王 鑫，徐博寧，高 英，余繼良

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

武器裝備供電系統(tǒng)是武器裝備的重要組成部分之一，是戰(zhàn)場(chǎng)的能量之源?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)武器信息化、快速響應(yīng)能力等的發(fā)展趨勢(shì)，以及新概念武器應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)，對(duì)武器裝備在戰(zhàn)場(chǎng)中的殺傷力和生存能力提出更高的要求。為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的需求，武器裝備的組成日趨復(fù)雜，這就對(duì)供電系統(tǒng)提出了更高的要求。作者根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)以及認(rèn)真分析總結(jié)出陸軍武器裝備供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些先進(jìn)的理念以及相關(guān)技術(shù)，在此進(jìn)行探討。

1 供電系統(tǒng)的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念

經(jīng)分析陸軍武器裝備供電系統(tǒng)的供電特性實(shí)質(zhì)為直流供電特性。因此，圍繞這一供電特性將引起供電系統(tǒng)組件設(shè)計(jì)概念的變革，這些變革的基本內(nèi)容包括驅(qū)動(dòng)供電系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī)不必穩(wěn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，只要滿足在預(yù)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，使發(fā)電裝置能實(shí)現(xiàn)有效值穩(wěn)定的電能輸出即可。為使組成供電系統(tǒng)的組件結(jié)構(gòu)更加合理，本文作者據(jù)研發(fā)供電系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，提出以下設(shè)計(jì)概念：

1)混合激磁雙電壓交流發(fā)電機(jī)概念。

2)補(bǔ)償式電源變換器概念。

3)供電系統(tǒng)的數(shù)字化概念。

4)模塊電源的串并聯(lián)概念。

5)采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源概念。

其中混合激磁雙電壓交流發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償式電源變換器是我們自行研發(fā)的先進(jìn)技術(shù)成果。發(fā)電機(jī)的雙電壓輸出方式是適應(yīng)復(fù)雜武器裝備的一種供電體制，因?yàn)樵谖淦餮b備中，不同的設(shè)備需求不同的電壓等級(jí)電能，雙電壓供電體制為合理配置電源變換器，提高能量流傳輸效率提供了條件；補(bǔ)償式電源變換器是一種從發(fā)電機(jī)到負(fù)載設(shè)備間合理配置能量流的變換器，可實(shí)現(xiàn)電源變換器能量密度高，效費(fèi)比高的目的[1]。

混合激磁雙電壓交流發(fā)電機(jī)與補(bǔ)償式電源變換器已在多個(gè)型號(hào)武器裝備上成功配套使用的技術(shù)。

2 供電系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)

2.1 混合勵(lì)磁雙電壓發(fā)電技術(shù)

中頻交流發(fā)電機(jī)在武器裝備供電系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)在于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以提高，從而提高發(fā)電機(jī)的功率密度，即降低發(fā)電機(jī)單位輸出功率所需的質(zhì)量[2]。采用混合勵(lì)磁雙電壓發(fā)電技術(shù)后，該種發(fā)電機(jī)應(yīng)用于武器裝備供電系統(tǒng)具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。

混合激磁雙電壓同步發(fā)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)為：

1)以稀土永磁材料構(gòu)成發(fā)電機(jī)的基本激磁結(jié)構(gòu)。

2)以電流激磁方式構(gòu)成發(fā)電機(jī)的輔助激磁結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的激磁電流可為發(fā)電機(jī)配置電壓調(diào)節(jié)器[3]。

3)雙電壓輸出指：發(fā)電機(jī)在同一電樞結(jié)構(gòu)內(nèi)配置兩套繞組，其中一套繞組輸出低電壓，經(jīng)電源變換后為直流28 V供電裝置饋電，另一套繞組輸出高電壓，經(jīng)電源變換后為武器裝備的伺服系統(tǒng)，雷達(dá)系統(tǒng)等使用較高電壓的設(shè)備供電。

該種發(fā)電機(jī)因激磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，發(fā)電機(jī)溫升低，功率密度高，發(fā)電機(jī)能配置電壓調(diào)節(jié)器，能保障輸出電壓的穩(wěn)壓精度，再由于該發(fā)電機(jī)為雙電壓輸出，為簡(jiǎn)化電源變換器創(chuàng)造了有利條件。另外，由于發(fā)電機(jī)的基本激磁結(jié)構(gòu)為稀土永磁結(jié)構(gòu)，能有效降低發(fā)電機(jī)輸出繞組的輸出電抗值，從而提高了發(fā)電機(jī)的過(guò)電流輸出能力。

2.1.1 發(fā)電機(jī)激磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)激磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是：當(dāng)發(fā)電機(jī)由穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，稀土永磁的激磁結(jié)構(gòu)使發(fā)電機(jī)能夠輸出額定電壓，電流激磁部分磁通鏈僅占很小的比重，用來(lái)彌補(bǔ)因發(fā)電機(jī)負(fù)載電流變化引起的電壓波動(dòng)值。當(dāng)發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，例如，用武器裝備的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)供電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速需要在較大范圍內(nèi)變化，則應(yīng)適當(dāng)增大電流激磁結(jié)構(gòu)磁通鏈的比例，并且電壓調(diào)節(jié)器自然輸出的激磁電流為雙極性的，即當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，稀土永磁激磁結(jié)構(gòu)與電流激磁結(jié)構(gòu)形成的磁通鏈疊加，形成助磁效應(yīng)；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電流激磁部分對(duì)稀土永磁部分形成袪磁效應(yīng)。上述激磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則提高了武器裝備供電系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)榧词闺妷赫{(diào)節(jié)器發(fā)生故障，只要保障發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速鄰近工作，則供電系統(tǒng)在降低輸出功率的情況下，可繼續(xù)向系統(tǒng)供電[4]。

2.1.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇

由于中頻發(fā)電機(jī)頻率高，相對(duì)工頻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速選擇范圍較大，可選擇3 000、4 800、6 000 r/min三個(gè)等級(jí)的轉(zhuǎn)速。

2.1.3 發(fā)電機(jī)電壓選擇

中頻混合激磁雙電壓同步發(fā)電機(jī)的高壓輸出部分按三相四線制，線電壓220 V；發(fā)電機(jī)低壓輸出部分按三相四線制，線電壓63 V。

由于發(fā)電機(jī)的低壓輸出部分通常經(jīng)電源變換器后形成與蓄電池并網(wǎng)的直流28 V電源，故發(fā)電機(jī)低壓部分的中線允許接武器裝備的殼體。而為安全考慮，發(fā)電機(jī)高壓輸出部分的中線應(yīng)該懸浮，兩條中線按電隔離設(shè)計(jì)。

2.2 發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置說(shuō)明

發(fā)電機(jī)用沖程式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配應(yīng)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與發(fā)電機(jī)輸入軸間設(shè)置增速傳動(dòng)箱，增速箱的輸入軸側(cè)應(yīng)配置電磁離合器或聯(lián)軸器。

2.3 補(bǔ)償式電源變換技術(shù)

筆者前面已對(duì)雙電壓交流發(fā)電機(jī)用于武器裝備中的合理性作了說(shuō)明，該種發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于用發(fā)電機(jī)的低壓輸出繞組經(jīng)電源變換器向直流28 V供電體制饋電，而發(fā)電機(jī)的高壓輸出繞組則經(jīng)電源變換器向負(fù)載設(shè)備中需求較高電壓的設(shè)備饋電。能量流向由高電壓向低電壓方向流動(dòng)，電源變換器能量轉(zhuǎn)換效率高。

筆者推薦應(yīng)用一種補(bǔ)償式電源變換器方案，該種方案應(yīng)用于首臺(tái)輸出功率10 kW，輸出電壓為直流28 V，質(zhì)量40 kg的電源變換器中，成功與自行武器配套。隨后又研制成功不同功率不同電壓等級(jí)的補(bǔ)償式電源變換器。

補(bǔ)償式電源變換器將被轉(zhuǎn)換的電能分為兩個(gè)通道傳遞，其基礎(chǔ)能量部分由發(fā)電機(jī)輸出電壓或發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)變壓器后直接整流形成，而能量流的可控制部分通過(guò)一個(gè)幅值可調(diào)節(jié)的通道調(diào)節(jié)后，經(jīng)整流后與基礎(chǔ)能量部分串聯(lián)形成電源變換器的輸出電壓。以下如圖1所示，說(shuō)明補(bǔ)償式電源變換器的工作原理，發(fā)電機(jī)向兩臺(tái)電源變換器供電，實(shí)現(xiàn)兩種規(guī)格的電能轉(zhuǎn)換。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，電源變換器的品種將由負(fù)載設(shè)備的需求確定。

補(bǔ)償式電源變換器不是全功率電壓調(diào)節(jié)功率變換器，其基礎(chǔ)能量流占總傳遞能量的70%以上，由發(fā)電機(jī)輸出端或發(fā)電機(jī)輸出端經(jīng)變壓器簡(jiǎn)單整流形成，而輔助能量流則通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)元件實(shí)現(xiàn)保障整個(gè)電源變換器輸出電壓的精度調(diào)節(jié)，因而實(shí)現(xiàn)了用調(diào)節(jié)部分能量流的方法，保障全部能量流精度的目的。因而不僅提高了電源變換器的效率，而且降低了造價(jià)，是用于武器裝備供電系統(tǒng)的合理電源變換器。

2.4 數(shù)字化技術(shù)

傳統(tǒng)的電源多是采用模擬控制方式，但是模擬電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，靈活度不夠，不便于調(diào)試，產(chǎn)品的一致性較差。軍用電站系統(tǒng)的數(shù)字化就是用數(shù)字控制器代替原模擬控制器，數(shù)字控制芯片可選技術(shù)成熟可靠的DSP芯片，數(shù)字化后的電源系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：

1)有效克服了原模擬電路溫漂、畸變等帶來(lái)的信號(hào)失真。

2)高集成度，實(shí)現(xiàn)了電源系統(tǒng)單片集成化, 將大量的分立式元器件整合到一個(gè)芯片或一組芯片中，減小了體積，并有效減低了大量分立器件導(dǎo)致的雜散電感，從而降低了雜散信號(hào)干擾。

3)實(shí)現(xiàn)控制器硬件統(tǒng)一，不同的電源變換器，無(wú)論輸出交流還是直流，單相輸出還是多相輸出，不同的功率等級(jí)，都可以用同一控制器實(shí)現(xiàn)，無(wú)需改動(dòng)控制器硬件，只需改動(dòng)算法就可實(shí)現(xiàn)，從而縮短了開(kāi)發(fā)周期和成本。

4)高技術(shù)指標(biāo)。能充分發(fā)揮數(shù)字信號(hào)處理器及微控制器的優(yōu)勢(shì), 使所設(shè)計(jì)的數(shù)字電源達(dá)到高技術(shù)指標(biāo)。例如, 其脈寬調(diào)制(PWM)分辨力可達(dá)150ps的水平, 這是傳統(tǒng)電源望塵莫及的。

2.5 模塊化串并聯(lián)技術(shù)

軍用電站中的直流電源工作在低壓大電流或高壓小電流狀態(tài)，在這種工作狀態(tài)下受構(gòu)成電源模塊的半導(dǎo)體功率器件，磁性材料等自身性能的影響，單個(gè)電源模塊的最大輸出功率有限，實(shí)際應(yīng)用中往往需要用若干臺(tái)直流電源串、并聯(lián)運(yùn)行，以滿足負(fù)載的要求。分布式直流電源供電相對(duì)于集中式供電更具優(yōu)勢(shì)：這樣每個(gè)變換器只處理較小功率，降低了電流應(yīng)力，因此可將開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率提高到兆赫級(jí)，從而提高電源功率密度使系統(tǒng)體積、重量進(jìn)一步減小，更便于集成。

2.6 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)

在傳統(tǒng)直流電源的變換中，開(kāi)關(guān)器件多處于硬開(kāi)關(guān)方式，這種開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為0，出現(xiàn)了重疊，如圖2所示，因此導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)損耗，這部分損耗會(huì)使開(kāi)關(guān)器件發(fā)熱，另外過(guò)大的開(kāi)關(guān)損耗會(huì)限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高，變壓器體積比較大，而且在功率器件關(guān)斷時(shí)，由于分布電感的存在，開(kāi)關(guān)器件承受較大的應(yīng)力，再次，在全橋電路中易產(chǎn)生同一個(gè)橋臂上的兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。總之，在硬開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。開(kāi)關(guān)損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的提高而增加，使電路效率下降，阻礙了開(kāi)關(guān)頻率的提高；開(kāi)關(guān)噪聲給電路帶來(lái)嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題，影響周邊電子設(shè)備的正常工作。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓零電流開(kāi)通和關(guān)斷，減小開(kāi)關(guān)管在開(kāi)關(guān)損耗。移相全橋零電壓變換電路具有開(kāi)關(guān)損耗小，開(kāi)關(guān)噪聲小等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且目前已經(jīng)應(yīng)用，軍用電站中的低壓大功率直流電源可采用該變換電路，開(kāi)展大功率開(kāi)關(guān)電源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究對(duì)提高軍用電站電源變換部分的功率密度，解決散熱問(wèn)題，提高電源變換效率和系統(tǒng)可靠性具有重大意義[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，武器裝備供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在不同的階段有不同的設(shè)計(jì)理念，其目的都是為了在工業(yè)基礎(chǔ)提供的條件下，使工程化設(shè)計(jì)更合理，降本增效、推陳出新。本文僅就現(xiàn)階段的發(fā)展做一探討，后續(xù)發(fā)展將會(huì)繼續(xù)關(guān)注和研究。

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