飞机变压整流器并联运行均衡性研究

郝世勇，战祥新

（海军航空工程学院 青岛校区，山东 青岛　266041）

飞机变压整流器并联运行均衡性研究

郝世勇，战祥新

（海军航空工程学院 青岛校区，山东 青岛266041）

针对飞机直流电源系统中变压整流器多采用多台并联供电方式，负载电流不平衡的问题，本文通过分析变压整流器的供电特性，以变压整流器并联供电均衡性为中心，采用电路分析方法，研究了飞机变压整流器并联运行条件和负载分配规律。最后以变压整流器两类参数不等时的影响为例，分析了参数不等时的负载分配情形。分析结果表明：仅靠滤波器调节无法实现多台变压整流器的供电均衡，必须加自动均衡电路进行调节。

变压整流器；并联供电；均衡性；负载分配

在以交流为主电源的飞机上，为了能够向机载直流用电设备供电，直流二次电源是必不可少的重要电源设备。在正常工作过程中，直流二次电源还用来向应急电源（蓄电池）充电，保证其处于良好状态。飞机直流用电设备的功率一般不超过总交流消耗功率的20%。但是，直流用电设备的数量较多，对某些设备或系统的工作可靠性起着重要作用。所以，直流二次电源工作性能的好坏，直接决定飞机电源系统的正常状态，不仅影响部队训练及作战任务的完成，同时也关系到飞行安全。

由于变压器和整流元件的内阻影响，变压整流器的输出电压是随着负载的增大而下降的。为了满足直流用电设备的供电要求，飞机上的变压整流器通常采用并联供电方式。本文通过分析变压整流器的供电特性，以变压整流器并联供电均衡性为中心，研究飞机变压整流器并联运行条件和负载分配规律。

1　变压整流器组成及原理分析

变压整流器由变压器和电子整流器两大部分组成，某典型航空变压整流器组成及原理电路如图1所示。

图1　变压整流器组成及原理图

通过变压器将机上115/200 V、400 Hz的交流电变换为线电压相位相差30°的两组三相交流电实现降压，再由两组三相桥式整流器进行全波整流。整流后由平衡电抗器吸收并平衡两组整流电压之间的瞬时电压差，并联输出28.5 V的直流电压。为降低脉动电压，减少电磁干扰，在输入和输出端均装有平滑滤波器。

变压器是一个三绕组变压器，一个初级绕组和两个次级绕组。初级绕组为带中线的星形连接，次级绕组中一个为三角形连接，另一个为星形连接。它们的工作原理与一般的电力变压器相同，次级星形绕组的线电压与初级绕组线电压同相，而次级三角形绕组的线电压与初级绕组相电压相差（滞后）30°，这正是要得到十二相整流脉动所需要的。

整流器是由两组三相桥式整流器通过平衡电抗器并联组成的。由于整流二极管具有单向导电性，在任何瞬间只有两条整流臂导通，随着时间的推移，各臂整流桥轮流导通。每个周期内，直流电压出现六次脉冲，每个脉冲为60°电角度，次级星形绕组的波形与大小同三角形绕组的线电压只是相位相差30°电角度［1-4］。

2　变压整流器的外特性分析

变压整流器的外特性指的是整流后的电压与负载的关系，它是变压整流器的重要特性之一。

考虑变压器的漏抗，会使整流器输出的整流电压下降。变压器原、副边绕组都有一定的电阻，因此也使整流器的输出电压下降。由于整流元件实际上不是理想元件，也存在一定的压降，故也使整流器输出的直流电压降低。实验表明，整流元件只要一导通，它的压降ΔUz与整流电流Id在一定范围内几乎无关。整流器输出电流流经的整流元件数与变压整流器的联接形式有关，由整流元件引起直流电压的降低量ΔUz等于整流器输出电流流经各整流元件所产生的压降之和［5-6］。

如果变压整流器空载时的输出电压为Udo，则负载时的输出电压Ud为：

式中：ΔUx为变压器漏抗引起的压降 （又称换相压降）；ΔUr为变压器电阻引起的压降 （又称电阻压降）；ΔUz为整流元件引起的压降。

电压调整率K表示变压整流器输出电压的调整程度，其定义为：

式中：Udo为变压整流器空载时输出的直流电压；

Ude为额定负载时，变压整流器输出的直流电压。

电压调整率越小，则说明负载电流Id的变化对变压整流器输出直流电压Ud的影响越小，供电质量越高

3　变压整流器并联供电均衡性分析

为提高电源总功率及供电可靠性，飞机上的变压整流器通常采用并联供电方式，具有三台并联运行、两台并联运行等多种工作模式。当某一变压整流器因故障而停止供电时，另一台变压整流器可以继续供电。但是，并联供电也带来新的问题，那就是各电源的输出电流能否相等，即供电是否均衡。如果供电不均衡，就可能使输出电流小的变压整流器的功率不能充分利用，而输出电流大的变压整流器却有过流损坏的危险。

3.1负载均衡分配的条件

两台变压整流器并联供电的原理电路如图2所示。

图2　变压整流器并联供电的原理示意图

图中U1、U2分别为变压整流器TRU1、TRU2的空载输出电压；U为汇流条电压；R为总负载电阻；R+l、R+2为变压整流器TRU1、TRU2正接线柱到配电板之间的总线路电阻，它包括导线电阻、导线连接处的接触电阻、接触器触头的接触电阻等，简称正线电阻；R-l、R-2为变压整流器TRU1、TRU2负接线柱到地之间的线路电阻，它包括导线电阻、导线连接处的接触电阻，简称负线电阻；I1、I2分别为TRU1、TRU2的输出电流；I为负载总电流。从原理图上可见：

解这两个方程，可得出：

式（3）～（5）是两个变压整流器负载分配规律的基本数学表达式。从公式可见负载分配均衡时（ΔI=0），必须同时具备两台变压整流器电压相等（U1=U2）、正线电阻相等（R+1=R+2）及负线电阻相等（R-1=R-2）3个条件。电流差ΔI是由电压差、正线电阻差及负线电阻差分别引起的。

由于变压整流器没有电压调节系统，电压随负载变化而变化，若电压调整率分别为K1、K2，则两台变压整流器TRU1、TRU2的电压可表示为：

式中，U10、U20分别为变压整流器TRU1、TRU2的空载电压。

将式（3）～（6）联立求解得：

式 （7）～（9）是考虑变压整流器空载电压及电压调整率时，发电机负载分配规律的基本数学表达式。

从式（9）可见，负载分配均衡时（ΔI=0），必须同时具备3个条件：

1）两台变压整流器空载电压相等，即U10=U20；

2）两台变压整流器正线电阻相等，即R+1=R+2；

3）两台变压整流器负线电阻相等，即R-1=R-2；

4）两台变压整流器电压调整率相同，即K1=K2。

当均衡条件不具备时，产生的电流差ΔI由两部分组成。从式（9）可见，第一部分不随负载变化而变化。第二随总负载的增大，所引起电流差也增大。

3.2负载分配规律

要使负载均衡分配的4个条件同时具备，实际上很难做到。实际直流电源系统中，两台变压整流器的空载电压、正线电阻、负线电阻及电压调整率往往都不相等。

下面分析两个以上均衡条件不具备时的负载分配规律。在这种情况下，负载的分配就要全面考虑上述各种因素所造成的影响。首先将4种参数分为两类：一类是空载电压，另一类是正线电阻、负线电阻及电压调整率。

3.2.1两类参数不等、作用相同时的负载分配情形

假定U10＞U20、K1＜K2、R+1＜R+2、R-1＜R-2时，这两类参数不等都是使I1＞I2、对负载分配的影响是相同的，所引起的电流差ΔIU0、ΔIK、ΔIR+、ΔIR-都是正值。结果总的电流差为4个电流差之和，而且负载的分配有如下特点（参看图3）。

1）无论负载怎样变化，总是空载电压高、电压调整率小、正线电阻小、负线电阻小的变压整流器输出电流（I1）大，反之则小；

2）负载增大时，负载电压高、电压调整率小、正线电阻小、负线电阻小的变压整流器输出电流I1增大得快。相反则慢，而且随着负载电流I的增大，电流差ΔI也愈来愈大。

可见，这种情况对负载的均衡分配是很不利的，负载基本上由一台变压整流器承担，另一台变压整流器输出的电流很小，甚至在负载较小时不参与工作，负载的分配很不均衡。

3.2.2两类参数不等、影响作用相反时的负载分配情形

假定U10＜U20、K1＜K2、R+1＜R+2、R-1＜R-2的条件下，空载电压不等是使I1＜I2，而电压调整率、正线电阻、负线电阻不等，却使I1＞I2，它们的影响是相反的。在这种情况下，ΔIU0为负值，ΔIK和ΔIR+为正值，总电流差为

负载的分配规律和前一种情况有很大差别。它的特点是：

图3　U10＞U20、K1＜K2、R+1＜R+2、R-1＜R-2时负载分配规律

1）负载由零增大时，电流差开始由小变大，随后由大变小，再由小变大；

2）负载很小时，和前一种情况相同，空载电压低的发电机没有电流输出。

4　结束语

变压整流器是飞机上重要的二次电源设备，其供电性能的优劣决定着飞机的供电质量。通过上面的分析可以看到：变压整流器的空载电压和电压调整率这两项指标直接影响并联供电的均衡性。变压整流器内部的电磁泄露程度、变压器原副边是否存在匝间短路、整流管内部损耗、电连接点接触电阻情况等问题也会影响供电的均衡性。因此，要实现多台变压整流器的供电均衡，必须加自动均衡电路进行调节，仅靠滤波器调节是无法实现的。

［1］马义林，陈宇，任志新，等.新型12脉冲自耦变压整流器的研究［J］.电力电子技术，2008，42（9）：39-41.

［2］高朝晖，张晓斌，刘敏.带均衡电抗器12脉波变压整流器仿真模型的研究［J］.系统仿真学报，2006，18（7）：1976-1979.

［3］沈颂华.航空航天器供电系统［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［4］崔亮，许爱国，谢少军.高性能航空400 Hz变压整流器［J］.电源学报，2012，44（6）：71-76.

［5］毛 浪，陈乾宏，蒋磊磊.航空用40 kW 18脉冲自耦型变压整流器的研究［J］.电力电子技术，2011，45（7）：114-116.

［6］宋卫平，陈新，赵健，等.二十四脉冲变压整流器原理及其仿真模型研究［J］.电气传动自动化，2011，33（2）：4-9.

Research of balance on transformer rectifier units in parallel operation

HAO Shi-yong，ZHAN Xiang-xin
（Naval Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch，Qingdao 266041，China）

To the problem of unbalanced load current in aircraft DC power supply system for the transformer rectifier units with many sets of parallel power supply mode，this article through the analysis of the power supply characteristics of transformer rectifier，with rectifier power supply in parallel balance as the center，and the circuit analysis method，studied the aircraft transformer rectifier parallel operation conditions and the load distribution rule.Finally with transformer rectifier with two kinds of parameters as an example，the influence of load distribution of the parameter range is analyzed.The analysis results show that the adjustment cannot be achieved merely by filter more transformer rectifier power balance，and automatic balancing circuit must be regulated.

transformer rectifier unit；power supply in parallel；balance；load distribution

TN35

A

1674－6236（2016）09-0163-03

2015-05-25稿件编号：201505220

郝世勇（1969—），男，吉林通化人，硕士，高级工程师。研究方向：航空电气系统。