民用飛機(jī)變頻交流和高壓直流電源系統(tǒng)研究

吳善永　曹濤

【摘 要】主要對(duì)民用飛機(jī)變頻交流與高壓直流兩種新體制電源系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了研究比較，最后結(jié)合我國大型客機(jī)的發(fā)展提出了一些看法。

【關(guān)鍵詞】變頻交流；高壓直流；供電體制

1 航空電源系統(tǒng)供電體制發(fā)展歷史概要

航空電源系統(tǒng)由供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)組成。供電系統(tǒng)分為主電源、二次電源、應(yīng)急電源、輔助電源、備份電源。配電系統(tǒng)有常規(guī)配電系統(tǒng)、遙控配電系統(tǒng)、自動(dòng)配電系統(tǒng)。

從電源系統(tǒng)供電體制來看，經(jīng)歷了從28V低壓直流電源系統(tǒng)、115/200V變頻交流電源系統(tǒng)、400Hz恒頻交流電源系統(tǒng)，到270V高壓直流電源系統(tǒng)，以及混合電源系統(tǒng)的發(fā)展過程。[1]

2 變頻交流與高壓直流兩種體制電源系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 變頻交流電源系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

變頻交流供電系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

1）變頻交流電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)

變頻交流電源系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)和控制器構(gòu)成，系統(tǒng)只有一次變換過程，交流發(fā)電機(jī)直接由發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣驅(qū)動(dòng)，沒有恒速傳動(dòng)裝置和二次變換裝置，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕、體積小、功率密度高，可靠性高、費(fèi)用低，能量轉(zhuǎn)換效率高，易于構(gòu)成起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)。因此單從電源系統(tǒng)本身來講而不考慮配電系統(tǒng)、用電設(shè)備和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)等因素，在各種電源系統(tǒng)方案中，變頻交流發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)最簡單、可靠性最高、效率最高、費(fèi)用最低等優(yōu)點(diǎn)，而且具有較小的重量和體積。

2）變頻交流供電系統(tǒng)的配電系統(tǒng)復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)

由于交流發(fā)電機(jī)直接由發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，頻率變化范圍較大，一般約為2：1左右。為滿足飛機(jī)各種不同用電負(fù)載的需要，二次電源變換形式較多，造成飛機(jī)配電系統(tǒng)十分復(fù)雜。例如Boeing787飛機(jī)配電系統(tǒng)就采用了230VAC、115VAC、28VDC和±270VDC四種供電體制向機(jī)上電用負(fù)載供電，除230VAC變頻交流電外，其它三種體制的電源均需二次電源變換裝置得到。為此，機(jī)上裝了兩臺(tái)自耦變壓器（ATU），用于將230VAC交流電變換為115VAC交流電，每臺(tái)額定功率為90kVA；四臺(tái)變壓整流器（TRU），用于將230VAC交流電變換為28VDC直流電，每臺(tái)額定電流為240A；四臺(tái)自耦變壓整流器（ATRU），用于將230VAC交流電變換為270VDC直流電，每臺(tái)額定功率為150kW。飛機(jī)配電系統(tǒng)十分復(fù)雜，各類大功率的二次電源變換裝置具有獨(dú)立的結(jié)構(gòu)、獨(dú)立的散熱系統(tǒng)，這對(duì)于系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)（包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)和能量綜合設(shè)計(jì)等）及飛機(jī)的綜合控制與管理是不利的。

3）變頻交流供電系統(tǒng)因頻率變化大給用電負(fù)載帶來不利影響

變頻交流雖然提高了發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和能量轉(zhuǎn)換效率，但對(duì)飛機(jī)用電設(shè)備帶來了不利影響。對(duì)于飛機(jī)上大多數(shù)航空電子設(shè)備和系統(tǒng)控制組件，一般都使用低壓直流電源，利用變壓整流器將變頻交流電變換成28V直流電。由于變壓整流器中唯一對(duì)頻率敏感的元件是變壓器，所以在設(shè)計(jì)變壓整流器時(shí)必須避免變壓器在最低工作頻率出現(xiàn)飽和。一般地，最低頻率為328Hz的100A變壓整流器要比一個(gè)400Hz頻率的同類變壓整流器重10%。

對(duì)于交流用電設(shè)備，分為對(duì)頻率敏感的用電設(shè)備和對(duì)頻率不敏感的用電設(shè)備。對(duì)頻率不敏感的用電設(shè)備，如設(shè)備加熱負(fù)載，可直接由變頻交流直接供電；對(duì)頻率敏感的用電設(shè)備，又分為不能直接使用變頻電源的用電設(shè)備和可以使用變頻交流的用電設(shè)備。對(duì)于不能直接使用變頻電源的航空電子設(shè)備和系統(tǒng)控制組件等交流用電設(shè)備，可由靜止變流器提供400Hz恒頻電源；而對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，目前飛機(jī)上使用的主要是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，雖然可以采用變頻交流電，但必須通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)頻率變化范圍大的特點(diǎn)，為此將使交流電動(dòng)機(jī)的重量和體積比恒頻交流時(shí)有所增加。在328Hz的最小頻率上，電動(dòng)機(jī)的重量體積將大約比使用400Hz恒頻電源的大15%左右。

2.2 高壓直流供電系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)

270V高壓直流電源系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）270V高壓直流電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)

270V直流電源系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)和控制器構(gòu)成，沒有恒速傳動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡單，能量轉(zhuǎn)換效率高。30/40kVA恒速恒頻交流電源效率在68%左右，噴油冷卻變速恒頻電源效率為77%，循油冷卻變速恒頻電源效率為79%，高壓直流電源的效率在85%以上。按輸出40kW計(jì)算，恒速恒頻電源的損耗為18.5kW，變速恒頻電源的損耗為12kW，高壓直流電源的損耗為7kW。可見，在與40kVA恒速恒頻電源損耗相同的情況下，高壓直流電源功率可達(dá)100kW。高壓直流電源為飛機(jī)電源容量的進(jìn)一步增大創(chuàng)造了條件。

270V直流電源中的變換器有兩種，直流變換器和直交變換器。直流變換器將270V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?8V直流電，與恒頻交流電源中的變壓整流器（將115V、400Hz三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?8V直流電）的作用相當(dāng)，但前者效率在90%以上，后者效率約為80%[2]，且后者在功率密度和電能質(zhì)量方面均較差。直交變換器將270V直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?15V、400Hz三相交流電，類似于28V直流電源中的靜止變流器，但前者效率更高。

無刷直流發(fā)電機(jī)具有優(yōu)良的可逆性，易于構(gòu)成起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，可取消專用的航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步減輕了系統(tǒng)的重量。

高壓直流電氣系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)不受工作頻率的制約，不僅可在任意轉(zhuǎn)速或變速情況下工作，而且可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步減小體積重量。

另一方面，高壓直流電氣系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)不一定必須用電磁式同步發(fā)電機(jī)，它的電動(dòng)機(jī)也不一定必須用異步機(jī)，可以選用結(jié)構(gòu)簡單的（特別是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單），性能優(yōu)良的電機(jī)，為航空電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了條件，而航空電機(jī)的發(fā)展反過來又促進(jìn)了高壓直流電氣系統(tǒng)的發(fā)展。

2）270V高壓直流電源系統(tǒng)具有冗余和容錯(cuò)能力，可靠性高

270V高壓直流電源系統(tǒng)是一個(gè)分布式電源系統(tǒng)，分布式電源系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是冗余配置和容錯(cuò)能力，有高的工作可靠性。分布式電源系統(tǒng)根據(jù)飛機(jī)的不同要求，可以實(shí)現(xiàn)多次電源故障后仍能可靠供電的能力。比如在經(jīng)受一次故障時(shí)仍能向全部飛機(jī)用電設(shè)備供電；在發(fā)生兩次故障后仍能向所有關(guān)鍵負(fù)載和任務(wù)負(fù)載供電，在發(fā)生三次故障后仍能向所有關(guān)鍵飛行負(fù)載供電。這些故障可以發(fā)生在同一供電通道的不同部件上，也可發(fā)生在不同通道的同一部件上，或以上兩種方式的組合形式。

3）270V高壓直流供電系統(tǒng)具有不中斷供電的特性

低壓直流和交流供電系統(tǒng)的配電器件為自動(dòng)保護(hù)開關(guān)或稱斷路器，它和熔斷器一樣是一種熱保護(hù)器，當(dāng)它所保護(hù)的部分網(wǎng)絡(luò)發(fā)生短路故障時(shí)，大的短路電流使其發(fā)熱，當(dāng)溫度達(dá)到一定值后自動(dòng)保護(hù)開關(guān)或稱斷路器動(dòng)作，切除短路部分。其動(dòng)作時(shí)間取決于短路情況，短路電流越大，動(dòng)作越快。短路故障不僅伴隨著電流的加大，還有可能使電網(wǎng)電壓急劇下降，導(dǎo)致供電中斷。固態(tài)功率控制器（SSPC）是固態(tài)器件，它的響應(yīng)速度為微秒級(jí)，在其保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障時(shí)，可迅速切除短路部分，防止整個(gè)電網(wǎng)電壓的下降。直流電源都通過反流保護(hù)二極管接到匯流條，電源和它的饋電線故障被反流保護(hù)二極管隔離，不會(huì)導(dǎo)致匯流條電壓的變化。由此可見，SSPC和反流保護(hù)二極管的應(yīng)用是直流電源實(shí)現(xiàn)不中斷供電的基礎(chǔ)。同時(shí)，蓄電池可方便地和直流匯流條連接，提高不中斷供電能力。

4）270V高壓直流供電系統(tǒng)電網(wǎng)重量輕、用電設(shè)備端電能質(zhì)量高

270V高壓直流電源是分布式電源系統(tǒng)，也是分布式布局的結(jié)構(gòu)，二次電源在配電中心附近，甚至和配電中心組合在一個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此饋電線都是270V線路，僅從配電中心到用電設(shè)備的配電線才有270VDC，115VAC和27VDC三種，但它們的長度都較短。在傳輸相同功率時(shí)，270V直流饋電線要比115V交流輕得多。又因多路傳輸?shù)膽?yīng)用，大量信號(hào)線和控制線由總線替代，故270V直流電網(wǎng)重量顯著減輕。又因配電線短，用電設(shè)備端電能質(zhì)量提高，可有效減輕設(shè)備內(nèi)部電源的重量。

5）270V高壓直流供電系統(tǒng)對(duì)非線性負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)

在早期的28V直流供電系統(tǒng)中，用電負(fù)載多數(shù)為線性負(fù)載，如旋轉(zhuǎn)變流機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)，電氣照明（白熾燈）、加溫和防冰設(shè)備等，其運(yùn)行特性都相當(dāng)于電阻負(fù)載，即負(fù)載端輸入電壓高則負(fù)載電流大，負(fù)載的變化不會(huì)反過來影響供電系統(tǒng)的運(yùn)行。

航空電子設(shè)備和電力電子裝置是非線性負(fù)載。無刷直流電動(dòng)機(jī)、二次電源、大功率電子設(shè)備是恒功率負(fù)載，對(duì)270V直流發(fā)電系統(tǒng)來講，發(fā)電機(jī)輸出電壓的升高不是使負(fù)載電流增加，而是減小，即輸入功率是不隨供電電壓的變化而變化的。

無刷直流電動(dòng)機(jī)不僅具有恒功率的特性，而且具有雙向能量傳遞特性。機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)使舵面正向偏轉(zhuǎn)時(shí)，空氣動(dòng)力阻力使電機(jī)電動(dòng)工作運(yùn)行。舵面反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則為制動(dòng)工作運(yùn)行，再生制動(dòng)時(shí)能量從電機(jī)返回電源。

三相直交型二次電源在不對(duì)稱負(fù)載下工作，或者對(duì)于單相直交型二次電源，一方面具有能量回饋特性，另一方面又是一個(gè)時(shí)變負(fù)載，400Hz逆變電源，時(shí)變負(fù)載的變化周期為800Hz，50Hz逆變電源功率變化周期為100Hz。

某些航空電子設(shè)備對(duì)電源來說具有脈沖特性，是脈沖負(fù)載。

以上幾種非線性負(fù)載對(duì)電源特性的影響是不可忽視的，據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，在未來飛機(jī)上，這類負(fù)載消耗功率約占電源輸出功率的80%左右。非線性用電設(shè)備的增加，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題更加突出，用電設(shè)備對(duì)電源的影響非常明顯，交流電力系統(tǒng)適應(yīng)性較差，而直流電力系統(tǒng)有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

6）270V高壓直流更加適應(yīng)于飛機(jī)機(jī)電綜合設(shè)計(jì)的發(fā)展要求

高壓直流機(jī)電作動(dòng)機(jī)構(gòu)或電液作動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，為取代目前飛機(jī)廣泛使用的液壓作動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，從而為飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的綜合及二次能源的統(tǒng)一奠定了基礎(chǔ)，為構(gòu)建多電飛機(jī)甚至全電飛機(jī)提供了必要的條件。

3 兩種體制電源系統(tǒng)的分析比較

下面就高壓直流供電系統(tǒng)與變頻交流供電系統(tǒng)的優(yōu)、缺點(diǎn)做一簡要的比較。

3.1 飛機(jī)電氣系統(tǒng)采用直流供電體制，在以下幾個(gè)方面優(yōu)于變頻交流供電體制

1）電力線不存在電抗壓降；

2）直流配電也不存在趨膚效應(yīng)；

3）直流配電系統(tǒng)時(shí)功率因數(shù)為1；

4）飛機(jī)機(jī)身可以作為全部電纜的回線；

5）直流電的電暈起始電壓比交流的高；

6）在同樣電壓值時(shí)，從人身安全來講直流電比交流電更安全；

7）直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)容易；

8）直流電源系統(tǒng)易實(shí)現(xiàn)不中斷供電。

3.2 高壓直流配電也存在一些缺點(diǎn)：

1）直流電更難斷開。同樣容量時(shí)，常規(guī)的直流斷路器比交流斷路器要大。

2）直流電壓稍比交流電壓難以隔離。

但是，隨高壓直流的電流控制技術(shù)尤其是固態(tài)配電技術(shù)的不斷發(fā)展和SSPC控制器件/裝置的不斷進(jìn)步，高壓直流配電比交流配電具有明顯的優(yōu)越性。

高壓直流發(fā)電系統(tǒng)的可選方案包括線繞轉(zhuǎn)子式發(fā)電機(jī)方案、電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)方案、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)方案和異步發(fā)電機(jī)方案等。前兩種方案是將交流發(fā)電機(jī)的輸出利用全橋整流電路整流以提供直流電，第三種和第四種方案是開關(guān)磁阻電機(jī)或異步電機(jī)與可控功率變換器一起工作并由可控功率變換器輸出直流電。由三相或六相交流發(fā)電機(jī)供電的全橋整流電路或可控功率變換器功率器件和交流發(fā)電機(jī)構(gòu)成一個(gè)整體，半導(dǎo)體功率器件裝在散熱片上并置于發(fā)電機(jī)的冷卻油中，兩者可以有效地共用一個(gè)散熱系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)綜合設(shè)計(jì)的目的。

4 總結(jié)

從目前先進(jìn)飛機(jī)看，無論是先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)，還是先進(jìn)的大型民用飛機(jī)，由于對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)的容量需求都比較大，出于飛機(jī)對(duì)電源系統(tǒng)自身及配電系統(tǒng)的重量、效率等方面的限制，變頻交流電源和高壓直流電源為優(yōu)先選擇的供電體制。

但是高壓直流電源系統(tǒng)的配電系統(tǒng)復(fù)雜、不成熟，也是不爭的事實(shí)。變頻交流電源系統(tǒng)繼承了恒頻交流電源系統(tǒng)的特性，成熟性高。所以，在中國的大型客機(jī)的方案中，是可以采用變頻交流電源系統(tǒng)的。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：鄧麗麗]