飞机变频交流电源系统设计介绍

施诺亚

【摘 要】变频交流电源具有体积小、可靠性高等优点，是现代大型客机交流主电源系统的重要发展方向。本文针对大型客机变频交流电源系统，介绍和比较变频交流电源系统相对于其它类型主电源系统的特点，介绍新型飞机电源系统的架构设计和增加过压保护装置的考虑，并对电源系统供电特性参数的设定进行分析和探讨。

【关键词】电源系统；变频交流；系统架构；供电特性

中图分类号： V242.2；TP274 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）11-0046-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.018

0 引言

大型客机主电源系统在飞机正常工作时为各种机载设备提供电能，一般都是由航空发动机直接或间接传动。飞机电源系统的类型分为直流和交流两大类。直流电源系统目前有28V低压直流电源系统和270V高压直流电源系统两种主要类型。交流电源系统有恒频交流和变频交流两种类型，恒频交流电源系统又分为恒速恒频和变速恒频两类。

1 變频交流电源系统的特点

变频交流电源系统具有以下优势：

（1）由于变频发电机（Variable Frequency Generator，VFG）由发动机的附件齿轮箱直接驱动，没有恒速传动装置，零部件数量少，可靠性高。

（2）由于不受恒速传动装置技术的制约，变频交流电源可以实现比恒速恒频交流电源更大的单机容量。

（3）与同功率的组合传动发电机（Integrated Drive Generator，IDG）相比， VFG体积更小、重量更轻。

（4）可以实现起动/发电双功能，适合多电飞机上应用。

（5）由于VFG重量轻，使发动机承受的悬挂力矩较小，振动小，因此给发动机带来的影响较小。

但是，由于VFG转速和频率变化范围宽，以及发电机的输出功率大，导致发电机励磁电流的变化范围宽，且变化规律复杂。发电机的大功率输出和励磁电流的宽范围变化对发电机电压调节器的要求增高。同时由于采用变频电源体制，对用电设备的选择和要求也会带来影响。

2 变频交流电源系统的基本架构

VFG由发动机驱动，因此VFG输出频率由输入转速决定，额定输入转速范围为10，800～24，000rpm，额定输出频率范围为360～800Hz，相序为A-B-C，属三相四线制、Y型连接、中线接金属主结构。VFG的冷却和润滑系统独立于发动机。

VFG主要包括下列组件：永磁发电机（PMG）、励磁发电机、整流组件（全波桥）、油路组件、主发电机。

主电源系统由VFG和发电机控制器（GCU）两个主要部分组成。 GCU实现VFG的电压调节和过压保护功能。PMG输出的三相交流电给GCU供电以及发电机励磁。整流组件对励磁电枢旋转产生的三相交流电压进行整流，整流产生的直流电压施加给主发电机电枢，使VFG发出三相变频交流电源。GCU通过调节VFG励磁电流，使得发电系统的电压满足要求。图1为基于GCU的变频发电机电压调节系统结构。

3 变频交流电源系统的过压保护装置

3.1 电源系统功能完善需求

若VFG的电压调节和过压保护均由GCU实现，由于采用了VFG，可能会产生电压上升率非常高的过压故障，而GCU 的过压保护功能需要借助断开发电机接触器来完成，响应时间较长，仅能通过电压调节功能预防过压。增加过压保护装置（Overvoltage Protection Unit，OPU）之后，由于OPU通过电力电子装置实现过压保护，与GCU的设计独立非相似，且保护过程延时短，可以实现对所有过压故障的保护，使得电源系统的保护功能得到完善，提高安全性和可靠性。

3.2 适航安全性要求

根据SAE ARP4754a中设备设计保证等级的分配原则，只有GCU的电源系统中如果GCU发生故障，将可能导致单个主发电通道发生过压故障，此时GCU的过压保护功能失效，因此GCU的设备设计保证等级必须为A级。根据AC25.1309，任一单个设备的失效均不能导致灾难级失效，不论其发生概率多少。因此，只有GCU的电源系统，即便GCU的设计保证等级为A级，如果出现单点故障，将会导致灾难级故障失效，难以满足适航的要求。增加了OPU之后，GCU和OPU的设计保证等级根据ARP 4754a进行了重新分配，GCU 和OPU 的设计保证等级均分配为B 级即可满足这一适航要求。图2为基于GCU和OPU的变频发电机电压调节系统结构，也即变频交流电源系统目前采用的架构。

4 变频交流电源系统的供电特性考虑

目前，针对变频交流电源系统制定的主要电能规范有：美国军用标准MIL-STD-704F、民用适航标准DO-160F、国际标准化组织制定的国际标准ISO1540和我国制定的航空标准HB7745，包括了除频率范围以外的所有技术参数。其中，MIL-STD -704主要为对供电系统调压点处的要求，ISO-1540主要为对用电设备端的要求。考虑到电源和用电设备电能输入端之间可能发生的供电品质下降，MIL-704的供电特性要求相比ISO-1540的供电特性要求更为严格。考虑到MIL-STD-704F标准规定的极限是规定用电设备与飞机供电相兼容的最低要求，电源系统供电特性的性能要求一般应比MIL-STD-704更为严格。

表1给出了电源系统部分供电特性指标与MIL-STD-704F和ISO-1540中规定的相关特性参数的比较，可见电源系统供电特性指标的设定应比标准更加严格。

5 小结

本文首先介绍了大型客机主电源系统现状与发展，分析了作为目前航空电源体制最新发展趋势的变频交流电源的优点和特点。介绍了变频交流电源系统的基本架构，以及出于电源系统功能完善需求和适航安全性考虑为系统增加过压保护装置的需求。最后介绍了变频交流电源系统的供电特性参数设计的考虑，并将电源系统部分供电特性参数与MIL-STD-704和ISO-1540进行比较。

【参考文献】

[1]严仰光，谢少军.民航飞机供电系统.北京：航空工业出版社，1999.12.

[2]田永堂，邓健.变频电源系统应用的研究.飞机工程，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.