新型民用飛機變頻交流供電系統過壓保護原理設計

孫善民

（上海飛機設計研究院，中國 上海201210）

0 前言

目前， 新型民用飛機供電系統將采用115/200V、360-800Hz 變頻交流供電體制， 考慮到變頻交流發電機的輸入轉速范圍大和轉速高，其供電頻率取決于發電機的輸入轉速，變頻交流供電系統具有優良的動、靜態性能，其應用也帶了的新的挑戰。

根據某機型供電系統中大功率變頻交流發電機（VFG，額定功率120kVA）的電壓輸出特性可知，在勵磁電流飽和條件下，其電壓上升率非常高，在電源系統進行大容量負載切換或出現故障時，將會使發電機勵磁回路一直處于飽和狀態，引起發電機輸出過壓故障。 如果采用與傳統飛機供電系統類似的發電機控制器（GCU）單獨實現電壓調節和保護功能，當GCU 過壓保護功能起作用后，需要切斷發電機勵磁繞組， 并斷開發電機接觸器， 但是由于GCU 的保護控制的延時特性（如延時50ms 動作）以及接觸器存在固有的響應時間，當發電機在勵磁回路電流飽和時，其輸出電壓會嚴重超過飛機電網的過壓保護門限值，在發電機接觸器尚未斷開的時間內，機載用電設備將承受過高的電壓浪涌沖擊，可能導致用電設備故障，從而引起飛機災難級的飛行事故。

1 變頻交流供電系統過壓保護原理設計

針對新型民用飛機供電系統的過壓保護需求，下面將對供電系統調壓點處的過壓保護進行原理設計和分析。

圖1 變頻交流發電系統過壓冗余保護結構圖

1.1 功能結構和原理

通常飛機供電系統出現過電壓的原因主要有三種情況：（1）大容量負載的過程；（2）系統短路故障排除之后，由于發電機調壓器的滯后響應引起的過壓；（3）勵磁系統故障導致勵磁回路飽和的過壓。

若大功率變頻交流供電系統發生過壓故障， 導致用電設備的損壞，可能發生飛機災難級失效，根據AC 25.1309-1B，“一個災難級的故障不可以由單個設備的失效導致”， 需要在單個供電通道額外設置一個過壓保護裝置。

根據SAE ARP 4754A 設備設計保證等級要求的確定和分配原則，A 級設備可以由兩個獨立非相似設計的B 級設備實現。 因此從適航安全性要求方面考慮， 應增加過壓保護裝置構成冗余過壓保護結構，以輔助GCU 實現過壓保護功能。

如圖1 所示的變頻交流供電系統過壓冗余保護結構， 在GCU 實現保護功能的基礎上，需要在發電機輸出端增加并聯的電源保護控制裝置OPU，該裝置利用電力電子裝置實現發電機輸出電壓的鉗位，并且增加發電機勵磁接觸器、發電機輸出接觸器的冗余控制電路，作為GCU 的冗余保護，并與GCU 獨立非相似，即GCU 的電源保護功能基于復雜硬件與軟件實現，電源保護控制裝置OPU 不含軟件，并且不基于復雜硬件電路實現。

當變頻交流發電機輸出過電壓后，GCU 和OPU 共同進行過壓保護，分成三個階梯過壓保護：

1）0～1ms 內出現過壓故障之后，OPU 在1ms 內快速開始響應系統保護控制功能，進行發電機輸出過壓箝位；

2）1～55ms，在該過程中GCU 電壓調節（包括電源保護控制）功能與OPU 的過壓箝位功能同時作用， 即通過發電機勵磁電流控制及OPU 的過壓鉗位電路共同作用， 將發電機輸出電壓限定在要求范圍內（180V 以內）；

3）當出現過壓（180V）超過55ms 后，GCU 的電壓調節（過壓保護）不能達到要求時，OPU 的冗余保護功能起作用，切斷電源。 當電源電壓恢復到規定值時， OPU 將給出電源接通信號。

GCU 和OPU 的接口交互信號包括：

1） 由GCU 提供給OPU 永磁副勵磁機電源、28V 直流電源、GCU28V 電源、GCU 保護產生的勵磁、主發電機接觸器控制信號；

2）OPU 提供給GCU 的BIT 檢測信號，包括電壓鉗位電路、電源冗余保護控制電路、勵磁回路接觸器、發電機接觸器的狀態信息；

3）OPU 需要獲取調壓點處的電壓信號， 并在冗余保護控制時輸出勵磁回路接觸器、發電機接觸器的動作信號。

2.2 OPU 的硬件結構和原理設計

2.2.1 OPU 硬件結構

OPU 硬件組成分為兩部分：過壓鉗位電路和延時保護電路，兩部分電路自身的工作原理不同，并獨立非相似，硬件結構見圖2。

過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、輔助電源以及狀態檢測與顯示電路組成。

延時保護電路由采樣電路2、過壓延時比較電路、發電機接觸器電路、勵磁接觸器電路、輔助電源及狀態檢測與顯示電路組成。

過壓鉗位電路中的采樣電路1 和延時保護電路的采樣電路2 均對調節點電壓進行檢測、調理，為過壓鉗位、延時保護電路提供信號，但是采用不同工作原理和結構的電路，符合獨立非相似結構性，并且提高了采樣電路的可靠性。

2.2.2 OPU 工作原理

OPU 過壓鉗位電路通過采樣電路檢測調節點電壓， 當電壓低于180V 時，過壓鉗位電路不起作用，當電壓超過180V 后，過壓鉗位電路在1ms 內快速響應， 鉗位發電機輸出電壓， 只到輸出電壓低于180V后，鉗位電路不工作；當發電機輸出過電壓（180V）連續工作55ms 之后，延時保護電路起作用，斷開發電機的輸出斷路器和勵磁控制回路接觸器，實現保護功能，該延時保護功能與GCU 的過壓延時保護功能相互冗余，并且獨立非相似，提高整個發電系統的安全性和可靠性。電源保護控制裝置中控制電源供電的輔助電源作為整個裝置失效率的關鍵部件， 系統組成中將勵磁機輸出裝換成28V 的變換器在過壓鉗位電路和延時保護電路中均作了冗余，過壓鉗位電路中變換器2 作為變換器1 的備份和冗余，同樣延時保護電路中變換器4 作為變換器3 的備份和冗余，保證整個裝置的各部分在某一變換器失效后，仍然能夠正常工作，以降低過壓保護裝置的失效率。

圖2 電源保護控制裝置的硬件結構

1）過壓箝位保護原理設計為實現在發電機過壓運行狀態的電壓鉗位功能，采用電壓鉗位保護電路，將發電機輸出通過半波整流輸出，通過能量吸收電路。在發電機出現過壓現象后，即電源保護控制電路產生過壓信號之后，產生發電機接觸器驅動信號，利用該信號控制能量吸收電路，給發電機增加大負載后，使得發電機電流大幅增加，流過電阻負載，由于發電機固有的外特性，使得其輸出電壓下降，實現發電機過電壓的限定，此時發電機過壓產生的能量將消耗在電阻負載上。

2）獨立供電電源原理設計

電源保護控制裝置系統中采用冗余的電源電路，其中一路由變頻交流發電機的副勵磁機輸出供電，將永磁機輸出通過整流，再經功率變換器輸出28V 獨立供電電源，在此基礎上利用28V 經過輔助電源輸出±15V、5V，給電源保護控制裝置電壓檢測、保護電路用，該電源獨立于GCU 電源系統，能夠在GCU 失效工作之后，保證電源保護控制裝置獨立正常工作。 另一路由系統28V 電源通過輔助電源輸出±15V、5V，為電源保護裝置檢測、保護電路提供冗余供電。 副勵磁機輸出產生28V與28V 電源共同給勵磁回路、發電機接觸器供電，構成接觸器冗余供電系統。

2 結語

目前，新型大功率變頻交流供電系統采用發電機控制器（OPU）和過壓保護控制裝置（OPU）共同構成過壓保護結構，兩者獨立非相似，滿足了適航安全要求，并為飛機適航取證減小了不必要的風險。

［1］馬述訓.飛機設計手冊.第16 冊[M].航空工業出版社,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].