多脈沖整流技術(shù)在民用飛機(jī)中的應(yīng)用

劉湛　孫莉

【摘 要】電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多的電氣設(shè)備被應(yīng)用于民用飛機(jī)中，基于民用飛機(jī)電網(wǎng)的特殊要求，可以有效抑制諧波的多脈沖整流技術(shù)在民用飛機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。本文闡述了多種多脈沖整流方案的特點(diǎn)和工作原理，可以指導(dǎo)在不同需求下對多脈沖整流方案的篩選。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；高壓直流；變壓整流器；多脈沖

0 概述

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的電力電子器件被用于民用飛機(jī)上。因為設(shè)備的非線性的特征，造成了網(wǎng)側(cè)電流的畸變，影響民用飛機(jī)的電源品質(zhì)，降低了負(fù)載的電磁兼容性能，危害電網(wǎng)中的其他的設(shè)備。民用飛機(jī)的二次能源包括液壓能、氣壓能和電能，這就要求民用飛機(jī)上必須安裝液壓泵、壓氣機(jī)、燃料泵等，造成了飛機(jī)上空間復(fù)雜緊張，維護(hù)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(hù)等特點(diǎn)大大降低民用飛機(jī)的整體可靠性和安全性。而電能傳輸容易，控制精確的優(yōu)勢，使得國內(nèi)外都將目光聚焦在加大電能在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍，大力發(fā)展多電飛機(jī)（MEA）和全電飛機(jī)（AEA）。隨著多電技術(shù)的發(fā)展，電能在民用飛機(jī)上占據(jù)越來越高的比例，在國外先進(jìn)的民用飛機(jī)中。多電技術(shù)在民機(jī)領(lǐng)域的廣泛使用必將對飛機(jī)電源提出更嚴(yán)苛的要求。

1 民用飛機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展

飛機(jī)的一次電源即主電源經(jīng)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(tǒng)得益于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，解決了其初期存在的開關(guān)斷弧和有刷電機(jī)換向惡劣的缺點(diǎn) ，大大提高了無刷發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小了電機(jī)的重量體積。結(jié)構(gòu)簡單，效率高。易于民用飛機(jī)供電系統(tǒng)的冗余和不間斷供電的需求，提高了電氣系統(tǒng)的可靠性，提高機(jī)載二次電源的功率密度。目前已廣泛應(yīng)用于軍機(jī)，如RAH-66直升機(jī)和F-22戰(zhàn)斗機(jī)，在民用飛機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用還有待進(jìn)一步發(fā)展。

目前民用飛機(jī)發(fā)電機(jī)基本還是采用三相交流電機(jī)，而飛機(jī)上存在很多的直流用電設(shè)備，比如照明設(shè)備、發(fā)動機(jī)控制裝置、繼電器的控制線圈等。所以需要機(jī)上有大量的整流裝置，民用飛機(jī)電網(wǎng)受其本身特殊性的影響對機(jī)載電氣設(shè)備運(yùn)行時產(chǎn)生的諧波有很嚴(yán)格的要求。飛機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換成高壓直流或者低壓直流電。比如在國外某大型客機(jī)中，整流變換器處理的功率占飛機(jī)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(tǒng)的三相二極管整流電路會向飛機(jī)電網(wǎng)注入大量的諧波，嚴(yán)重危害飛機(jī)電網(wǎng)。

2 多脈沖變壓整流器

交直流變流機(jī)和變壓整流器都可以產(chǎn)生機(jī)載二次電源，而相對于變流機(jī)，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(tǒng)方案中二極管不控整流技術(shù)的輸入電流諧波含量（THD）達(dá)到了31.08%，嚴(yán)重污染飛機(jī)電網(wǎng)，影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常工作以及壽命。多脈沖整流技術(shù)因其低諧波含量，高功率因數(shù)，強(qiáng)過載能力以及超強(qiáng)的穩(wěn)定性在目前的機(jī)載電源系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)機(jī)載電源系統(tǒng)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(tǒng)不控二極管整流方案的缺陷，為解決這個問題，20世紀(jì)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(yīng)次數(shù)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(jìn)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?fù)涞年P(guān)鍵參數(shù)。

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(dǎo)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(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在B787和A380飛機(jī)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(yōu)勢。目前民用飛機(jī)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(yán)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(fù)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?fù)鋱D，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(chǎn)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(lián)供電向負(fù)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(xiàn)兩組整流橋的并聯(lián)均流。這樣每個整流橋只傳輸50%的負(fù)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(xiàn)輸入電流除12±1次諧波的消除，大大降低了網(wǎng)側(cè)的THD值。同理，通過一次相移為20°的三組變壓器可構(gòu)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(gòu)建n個相位差π/3n的變壓器給n個三相整流橋供電，使網(wǎng)側(cè)輸入電流只含有6nk±1次諧波（k為正整數(shù)），其中各次諧波的有效值與次數(shù)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(jī)上應(yīng)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?fù)鋱D。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(dá)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(dǎo)通80°，主橋和滯后或者超前電壓組成六組復(fù)合線電壓，每個線電壓單周期內(nèi)導(dǎo)通20°，所以輔橋每個二極管單周期內(nèi)導(dǎo)通20°，在選擇整流橋的二極管時，應(yīng)根據(jù)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(wǎng)側(cè)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(jié)論

針對民用飛機(jī)的應(yīng)用場合，介紹了應(yīng)用較為廣闊的變壓整流技術(shù)，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(yōu)勢，給不同應(yīng)用場合下對整流器的選用提供了參考。

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