施諾亞

【摘 要】變頻交流電源具有體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代大型客機(jī)交流主電源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。本文針對(duì)大型客機(jī)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(duì)于其它類型主電源系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹新型飛機(jī)電源系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和增加過壓保護(hù)裝置的考慮，并對(duì)電源系統(tǒng)供電特性參數(shù)的設(shè)定進(jìn)行分析和探討。

【關(guān)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(hào)： V242.2；TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）11-0046-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.018

0 引言

大型客機(jī)主電源系統(tǒng)在飛機(jī)正常工作時(shí)為各種機(jī)載設(shè)備提供電能，一般都是由航空發(fā)動(dòng)機(jī)直接或間接傳動(dòng)。飛機(jī)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(diǎn)

變頻交流電源系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

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

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

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

（4）可以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/發(fā)電雙功能，適合多電飛機(jī)上應(yīng)用。

（5）由于VFG重量輕，使發(fā)動(dòng)機(jī)承受的懸掛力矩較小，振動(dòng)小，因此給發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的輸出功率大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的變化范圍寬，且變化規(guī)律復(fù)雜。發(fā)電機(jī)的大功率輸出和勵(lì)磁電流的寬范圍變化對(duì)發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的要求增高。同時(shí)由于采用變頻電源體制，對(duì)用電設(shè)備的選擇和要求也會(huì)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此VFG輸出頻率由輸入轉(zhuǎn)速?zèng)Q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?yàn)锳-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(rùn)滑系統(tǒng)獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)。

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

主電源系統(tǒng)由VFG和發(fā)電機(jī)控制器（GCU）兩個(gè)主要部分組成。 GCU實(shí)現(xiàn)VFG的電壓調(diào)節(jié)和過壓保護(hù)功能。PMG輸出的三相交流電給GCU供電以及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。整流組件對(duì)勵(lì)磁電樞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的三相交流電壓進(jìn)行整流，整流產(chǎn)生的直流電壓施加給主發(fā)電機(jī)電樞，使VFG發(fā)出三相變頻交流電源。GCU通過調(diào)節(jié)VFG勵(lì)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(jī)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(hù)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(hù)均由GCU實(shí)現(xiàn)，由于采用了VFG，可能會(huì)產(chǎn)生電壓上升率非常高的過壓故障，而GCU 的過壓保護(hù)功能需要借助斷開發(fā)電機(jī)接觸器來完成，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，僅能通過電壓調(diào)節(jié)功能預(yù)防過壓。增加過壓保護(hù)裝置（Overvoltage Protection Unit，OPU）之后，由于OPU通過電力電子裝置實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，與GCU的設(shè)計(jì)獨(dú)立非相似，且保護(hù)過程延時(shí)短，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有過壓故障的保護(hù)，使得電源系統(tǒng)的保護(hù)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(shè)備設(shè)計(jì)保證等級(jí)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(dǎo)致單個(gè)主發(fā)電通道發(fā)生過壓故障，此時(shí)GCU的過壓保護(hù)功能失效，因此GCU的設(shè)備設(shè)計(jì)保證等級(jí)必須為A級(jí)。根據(jù)AC25.1309，任一單個(gè)設(shè)備的失效均不能導(dǎo)致災(zāi)難級(jí)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(shè)計(jì)保證等級(jí)為A級(jí)，如果出現(xiàn)單點(diǎn)故障，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難級(jí)故障失效，難以滿足適航的要求。增加了OPU之后，GCU和OPU的設(shè)計(jì)保證等級(jí)根據(jù)ARP 4754a進(jìn)行了重新分配，GCU 和OPU 的設(shè)計(jì)保證等級(jí)均分配為B 級(jí)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(jī)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(duì)變頻交流電源系統(tǒng)制定的主要電能規(guī)范有：美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-704F、民用適航標(biāo)準(zhǔn)DO-160F、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO1540和我國(guó)制定的航空標(biāo)準(zhǔn)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(duì)供電系統(tǒng)調(diào)壓點(diǎn)處的要求，ISO-1540主要為對(duì)用電設(shè)備端的要求?？紤]到電源和用電設(shè)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(yán)格?？紤]到MIL-STD-704F標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限是規(guī)定用電設(shè)備與飛機(jī)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(yīng)比MIL-STD-704更為嚴(yán)格。

表1給出了電源系統(tǒng)部分供電特性指標(biāo)與MIL-STD-704F和ISO-1540中規(guī)定的相關(guān)特性參數(shù)的比較，可見電源系統(tǒng)供電特性指標(biāo)的設(shè)定應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。

5 小結(jié)

本文首先介紹了大型客機(jī)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(shì)的變頻交流電源的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。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(hù)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(shè)計(jì)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(jìn)行比較。

【參考文獻(xiàn)】

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