程方舜

【摘 要】由于變頻電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、可靠性高、運(yùn)行成本低以及易于實(shí)現(xiàn)起動(dòng)發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，變頻電源逐漸取代恒頻電源成為民用飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的主流。但是由于變頻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率變化范圍寬，電機(jī)磁路飽和度高，為了保護(hù)后級(jí)用電設(shè)備，發(fā)電機(jī)輸出瞬態(tài)電壓的調(diào)節(jié)和過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)尤為重要。本文旨在分析變頻發(fā)電系統(tǒng)三級(jí)式航空發(fā)電機(jī)的調(diào)壓原理，根據(jù)電壓瞬態(tài)極限和適航安全性要求，提出變頻發(fā)電系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】變頻電源；調(diào)壓；過(guò)壓保護(hù)

0 概述

在傳統(tǒng)民用飛機(jī)上，主要使用的電源體制是400Hz恒頻交流電，即通過(guò)恒速傳動(dòng)裝置把發(fā)動(dòng)機(jī)的變轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為恒定轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出恒頻交流電。這種電源形式效率較低，維護(hù)困難且不能實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/發(fā)電。變頻電源系統(tǒng)取消了恒速傳動(dòng)裝置，由發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出寬變頻（360～800Hz）交流電。變頻交流電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高、可靠性高、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，且易于構(gòu)成起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)。在最新研制的大型民用飛機(jī)B787和A380上均采用了變頻電源系統(tǒng)。然而，變頻發(fā)電系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)速變化范圍寬，具有電壓上升速率快、磁路飽和時(shí)發(fā)電電壓高的特點(diǎn)，因此控制變頻發(fā)電機(jī)輸出電壓保持在規(guī)定范圍之內(nèi)，在發(fā)生過(guò)壓故障時(shí)能夠快速切斷發(fā)電通道，保護(hù)后級(jí)用電設(shè)備，成為變頻電源系統(tǒng)中亟待解決的問(wèn)題。

1 變頻發(fā)電系統(tǒng)工作原理

1.1 發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

目前民用飛機(jī)變頻電源系統(tǒng)主要應(yīng)用的發(fā)電機(jī)為三級(jí)式無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)。三級(jí)式同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由永磁副勵(lì)磁機(jī)、主勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器和主發(fā)電機(jī)組成，其中三個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)整流器共軸安裝。當(dāng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，永磁副勵(lì)磁機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在定子上產(chǎn)生三相交流電；該三相交流電經(jīng)過(guò)主勵(lì)磁機(jī)放大后，再經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器整流，得到主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，并在主發(fā)電機(jī)定子繞組上產(chǎn)生三相交流電，為飛機(jī)電網(wǎng)供電。

1.2 發(fā)電機(jī)的調(diào)壓和保護(hù)原理

飛機(jī)電源系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，三級(jí)無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)向全機(jī)交流用電設(shè)備供電，并通過(guò)變壓整流器向全機(jī)直流用電設(shè)備供電。三級(jí)無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)的調(diào)壓控制通過(guò)發(fā)電機(jī)控制器（GCU）實(shí)現(xiàn)。GCU不斷檢測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，通過(guò)內(nèi)部控制邏輯調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，從而改變主發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)，以此實(shí)現(xiàn)調(diào)壓控制。副勵(lì)磁機(jī)同時(shí)為GCU供電。當(dāng)GCU檢測(cè)到發(fā)電機(jī)輸出電壓超過(guò)正常工作瞬態(tài)極限的電壓，即判斷為過(guò)壓故障，此時(shí)GCU將切斷勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，并斷開(kāi)發(fā)電機(jī)接觸器，把發(fā)電機(jī)和飛機(jī)電網(wǎng)隔離，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。

2 變頻發(fā)電系統(tǒng)的電壓極限和安全性要求

由于變頻發(fā)電系統(tǒng)的三級(jí)式無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速范圍非常寬。對(duì)于一臺(tái)2對(duì)極的360～800Hz的三級(jí)無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，其轉(zhuǎn)速范圍為10800～24000rpm。因此，變頻發(fā)電系統(tǒng)具有電壓上升速率快、磁路飽和時(shí)電壓高的特點(diǎn)，必須控制變頻發(fā)電機(jī)輸出電壓保持在規(guī)定范圍之內(nèi)，同時(shí)在發(fā)生過(guò)壓故障時(shí)能夠快速切斷發(fā)電通道，才能保護(hù)后級(jí)用電設(shè)備不受損害。變頻發(fā)電機(jī)的輸出電壓極限以及故障保護(hù)的安全性要求在相關(guān)工業(yè)規(guī)范和適航條款中有所規(guī)定，具體介紹如下：

2.1 規(guī)范要求

MIL-STD-704F規(guī)定了正常工作情況下變頻發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的特性參數(shù)。正常工作包括用電設(shè)備的通斷、發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化、匯流條轉(zhuǎn)換、電源的同步和并聯(lián)，以及外部電源供電。轉(zhuǎn)換工作時(shí)可能發(fā)生供電中斷。正常工作特性還包括轉(zhuǎn)換工作時(shí)產(chǎn)生的持續(xù)時(shí)間不超過(guò)50μs的電壓尖峰。在正常工作狀態(tài)下，變頻發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)電壓應(yīng)保持在圖2規(guī)定的極限范圍內(nèi)。正常工作狀態(tài)包括正常的電源轉(zhuǎn)換和諸如電動(dòng)機(jī)起動(dòng)之類(lèi)的負(fù)載變化。

2.2 適航要求

中國(guó)民用航空規(guī)章CCAR 25部對(duì)系統(tǒng)保護(hù)和安全性做了以下規(guī)定：

CCAR第25.1309條設(shè)備、系統(tǒng)及安裝規(guī)定“（b）飛機(jī)系統(tǒng)與有關(guān)部件的設(shè)計(jì)，在單獨(dú)考慮以及與其它系統(tǒng)一同考慮的情況下，必須符合下列規(guī)定：（1）發(fā)生任何妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸的失效狀態(tài)的概率為極不可能；（2）發(fā)生任何降低飛機(jī)能力或機(jī)組處理不利運(yùn)行條件能力的其它失效狀態(tài)的概率為不可能”。

CCAR第25.1357條電路保護(hù)裝置規(guī)定“（b）發(fā)電系統(tǒng)中的保護(hù)和控制裝置的設(shè)計(jì)，必須能足夠迅速的斷電，并將故障電源和輸電設(shè)備與其相關(guān)聯(lián)的匯流條斷開(kāi)，防止出現(xiàn)危險(xiǎn)的過(guò)壓和其它故障?！?/p>

3 變頻發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)

3.1 過(guò)壓故障的失效等級(jí)

當(dāng)變頻發(fā)電機(jī)輸出電壓超過(guò)正常工作瞬態(tài)極限時(shí)，應(yīng)由保護(hù)裝置的動(dòng)作進(jìn)行限制。根據(jù)中大功率變頻交流發(fā)電機(jī)的輸出特性可知，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流飽和條件下，發(fā)電機(jī)輸出電壓上升率非常高。因此在電源系統(tǒng)進(jìn)行大功率負(fù)載切換或出現(xiàn)故障原因?qū)е聞?lì)磁回路一直處于飽和狀態(tài)時(shí)，將會(huì)引起發(fā)電機(jī)輸出電壓迅速上升的過(guò)壓故障，危害后級(jí)用電設(shè)備。根據(jù)飛機(jī)安全性等級(jí)分析，變頻發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)壓故障應(yīng)為災(zāi)難級(jí)失效，即該失效狀態(tài)會(huì)妨礙持續(xù)安全飛行和著陸，導(dǎo)致絕大部分或全部乘員死亡以及飛機(jī)損毀，其發(fā)生的概率應(yīng)該為極不可能。極不可能的失效狀態(tài)是那些在某一機(jī)型所有的飛機(jī)的整個(gè)的營(yíng)運(yùn)壽命中非預(yù)期發(fā)生的，不太可能的失效狀態(tài)，每飛行小時(shí)平均概率應(yīng)低于1E-9。

3.2 傳統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)方案

傳統(tǒng)飛機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)功能僅由GCU實(shí)現(xiàn)，當(dāng)GCU檢測(cè)到發(fā)電機(jī)輸出電壓超過(guò)正常工作瞬態(tài)極限的電壓，便起動(dòng)保護(hù)功能，切斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁并斷開(kāi)發(fā)電機(jī)接觸器。但由于GCU的保護(hù)控制的延時(shí)特性以及接觸器存在的固有響應(yīng)時(shí)間，在勵(lì)磁回路電流飽和時(shí)發(fā)電機(jī)電壓變化率很高，將使得發(fā)電機(jī)輸出電壓在發(fā)電機(jī)接觸器尚未斷開(kāi)的時(shí)間內(nèi)在輸出端產(chǎn)生嚴(yán)重的過(guò)壓，不能滿足CCAR25.1357的要求。

3.3 增加冗余過(guò)壓保護(hù)的必要性

為此，基于適航安全性要求考慮，在變頻電源系統(tǒng)中增加與GCU采用獨(dú)立非相似設(shè)計(jì)的冗余過(guò)壓保護(hù)裝置，與GCU共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)。冗余過(guò)壓保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)完全由硬件電路實(shí)現(xiàn)，其響應(yīng)速度更快、動(dòng)作時(shí)間更短。在發(fā)生電壓迅速上升的過(guò)壓故障時(shí)，冗余過(guò)壓保護(hù)裝置能夠快速實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)。同時(shí)，由于增加的冗余過(guò)壓保護(hù)裝置作為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備與GCU共同進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，使得變頻發(fā)電系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)功能的失效概率能夠滿足CCAR 第25.1309條的要求。

4 總結(jié)

本文介紹了變頻發(fā)電系統(tǒng)三級(jí)式無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和調(diào)壓原理，分析了變頻發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化范圍寬，電壓上升速率快、磁路飽和時(shí)發(fā)電電壓高的特點(diǎn)。為使之能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求和安全性要求，指出在變頻發(fā)電系統(tǒng)增加冗余過(guò)壓保護(hù)裝置的必要性，提出變頻發(fā)電系統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

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[責(zé)任編輯：王偉平]

強(qiáng)化民主管理，就是要建立一整套科學(xué)、規(guī)范和完善的民主管理運(yùn)行機(jī)制，以民主管理推進(jìn)整體工作。一是，要進(jìn)一步完善“教代會(huì)”、“職代會(huì)”制度，使“教代會(huì)”、“職代會(huì)”真正成為反映廣大教職工訴求、凝聚廣大教職工人心的可靠平臺(tái)。學(xué)校重大事項(xiàng)應(yīng)當(dāng)依法通過(guò)“教代會(huì)”、“職代會(huì)”決策，涉及教職工切身利益的重大問(wèn)題，都必須通過(guò)“教代會(huì)”、“職代會(huì)”討論表決通過(guò)。要提升工會(huì)和教代會(huì)的影響力，促進(jìn)依法治校的制度約束，提高依法依規(guī)管理工會(huì)的能力和水平，發(fā)揮工會(huì)維護(hù)教職工權(quán)益的作用。二是，完善校務(wù)公開(kāi)制度。校務(wù)公開(kāi)是教職工代表大會(huì)在閉會(huì)期間教職工行使民主權(quán)利的有效形式，能夠促進(jìn)教職工代表大會(huì)制度的完善、鞏固和提高。

推進(jìn)高校工會(huì)法治化建設(shè)是實(shí)現(xiàn)依法治國(guó)對(duì)工會(huì)工作的必然要求，也是維護(hù)教職工合法權(quán)益的必然要求。隨著我國(guó)法治化建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，運(yùn)用法治思維和法治方式解決問(wèn)題、處理矛盾已成為社會(huì)發(fā)展的必然。因此，工會(huì)組織一定要在工作中始終貫徹這一指導(dǎo)思想，樹(shù)立依法維權(quán)、依法履職的觀念，切實(shí)維護(hù)廣大教職工的合法權(quán)益。

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[2]《中華人民共和國(guó)工會(huì)法》第2條規(guī)定：“中華全國(guó)總工會(huì)及其各工會(huì)組織代表職工的利益，依法維護(hù)職工的合法權(quán)益?！薄皡⑴c協(xié)調(diào)勞動(dòng)關(guān)系和調(diào)解勞動(dòng)爭(zhēng)議，與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面建立協(xié)商制度，協(xié)商解決涉及職工切身利益問(wèn)題。幫助和指導(dǎo)職工與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面簽訂和履行勞動(dòng)合同，代表職工與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面簽訂集體合同或者其他專(zhuān)項(xiàng)協(xié)議，并監(jiān)督執(zhí)行?！?/p>

[3]《中國(guó)工會(huì)章程》第28條規(guī)定：“參與協(xié)調(diào)勞動(dòng)關(guān)系和調(diào)解勞動(dòng)爭(zhēng)議，與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面建立協(xié)商制度，協(xié)商解決涉及職工切身利益問(wèn)題。幫助和指導(dǎo)職工與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面簽訂和履行勞動(dòng)合同，代表職工與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面簽訂集體合同或者其他專(zhuān)項(xiàng)協(xié)議，并監(jiān)督執(zhí)行?！?/p>

[4]《工會(huì)法》第14條：“中華全國(guó)總工會(huì)、地方總工會(huì)、產(chǎn)業(yè)工會(huì)具有社會(huì)團(tuán)體法人資格?；鶎庸?huì)組織具備民法通則規(guī)定的法人條件的，依法取得社會(huì)團(tuán)體法人資格。”

[5]《工會(huì)法》第六條：“維護(hù)職工合法權(quán)益是工會(huì)的基本職責(zé)。工會(huì)在維護(hù)全國(guó)人民總體利益的同時(shí)，代表和維護(hù)職工的合法權(quán)益?！?/p>

[責(zé)任編輯：王偉平]