民用飛機變頻發電系統的調壓設計和過壓保護

程方舜

【摘 要】由于變頻電源系統具有結構簡單、體積小、重量輕、可靠性高、運行成本低以及易于實現起動發電等優點，變頻電源逐漸取代恒頻電源成為民用飛機發電系統的主流。但是由于變頻發電機轉速和頻率變化范圍寬，電機磁路飽和度高，為了保護后級用電設備，發電機輸出瞬態電壓的調節和過壓保護設計尤為重要。本文旨在分析變頻發電系統三級式航空發電機的調壓原理，根據電壓瞬態極限和適航安全性要求，提出變頻發電系統過壓保護架構的設計。

【關鍵詞】變頻電源；調壓；過壓保護

0 概述

在傳統民用飛機上，主要使用的電源體制是400Hz恒頻交流電，即通過恒速傳動裝置把發動機的變轉速轉換為恒定轉速，驅動發電機發出恒頻交流電。這種電源形式效率較低，維護困難且不能實現起動/發電。變頻電源系統取消了恒速傳動裝置，由發動機齒輪箱直接驅動發電機輸出寬變頻（360～800Hz）交流電。變頻交流電源系統具有結構簡單、重量輕、體積小、能量轉換效率高、功率密度高、可靠性高、維修費用低等優點，且易于構成起動發電系統。在最新研制的大型民用飛機B787和A380上均采用了變頻電源系統。然而，變頻發電系統由于轉速變化范圍寬，具有電壓上升速率快、磁路飽和時發電電壓高的特點，因此控制變頻發電機輸出電壓保持在規定范圍之內，在發生過壓故障時能夠快速切斷發電通道，保護后級用電設備，成為變頻電源系統中亟待解決的問題。

1 變頻發電系統工作原理

1.1 發電機的結構

目前民用飛機變頻電源系統主要應用的發電機為三級式無刷同步發電機。三級式同步發電機結構示意圖如圖1所示，其內部結構主要由永磁副勵磁機、主勵磁機、旋轉整流器和主發電機組成，其中三個電機轉子與旋轉整流器共軸安裝。當電機運轉時，永磁副勵磁機的永磁體轉子旋轉產生旋轉磁場，在定子上產生三相交流電；該三相交流電經過主勵磁機放大后，再經過旋轉整流器整流，得到主發電機的勵磁，并在主發電機定子繞組上產生三相交流電，為飛機電網供電。

1.2 發電機的調壓和保護原理

飛機電源系統正常工作狀態下，三級無刷同步發電機向全機交流用電設備供電，并通過變壓整流器向全機直流用電設備供電。三級無刷同步發電機的調壓控制通過發電機控制器（GCU）實現。GCU不斷檢測發電機的輸出電壓，通過內部控制邏輯調節勵磁機的勵磁電流，從而改變主發電機的磁場，以此實現調壓控制。副勵磁機同時為GCU供電。當GCU檢測到發電機輸出電壓超過正常工作瞬態極限的電壓，即判斷為過壓故障，此時GCU將切斷勵磁機的勵磁電流，并斷開發電機接觸器，把發電機和飛機電網隔離，實現故障保護。

2 變頻發電系統的電壓極限和安全性要求

由于變頻發電系統的三級式無刷同步發電機由發動機直接驅動，轉速范圍非常寬。對于一臺2對極的360～800Hz的三級無刷同步發電機來說，其轉速范圍為10800～24000rpm。因此，變頻發電系統具有電壓上升速率快、磁路飽和時電壓高的特點，必須控制變頻發電機輸出電壓保持在規定范圍之內，同時在發生過壓故障時能夠快速切斷發電通道，才能保護后級用電設備不受損害。變頻發電機的輸出電壓極限以及故障保護的安全性要求在相關工業規范和適航條款中有所規定，具體介紹如下：

2.1 規范要求

MIL-STD-704F規定了正常工作情況下變頻發電機輸出電壓的穩態和瞬態的特性參數。正常工作包括用電設備的通斷、發動機的轉速變化、匯流條轉換、電源的同步和并聯，以及外部電源供電。轉換工作時可能發生供電中斷。正常工作特性還包括轉換工作時產生的持續時間不超過50μs的電壓尖峰。在正常工作狀態下，變頻發電機的瞬態電壓應保持在圖2規定的極限范圍內。正常工作狀態包括正常的電源轉換和諸如電動機起動之類的負載變化。

2.2 適航要求

中國民用航空規章CCAR 25部對系統保護和安全性做了以下規定：

CCAR第25.1309條設備、系統及安裝規定“（b）飛機系統與有關部件的設計，在單獨考慮以及與其它系統一同考慮的情況下，必須符合下列規定：（1）發生任何妨礙飛機繼續安全飛行與著陸的失效狀態的概率為極不可能；（2）發生任何降低飛機能力或機組處理不利運行條件能力的其它失效狀態的概率為不可能”。

CCAR第25.1357條電路保護裝置規定“（b）發電系統中的保護和控制裝置的設計，必須能足夠迅速的斷電，并將故障電源和輸電設備與其相關聯的匯流條斷開，防止出現危險的過壓和其它故障?！?/p>

3 變頻發電系統的過壓保護

3.1 過壓故障的失效等級

當變頻發電機輸出電壓超過正常工作瞬態極限時，應由保護裝置的動作進行限制。根據中大功率變頻交流發電機的輸出特性可知，在發電機勵磁電流飽和條件下，發電機輸出電壓上升率非常高。因此在電源系統進行大功率負載切換或出現故障原因導致勵磁回路一直處于飽和狀態時，將會引起發電機輸出電壓迅速上升的過壓故障，危害后級用電設備。根據飛機安全性等級分析，變頻發電系統的過壓故障應為災難級失效，即該失效狀態會妨礙持續安全飛行和著陸，導致絕大部分或全部乘員死亡以及飛機損毀，其發生的概率應該為極不可能。極不可能的失效狀態是那些在某一機型所有的飛機的整個的營運壽命中非預期發生的，不太可能的失效狀態，每飛行小時平均概率應低于1E-9。

3.2 傳統過壓保護方案

傳統飛機發電系統的過壓保護功能僅由GCU實現，當GCU檢測到發電機輸出電壓超過正常工作瞬態極限的電壓，便起動保護功能，切斷發電機勵磁并斷開發電機接觸器。但由于GCU的保護控制的延時特性以及接觸器存在的固有響應時間，在勵磁回路電流飽和時發電機電壓變化率很高，將使得發電機輸出電壓在發電機接觸器尚未斷開的時間內在輸出端產生嚴重的過壓，不能滿足CCAR25.1357的要求。

3.3 增加冗余過壓保護的必要性

為此，基于適航安全性要求考慮，在變頻電源系統中增加與GCU采用獨立非相似設計的冗余過壓保護裝置，與GCU共同實現系統過壓保護。冗余過壓保護裝置的設計完全由硬件電路實現，其響應速度更快、動作時間更短。在發生電壓迅速上升的過壓故障時，冗余過壓保護裝置能夠快速實現過壓保護。同時，由于增加的冗余過壓保護裝置作為一個獨立的設備與GCU共同進行過壓保護，使得變頻發電系統過壓保護功能的失效概率能夠滿足CCAR 第25.1309條的要求。

4 總結

本文介紹了變頻發電系統三級式無刷同步發電機的結構和調壓原理，分析了變頻發電系統轉速變化范圍寬，電壓上升速率快、磁路飽和時發電電壓高的特點。為使之能夠滿足相關規范要求和安全性要求，指出在變頻發電系統增加冗余過壓保護裝置的必要性，提出變頻發電系統過壓保護架構的設計。

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[責任編輯：王偉平]

強化民主管理，就是要建立一整套科學、規范和完善的民主管理運行機制，以民主管理推進整體工作。一是，要進一步完善“教代會”、“職代會”制度，使“教代會”、“職代會”真正成為反映廣大教職工訴求、凝聚廣大教職工人心的可靠平臺。學校重大事項應當依法通過“教代會”、“職代會”決策，涉及教職工切身利益的重大問題，都必須通過“教代會”、“職代會”討論表決通過。要提升工會和教代會的影響力，促進依法治校的制度約束，提高依法依規管理工會的能力和水平，發揮工會維護教職工權益的作用。二是，完善校務公開制度。校務公開是教職工代表大會在閉會期間教職工行使民主權利的有效形式，能夠促進教職工代表大會制度的完善、鞏固和提高。

推進高校工會法治化建設是實現依法治國對工會工作的必然要求，也是維護教職工合法權益的必然要求。隨著我國法治化建設進程的不斷加快，運用法治思維和法治方式解決問題、處理矛盾已成為社會發展的必然。因此，工會組織一定要在工作中始終貫徹這一指導思想，樹立依法維權、依法履職的觀念，切實維護廣大教職工的合法權益。

【參考文獻】

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[2]《中華人民共和國工會法》第2條規定：“中華全國總工會及其各工會組織代表職工的利益，依法維護職工的合法權益?！薄皡⑴c協調勞動關系和調解勞動爭議，與企業、事業單位行政方面建立協商制度，協商解決涉及職工切身利益問題。幫助和指導職工與企業、事業單位行政方面簽訂和履行勞動合同，代表職工與企業、事業單位行政方面簽訂集體合同或者其他專項協議，并監督執行?！?/p>

[3]《中國工會章程》第28條規定：“參與協調勞動關系和調解勞動爭議，與企業、事業單位行政方面建立協商制度，協商解決涉及職工切身利益問題。幫助和指導職工與企業、事業單位行政方面簽訂和履行勞動合同，代表職工與企業、事業單位行政方面簽訂集體合同或者其他專項協議，并監督執行?！?/p>

[4]《工會法》第14條：“中華全國總工會、地方總工會、產業工會具有社會團體法人資格?；鶎庸M織具備民法通則規定的法人條件的，依法取得社會團體法人資格?！?/p>

[5]《工會法》第六條：“維護職工合法權益是工會的基本職責。工會在維護全國人民總體利益的同時，代表和維護職工的合法權益?！?/p>

[責任編輯：王偉平]