基于脉波倍增的新型24脉TRU可靠性分析与试验_潘旷明.pdf

测控技术 年第 卷第 期试验与测试 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金民航联合研究基金（，）引用格式：潘旷明，陈昕冉，李文臣，等基于脉波倍增的新型 脉 可靠性分析与试验测控技术，（）：，（）：基于脉波倍增的新型 脉 可靠性分析与试验潘旷明，陈昕冉，李文臣，史艳博，潘怡晨，葛红娟（南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京；南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京）摘要：提出了采用小容量半桥辅助电路与 脉变压器、组整流桥构成多电飞机 脉变压整流器（）的方法。该方法利用半桥辅助电路向 脉波直流电压母线注入电压纹波，实现脉波倍增，构成结构简单、变压器质量轻、整流桥少的 脉，达到简化变压器结构、降低变压器质量，以及降低整流桥数量的目的。分析了拓扑工作模态，推导了输入输出变量表达式，设计了辅助电路，开展了辅助变压器变比优化设计和样机试验等工作；研究了机载 的失效率预计方法，针对 环境温度的典型情况，开展了新型 和常规 脉 的失效率预计比较研究。结果表明，所提出的 脉 不但结构简单、质量轻，且具有良好的输入输出性能和较低的失效率。关键词：脉波；变压整流器；可靠性分析；脉波倍增；谐波抑制中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：,(,;,):(),:;具有高可靠性、良好电磁兼容性能的线性交 直流变压整流器（，）是机载电源系统的关键设备之一。将机载发电机输出的 交流电转换为机载高压 直流电。目前主流多脉波 有 脉、脉和 脉 种。由于 脉 的变压器抽头较多，需要 组三相整流桥，结构相对复杂，因此减少整流桥数目、简化结构，同时满足民机装机要求是 研究和应用的发展方向。国内外学者对此开展了广泛的研究。等根据 输入电流的（，总谐波失真）随其阶梯数的增加而减小的特性，提出采用三角形 延边三角形联结的移相变压器的隔离型 脉；刘瑾等提出了质量更轻、结构更小的采用星形接法的 脉自耦变压整流器（，）；马西庚等提出了采用差接三角形接法的 脉，进一步降低了自耦变压器容量，不足之处是增加了变压器的绕制复杂度；等从简化系统结构角度提出不对称 型 脉，显著降低了 的体积和质量，但 组整流器电压不对称，无法调节系统输出电压。等也提出可以使用电力电子移相变压器（，）代替 中的常规移相变压器，可以显著降低多脉波变压整流器体积和质量。为进一步优化 的结构，降低 的体积和质量，增加 的可靠性，本文提出利用半桥辅助电路将纹波注入直流母线实现 脉输出的。基于可靠性手册计算了 的关键部件失效率，并通过故障树分析了 的可靠性，最后依据民机机载设备要求，对 开展了输入输出性能试验，试验结果表明所提出的 设计可靠性高、性能满足要求，符合民机要求。本文中的设计、分析和试验方法可为 及其他机载设备的研制分析和测试提供参考。新型 脉 设计 拓扑结构分析本文提出的基于半桥辅助电路的 脉 由六相输出的移相变压器、组三相整流桥和小容量半桥辅助电路组成。其中，半桥辅助电路包括 个均压电容（、）、个辅助变压器（）和 个纹波注入桥臂。辅助变压器原边绕组一端连接至 组三相整流桥的中点，原边绕组和副边绕组的公共点连接至 个均压电容的中点，副边绕组另一端连接至纹波注入桥臂中点，如图 所示。图 设计的 脉 拓扑结构 移相变压器相移原理如图 所示。利用对移相变压器绕组连接分别产生和的相移，使移相变压器副边输出两组幅值频率相同、相位差 的电压。图 移相变压器相移原理根据三角形正弦定律可计算出各绕组上的电压幅值及各个绕组的电压关系：（）设原边绕组匝数为，副边绕组匝数为，则辅助变压器匝比 为（）工作模态分析依据三相整流桥导通原理，可解算得出两组三相整流桥 和 的输出电流 和：（）()，()（）()，()|（）则辅助变压器一次侧绕组电流 为（）()，()（）()，()|（）通过分析可知，本文提出的 脉 具有图 所示的两个工作模态。工作模态（，）。纹波注入桥臂上二极管 导通，截止关断，则有（）|（）基于脉波倍增的新型 脉 可靠性分析与试验图 新型 脉 工作模态 和工作模态 工作模态（，）。纹波注入桥臂上二极管 导通，截止关断，则有（）|（）综合两个模态，以及式（）、式（）和式（），得出辅助变压器一次侧绕组电压 和输出电流 表达式为，()，()|（）()，()()，()|（）式中：相角 为与辅助变压器匝比 有关的函数；（）。辅助变压器最优匝比新型 脉 工作过程中，应使输出电流相邻脉波（间隔）对应值相等，此时，辅助变压器匝比称为最优匝比。当 时，输出电流 的幅值为（）()()（）相邻脉波的相差为，则，为（）()（）最优匝比时，有式（）与式（）相等，即（）()()（）()（）解得辅助变压器最优匝比为。新型 脉 可靠性分析 民机多脉波 可靠性要求 对机载设备提出了要求，其咨询通告 中对运输类飞机及其系统的失效状态、影响程度进行了分类和阐述，并对失效状态的发生概率提出了要求。变压整流器作为民机电源的关键设备，其失效将会导致直流电源系统无法正常工作，直流电源系统的失效率要求低于。但由于 在多余度状态工作，对于有余度的，其失效状态的严重性介于严重的和有危害性之间，在目前的研究中，通常对其提出失效率低于 的要求。新型 脉 与常规 关键部件失效率预计分别针对图 所示的常规 脉 拓扑和本文提出的新型 拓扑中使用的关键部件进行参数分析与失效率预计，变压整流器的功率均为 。关键部件包括变压器、整流桥二级管和辅助电路等，如表 所示。图 常规 脉 拓扑表 关键部件参数关键部件新型 常规 变压器铁芯变压器质量变压器功耗整流桥二极管型号工作电流（有效值）（有效值）额定电流最大反向电压额定反向电压辅助半桥二极管工作电流：（有效值）；额定电流：；最大反向电压：；额定反向电压：辅助电路均压电容电容量：；工作电压：；额定电压：辅助变压器质量：；消耗功率：测控技术 年第 卷第 期 本文根据 电子设备可靠性预计手册，针对表 所示的部件参数，以航空用 较高绝缘等级 和质量等级、高温（）工作环境为基础，开展关键部件的失效率的预计分析。（）变压器。变压器工作失效率预计模型为（）式中：为工作失效率；为基本失效率；为环境系数；为质量系数；为种类系数。通过 解算变压器平均温升 以及其热点温度获取变压器失效率预计参数。（）（）（）式中：为变压器质量；为消耗功率；为环境温度。计算得到新型 变压器的 ；根据绝缘等级、质量等级、热点温度和工作环境，获得失效率预计参数：，.，计算工作失效率为 .。同理，解算普通 变压器和辅助变压器器的失效率，如表 所示。表 变压器失效参数及失效率部件 新型 变压器辅助变压器常规 变压器（）二极管。二极管失效率预计模型为（）式中：、的定义同式（）；为额定电流系数；为应用系数；为电压应力系数；为结构系数。新型 整流桥二极管电流应力 和电压应力分别为：二极管电流有效值 额定电流，最大反向电压 额定反向电压。结合电流应力、电压应力、绝缘等级、质量等级和工作环境等，通过 获得失效率预计参数为.，.，.，计算工作失效率：.。同理，可解算获得辅助半桥二极管和常规 整流二极管失效率，如表 所示。表 二极管失效参数及失效率部件 新型 整流二极管辅助电路二极管常规 整流二极管 （）电容。电容工作失效率预计模型为（）式中：为电容量系数。根据绝缘等级、质量等级、工作环境和电容量等，查得辅助电路均压电容失效率参数，如表 所示。表 电容失效参数及失效率部件 均压电容 可靠性分析（）新型 脉 失效率。建立新型 脉 的故障树，如图 所示，故障树事件编号及含义如表 所示。计算得新型 失效率：。（）常规 脉 失效率。建立常规 脉 的故障树，如图 所示。故障树事件编号及含义如表 所示。图 新型 脉 故障树表 新型 脉 故障树事件编号及含义编号含义编号含义新型 脉 故障辅助变压器失效三相变压器失效均压模块失效整流模块失效均压电容失效整流桥失效纹波注入桥臂失效整流二极管失效纹波注入二极管失效半桥辅助电路失效基于脉波倍增的新型 脉 可靠性分析与试验图 常规 脉 故障树表 新型 脉 故障树事件编号及含义编号含义编号含义常规 脉 故障整流桥失效三相变压器失效整流二极管失效整流模块失效计算得常规 失效率：。比较分析可知，新型 脉 失效率满足可靠性要求，且低于常规无辅助电路，主要原因有：新型 脉 变压器质量小，绕组简单，热点温度低，失效率低；新型 脉 使用的二极管数量少，电压应力小，失效率低。试验验证与分析为验证本文设计的新型 脉 满足民机电源设备装机要求，按照民机研制流程，对设计开发的原理样机开展了多项试验验证。（）输入电流、输出电压。在 三相交流输入电压下对设计的 开展进行输入、输出测试。当 输入频率为 时，其试验波形如图、图 所示。图 输入时输出电流、输出电压图 输入时输入电流 由试验结果可知，半桥辅助电路将 从 脉波变为 脉波，负载电压纹波更小，负载电压有效值实测值为 ；输入线电流波形在一个周期内含有 个阶梯波，输入电流谐波更小。（）输入电流谐波测试。由于多电飞机在宽变频状态工作，设计的 的输入电压为 ，输入电压频率分别为 、，负载电流可分为轻载、满载，测量输入电流，计算其，如表 所示。表 输入电流 负载电流输入电压频率 实测数据轻载满载 飞机供电特性要求交流用电设备的电流谐波含量应不大于。由表 可以看出，所设计的 脉波 满足飞机交流用电设备特性的输入电流谐波含量要求。（）纹波电压测试。当输入三相为 时，测量得输出电压的偏差值及纹波电压如表 所示。根据 飞机自耦变压整流器通用要求，正常稳态输出电压纹波幅值不得超过 。由表 可知，当输入电压在规定范围内变化时，输出电压变化小于 ，满足要求，并且其输出直流电压纹波小于 。表 输出电压偏差值及纹波电压单位：输入电压输出电压偏差值纹波电压 结论本文提出了基于半桥辅助电路的 脉机载 设计和可靠性分析方法，并依据民机要求开展了试验验证，主要结论如下：基于半桥辅助电路的 脉 结构简单，谐波抑制能力和纹波抑制能力强，满足民机要求，设计方法合理可行。基于半桥辅助电路的 脉 可靠性水平更高，基于故障树和可靠性手册的可靠性分析方法正确可行。测控技术 年第 卷第 期 半桥辅助电路的设计优化方法可为其他电气设备优化提供参考，可靠性分析方法和试验验证方法可推广应用于其他机载设备相关验证测试中。参考文献：，：牛兰，葛红娟，杨光，等降压式 脉冲自耦变压器优化设计工程科学学报，（）：，（）：（），（）：史艳博，葛红娟，胡寅逍，等基于无源半桥辅助电路的 脉 航 空 变 压 整 流 器 电 工 技 术 学 报，（）：，（）：（），（）：，：，：刘瑾，高朝晖，陈冰洁航空自耦变压整流装置仿真模型的研究计算机仿真，（）：，（）：（）马西庚，白丽娜一种新型 脉波整流电路的设计及仿真计算机仿真，（）：，（）：（），（）：，：李一卓，高朝晖，郗展，等飞机变压整流器健康管理算法研究测控技术，（）：，（）：（）电子设备可靠性预计手册：（）飞机供电特性：（）：（上接第 页），：（）：，（）：，：（）：，（）：，（）：，：，：（）：.基于脉波倍增的新型 脉 可靠性分析与试验