陆军武器装备供电系统设计的先进理念及技术探讨

王 鑫，徐博宁，高 英，余继良

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

武器装备供电系统是武器装备的重要组成部分之一，是战场的能量之源。现代战争武器信息化、快速响应能力等的发展趋势，以及新概念武器应用于现代战场，对武器装备在战场中的杀伤力和生存能力提出更高的要求。为了适应现代战场的需求，武器装备的组成日趋复杂，这就对供电系统提出了更高的要求。作者根据工作经验以及认真分析总结出陆军武器装备供电系统设计的一些先进的理念以及相关技术，在此进行探讨。

1 供电系统的先进设计理念

经分析陆军武器装备供电系统的供电特性实质为直流供电特性。因此，围绕这一供电特性将引起供电系统组件设计概念的变革，这些变革的基本内容包括驱动供电系统的原动机不必稳速运转，只要满足在预定的转速范围内，使发电装置能实现有效值稳定的电能输出即可。为使组成供电系统的组件结构更加合理，本文作者据研发供电系统的经验，提出以下设计概念：

1)混合激磁双电压交流发电机概念。

2)补偿式电源变换器概念。

3)供电系统的数字化概念。

4)模块电源的串并联概念。

5)采用软开关技术的开关电源概念。

其中混合激磁双电压交流发电机和补偿式电源变换器是我们自行研发的先进技术成果。发电机的双电压输出方式是适应复杂武器装备的一种供电体制，因为在武器装备中，不同的设备需求不同的电压等级电能，双电压供电体制为合理配置电源变换器，提高能量流传输效率提供了条件；补偿式电源变换器是一种从发电机到负载设备间合理配置能量流的变换器，可实现电源变换器能量密度高，效费比高的目的[1]。

混合激磁双电压交流发电机与补偿式电源变换器已在多个型号武器装备上成功配套使用的技术。

2 供电系统先进技术

2.1 混合励磁双电压发电技术

中频交流发电机在武器装备供电系统中得到广泛的应用，其优势在于发电机的转速可以提高，从而提高发电机的功率密度，即降低发电机单位输出功率所需的质量[2]。采用混合励磁双电压发电技术后，该种发电机应用于武器装备供电系统具有更加明显的优势。

混合激磁双电压同步发电机的基本结构为：

1)以稀土永磁材料构成发电机的基本激磁结构。

2)以电流激磁方式构成发电机的辅助激磁结构，通过调节发电机的激磁电流可为发电机配置电压调节器[3]。

3)双电压输出指：发电机在同一电枢结构内配置两套绕组，其中一套绕组输出低电压，经电源变换后为直流28 V供电装置馈电，另一套绕组输出高电压，经电源变换后为武器装备的伺服系统，雷达系统等使用较高电压的设备供电。

该种发电机因激磁系统设计合理，发电机温升低，功率密度高，发电机能配置电压调节器，能保障输出电压的稳压精度，再由于该发电机为双电压输出，为简化电源变换器创造了有利条件。另外，由于发电机的基本激磁结构为稀土永磁结构，能有效降低发电机输出绕组的输出电抗值，从而提高了发电机的过电流输出能力。

2.1.1 发电机激磁系统设计

发电机激磁系统设计原则是：当发电机由稳定转速的原动机驱动时，稀土永磁的激磁结构使发电机能够输出额定电压，电流激磁部分磁通链仅占很小的比重，用来弥补因发电机负载电流变化引起的电压波动值。当发电机的驱动原动机转速在较大范围内变化时，例如，用武器装备的车辆发动机驱动供电系统发电机时，转速需要在较大范围内变化，则应适当增大电流激磁结构磁通链的比例，并且电压调节器自然输出的激磁电流为双极性的，即当发电机的转速低于额定转速时，稀土永磁激磁结构与电流激磁结构形成的磁通链叠加，形成助磁效应；当发电机的转速高于额定转速时，电流激磁部分对稀土永磁部分形成袪磁效应。上述激磁结构设计原则提高了武器装备供电系统的可靠性，因为即使电压调节器发生故障，只要保障发电机在额定转速邻近工作，则供电系统在降低输出功率的情况下，可继续向系统供电[4]。

2.1.2 发电机转速选择

由于中频发电机频率高，相对工频发电机转速选择范围较大，可选择3 000、4 800、6 000 r/min三个等级的转速。

2.1.3 发电机电压选择

中频混合激磁双电压同步发电机的高压输出部分按三相四线制，线电压220 V；发电机低压输出部分按三相四线制，线电压63 V。

由于发电机的低压输出部分通常经电源变换器后形成与蓄电池并网的直流28 V电源，故发电机低压部分的中线允许接武器装备的壳体。而为安全考虑，发电机高压输出部分的中线应该悬浮，两条中线按电隔离设计。

2.2 发电机的驱动装置说明

发电机用冲程式柴油发动机驱动，为与发电机转速匹配应在柴油发动机输出轴与发电机输入轴间设置增速传动箱，增速箱的输入轴侧应配置电磁离合器或联轴器。

2.3 补偿式电源变换技术

笔者前面已对双电压交流发电机用于武器装备中的合理性作了说明，该种发电机的优点在于用发电机的低压输出绕组经电源变换器向直流28 V供电体制馈电，而发电机的高压输出绕组则经电源变换器向负载设备中需求较高电压的设备馈电。能量流向由高电压向低电压方向流动，电源变换器能量转换效率高。

笔者推荐应用一种补偿式电源变换器方案，该种方案应用于首台输出功率10 kW，输出电压为直流28 V，质量40 kg的电源变换器中，成功与自行武器配套。随后又研制成功不同功率不同电压等级的补偿式电源变换器。

补偿式电源变换器将被转换的电能分为两个通道传递，其基础能量部分由发电机输出电压或发电机输出电压经变压器后直接整流形成，而能量流的可控制部分通过一个幅值可调节的通道调节后，经整流后与基础能量部分串联形成电源变换器的输出电压。以下如图1所示，说明补偿式电源变换器的工作原理，发电机向两台电源变换器供电，实现两种规格的电能转换。在实际工程设计中，电源变换器的品种将由负载设备的需求确定。

补偿式电源变换器不是全功率电压调节功率变换器，其基础能量流占总传递能量的70%以上，由发电机输出端或发电机输出端经变压器简单整流形成，而辅助能量流则通过电压调节器及调节元件实现保障整个电源变换器输出电压的精度调节，因而实现了用调节部分能量流的方法，保障全部能量流精度的目的。因而不仅提高了电源变换器的效率，而且降低了造价，是用于武器装备供电系统的合理电源变换器。

2.4 数字化技术

传统的电源多是采用模拟控制方式，但是模拟电路设计复杂，灵活度不够，不便于调试，产品的一致性较差。军用电站系统的数字化就是用数字控制器代替原模拟控制器，数字控制芯片可选技术成熟可靠的DSP芯片，数字化后的电源系统具备以下特点：

1)有效克服了原模拟电路温漂、畸变等带来的信号失真。

2)高集成度，实现了电源系统单片集成化, 将大量的分立式元器件整合到一个芯片或一组芯片中，减小了体积，并有效减低了大量分立器件导致的杂散电感，从而降低了杂散信号干扰。

3)实现控制器硬件统一，不同的电源变换器，无论输出交流还是直流，单相输出还是多相输出，不同的功率等级，都可以用同一控制器实现，无需改动控制器硬件，只需改动算法就可实现，从而缩短了开发周期和成本。

4)高技术指标。能充分发挥数字信号处理器及微控制器的优势, 使所设计的数字电源达到高技术指标。例如, 其脉宽调制(PWM)分辨力可达150ps的水平, 这是传统电源望尘莫及的。

2.5 模块化串并联技术

军用电站中的直流电源工作在低压大电流或高压小电流状态，在这种工作状态下受构成电源模块的半导体功率器件，磁性材料等自身性能的影响，单个电源模块的最大输出功率有限，实际应用中往往需要用若干台直流电源串、并联运行，以满足负载的要求。分布式直流电源供电相对于集中式供电更具优势：这样每个变换器只处理较小功率，降低了电流应力，因此可将开关电源的开关频率提高到兆赫级，从而提高电源功率密度使系统体积、重量进一步减小，更便于集成。

2.6 软开关技术

在传统直流电源的变换中，开关器件多处于硬开关方式，这种开关过程中电压、电流均不为0，出现了重叠，如图2所示，因此导致了开关损耗，这部分损耗会使开关器件发热，另外过大的开关损耗会限制了开关频率的提高，变压器体积比较大，而且在功率器件关断时，由于分布电感的存在，开关器件承受较大的应力，再次，在全桥电路中易产生同一个桥臂上的两个功率管同时导通的现象。总之，在硬开关过程中会产生较大的开关损耗和开关噪声。开关损耗随开关频率的提高而增加，使电路效率下降，阻碍了开关频率的提高；开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。

软开关技术，即实现开关管的零电压零电流开通和关断，减小开关管在开关损耗。移相全桥零电压变换电路具有开关损耗小，开关噪声小等一系列优点，并且目前已经应用，军用电站中的低压大功率直流电源可采用该变换电路，开展大功率开关电源软开关技术研究对提高军用电站电源变换部分的功率密度，解决散热问题，提高电源变换效率和系统可靠性具有重大意义[5]。

3 结束语

随着科学技术的不断发展，武器装备供电系统的设计在不同的阶段有不同的设计理念，其目的都是为了在工业基础提供的条件下，使工程化设计更合理，降本增效、推陈出新。本文仅就现阶段的发展做一探讨，后续发展将会继续关注和研究。

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