多脈沖整流技術在民用飛機中的應用

劉湛　孫莉

【摘 要】電力電子技術飛速發展，越來越多的電氣設備被應用于民用飛機中，基于民用飛機電網的特殊要求，可以有效抑制諧波的多脈沖整流技術在民用飛機中得到廣泛應用。本文闡述了多種多脈沖整流方案的特點和工作原理，可以指導在不同需求下對多脈沖整流方案的篩選。

【關鍵詞】民用飛機；高壓直流；變壓整流器；多脈沖

0 概述

隨著電力電子技術的飛速發展，越來越多的電力電子器件被用于民用飛機上。因為設備的非線性的特征，造成了網側電流的畸變，影響民用飛機的電源品質，降低了負載的電磁兼容性能，危害電網中的其他的設備。民用飛機的二次能源包括液壓能、氣壓能和電能，這就要求民用飛機上必須安裝液壓泵、壓氣機、燃料泵等，造成了飛機上空間復雜緊張，維護難度高，再者液、氣壓的裝置本身存在的低可靠性、易泄露、難維護等特點大大降低民用飛機的整體可靠性和安全性。而電能傳輸容易，控制精確的優勢，使得國內外都將目光聚焦在加大電能在飛機上的應用范圍，大力發展多電飛機（MEA）和全電飛機（AEA）。隨著多電技術的發展，電能在民用飛機上占據越來越高的比例，在國外先進的民用飛機中。多電技術在民機領域的廣泛使用必將對飛機電源提出更嚴苛的要求。

1 民用飛機電源系統的發展

飛機的一次電源即主電源經歷了低壓直流、恒速恒頻交流、變速恒頻交流、高壓直流以及混合電源。低高壓直流電源系統得益于電力電子技術的進步，解決了其初期存在的開關斷弧和有刷電機換向惡劣的缺點 ，大大提高了無刷發電機的轉速，減小了電機的重量體積。結構簡單，效率高。易于民用飛機供電系統的冗余和不間斷供電的需求，提高了電氣系統的可靠性，提高機載二次電源的功率密度。目前已廣泛應用于軍機，如RAH-66直升機和F-22戰斗機，在民用飛機領域的應用還有待進一步發展。

目前民用飛機發電機基本還是采用三相交流電機，而飛機上存在很多的直流用電設備，比如照明設備、發動機控制裝置、繼電器的控制線圈等。所以需要機上有大量的整流裝置，民用飛機電網受其本身特殊性的影響對機載電氣設備運行時產生的諧波有很嚴格的要求。飛機發電機發出的三相交流電經整流器轉換成高壓直流或者低壓直流電。比如在國外某大型客機中，整流變換器處理的功率占飛機總功率的60%以上。在諧波的污染源中整流裝置占最大的比例，傳統的三相二極管整流電路會向飛機電網注入大量的諧波，嚴重危害飛機電網。

2 多脈沖變壓整流器

交直流變流機和變壓整流器都可以產生機載二次電源，而相對于變流機，整流器無活動部件，無換向火花，噪音低，功率高，所以得到了廣泛使用。而傳統方案中二極管不控整流技術的輸入電流諧波含量（THD）達到了31.08%，嚴重污染飛機電網，影響電網中其他設備的正常工作以及壽命。多脈沖整流技術因其低諧波含量，高功率因數，強過載能力以及超強的穩定性在目前的機載電源系統中得到廣泛應用。根據機載電源系統低壓28V和高壓270V的不同需求，分別可采用十二脈沖變壓整流器和十八脈沖自耦變壓整流器。

2.1 12脈沖變壓整流器

表1 不同連接方式的三相整流器性能對比

鑒于傳統不控二極管整流方案的缺陷，為解決這個問題，20世紀70年代，提出了多脈沖整流的概念，通過將整流器的輸入電流疊加，以消除相應次數的諧波，如12脈沖變壓蒸餾器的輸入電流僅含有12±1次諧波。表1是按照線路的連接方式不同，對變壓整流器進行了分類即Y/Y連接的三相橋式整流，Y/Y連接的三相半波整流，Y/ΔY和Δ/Y、Y/Y六相整流以及十二脈沖整流，并列出了各拓撲的關鍵參數。

由表1可得，相較于Y/Y連接的三相橋式整流，Y/Y連接的三相半波整流，Y/ΔY和Δ/Y、Y/Y六相整流三類方案，12脈沖整流方案的二極管導通角最大，磁芯繞組的利用率最高，輸出電壓脈動最小，諧波含量最低，所以在民機領域得到廣泛應用，在B787和A380飛機中都有大量的多脈沖整流裝置。

自耦變壓整流器相較于隔離變壓器體積更小，效率更高，在無需電氣隔離的場合有明顯優勢。目前民用飛機中常用的自耦變壓整流器主要包括12脈沖自耦變壓整流器，18脈沖自耦變壓整流器。在諧波含量需求更嚴苛的情況下甚至還有24脈沖、30脈沖自耦變壓整流器。在綜合考慮變壓器繞制復雜度以及諧波需求的情況下，選擇何種自耦變壓整流器。

如圖1所示就是12脈沖變壓整流器的拓撲圖，主變壓器采用三相三繞組，原邊繞組為星形，副邊有兩個繞組，分別為三角形和星形，三組繞組的匝比為1：1：■，可產生相電壓相同的三組電壓，但副邊三角形繞組的相電壓相位超前星形繞組的相電壓30°，所以兩組整流橋的輸出線電壓相位也依次相差30°，電壓有效值相等，滿足兩路并聯供電向負載供電的條件。由于兩組整流橋的輸出線電壓的瞬時值相位相差30°，故而瞬時值不相等，所以在兩組整流橋之間加上平衡電抗器，以實現兩組整流橋的并聯均流。這樣每個整流橋只傳輸50%的負載電流，故適用于于大電流場合。

圖1 12脈沖變壓整流器

通過兩路的移相功能，實現輸入電流除12±1次諧波的消除，大大降低了網側的THD值。同理，通過一次相移為20°的三組變壓器可構成18脈沖整流器，使得輸入電流僅含18±1次諧波。以此類推，可以構建n個相位差π/3n的變壓器給n個三相整流橋供電，使網側輸入電流只含有6nk±1次諧波（k為正整數），其中各次諧波的有效值與次數成反比。

2.2 18脈沖自耦變壓整流器

18脈沖自耦變壓整流器按整流橋的處理功率不同分為對稱式和不對稱式，不對稱式相較于前者變壓器等效容量小，無需平衡電抗器等附件，所以在民用飛機上應用的更多。

如圖2所示就是不對稱式18脈沖自耦變壓整流器的拓撲圖。采用一個三相磁芯，每個磁芯繞有5組繞組，原副邊并不電氣隔離，所以相對于隔離式的變壓整流器，具有更高的工作效率，能達到97%以上。三組三相整流橋分別為一組主橋和兩組輔橋，主橋為三相輸入電壓直接輸入，兩組輔橋是由自耦變壓器分別注入滯后和超前電壓，相位差為37°，幅值為主橋電壓的0.767。

任意時刻，三組整流橋輸入為三組三相相位差20°，等幅值的線電壓。其中主橋三相兩兩組合成三組主線電壓，每個二極管導通80°，主橋和滯后或者超前電壓組成六組復合線電壓，每個線電壓單周期內導通20°，所以輔橋每個二極管單周期內導通20°，在選擇整流橋的二極管時，應根據實際工作功率選擇合適的二極管。

通過3組整流橋的移相，電流波形疊加，18脈沖自耦變壓整流器向網側注入的電流諧波僅含有18±1次諧波。諧波含量的理論值為10.11%。

3 結論

針對民用飛機的應用場合，介紹了應用較為廣闊的變壓整流技術，分析了不同變壓整流器之間的效率、諧波含量差異，著重敘述了最為常見的12脈沖變壓整流器和18脈沖自耦變壓整流器的工作原理和優勢，給不同應用場合下對整流器的選用提供了參考。

【參考文獻】

[1]趙修科.實用電源技術手冊—磁性元器件分冊一[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2002.

[2]于黎明.全電飛機的技術改進及其發展狀態[J].飛機設計，1999，3：1-3，20.

[3]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2004.