光器，从中可以看到正弦波调光器将逐渐走进市场。

通过上面分析，机场调光器未来将是正弦波恒流调光器的方向，近年来国内外调光器厂家正在积极推进正弦波恒流调光器的研发。其中国外ADB Safegate公司走在前面，其研发的VIS系列、CRE系列的正弦波调光器采用了交-直-交拓扑结构，IDM 9000型正弦波调光器采用了交-交斩波结构。在国内最早研发正弦波调光器的厂家西安爱科，其在2009年研制的S1系列正弦波调光器采用了交-交斩波结构。国内调光器市场占比最大的大连电子所（大连宗益）也在2012年研制了自己的正弦波调光器CCR-2100S。

2 正弦波恒流调光器类型

现有的正弦波恒流调光器主电路主要采用AC-AC一级变换[20]和AC-DC-AC两级变换的拓扑结构来实现，图1（a）为AC-AC方案，图1（b）为AC-DC-AC方案。

AC-AC电路的优点是结构简单，无需直流母线电容；体积小，结构紧凑；只有一级变换，效率高。但其缺点是无自然续流通路，虽然可以构造自然续流通路，但增加了电路的复杂度，可靠性差。AC-DC-AC电路的优点是有自然续流通路，控制方案成熟，可靠性高。但其缺点是有两级变换，损耗大，效率相对较低。

考虑到调光器是机场飞行安全级设备，对可靠性的要求很高，因此本文研究的正弦波恒流调光器选择AC-DC-AC电路实现。

3 AC-DC-AC正弦波恒流调光器

本文研究的AC-DC-AC型正弦波恒流调光器的主电路拓扑结构如图2所示，其前级为三电平BOOST-PFC整流电路，该电路实现整流的同时还具备功率因数校正功能。后级变换为H桥逆变电路，实现DC/AC变换和恒流控制功能。

图2 三电平BOOST-PFC型正弦波恒流调光器

采用三电平BOOST电路进行功率因数校正时，两路开关器件的相差保持为180°。随交流输入电压u瞬时值的变化，两路开关器件的驱动有不同的模式，如图3所示。

图3 三电平BOOST-PFC电路驱动模态

图3(a)中，输入交流电压整流值小于1/2的直流母线电压时，两路开关器件的驱动占空比大于0.5。两组开关器件的驱动状态对应主电路4种模态：其中Q1与Q2同时导通时，BOOST电感上的电压为整流后输入电压；当Q1与Q2中只有一个导通时，BOOST电感上的电压为整流后输入电压与1/2的直流母线电压之差。

图3(b)中，输入交流电压整流值大于1/2的直流母线电压时，两路开关器件的驱动占空比小于0.5。两组开关器件的驱动状态对应主电路4种模态：其中Q1与Q2中只有一个导通时，升压电感上的电压为整流后输入电压与1/2的直流母线电压之差；当Q1与Q2中同时关断时，两个升压电感上的总电压为整流后输入电压与直流母线电压之差。

4 30 kVA正弦调光器的参数设计

本文以30 kVA容量的正弦波恒流调光器为研究对象，通过理论计算对电路中主要的参数进行设计。所设计的调光器的交流输入电压有效值为U=380 V±10%，频率=50 Hz，输出电流有效值恒定o=6.6 A，额定输出功率S=30 kVA。

1）直流母线电压参数计算

图2中交流输入电压最高为U=418 V，经不控整流后的峰值电压为U=591 V，由于整流电路采用的是BOOST型PFC电路，其直流母线电压将大于591 V。综合考虑IGBT的效率、实用性与开关频率等因素，直流母线电压U=700 V。

2）直流母线电容参数计算

实际工程中要求调光器在开机后从空载到满载的时间在1 s以内，即缓起需在1 s内完成。通过该条件计算母线电容。

由于调光器输出控制采用的是电流有效值闭环控制，缓起时输出电流有效值与缓起时间成正比，因此在负载一定的条件下输出功率与缓起时间的平方呈正比，即：

限定在缓起结束时刻直流母线电压为额定值的90%，假设在0.5 s的时间内负载所需能量的10%由母线电容提供，即：

将式(3)代入(4)得到母线电容为：

（3）不控整流桥参数计算

输入端的4个整流二极管承受的最大反压为：

当输入电压最低，整机效率=0.92，输入功率因数PF=0.95，则输入交流电流有效值为：

输入整流二极管额定电流为：

（4）IGBT参数计算

IGBT关断时，IGBT承受的最大反压为直流母线电压U的1/2，即：

IGBT开通时流过的电流即为输入电感电流，因此流过IGBT的电流最大值为:

（5）续流二极管参数计算

当IGBT导通时，续流二极管承受的反压为输出电压，即：

在IGBT关断时，流过续流二极管的电流即为输入电感电流，因此流过IGBT的电流最大值为：

续流二极管在输入正弦电压的整个周期内，在IGBT关断时都流过电流。在一个工频周期内，假设二极管一直流过电感电流，与上述电流发热等效的正弦半波电流的平均值为：

因此可以选择额定电压600 V，额定电流200 A的IGBT。

（6）BOOST升压电感参数计算

限定电感电流纹波最大值不超过输入电流幅值的25%。

首先以图3(a)对应的状态计算电感值。在一个开关周期中两个开关器件同时导通的时长均为：

在这段时间内电感电流纹波为：

根据BOOST电路输出电压与输入电压间的关系可得占空比表达式为：

将式(14)代入式(15)中：

式(15)中当输入电压绝对值为1/4的直流母线电压值时，电感电流纹波最大。限定电感电流纹波为交流输入电流额定幅值的25%，即：

求解上式可得电感值为：

在图3(b)对应的模态中使用同样的分析计算方法可知当输入电压绝对值为3/4的直流母线电压值时，电感电流纹波最大，并且纹波最大值表达式与式(15)相同。因此依照限制电感电流纹波的判据计算出来的电感值也相同。

（7）交流滤波电感参数计算

交流输入LC滤波器的作用是滤除来自BOOST电感的开关频率纹波电流。为减小滤波电感体积，限定滤波电感上的基波压降不超过电网电压的1%。根据以上限定条件，则有：

可求得：

（8）交流滤波电容参数计算

交流输入LC滤波器的谐振频率设定为开关频率的1/10，即：

求解得：

将式(19)代入式(21)，可求出1，流过滤波电容的电流为：

（9）隔离升压变压器设计

隔离变压器副边电压的有效值为：

逆变电路的直流侧电压dc最低为630 V，设定最大调制比为0.85。逆变电路桥臂中点电压基波有效值最大为：

忽略逆变器输出滤波电感上的压降，则变压器的变比为：

（10）逆变电路IGBT参数计算

当IGBT关断时，IGBT承受的反压为直流母线电压，其最大值为：

在IGBT导通时，忽略输出滤波电容电流，输出升压变压器原边电流即为流过IGBT的电流，其额定值为:

（11）输出滤波电感设计

限定电感电流纹波最大值不超过额定电流幅值的30%，则：

（12）输出滤波电容设计

逆变器采用单极倍频调制，最低次开关谐波集中在2倍开关频率附近。为有效滤除开关谐波，限定逆变器输出LC滤波器谐振频率为最低次开关谐波频率的1/10，即：

代入数据可求解得输出滤波电容为：

将式(28)带入式(30)可求出C15.8 μF，流过该滤波电容的电流为：

5 仿真验证

在Matlab/Simulink中对上述设计的30 kVA的恒流调光器进行仿真。

（1）额定负载工况仿真

额定功率下，带纯阻性负载，R=688.7 Ω，仿真结果如图4所示。

图4 额定负载工况仿真波形

可以看到：额定工况下，输出电流有效值恒定在6.6 A，恒流精度基本保持在0.01 A以内，交流输入电流THD为1.34%，输出电流THD为0.17%。

（2）开机时序仿真

仿真开机时序：0～0.1 s对直流电容充电，0.1 s后开始整流，0.3 s后开始逆变，其仿真波形如图5所示。

可以看到，直流母线电压最大不超过800 V，在所选开关器件的耐压范围内，交流输出电流i达到稳定的时间为0.8 s。

图5 开机时序仿真

（4）输入网侧电压畸变仿真

向网侧电压注入4%的三次和3%的五次谐波，即输入电压发生5%的畸变时，仿真波形如图6所示。

图6 输入网侧电压畸变仿真波形

可以看到，输入网侧电压畸变时，电容电压均衡输出电流有效值恒定在6.6 A，交流输入电流THD为1.09%，输出电流THD为0.17%，因此网侧电压畸变时，对所设计的电路横流功能基本没影响。

6 结论

本文以30 kVA容量的工程样机为设计对象，对其参数进行了详细设计，并在Matlab/Simulink中对所设计电路的不同工作状态进行了仿真，包括额定工作状态、开机工作状态，以及输入电网电压发生畸变工作状态。仿真结果表明，所设计的调光器恒流精度高，谐波含量低，抗干扰性强，能满足实际工作的性能指标。

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The Optimal Design of 30 kVA Airfield light Dimmer with Sine Wave Constant Current Control

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)

V351.32

A

1003-4862（2021）10-0059-04

2021-03-09

张可贵(1969-)，男，工程师。研究方向：自动化和仪控技术研究。