施諾亞

【摘 要】變頻交流電源具有體積小、可靠性高等優(yōu)點，是現(xiàn)代大型客機交流主電源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。本文針對大型客機變頻交流電源系統(tǒng)，介紹和比較變頻交流電源系統(tǒng)相對于其它類型主電源系統(tǒng)的特點，介紹新型飛機電源系統(tǒng)的架構(gòu)設計和增加過壓保護裝置的考慮，并對電源系統(tǒng)供電特性參數(shù)的設定進行分析和探討。

【關鍵詞】電源系統(tǒng)；變頻交流；系統(tǒng)架構(gòu)；供電特性

中圖分類號： V242.2；TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0046-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.018

0 引言

大型客機主電源系統(tǒng)在飛機正常工作時為各種機載設備提供電能，一般都是由航空發(fā)動機直接或間接傳動。飛機電源系統(tǒng)的類型分為直流和交流兩大類。直流電源系統(tǒng)目前有28V低壓直流電源系統(tǒng)和270V高壓直流電源系統(tǒng)兩種主要類型。交流電源系統(tǒng)有恒頻交流和變頻交流兩種類型，恒頻交流電源系統(tǒng)又分為恒速恒頻和變速恒頻兩類。

1 變頻交流電源系統(tǒng)的特點

變頻交流電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）由于變頻發(fā)電機（Variable Frequency Generator，VFG）由發(fā)動機的附件齒輪箱直接驅(qū)動，沒有恒速傳動裝置，零部件數(shù)量少，可靠性高。

（2）由于不受恒速傳動裝置技術(shù)的制約，變頻交流電源可以實現(xiàn)比恒速恒頻交流電源更大的單機容量。

（3）與同功率的組合傳動發(fā)電機（Integrated Drive Generator，IDG）相比， VFG體積更小、重量更輕。

（4）可以實現(xiàn)起動/發(fā)電雙功能，適合多電飛機上應用。

（5）由于VFG重量輕，使發(fā)動機承受的懸掛力矩較小，振動小，因此給發(fā)動機帶來的影響較小。

但是，由于VFG轉(zhuǎn)速和頻率變化范圍寬，以及發(fā)電機的輸出功率大，導致發(fā)電機勵磁電流的變化范圍寬，且變化規(guī)律復雜。發(fā)電機的大功率輸出和勵磁電流的寬范圍變化對發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器的要求增高。同時由于采用變頻電源體制，對用電設備的選擇和要求也會帶來影響。

2 變頻交流電源系統(tǒng)的基本架構(gòu)

VFG由發(fā)動機驅(qū)動，因此VFG輸出頻率由輸入轉(zhuǎn)速決定，額定輸入轉(zhuǎn)速范圍為10，800～24，000rpm，額定輸出頻率范圍為360～800Hz，相序為A-B-C，屬三相四線制、Y型連接、中線接金屬主結(jié)構(gòu)。VFG的冷卻和潤滑系統(tǒng)獨立于發(fā)動機。

VFG主要包括下列組件：永磁發(fā)電機（PMG）、勵磁發(fā)電機、整流組件（全波橋）、油路組件、主發(fā)電機。

主電源系統(tǒng)由VFG和發(fā)電機控制器（GCU）兩個主要部分組成。 GCU實現(xiàn)VFG的電壓調(diào)節(jié)和過壓保護功能。PMG輸出的三相交流電給GCU供電以及發(fā)電機勵磁。整流組件對勵磁電樞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的三相交流電壓進行整流，整流產(chǎn)生的直流電壓施加給主發(fā)電機電樞，使VFG發(fā)出三相變頻交流電源。GCU通過調(diào)節(jié)VFG勵磁電流，使得發(fā)電系統(tǒng)的電壓滿足要求。圖1為基于GCU的變頻發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3 變頻交流電源系統(tǒng)的過壓保護裝置

3.1 電源系統(tǒng)功能完善需求

若VFG的電壓調(diào)節(jié)和過壓保護均由GCU實現(xiàn)，由于采用了VFG，可能會產(chǎn)生電壓上升率非常高的過壓故障，而GCU 的過壓保護功能需要借助斷開發(fā)電機接觸器來完成，響應時間較長，僅能通過電壓調(diào)節(jié)功能預防過壓。增加過壓保護裝置（Overvoltage Protection Unit，OPU）之后，由于OPU通過電力電子裝置實現(xiàn)過壓保護，與GCU的設計獨立非相似，且保護過程延時短，可以實現(xiàn)對所有過壓故障的保護，使得電源系統(tǒng)的保護功能得到完善，提高安全性和可靠性。

3.2 適航安全性要求

根據(jù)SAE ARP4754a中設備設計保證等級的分配原則，只有GCU的電源系統(tǒng)中如果GCU發(fā)生故障，將可能導致單個主發(fā)電通道發(fā)生過壓故障，此時GCU的過壓保護功能失效，因此GCU的設備設計保證等級必須為A級。根據(jù)AC25.1309，任一單個設備的失效均不能導致災難級失效，不論其發(fā)生概率多少。因此，只有GCU的電源系統(tǒng)，即便GCU的設計保證等級為A級，如果出現(xiàn)單點故障，將會導致災難級故障失效，難以滿足適航的要求。增加了OPU之后，GCU和OPU的設計保證等級根據(jù)ARP 4754a進行了重新分配，GCU 和OPU 的設計保證等級均分配為B 級即可滿足這一適航要求。圖2為基于GCU和OPU的變頻發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也即變頻交流電源系統(tǒng)目前采用的架構(gòu)。

4 變頻交流電源系統(tǒng)的供電特性考慮

目前，針對變頻交流電源系統(tǒng)制定的主要電能規(guī)范有：美國軍用標準MIL-STD-704F、民用適航標準DO-160F、國際標準化組織制定的國際標準ISO1540和我國制定的航空標準HB7745，包括了除頻率范圍以外的所有技術(shù)參數(shù)。其中，MIL-STD -704主要為對供電系統(tǒng)調(diào)壓點處的要求，ISO-1540主要為對用電設備端的要求?？紤]到電源和用電設備電能輸入端之間可能發(fā)生的供電品質(zhì)下降，MIL-704的供電特性要求相比ISO-1540的供電特性要求更為嚴格。考慮到MIL-STD-704F標準規(guī)定的極限是規(guī)定用電設備與飛機供電相兼容的最低要求，電源系統(tǒng)供電特性的性能要求一般應比MIL-STD-704更為嚴格。

表1給出了電源系統(tǒng)部分供電特性指標與MIL-STD-704F和ISO-1540中規(guī)定的相關特性參數(shù)的比較，可見電源系統(tǒng)供電特性指標的設定應比標準更加嚴格。

5 小結(jié)

本文首先介紹了大型客機主電源系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展，分析了作為目前航空電源體制最新發(fā)展趨勢的變頻交流電源的優(yōu)點和特點。介紹了變頻交流電源系統(tǒng)的基本架構(gòu)，以及出于電源系統(tǒng)功能完善需求和適航安全性考慮為系統(tǒng)增加過壓保護裝置的需求。最后介紹了變頻交流電源系統(tǒng)的供電特性參數(shù)設計的考慮，并將電源系統(tǒng)部分供電特性參數(shù)與MIL-STD-704和ISO-1540進行比較。

【參考文獻】

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