飞机270V高压直流供电系统应用分析

杨刚

摘  要：随着民用飞机多电化程度越来越高，270V高压直流供电系统是先进飞机电源系统的优选方案。文章阐述了飞机270V高压直流供电系统的构成、性能、阻抗特性和部件选用要素，详细分析了270V直流用电设备的应用，对民用飞机正确地设计和应用270V高压直流供电系统具有重要的指导作用。

关键词：民用飞机;270V;高压直流;供电系统

中图分类号：V242.2        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）36-0142-03

Abstract： With the increasing degree of multi-electricity of civil aircraft， 270V high-voltage DC power supply system is the preferred scheme of advanced aircraft power system. This paper expounds the composition， performance， impedance characteristics and component selection elements of the aircraft 270V high-voltage DC power supply system， and analyzes the application of 270V DC power equipment in detail， thus playing an important guiding role in the correct design and application of 270V High Voltage DC power supply system for civil aircraft.

Keywords： civil aircraft; 270V; high-voltage DC; power supply system

引言

多电飞机是全电飞机发展的一个过渡过程，飞机原有的液压、气压和机械系统由电力系统部分取代[1-2]。随着多电化技术的广泛应用，飞机电源系统的复杂化、机载电驱动负载数量的增多、用电功率需求的增大，对多电飞机电气系统的供电体制要求逐渐增高。相对于400Hz交流系统，270V高压直流系统具有以下优势[3]：（1）由发动机直接驱动的变速交流发电机发出的交流电变换成270V直流电，从而省去了其他有关装置，使得系统尺寸更小、重量更轻、效率更高，由此热耗更低、燃料消耗减少。（2）大部分用电设备的供电电流最适合采用高压直流。（3）能获得更可靠而且更简单的不间断供电。（4）在常规的飞机电压水平上，270V DC比400Hz AC对人体更安全。

采用270V高压直流供电涉及到飞机供电体制的重大变革，包括发电、配电以及用电设备的根本性变化[4]。为了协调发电、配电以及用电设备的关系，规范它们之间的准则，研究飞机270V高压直流供电系统的应用是非常必要和及时的。

1 飞机270V高压直流供电系统构成

飞机270V高压直流供电系统是由经特殊设计以满足使用要求的各类电源与控制设备所组成。这些要求包括电气性能、功率控制、电源/负载余度、部件/系统的可靠性和维修性。系统主要由以下部分构成：（1）无刷直流发电机和发电机控

制器。（2）270V直流功率变换和调节。（3）270V直流配电（负载管理装置和汇流条）。（4）功率开关装置（接触器、断路器和功率控制器）。（5）270V直流用电（直接用电、直流变换器和变流器）。（6）功率控制处理器。

2 系统性能分析

2.1 供电特性

应包括飞机270V高压直流系统（即发电、调节、配电、控制与用电设备）的全部性能要求，这些要求以符合GJB 181A-2003的供电接口和按照GJB 860确定电气负载的方法为基础。

2.2 系统起动

当系统处在不工作状态，突然加上270V DC，这将引起一个短路电流对电容充电，该电流将是破坏性的。为了避免这种情况只能将系统电压缓慢地加上去或者进行“软起动”。起动时间取决于系统的阻抗特性和接于系统上的设备的类型，必须与飞行中的关键设备允许中断的时间协调一致。

2.3 系统稳定性

系统稳定运行条件是系统所带电阻性负载的功率一定要大于恒功率负载的功率。通过提高系统输出电压稳态值或增加系统输出滤波电容可以使得运行条件有所改善。

2.4 故障保护

用于400Hz交流系统中的故障保护设计不能直接用于270V高压直流系统。当电感回路是开路时，没有特殊的灭弧措施，直流电流不能使用机械跳开方法。即使电路可能呈现阻性，导线的小小电感也能引起破坏性的电压。在270V高压直流系统中，故障电流的产生非常快而且持续时间也非常长。因此，需要额外考虑270V高压直流系统的故障保護策略。

2.5 瞬态和闪电保护

发电和用电设备都必须对由于瞬态和闪电所造成的损坏或不能正常工作进行保护。对控制导线进行保护，应使导线对瞬态干扰或闪击具有最小的敏感度。随着复合结构材料的增加，过去实用的保护（例如金属结构）已不再适用。因此，必须研究其他新型保护方法。在现有飞机上广泛使用的一种保护方法是将控制和保护导线与其他所有导线分离开，这对瞬态保护非常有效，但是对闪电保护尤其是在复合结构中却无帮助。在敏感区域可根据需要采用金属导管、单屏蔽或双屏蔽或其它机械安装的方法加以保护。

3 270V直流供电系统阻抗特性分析

电源、配电与负载的阻抗特性是影响供电系统性能的重要因素。270V直流供电系统阻抗特性包括：发电机通道电源阻抗特性、配电系统阻抗特性、二次电源阻抗特性。

3.1 发电机通道电源阻抗

270V直流系统电源阻抗分析主要针对发电机及功率变换的电源阻抗进行，建立电源系统的线性模型，在其调压点上，推出戴维南（Thevenin）等效电源阻抗转换函数，并给出电源阻抗转换函数极限值曲线。在发动机典型转速下，发电机负载为正弦和脉冲负载时，且输出不同的功率时测试电源阻抗，并与极限值进行比较，判断系统的特性。

3.2 配电系统阻抗

应考虑最坏情况配电系统阻抗，包含电源系统转换元件（接触器和固态功率控制器）的阻抗效应，以及飞机结构地回路阻抗。

3.3 二次电源阻抗

二次电源变换方式包括直流-直流变换、直流-交流逆变。直流-直流变换是一个直流电压转换到另一个不同值的直流电压的过程，转变可以从270V直流下降到28V直流或从28V直流上升到270V直流。直流-交流逆变是将270V直流转换到115V/400Hz交流的过程。这个交流电压可能是单相或三相。在三相的情况下，应采取适当的方法在逆变器中形成中性线。一方面，对于270V直流电源，二次电源变换器是非线性负载，将给主电源带来谐波电流，这会给270V直流电源系统带来负面影响，甚至会影响其正常工作。另一方面，对于28V直流负载或者115V/400Hz交流负载，二次电源变换器是其供电电源，此电源阻抗直接影响对后级负载的供电特性。

4 部件选用要素考虑

4.1 发电系统

270V直流发电系统的功能性电源部件包括：（1）将机械功率转换为交流电功率的、由发动机的齿轮箱驱动的发电机。（2）用于变换交流输出的电气变换设备，直接或间接地调节直流电压/电流，从而降低/控制整流电壓的脉动分量和电磁干扰。

对于先进飞机的应用，多种发电机可供选择，线绕转子无刷发电机、使用高磁能永磁转子的无刷发电机或具有固态转子的开关磁阻发电机。每个发电机都需要一套专用的电气变换设备以提供270V DC功率，并符合GJB 181的要求。

对于线绕转子发电机的电功率变换通常由整流装置和滤波器来完成而与发电机无关。通过调节发电机励磁电流完成调节功能，从而达到控制发电机在整流之前输出的交流电压或者电流。对于永磁转子发电机的电功率变换通常由整流、调节和滤波等装置来完成，与发电机无关。开关磁阻发电机的电功率变换不但要完成整流而且还要给电机提供激磁。

4.2 配电系统

270V DC功率的分配可以由装于电源配电中心的270V DC汇流条进行。为了提供冗余供电，建议至少应有两个配电装置。270V DC一次电源应由配电装置中的功率控制器提供。低压直流和交流变换装置与低压直流汇流条与交流汇流条一起设置在配电中心并向配电负荷供电。所有负荷到配电中心的连接馈线都应使用电路保护装置。

先进飞机的电气系统为了实现分汇流条和负荷线路的保护和遥控，将使用包含局部功率汇流条和功率控制器的电负荷管理中心。电负荷管理中心利用遥控终端信息处理和数据总线为系统通讯，提供自动管理和系统监控。

4.3 保护和控制装置

270V直流系统保护和控制装置包括断路器、继电器/接触器和功率控制器等，这些装置需特定性能以适应运行于270V直流系统。因为阻断的故障电流具有高能，与传统的用于28V DC或115/200V AC，400Hz的熔断器和断路器相比，270V DC电路的保护和控制装置所阻断的能量更多，且体积更大、重量更重。

因为高功率/能量水平的直流电流的流动，270V DC系统比传统的28V DC或115/200V AC、400Hz系统更易损坏电感负荷。因此，尽可能的保持低电感是非常重要的，建议每个负荷元件抑制其电感，并尽可能靠近输入端。然而，实际功率系统和部件有感性元件，并且在有些情形下，电感不能被缓冲。对于这些情况，270V DC功率系统的开关装置需要开关感性负荷并限制相关的系统的过压。

5 270V直流用电设备应用分析

5.1 功能和类型

根据用电设备使用类型不同，270V供电系统直流用电一般分为直接用电、变换用电和变流用电。其中直接用电是指270V不经任何中间变换直接施加到用电设备的终端。变换用电是将270V变换成其它水平的直流电压。变流用电，将270V直流电压变成某个水平的交流电，通常是115V/400Hz交流电压。

5.2 对用电设备的应用分析

为了与270V直流电源和配电系统的规定相容，270V直流供电系统的接口特性对采用270V直流供电设备的设计应考虑以下要求。

5.2.1 直流脉动电流要求

应明确每个负载的脉动电流要求。在由一个低阻抗无脉动的电压源供电时，负载设备吸取的连续电流应为：其带有的总脉动含量不超过1000A-Hz当量值。总脉动含量与电源要求的平均直流电流无关，定义如下：

式中：In-单个脉动的幅值，即峰值电流;Fn-单个谐波的频率。

5.2.2 用电输入电流浪涌/恢复要求

瞬时输入电流应不大于用电设备额定输入电流的4倍，且应在10ms之内回落到小于或等于额定输入电流。

5.2.3 用电设备直流/交流对地隔离要求

每项用电设备的直流电源输入线和回线在接口处对飞机地线的绝缘电阻在500V直流下应不小于10MΩ。在1kHz下测得的每项用电设备交流电源输入线和回线在接口处对地泄漏电容应不大于0.005μf/kW，且最大应不大于0.1μf。

5.2.4 用电设备输入/输出隔离要求

每项用电设备的直流电源输入线和回线，对功率变换设备输出线的绝缘电阻在500V直流下应不小于10MΩ。

5.2.5 用电设备保护要求

应按规定的供电输入极限在用电设备内提供内置保护。在汇流条转换或非正常过程后，用电设备应无故障地自动重新起动。在用电设备详细规范中应规定用电设备具有承受非正常断路或非正常工作状态的能力。

5.2.6 功率要求

应明确用电设备的5s最大功率、5min最大功率及连续功率要求。

5.2.7 功率控制处理器的应用

功率控制处理器（Power control processor， PCP）提供飞机供电系统的全部管理。通过数据总线使飞机供电系统的各个部件和机上其他控制系统进行通讯。PCP将同连接于电源系统里具有数字通讯或数字控制能力的各个部件一起工作。同时将接收来自各个负荷管理装置上功率开关装置的状态，控制负荷接通或断开。为了降低数据总线上的负荷，功率开关装置的时间-电流曲线编程和功率开关装置的跳闸时间协调将通过负荷管理装置来完成。PCP中的程序将反映汇流条保护的基本原理，而且为了反映不同的飞行状态，卸载优先权可以通过飞机上的其它计算机来改变。PCP经由飞机数据总线使供电系统和飞机其它系统通讯。通讯时间和信息长度按照最小数据总线负荷的原则来设计。如果供电系统复杂，最好由PCP经专门数据总线与供电系统通讯且经飞机数据总线到飞机。

6 结束语

飞机270V高压直流供电系统在我国还是一个全新的系统，总体处于起步阶段。本文对飞机270V高压直流供电系统应用问题展开研究，针对270V高压直流供电系统的构成、性能、阻抗特性、部件选用要素、用电设备的应用等方面进行了阐述和分析。有助于在新型飞机研制过程中正确地设计和应用270V高压直流供电系统，对缩短研制周期、降低研制费用、减少不必要的反复将起到一定的指导作用。

参考文献：

[1]王复华.多电飞机及其发展状况[J].航空制造技术，2008，9：63～64.

[2]Quigley， R.E.J.，Institute of Electric and Electronic Engineer.More Electric Aircraft[C].//Applied Power Electronics Conference and Exposition， 1993. APEC '93. Conference Proceedings 1993.， Eighth Annual.1993：906-911.

[3]曾庆吉.航空高压直流电源系统发展趋势与启示[J].电子制作，2020（6）：19-20，92.

[4]陳卫华.飞机270V高压直流供电系统结构及仿真技术研究[D].南京航空航天大学，2010.