孫善民

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，中國(guó) 上海201210）

0 前言

目前， 新型民用飛機(jī)供電系統(tǒng)將采用115/200V、360-800Hz 變頻交流供電體制， 考慮到變頻交流發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速范圍大和轉(zhuǎn)速高，其供電頻率取決于發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速，變頻交流供電系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能，其應(yīng)用也帶了的新的挑戰(zhàn)。

根據(jù)某機(jī)型供電系統(tǒng)中大功率變頻交流發(fā)電機(jī)（VFG，額定功率120kVA）的電壓輸出特性可知，在勵(lì)磁電流飽和條件下，其電壓上升率非常高，在電源系統(tǒng)進(jìn)行大容量負(fù)載切換或出現(xiàn)故障時(shí)，將會(huì)使發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路一直處于飽和狀態(tài)，引起發(fā)電機(jī)輸出過(guò)壓故障。 如果采用與傳統(tǒng)飛機(jī)供電系統(tǒng)類似的發(fā)電機(jī)控制器（GCU）單獨(dú)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和保護(hù)功能，當(dāng)GCU 過(guò)壓保護(hù)功能起作用后，需要切斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組， 并斷開(kāi)發(fā)電機(jī)接觸器， 但是由于GCU 的保護(hù)控制的延時(shí)特性（如延時(shí)50ms 動(dòng)作）以及接觸器存在固有的響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)發(fā)電機(jī)在勵(lì)磁回路電流飽和時(shí)，其輸出電壓會(huì)嚴(yán)重超過(guò)飛機(jī)電網(wǎng)的過(guò)壓保護(hù)門限值，在發(fā)電機(jī)接觸器尚未斷開(kāi)的時(shí)間內(nèi)，機(jī)載用電設(shè)備將承受過(guò)高的電壓浪涌沖擊，可能導(dǎo)致用電設(shè)備故障，從而引起飛機(jī)災(zāi)難級(jí)的飛行事故。

1 變頻交流供電系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)原理設(shè)計(jì)

針對(duì)新型民用飛機(jī)供電系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)需求，下面將對(duì)供電系統(tǒng)調(diào)壓點(diǎn)處的過(guò)壓保護(hù)進(jìn)行原理設(shè)計(jì)和分析。

圖1 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)過(guò)壓冗余保護(hù)結(jié)構(gòu)圖

1.1 功能結(jié)構(gòu)和原理

通常飛機(jī)供電系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓的原因主要有三種情況：（1）大容量負(fù)載的過(guò)程；（2）系統(tǒng)短路故障排除之后，由于發(fā)電機(jī)調(diào)壓器的滯后響應(yīng)引起的過(guò)壓；（3）勵(lì)磁系統(tǒng)故障導(dǎo)致勵(lì)磁回路飽和的過(guò)壓。

若大功率變頻交流供電系統(tǒng)發(fā)生過(guò)壓故障， 導(dǎo)致用電設(shè)備的損壞，可能發(fā)生飛機(jī)災(zāi)難級(jí)失效，根據(jù)AC 25.1309-1B，“一個(gè)災(zāi)難級(jí)的故障不可以由單個(gè)設(shè)備的失效導(dǎo)致”， 需要在單個(gè)供電通道額外設(shè)置一個(gè)過(guò)壓保護(hù)裝置。

根據(jù)SAE ARP 4754A 設(shè)備設(shè)計(jì)保證等級(jí)要求的確定和分配原則，A 級(jí)設(shè)備可以由兩個(gè)獨(dú)立非相似設(shè)計(jì)的B 級(jí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。 因此從適航安全性要求方面考慮， 應(yīng)增加過(guò)壓保護(hù)裝置構(gòu)成冗余過(guò)壓保護(hù)結(jié)構(gòu)，以輔助GCU 實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能。

如圖1 所示的變頻交流供電系統(tǒng)過(guò)壓冗余保護(hù)結(jié)構(gòu)， 在GCU 實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，需要在發(fā)電機(jī)輸出端增加并聯(lián)的電源保護(hù)控制裝置OPU，該裝置利用電力電子裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出電壓的鉗位，并且增加發(fā)電機(jī)勵(lì)磁接觸器、發(fā)電機(jī)輸出接觸器的冗余控制電路，作為GCU 的冗余保護(hù)，并與GCU 獨(dú)立非相似，即GCU 的電源保護(hù)功能基于復(fù)雜硬件與軟件實(shí)現(xiàn)，電源保護(hù)控制裝置OPU 不含軟件，并且不基于復(fù)雜硬件電路實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)變頻交流發(fā)電機(jī)輸出過(guò)電壓后，GCU 和OPU 共同進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，分成三個(gè)階梯過(guò)壓保護(hù)：

1）0～1ms 內(nèi)出現(xiàn)過(guò)壓故障之后，OPU 在1ms 內(nèi)快速開(kāi)始響應(yīng)系統(tǒng)保護(hù)控制功能，進(jìn)行發(fā)電機(jī)輸出過(guò)壓箝位；

2）1～55ms，在該過(guò)程中GCU 電壓調(diào)節(jié)（包括電源保護(hù)控制）功能與OPU 的過(guò)壓箝位功能同時(shí)作用， 即通過(guò)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流控制及OPU 的過(guò)壓鉗位電路共同作用， 將發(fā)電機(jī)輸出電壓限定在要求范圍內(nèi)（180V 以內(nèi)）；

3）當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓（180V）超過(guò)55ms 后，GCU 的電壓調(diào)節(jié)（過(guò)壓保護(hù)）不能達(dá)到要求時(shí)，OPU 的冗余保護(hù)功能起作用，切斷電源。 當(dāng)電源電壓恢復(fù)到規(guī)定值時(shí)， OPU 將給出電源接通信號(hào)。

GCU 和OPU 的接口交互信號(hào)包括：

1） 由GCU 提供給OPU 永磁副勵(lì)磁機(jī)電源、28V 直流電源、GCU28V 電源、GCU 保護(hù)產(chǎn)生的勵(lì)磁、主發(fā)電機(jī)接觸器控制信號(hào)；

2）OPU 提供給GCU 的BIT 檢測(cè)信號(hào)，包括電壓鉗位電路、電源冗余保護(hù)控制電路、勵(lì)磁回路接觸器、發(fā)電機(jī)接觸器的狀態(tài)信息；

3）OPU 需要獲取調(diào)壓點(diǎn)處的電壓信號(hào)， 并在冗余保護(hù)控制時(shí)輸出勵(lì)磁回路接觸器、發(fā)電機(jī)接觸器的動(dòng)作信號(hào)。

2.2 OPU 的硬件結(jié)構(gòu)和原理設(shè)計(jì)

2.2.1 OPU 硬件結(jié)構(gòu)

OPU 硬件組成分為兩部分：過(guò)壓鉗位電路和延時(shí)保護(hù)電路，兩部分電路自身的工作原理不同，并獨(dú)立非相似，硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

過(guò)壓鉗位電路由采樣電路1、電壓鉗位電路、功率電路、能量泄放回路、輔助電源以及狀態(tài)檢測(cè)與顯示電路組成。

延時(shí)保護(hù)電路由采樣電路2、過(guò)壓延時(shí)比較電路、發(fā)電機(jī)接觸器電路、勵(lì)磁接觸器電路、輔助電源及狀態(tài)檢測(cè)與顯示電路組成。

過(guò)壓鉗位電路中的采樣電路1 和延時(shí)保護(hù)電路的采樣電路2 均對(duì)調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行檢測(cè)、調(diào)理，為過(guò)壓鉗位、延時(shí)保護(hù)電路提供信號(hào)，但是采用不同工作原理和結(jié)構(gòu)的電路，符合獨(dú)立非相似結(jié)構(gòu)性，并且提高了采樣電路的可靠性。

2.2.2 OPU 工作原理

OPU 過(guò)壓鉗位電路通過(guò)采樣電路檢測(cè)調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓， 當(dāng)電壓低于180V 時(shí)，過(guò)壓鉗位電路不起作用，當(dāng)電壓超過(guò)180V 后，過(guò)壓鉗位電路在1ms 內(nèi)快速響應(yīng)， 鉗位發(fā)電機(jī)輸出電壓， 只到輸出電壓低于180V后，鉗位電路不工作；當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出過(guò)電壓（180V）連續(xù)工作55ms 之后，延時(shí)保護(hù)電路起作用，斷開(kāi)發(fā)電機(jī)的輸出斷路器和勵(lì)磁控制回路接觸器，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，該延時(shí)保護(hù)功能與GCU 的過(guò)壓延時(shí)保護(hù)功能相互冗余，并且獨(dú)立非相似，提高整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的安全性和可靠性。電源保護(hù)控制裝置中控制電源供電的輔助電源作為整個(gè)裝置失效率的關(guān)鍵部件， 系統(tǒng)組成中將勵(lì)磁機(jī)輸出裝換成28V 的變換器在過(guò)壓鉗位電路和延時(shí)保護(hù)電路中均作了冗余，過(guò)壓鉗位電路中變換器2 作為變換器1 的備份和冗余，同樣延時(shí)保護(hù)電路中變換器4 作為變換器3 的備份和冗余，保證整個(gè)裝置的各部分在某一變換器失效后，仍然能夠正常工作，以降低過(guò)壓保護(hù)裝置的失效率。

圖2 電源保護(hù)控制裝置的硬件結(jié)構(gòu)

1）過(guò)壓箝位保護(hù)原理設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)在發(fā)電機(jī)過(guò)壓運(yùn)行狀態(tài)的電壓鉗位功能，采用電壓鉗位保護(hù)電路，將發(fā)電機(jī)輸出通過(guò)半波整流輸出，通過(guò)能量吸收電路。在發(fā)電機(jī)出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象后，即電源保護(hù)控制電路產(chǎn)生過(guò)壓信號(hào)之后，產(chǎn)生發(fā)電機(jī)接觸器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，利用該信號(hào)控制能量吸收電路，給發(fā)電機(jī)增加大負(fù)載后，使得發(fā)電機(jī)電流大幅增加，流過(guò)電阻負(fù)載，由于發(fā)電機(jī)固有的外特性，使得其輸出電壓下降，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)過(guò)電壓的限定，此時(shí)發(fā)電機(jī)過(guò)壓產(chǎn)生的能量將消耗在電阻負(fù)載上。

2）獨(dú)立供電電源原理設(shè)計(jì)

電源保護(hù)控制裝置系統(tǒng)中采用冗余的電源電路，其中一路由變頻交流發(fā)電機(jī)的副勵(lì)磁機(jī)輸出供電，將永磁機(jī)輸出通過(guò)整流，再經(jīng)功率變換器輸出28V 獨(dú)立供電電源，在此基礎(chǔ)上利用28V 經(jīng)過(guò)輔助電源輸出±15V、5V，給電源保護(hù)控制裝置電壓檢測(cè)、保護(hù)電路用，該電源獨(dú)立于GCU 電源系統(tǒng)，能夠在GCU 失效工作之后，保證電源保護(hù)控制裝置獨(dú)立正常工作。 另一路由系統(tǒng)28V 電源通過(guò)輔助電源輸出±15V、5V，為電源保護(hù)裝置檢測(cè)、保護(hù)電路提供冗余供電。 副勵(lì)磁機(jī)輸出產(chǎn)生28V與28V 電源共同給勵(lì)磁回路、發(fā)電機(jī)接觸器供電，構(gòu)成接觸器冗余供電系統(tǒng)。

2 結(jié)語(yǔ)

目前，新型大功率變頻交流供電系統(tǒng)采用發(fā)電機(jī)控制器（OPU）和過(guò)壓保護(hù)控制裝置（OPU）共同構(gòu)成過(guò)壓保護(hù)結(jié)構(gòu)，兩者獨(dú)立非相似，滿足了適航安全要求，并為飛機(jī)適航取證減小了不必要的風(fēng)險(xiǎn)。

［1］馬述訓(xùn).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).第16 冊(cè)[M].航空工業(yè)出版社,1999，12:118-119.

［2］AC25.1309 System Design and Analysis[S].

［3］MIL-STD-704E Aircraft Electric Power Characteristics[S].

［4］SAE ARP 4754 Certification Considerations for Highly-Integrated or Complex Aircraft Systems[S].