民用飛機變頻交流配電方案下的燃油系統(tǒng)供油泵的權(quán)衡研究

（上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210）

對于民用飛機上安裝的各類系統(tǒng)的用電設(shè)備，為它們供電的源頭是航空發(fā)動機。航空發(fā)動機在工作產(chǎn)生推力的同時，輸出了一部分軸功率帶動發(fā)電機工作為飛機上各系統(tǒng)、設(shè)備提供電力供應(yīng)。而發(fā)電機工作狀態(tài)和發(fā)動機轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，發(fā)動機在最大狀態(tài)和慢車狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速比大約為2：1，導(dǎo)致發(fā)電機的工作狀態(tài)也在一個大范圍內(nèi)寬幅變化。傳統(tǒng)飛機的系統(tǒng)、設(shè)備一般使用恒頻交流電，以將來自發(fā)動機的變頻能量輸入電源轉(zhuǎn)換為機載設(shè)備可用的恒頻電。傳統(tǒng)飛機供電一般有兩種解決方案：集成驅(qū)動發(fā)電機（Integrated Drive Generator，IDG）或者可變恒速轉(zhuǎn)換器（Variable Speed Constant Frequency converters，VSCF)。兩種方案所存在的問題是其電源、配電調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜化，以及其惡劣的工作環(huán)境導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低。

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，自上世紀90年代開始，新一代民用飛機開始采用變頻電源為各系統(tǒng)、設(shè)備供電，即允許電源頻率隨發(fā)動機工作狀態(tài)變化而變化。供電頻率由傳統(tǒng)的恒定400 Hz調(diào)整為350 Hz~800 Hz。這不僅對燃油系統(tǒng)主供油泵的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)，也增加了供油系統(tǒng)構(gòu)架和設(shè)計點選擇的設(shè)計和匹配難度。本文對變頻交流供電架構(gòu)下燃油泵的解決方案進行了討論。

1 變頻交流供電帶來的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的飛機燃油系統(tǒng)使用恒頻交流泵作為主燃油泵。這種類型的恒頻交流泵具有獨立的轉(zhuǎn)子和定子，轉(zhuǎn)子在變化的磁場產(chǎn)生扭矩持續(xù)轉(zhuǎn)動。電機設(shè)計原理簡單、工作可靠、穩(wěn)定性好。同時，恒頻交流泵還具有效率高，功率因子固定、電功率固定，便于系統(tǒng)設(shè)計點選擇等優(yōu)勢，且其啟動瞬時電流低，具有較好的干轉(zhuǎn)特性。因此，這類恒頻交流泵在航空領(lǐng)域內(nèi)獲得大量應(yīng)用。其典型的工作特性線如圖1所示。

圖1典型恒頻交流泵工作特性

如采用變頻交流電源供電，對燃油系統(tǒng)設(shè)計帶來的挑戰(zhàn)可以分為兩個層次：部件設(shè)計層和系統(tǒng)設(shè)計層。

對于燃油泵，變頻電源導(dǎo)致的最大的問題是電動機的工作狀態(tài)會隨著供電頻率在一個很大范圍內(nèi)變化。如何優(yōu)化電機設(shè)計使整個轉(zhuǎn)速和負載范圍內(nèi)提供足夠且必要的扭矩而不導(dǎo)致額外的大幅重量增加，是部件級層面的關(guān)鍵技術(shù)。

在燃油系統(tǒng)設(shè)計層面，問題焦點在于如何在綜合考慮效率、重量、可靠性、電功率、電磁防護、散熱量等不同因素的情況下對不同類型的解決方案進行權(quán)衡研究，并且就設(shè)計點的選擇進行優(yōu)化研究。

2 高滑差感應(yīng)變頻解決方案

首先考慮的是能否實現(xiàn)一種電機設(shè)計，使得其轉(zhuǎn)子在不同頻率范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速變化盡可能的小，以降低高頻和低頻情況下性能和功率消耗的差別。高滑差感應(yīng)變頻電機就是在這種思路下應(yīng)運而生。

設(shè)備主要包括兩個組件：定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子在定子所產(chǎn)生的磁場作用下產(chǎn)生扭矩持續(xù)轉(zhuǎn)動。在實際情況中，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度總是滯后于磁場變換的速度（又名同步轉(zhuǎn)速），這個速度差使轉(zhuǎn)子可以切割磁感線并產(chǎn)生有效扭矩。典型的電機轉(zhuǎn)速-扭矩圖如圖2所示。滑差所指的即是同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度之間的差值，通常通過轉(zhuǎn)速或者頻率的百分比進行標識。

式中：S代表滑差；ns是同步轉(zhuǎn)速；na是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度。

圖2電機轉(zhuǎn)速-扭矩圖

很明顯，高滑差方案降低了高頻情況下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，同時提高na了轉(zhuǎn)子扭矩，進而實現(xiàn)了減少功率消耗的作用。

誠然，高滑差方案的部件設(shè)計也存在諸多關(guān)鍵技術(shù)。其一是由于燃油箱內(nèi)工作環(huán)境惡劣，且存在一定外來物污染損傷泵體的可能，通常燃油泵設(shè)計時需要考慮外來物吸入造成轉(zhuǎn)子卡滯導(dǎo)致燃油泵溫度急速上升的情況。為了避免燃油泵轉(zhuǎn)子卡滯超溫，標準的做法是設(shè)置專用的熱熔斷絲在預(yù)設(shè)的超溫情況下熔斷以切斷供電。但是，高滑差方案在低頻時轉(zhuǎn)子的堵轉(zhuǎn)電流很高，在高頻時的轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)電流又比較小，如熱熔斷絲以低頻狀態(tài)作為設(shè)計點，在高頻情況下熱熔斷絲通常難以熔斷跳閘起到保護作用，而以高頻作為設(shè)計點，又會限制泵在低頻情況下的干轉(zhuǎn)能力。

此外，高滑差方案的使用還存在以下一些問題：

第一，變頻轉(zhuǎn)子設(shè)計導(dǎo)致的增重；

第二，在高/低頻率下功率因數(shù)和轉(zhuǎn)子效率較低；

第三，與恒頻泵相比電功率較高；

第四，干轉(zhuǎn)能力受限；

第五，頻率變化導(dǎo)致的性能變化較大；

第六，全頻率范圍內(nèi)斷路器跳開點漂移。

從系統(tǒng)層面，盡管從特性線上來看，高滑差方案使得其高頻特性線更接近低頻（如圖3所示），但不同頻率之間仍存在很大差異。這表現(xiàn)為燃油泵的供油流量和壓力在發(fā)動機慢車和最大狀態(tài)下差異巨大，如果將泵的選型設(shè)計點定得過低，其在高頻情況下能力就遠大于實際所需，造成了功率和重量上的巨大浪費。因此，實際選擇設(shè)計點時可能要做出某些妥協(xié)，犧牲一些極端情況下系統(tǒng)的性能來提高全包線范圍內(nèi)的工作經(jīng)濟性。另一方面，針對低頻時可能出現(xiàn)的功率因數(shù)過低的情況，還需要對發(fā)電機和配電設(shè)備進行相應(yīng)擴容優(yōu)化以避免對飛機供電系統(tǒng)的不利影響。綜上所述，對于高滑差感應(yīng)方案，如何選擇其選型設(shè)計點需要進行精細的系統(tǒng)級乃至飛機級權(quán)衡研究。

圖3高滑差感應(yīng)變頻泵工作特性線

3 無刷電控直流解決方案

鑒于高滑差感應(yīng)變頻電機方案在低頻下可能出現(xiàn)非常低的功率因數(shù)的情況，如果系統(tǒng)對于燃油泵本身具有大功率的要求，高滑差感應(yīng)變頻電機方案在低頻或者高頻的性能無法滿足設(shè)計要求。亦或為了實現(xiàn)這些極端情況的油泵性能，可能導(dǎo)致的飛機發(fā)電和配電布線方面的重量和可靠性損失非常大。在這種情況下無刷電控直流電機方案是一種比較好的替代方案。

無刷電控直流方案的目標是通過一個電子轉(zhuǎn)換器ECU將變頻交流供電轉(zhuǎn)換為直流供電，以實現(xiàn)電機在各種頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速一致以保持工作特性線和功率因數(shù)恒定。ECU包括一個供電接頭、自耦合變壓器和整流器、濾波器、三相電橋、電機位置控制器等邏輯控制單元。原理圖如圖4所示。

圖4無刷電控直流方案原理圖

其工作原理是，轉(zhuǎn)換器將變頻交流供電轉(zhuǎn)換為直流供電，并起到電磁防護和調(diào)節(jié)啟動電流峰值的作用。電機定子部分是由永磁級組成，磁場保持不變。轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中，采用位置傳感器來監(jiān)測轉(zhuǎn)子相對于定子的旋轉(zhuǎn)角度，相關(guān)信息反饋給控制器以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置實時調(diào)整三相電流的配置以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的持續(xù)轉(zhuǎn)動。

這套方案可以實現(xiàn)在整個頻率范圍內(nèi)工作特性線基本不變，功率消耗基本恒定。劣勢是復(fù)雜的控制系統(tǒng)增加了部件重量，且由于電子設(shè)備所處的工作環(huán)境惡劣，導(dǎo)致設(shè)備的可靠性有較大程度的下降。

4 綜合對比

綜上所述，對兩種解決方案和傳統(tǒng)方案的對比如表1所示。僅從燃油系統(tǒng)設(shè)計的角度考慮，使用傳統(tǒng)的恒頻交流泵是最優(yōu)方案，具有效率高，可靠性好的特點。在變頻供電情況下，高滑差感應(yīng)變頻方案和無刷電控直流方案均是備選方案。相對而言，無刷電控直流方案的工作特性穩(wěn)定，可滿足大功率的使用要求，對飛機配電網(wǎng)絡(luò)影響小，但是可靠性較低。高滑差感應(yīng)變頻方案則是介于兩者之間的一種解決方案，重量和功率代償大，需要系統(tǒng)設(shè)計和構(gòu)架上做出一定妥協(xié)來彌補和提高經(jīng)濟性。

表1方案對比表

5 結(jié)束語

本文總結(jié)和研究了在民用飛機采用變頻供電的趨勢下，燃油系統(tǒng)主供油泵的幾種解決方案，同時，對每種方案的優(yōu)勢和劣勢進行了梳理，并分析了它們對燃油系統(tǒng)設(shè)計的影響。實際型號研制中，燃油系統(tǒng)主供油泵的選擇將不僅僅是燃油系統(tǒng)層面的研究工作，更需要上升到飛機層面進行權(quán)衡分析。

[1]Roy Langton，Chuck Clark，Martin Hewitt.Aircraft Fuel Systems[M].John Wiley，2009.