飛機變頻交流電源系統設計介紹

施諾亞

【摘 要】變頻交流電源具有體積小、可靠性高等優點，是現代大型客機交流主電源系統的重要發展方向。本文針對大型客機變頻交流電源系統，介紹和比較變頻交流電源系統相對于其它類型主電源系統的特點，介紹新型飛機電源系統的架構設計和增加過壓保護裝置的考慮，并對電源系統供電特性參數的設定進行分析和探討。

【關鍵詞】電源系統；變頻交流；系統架構；供電特性

中圖分類號： V242.2；TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0046-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.018

0 引言

大型客機主電源系統在飛機正常工作時為各種機載設備提供電能，一般都是由航空發動機直接或間接傳動。飛機電源系統的類型分為直流和交流兩大類。直流電源系統目前有28V低壓直流電源系統和270V高壓直流電源系統兩種主要類型。交流電源系統有恒頻交流和變頻交流兩種類型，恒頻交流電源系統又分為恒速恒頻和變速恒頻兩類。

1 變頻交流電源系統的特點

變頻交流電源系統具有以下優勢：

（1）由于變頻發電機（Variable Frequency Generator，VFG）由發動機的附件齒輪箱直接驅動，沒有恒速傳動裝置，零部件數量少，可靠性高。

（2）由于不受恒速傳動裝置技術的制約，變頻交流電源可以實現比恒速恒頻交流電源更大的單機容量。

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

（4）可以實現起動/發電雙功能，適合多電飛機上應用。

（5）由于VFG重量輕，使發動機承受的懸掛力矩較小，振動小，因此給發動機帶來的影響較小。

但是，由于VFG轉速和頻率變化范圍寬，以及發電機的輸出功率大，導致發電機勵磁電流的變化范圍寬，且變化規律復雜。發電機的大功率輸出和勵磁電流的寬范圍變化對發電機電壓調節器的要求增高。同時由于采用變頻電源體制，對用電設備的選擇和要求也會帶來影響。

2 變頻交流電源系統的基本架構

VFG由發動機驅動，因此VFG輸出頻率由輸入轉速決定，額定輸入轉速范圍為10，800～24，000rpm，額定輸出頻率范圍為360～800Hz，相序為A-B-C，屬三相四線制、Y型連接、中線接金屬主結構。VFG的冷卻和潤滑系統獨立于發動機。

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

主電源系統由VFG和發電機控制器（GCU）兩個主要部分組成。 GCU實現VFG的電壓調節和過壓保護功能。PMG輸出的三相交流電給GCU供電以及發電機勵磁。整流組件對勵磁電樞旋轉產生的三相交流電壓進行整流，整流產生的直流電壓施加給主發電機電樞，使VFG發出三相變頻交流電源。GCU通過調節VFG勵磁電流，使得發電系統的電壓滿足要求。圖1為基于GCU的變頻發電機電壓調節系統結構。

3 變頻交流電源系統的過壓保護裝置

3.1 電源系統功能完善需求

若VFG的電壓調節和過壓保護均由GCU實現，由于采用了VFG，可能會產生電壓上升率非常高的過壓故障，而GCU 的過壓保護功能需要借助斷開發電機接觸器來完成，響應時間較長，僅能通過電壓調節功能預防過壓。增加過壓保護裝置（Overvoltage Protection Unit，OPU）之后，由于OPU通過電力電子裝置實現過壓保護，與GCU的設計獨立非相似，且保護過程延時短，可以實現對所有過壓故障的保護，使得電源系統的保護功能得到完善，提高安全性和可靠性。

3.2 適航安全性要求

根據SAE ARP4754a中設備設計保證等級的分配原則，只有GCU的電源系統中如果GCU發生故障，將可能導致單個主發電通道發生過壓故障，此時GCU的過壓保護功能失效，因此GCU的設備設計保證等級必須為A級。根據AC25.1309，任一單個設備的失效均不能導致災難級失效，不論其發生概率多少。因此，只有GCU的電源系統，即便GCU的設計保證等級為A級，如果出現單點故障，將會導致災難級故障失效，難以滿足適航的要求。增加了OPU之后，GCU和OPU的設計保證等級根據ARP 4754a進行了重新分配，GCU 和OPU 的設計保證等級均分配為B 級即可滿足這一適航要求。圖2為基于GCU和OPU的變頻發電機電壓調節系統結構，也即變頻交流電源系統目前采用的架構。

4 變頻交流電源系統的供電特性考慮

目前，針對變頻交流電源系統制定的主要電能規范有：美國軍用標準MIL-STD-704F、民用適航標準DO-160F、國際標準化組織制定的國際標準ISO1540和我國制定的航空標準HB7745，包括了除頻率范圍以外的所有技術參數。其中，MIL-STD -704主要為對供電系統調壓點處的要求，ISO-1540主要為對用電設備端的要求。考慮到電源和用電設備電能輸入端之間可能發生的供電品質下降，MIL-704的供電特性要求相比ISO-1540的供電特性要求更為嚴格。考慮到MIL-STD-704F標準規定的極限是規定用電設備與飛機供電相兼容的最低要求，電源系統供電特性的性能要求一般應比MIL-STD-704更為嚴格。

表1給出了電源系統部分供電特性指標與MIL-STD-704F和ISO-1540中規定的相關特性參數的比較，可見電源系統供電特性指標的設定應比標準更加嚴格。

5 小結

本文首先介紹了大型客機主電源系統現狀與發展，分析了作為目前航空電源體制最新發展趨勢的變頻交流電源的優點和特點。介紹了變頻交流電源系統的基本架構，以及出于電源系統功能完善需求和適航安全性考慮為系統增加過壓保護裝置的需求。最后介紹了變頻交流電源系統的供電特性參數設計的考慮，并將電源系統部分供電特性參數與MIL-STD-704和ISO-1540進行比較。

【參考文獻】

[1]嚴仰光，謝少軍.民航飛機供電系統.北京：航空工業出版社，1999.12.

[2]田永堂，鄧健.變頻電源系統應用的研究.飛機工程，2006年第一期：P71-P73.

[3]MIL-STD-704F Interface Standard ：Aircraft Electric Power Characteristics.Washingtong USA ：Department of Defense，2004.

[4]ISO 1540.Aerospace：Characteristics of aircraft electrical systems，USA：ISO.International Standard Organization，2004.