舰载航空特种电源与蓄电池充放电装置的一体化设计

王德心，张晓杰，杨秀芹

（海军航空工程学院青岛校区舰面保障与场站管理系，山东青岛266041）

0 引言

舰面空间狭小，大而笨重的保障设备所占空间资源较多，大大降低舰船武器装备的携载能力，因此小型化、集约化的保障设备成为舰载保障装备的发展趋势。

目前，舰载飞机舰面电源保障设备主要有特种电源和蓄电池充放电装置。特种电源保障设备包括直流电源、中频电源两种类型，分别提供飞机舰面启动28.5V直流电源和115/200 V、400 Hz检查、维修中频电源；蓄电池充放电装置用于保障机载航空镉镍蓄电池的充、放电性能要求。特种电源、蓄电池充放电装置均为箱体立式结构，分别占用舱室空间，并需分别进行维护。特种电源的直流电源部分与蓄电池充放电装置，同为直流电源，若将特种电源、充放电装置进行集约化设计，将两种设备合二为一，不仅节省保障装备的成本，还能够节省宝贵的舱室空间资源，降低维护工作量。

1 舰面特种电源与蓄电池充放电装置

不同的舰（船），配置的特种电源和蓄电池充放电装置型号虽有不同，但其功能、基本结构类似。现以某型舰的航空特种电源和蓄电池充放电装置为例进行说明。

某型舰搭载直升机，直升机启动电源为28.5 V直流电，装载的航空蓄电池为镉镍蓄电池。该舰特种电源中的直流部分，输入电源为380 V、50 Hz三相舰电，在内部经过整流、逆变环节之后对外输出28.5 V直流电，为飞机提供启动电源。

蓄电池充放电装置为直升机机载航空镉镍蓄电池进行充电或放电。蓄电池充电电源为直流电，蓄电池充放电装置的输入电源为三相三线制 380V、50 Hz工频交流电，通过大功率半导体器件将交流电变换为直流电，给蓄电池充电。蓄电池充放电装置有两路充放电线路，可同时充放两块镉镍蓄电池。镉镍蓄电池充电电压最高为36 V，最低为20 V。蓄电池放电时，电能消耗于耗能电阻，耗能电阻安装在设备箱内。

特种电源的直流部分与蓄电池充放电装置都是将三相交流舰电变换成低压直流电，两者具有共性，具备集约化设计的基础。

2 舰面特种电源与蓄电池充放电装置组成结构

2.1 直流电源组成结构

舰载特种电源包括直流电源与中频电源两部分，两者在电气结构上、功能上是相互独立的，只是安装在一个壳体内部。直流电源输入工频三相三线制交流电，电压为380V，频率为50 Hz，在内部经过整流、逆变之后对外输出28.5V直流电。直流电源的输出功率10 kW，电压脉动范围28.5V±10%，额定电流 350A，最大电流 700A，输出的直流电源经直流电缆连接到舰载直升机的直流电源插座上，特种直流电源与飞机电气连接关系如图1所示。

图1 特种直流电源与相关设备电气连接关系示意图

特种直流电源电路图如图2所示。380 V、50 Hz三相交流舰电在直流电源内部经整流得到500 V～600 V的直流电，再经晶闸管SCR的软上电电路及L、C输入滤波器后，给S1～S4组成的高频IGBT开关管逆变桥供电；HL为霍尔元件，检测直流母线电流；RDC为直流母线缓冲，用于吸收由于高频变换产生的电压尖峰。经过高频逆变桥的变换后，直流母线电压变换为高频交流电压，再经隔直电容Cb和谐振电感Lr后，输入高频变压恢复二极管D1～D12的整流作用后，得到直器T1～T6，经过T1～T6的隔离变换以及快流电压。Lf、Rf构成输出滤波器，通过该滤波器的作用，可以很好的限制输出28.5V直流的电流纹波和电压谐波。Rf为能量释放电阻，当设备停止供电后，Cf上的能量通过它泄放掉。

图2 特种直流电源

2.2 蓄电池充放电装置的组成结构

蓄电池充放电装置的电路图如图3所示。蓄电池充放电装置内部包含两套功能一样的充/放电器，除输入滤波、输入电源显示和电源开关部分共用外，两套充/放电器是完全独立的。蓄电池充放电装置采用功率电子技术，通过大功率半导体器件将交流电变换为直流电，给蓄电池充电。蓄电池放电时，电能消耗于耗能电阻，耗能电阻安装在设备箱内。

蓄电池充放电装置的核心部分为充、放电功率电路，功率电路主要包括电源变换器、充/放电功率变换器。

电源变换器为半控桥电路，功率管为场效应管，当充/放电开关设定为充电状态，三相交流电整流后再经半控桥逆变、高频隔离和整流，转换为直流电供给后级电路。

充/放电功率变换器采用电流双向功率变换器实现电池的充放电，采用恒流限压充放电方式，变换器的最高输出电压设定为36 V，充放电电流值由电流传感器检测。当充放电选择开关设定为充电状态时，输入380 V、50 Hz三相交流电经电源变换器降压后提供给降压变换器，由降压变换器调整为恒定电流给电池充电。当设定为放电方式时，升压变换器将电池能量以恒流放电方式消耗在放电电阻上。

3 改进的直流电源、蓄电池充放电装置设计

特种直流电源的输出电压为28.5 V直流电，蓄电池充电电压为介于20 V至36 V之间的直流电，两种直流电均通过变换380 V/50 Hz的三相交流舰电而获得。

对于飞机启动用电，国军标对其有有严格的规定，要求飞机每次起动成功率达到 100%。因此，为了满足飞机启动用电需求，舰面特种直流电源设备首先将输入的三相舰电整流成直流，然后将直流电逆变成高压、高频交流电，高压、高频交流电经过降压、整流、滤波后对外输出28.5 V直流电源，保障飞机启动用电。经过高压、高频逆变后获得的直流电源，纹波小，供电品质高，而且高压、高频逆变设备体积小、重量轻，更适合应用于空间狭小的场合。

蓄电池充放电装置为蓄电池提供充电用的直流电源，国军标中对蓄电池充放电装置用电没有特殊的规定。舰电充放电装置的直流电是将 380 V/50 Hz三相交流电整流，再将整流后的直流电经半控桥逆变、高频隔离，最后接入整流电路，为充电电路提供直流电源。陆基充电设备是将市电经降压、整流、滤波后获得充电用20 V～36 V的直流电源。

对比特种直流电源与蓄电池充放电装置的电源变换方式，可发现特种直流电源变换核心部分采用的是全控桥逆变方式，蓄电池充放电装置采用的是半控桥逆变方式。

半控桥逆变与全控桥逆变工作原理基本相同，都能够实现直流到交流的变换，只是驱动形式不同。全控桥逆变由四个驱动管轮流工作，而半控桥逆变电源变换中由两个驱动管轮流工作。相对于半桥逆变，全桥逆变的开关电源承载的电流减小了一半。飞机在使用28.5 V直流电源起动过程中电流较大，最大电流可达上千安，因此，在直流电源的逆变电路中选用了全桥逆变；而充电装置工作电流较小，每路的充放电电流为 3 A～40 A，则选择了半控桥逆变。全控桥逆变电源电流承受能力大，完全能够满足直流电源、蓄电池充放电装置同时工作的电流需求。同时直流电源的全控桥逆变电源品质完全能够保证蓄电池充电装置的电源品质需求。因此，改进的直流电源、蓄电池充放电装置以特种直流电源的结构为基础进行改进。改进的直流电源、蓄电池充放电装置的电路图如图4所示。

从图4中可见，改进的特种直流电源、蓄电池充放电装置电路主要包括三个部分：公共变电装置、直流电源装置、充电装置。在改进的装置中公共变电装置、直流电源装置即为原特种直流电源装置。装置改进后，将特种直流电源分作了两个部分，逆变管后、高频变压器前的部分为公共变电装置，供特种直流电源装置、蓄电池充放电装置共同使用，为其提供高压高频交流电源。公共变电装置后级并联直流电源装置和蓄电池充放电装置。公共变电装置一路输出经高频变压器变压、二极管 D1-D12的整流作用后，经滤波电路输出28.5 V直流电；另一路经高频变压器T7变压后，经整流桥 D13-D16整流、电容/电感滤波后为充电后级电路供电。

两者集成化设计，输出功率是需要考虑的重点问题。直流电源的额定功率为10 kW，充放电装置的最高电压为36 V，最大充电电流为40 A，单组充电电路的最大功率为1.44 kW，双组充电电路最大功率为2.88 kW，按照功率最大化的保障原则，将输出额定功率小幅提高至13 kW就可同时满足飞机起动用电、蓄电池充电用电的需求。

改进装置将两种电源装备合二为一，节约了一套整流、逆变装置，减小了设备体积，节约了舰上宝贵的舱室空间，节约了设备生产成本,也因此降低了维护工作量。

4 结论

舰载特种直流电源、蓄电池充放电装置是重要的舰面电源保障设备，两者输出电源类型均为直流。本文在二者共性的基础上对两种类型供电装置进行集约化设计，精简了蓄电池充放电装置中的整流与半控桥逆变电路部分，该部分功能由直流电源部分的整流电路、全控桥逆变电路部分代替，减小了设备体积，节约了宝贵空间。不同的舰船配置的特种电源和蓄电池充放电装置基本类似，因此改进的特种直流电源、蓄电池充放电装置具有广泛的应用前景，对于舰面电源采用静变技术的大型舰船，改进装置同样适用。

图3 蓄电池充放电装置功率电路原理图

图4 改进的直流电源蓄电池充放电装置电路原理图

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