打开文本图片集
【摘 要】由于变频电源系统具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、运行成本低以及易于实现起动发电等优点，变频电源逐渐取代恒频电源成为民用飞机发电系统的主流。但是由于变频发电机转速和频率变化范围宽，电机磁路饱和度高，为了保护后级用电设备，发电机输出瞬态电压的调节和过压保护设计尤为重要。本文旨在分析变频发电系统三级式航空发电机的调压原理，根据电压瞬态极限和适航安全性要求，提出变频发电系统过压保护架构的设计。
【关键词】变频电源；调压；过压保护
0 概述
在传统民用飞机上，主要使用的电源体制是400Hz恒频交流电，即通过恒速传动装置把发动机的变转速转换为恒定转速，驱动发电机发出恒频交流电。这种电源形式效率较低，维护困难且不能实现起动/发电。变频电源系统取消了恒速传动装置，由发动机齿轮箱直接驱动发电机输出宽变频（360～800Hz）交流电。变频交流电源系统具有结构简单、重量轻、体积小、能量转换效率高、功率密度高、可靠性高、维修费用低等优点，且易于构成起动发电系统。在最新研制的大型民用飞机B787和A380上均采用了变频电源系统。然而，变频发电系统由于转速变化范围宽，具有电压上升速率快、磁路饱和时发电电压高的特点，因此控制变频发电机输出电压保持在规定范围之内，在发生过压故障时能够快速切断发电通道，保护后级用电设备，成为变频电源系统中亟待解决的问题。
1 变频发电系统工作原理
1.1 发电机的结构
目前民用飞机变频电源系统主要应用的发电机为三级式无刷同步发电机。三级式同步发电机结构示意图如图1所示，其内部结构主要由永磁副励磁机、主励磁机、旋转整流器和主发电机组成，其中三个电机转子与旋转整流器共轴安装。当电机运转时，永磁副励磁机的永磁体转子旋转产生旋转磁场，在定子上产生三相交流电；该三相交流电经过主励磁机放大后，再经过旋转整流器整流，得到主发电机的励磁，并在主发电机定子绕组上产生三相交流电，为飞机电网供电。
1.2 发电机的调压和保护原理
飞机电源系统正常工作状态下，三级无刷同步发电机向全机交流用电设备供电，并通过变压整流器向全机直流用电设备供电。三级无刷同步发电机的调压控制通过发电机控制器（GCU）实现。GCU不断检测发电机的输出电压，通过内部控制逻辑调节励磁机的励磁电流，从而改变主发电机的磁场，以此实现调压控制。副励磁机同时为GCU供电。当GCU检测到发电机输出电压超过正常工作瞬态极限的电压，即判断为过压故障，此时GCU将切断励磁机的励磁电流，并断开发电机接触器，把发电机和飞机电网隔离，实现故障保护。
2 变频发电系统的电压极限和安全性要求
由于变频发电系统的三级式无刷同步发电机由发动机直接驱动，转速范围非常宽。对于一台2对极的360～800Hz的三级无刷同步发电机来说，其转速范围为10800～24000rpm。因此，变频发电系统具有电压上升速率快、磁路饱和时电压高的特点，必须控制变频发电机输出电压保持在规定范围之内，同时在发生过压故障时能够快速切断发电通道，才能保护后级用电设备不受损害。变频发电机的输出电压极限以及故障保护的安全性要求在相关工业规范和适航条款中有所规定，具体介绍如下：
2.1 规范要求
MIL-STD-704F规定了正常工作情况下变频发电机输出电压的稳态和瞬态的特性参数。正常工作包括用电设备的通断、发动机的转速变化、汇流条转换、电源的同步和并联，以及外部电源供电。转换工作时可能发生供电中断。正常工作特性还包括转换工作时产生的持续时间不超过50μs的电压尖峰。在正常工作状态下，变频发电机的瞬态电压应保持在图2规定的极限范围内。正常工作状态包括正常的电源转换和诸如电动机起动之类的负载变化。
2.2 适航要求
中国民用航空规章CCAR 25部对系统保护和安全性做了以下规定：
CCAR第25.1309条设备、系统及安装规定“（b）飞机系统与有关部件的设计，在单独考虑以及与其它系统一同考虑的情况下，必须符合下列规定：（1）发生任何妨碍飞机继续安全飞行与着陆的失效状态的概率为极不可能；（2）发生任何降低飞机能力或机组处理不利运行条件能力的其它失效状态的概率为不可能”。
CCAR第25.1357条电路保护装置规定“（b）发电系统中的保护和控制装置的设计，必须能足够迅速的断电，并将故障电源和输电设备与其相关联的汇流条断开，防止出现危险的过压和其它故障。”
3 变频发电系统的过压保护
3.1 过压故障的失效等级
当变频发电机输出电压超过正常工作瞬态极限时，应由保护装置的动作进行限制。根据中大功率变频交流发电机的输出特性可知，在发电机励磁电流饱和条件下，发电机输出电压上升率非常高。因此在电源系统进行大功率负载切换或出现故障原因导致励磁回路一直处于饱和状态时，将会引起发电机输出电压迅速上升的过压故障，危害后级用电设备。根据飞机安全性等级分析，变频发电系统的过压故障应为灾难级失效，即该失效状态会妨碍持续安全飞行和着陆，导致绝大部分或全部乘员死亡以及飞机损毁，其发生的概率应该为极不可能。极不可能的失效状态是那些在某一机型所有的飞机的整个的营运寿命中非预期发生的，不太可能的失效状态，每飞行小时平均概率应低于1E-9。
3.2 传统过压保护方案
传统飞机发电系统的过压保护功能仅由GCU实现，当GCU检测到发电机输出电压超过正常工作瞬态极限的电压，便起动保护功能，切断发电机励磁并断开发电机接触器。但由于GCU的保护控制的延时特性以及接触器存在的固有响应时间，在励磁回路电流饱和时发电机电压变化率很高，将使得发电机输出电压在发电机接触器尚未断开的时间内在输出端产生严重的过压，不能满足CCAR25.1357的要求。
3.3 增加冗余过压保护的必要性
为此，基于适航安全性要求考虑，在变频电源系统中增加与GCU采用独立非相似设计的冗余过压保护装置，与GCU共同实现系统过压保护。冗余过压保护装置的设计完全由硬件电路实现，其响应速度更快、动作时间更短。在发生电压迅速上升的过压故障时，冗余过压保护装置能够快速实现过压保护。同时，由于增加的冗余过压保护装置作为一个独立的设备与GCU共同进行过压保护，使得变频发电系统过压保护功能的失效概率能够满足CCAR 第25.1309条的要求。
4 总结
本文介绍了变频发电系统三级式无刷同步发电机的结构和调压原理，分析了变频发电系统转速变化范围宽，电压上升速率快、磁路饱和时发电电压高的特点。为使之能够满足相关规范要求和安全性要求，指出在变频发电系统增加冗余过压保护装置的必要性，提出变频发电系统过压保护架构的设计。
【参考文献】
[1]周增福，等.飞机电源系统发展趋势[J].中国航空学会航空电气工程第七届学术年会论文集，2007，8.
[2]程国华.大型民用飞机电源系统的现状与发展[J].民用飞机设计与研究，2008（4）.
[3]MIL-STD-704F.Aircraft Electric Power Characteristics.
[4]运输类飞机适航标准.中国民用航空规章，第25部，CCAR-25-R3[S].中国民航总局，2001，5.
[责任编辑：王伟平]