民用飛機變頻交流和高壓直流電源系統研究

吳善永　曹濤

【摘 要】主要對民用飛機變頻交流與高壓直流兩種新體制電源系統的技術特點進行了研究比較，最后結合我國大型客機的發展提出了一些看法。

【關鍵詞】變頻交流；高壓直流；供電體制

1 航空電源系統供電體制發展歷史概要

航空電源系統由供電系統和配電系統組成。供電系統分為主電源、二次電源、應急電源、輔助電源、備份電源。配電系統有常規配電系統、遙控配電系統、自動配電系統。

從電源系統供電體制來看，經歷了從28V低壓直流電源系統、115/200V變頻交流電源系統、400Hz恒頻交流電源系統，到270V高壓直流電源系統，以及混合電源系統的發展過程。[1]

2 變頻交流與高壓直流兩種體制電源系統的技術特點

2.1 變頻交流電源系統的技術特點

變頻交流供電系統主要技術特點如下：

1）變頻交流電源系統具有結構簡單、能量轉換效率高、功率密度高等優點

變頻交流電源系統由交流發電機和控制器構成，系統只有一次變換過程，交流發電機直接由發動機附件傳動機匣驅動，沒有恒速傳動裝置和二次變換裝置，結構簡單，重量輕、體積小、功率密度高，可靠性高、費用低，能量轉換效率高，易于構成起動發電系統。因此單從電源系統本身來講而不考慮配電系統、用電設備和發動機起動等因素，在各種電源系統方案中，變頻交流發電系統具有結構最簡單、可靠性最高、效率最高、費用最低等優點，而且具有較小的重量和體積。

2）變頻交流供電系統的配電系統復雜，不利于系統的綜合設計

由于交流發電機直接由發動機附件傳動機匣驅動，其轉速隨著發動機的轉速而變化，頻率變化范圍較大，一般約為2：1左右。為滿足飛機各種不同用電負載的需要，二次電源變換形式較多，造成飛機配電系統十分復雜。例如Boeing787飛機配電系統就采用了230VAC、115VAC、28VDC和±270VDC四種供電體制向機上電用負載供電，除230VAC變頻交流電外，其它三種體制的電源均需二次電源變換裝置得到。為此，機上裝了兩臺自耦變壓器（ATU），用于將230VAC交流電變換為115VAC交流電，每臺額定功率為90kVA；四臺變壓整流器（TRU），用于將230VAC交流電變換為28VDC直流電，每臺額定電流為240A；四臺自耦變壓整流器（ATRU），用于將230VAC交流電變換為270VDC直流電，每臺額定功率為150kW。飛機配電系統十分復雜，各類大功率的二次電源變換裝置具有獨立的結構、獨立的散熱系統，這對于系統的綜合設計（包括結構設計、熱設計和能量綜合設計等）及飛機的綜合控制與管理是不利的。

3）變頻交流供電系統因頻率變化大給用電負載帶來不利影響

變頻交流雖然提高了發電系統的可靠性和能量轉換效率，但對飛機用電設備帶來了不利影響。對于飛機上大多數航空電子設備和系統控制組件，一般都使用低壓直流電源，利用變壓整流器將變頻交流電變換成28V直流電。由于變壓整流器中唯一對頻率敏感的元件是變壓器，所以在設計變壓整流器時必須避免變壓器在最低工作頻率出現飽和。一般地，最低頻率為328Hz的100A變壓整流器要比一個400Hz頻率的同類變壓整流器重10%。

對于交流用電設備，分為對頻率敏感的用電設備和對頻率不敏感的用電設備。對頻率不敏感的用電設備，如設備加熱負載，可直接由變頻交流直接供電；對頻率敏感的用電設備，又分為不能直接使用變頻電源的用電設備和可以使用變頻交流的用電設備。對于不能直接使用變頻電源的航空電子設備和系統控制組件等交流用電設備，可由靜止變流器提供400Hz恒頻電源；而對于交流電動機負載，目前飛機上使用的主要是感應電動機，雖然可以采用變頻交流電，但必須通過改進設計，以適應頻率變化范圍大的特點，為此將使交流電動機的重量和體積比恒頻交流時有所增加。在328Hz的最小頻率上，電動機的重量體積將大約比使用400Hz恒頻電源的大15%左右。

2.2 高壓直流供電系統主要技術特點

270V高壓直流電源系統具有以下特點：

1）270V高壓直流電源系統具有結構簡單、能量轉換效率高、功率密度高等優點

270V直流電源系統由發電機和控制器構成，沒有恒速傳動裝置，結構簡單，能量轉換效率高。30/40kVA恒速恒頻交流電源效率在68%左右，噴油冷卻變速恒頻電源效率為77%，循油冷卻變速恒頻電源效率為79%，高壓直流電源的效率在85%以上。按輸出40kW計算，恒速恒頻電源的損耗為18.5kW，變速恒頻電源的損耗為12kW，高壓直流電源的損耗為7kW。可見，在與40kVA恒速恒頻電源損耗相同的情況下，高壓直流電源功率可達100kW。高壓直流電源為飛機電源容量的進一步增大創造了條件。

270V直流電源中的變換器有兩種，直流變換器和直交變換器。直流變換器將270V直流電轉變為28V直流電，與恒頻交流電源中的變壓整流器（將115V、400Hz三相交流電轉變為28V直流電）的作用相當，但前者效率在90%以上，后者效率約為80%[2]，且后者在功率密度和電能質量方面均較差。直交變換器將270V直流電轉變為115V、400Hz三相交流電，類似于28V直流電源中的靜止變流器，但前者效率更高。

無刷直流發電機具有優良的可逆性，易于構成起動發電系統，可取消專用的航空發動機起動機，進一步減輕了系統的重量。

高壓直流電氣系統中的電動機和發電機不受工作頻率的制約，不僅可在任意轉速或變速情況下工作，而且可實現結構優化，進一步減小體積重量。

另一方面，高壓直流電氣系統中的發電機不一定必須用電磁式同步發電機，它的電動機也不一定必須用異步機，可以選用結構簡單的（特別是轉子結構簡單），性能優良的電機，為航空電機的進一步發展創造了條件，而航空電機的發展反過來又促進了高壓直流電氣系統的發展。

2）270V高壓直流電源系統具有冗余和容錯能力，可靠性高

270V高壓直流電源系統是一個分布式電源系統，分布式電源系統的基本特點是冗余配置和容錯能力，有高的工作可靠性。分布式電源系統根據飛機的不同要求，可以實現多次電源故障后仍能可靠供電的能力。比如在經受一次故障時仍能向全部飛機用電設備供電；在發生兩次故障后仍能向所有關鍵負載和任務負載供電，在發生三次故障后仍能向所有關鍵飛行負載供電。這些故障可以發生在同一供電通道的不同部件上，也可發生在不同通道的同一部件上，或以上兩種方式的組合形式。

3）270V高壓直流供電系統具有不中斷供電的特性

低壓直流和交流供電系統的配電器件為自動保護開關或稱斷路器，它和熔斷器一樣是一種熱保護器，當它所保護的部分網絡發生短路故障時，大的短路電流使其發熱，當溫度達到一定值后自動保護開關或稱斷路器動作，切除短路部分。其動作時間取決于短路情況，短路電流越大，動作越快。短路故障不僅伴隨著電流的加大，還有可能使電網電壓急劇下降，導致供電中斷。固態功率控制器（SSPC）是固態器件，它的響應速度為微秒級，在其保護范圍內發生短路故障時，可迅速切除短路部分，防止整個電網電壓的下降。直流電源都通過反流保護二極管接到匯流條，電源和它的饋電線故障被反流保護二極管隔離，不會導致匯流條電壓的變化。由此可見，SSPC和反流保護二極管的應用是直流電源實現不中斷供電的基礎。同時，蓄電池可方便地和直流匯流條連接，提高不中斷供電能力。

4）270V高壓直流供電系統電網重量輕、用電設備端電能質量高

270V高壓直流電源是分布式電源系統，也是分布式布局的結構，二次電源在配電中心附近，甚至和配電中心組合在一個結構內，因此饋電線都是270V線路，僅從配電中心到用電設備的配電線才有270VDC，115VAC和27VDC三種，但它們的長度都較短。在傳輸相同功率時，270V直流饋電線要比115V交流輕得多。又因多路傳輸的應用，大量信號線和控制線由總線替代，故270V直流電網重量顯著減輕。又因配電線短，用電設備端電能質量提高，可有效減輕設備內部電源的重量。

5）270V高壓直流供電系統對非線性負載適應能力強

在早期的28V直流供電系統中，用電負載多數為線性負載，如旋轉變流機，直流電動機，電氣照明（白熾燈）、加溫和防冰設備等，其運行特性都相當于電阻負載，即負載端輸入電壓高則負載電流大，負載的變化不會反過來影響供電系統的運行。

航空電子設備和電力電子裝置是非線性負載。無刷直流電動機、二次電源、大功率電子設備是恒功率負載，對270V直流發電系統來講，發電機輸出電壓的升高不是使負載電流增加，而是減小，即輸入功率是不隨供電電壓的變化而變化的。

無刷直流電動機不僅具有恒功率的特性，而且具有雙向能量傳遞特性。機電作動機構使舵面正向偏轉時，空氣動力阻力使電機電動工作運行。舵面反向轉動時則為制動工作運行，再生制動時能量從電機返回電源。

三相直交型二次電源在不對稱負載下工作，或者對于單相直交型二次電源，一方面具有能量回饋特性，另一方面又是一個時變負載，400Hz逆變電源，時變負載的變化周期為800Hz，50Hz逆變電源功率變化周期為100Hz。

某些航空電子設備對電源來說具有脈沖特性，是脈沖負載。

以上幾種非線性負載對電源特性的影響是不可忽視的，據國外統計，在未來飛機上，這類負載消耗功率約占電源輸出功率的80%左右。非線性用電設備的增加，使電力系統的穩定性問題更加突出，用電設備對電源的影響非常明顯，交流電力系統適應性較差，而直流電力系統有較強的適應能力。

6）270V高壓直流更加適應于飛機機電綜合設計的發展要求

高壓直流機電作動機構或電液作動機構的發展，為取代目前飛機廣泛使用的液壓作動系統創造了條件，從而為飛機機電系統的綜合及二次能源的統一奠定了基礎，為構建多電飛機甚至全電飛機提供了必要的條件。

3 兩種體制電源系統的分析比較

下面就高壓直流供電系統與變頻交流供電系統的優、缺點做一簡要的比較。

3.1 飛機電氣系統采用直流供電體制，在以下幾個方面優于變頻交流供電體制

1）電力線不存在電抗壓降；

2）直流配電也不存在趨膚效應；

3）直流配電系統時功率因數為1；

4）飛機機身可以作為全部電纜的回線；

5）直流電的電暈起始電壓比交流的高；

6）在同樣電壓值時，從人身安全來講直流電比交流電更安全；

7）直流發電機并聯容易；

8）直流電源系統易實現不中斷供電。

3.2 高壓直流配電也存在一些缺點：

1）直流電更難斷開。同樣容量時，常規的直流斷路器比交流斷路器要大。

2）直流電壓稍比交流電壓難以隔離。

但是，隨高壓直流的電流控制技術尤其是固態配電技術的不斷發展和SSPC控制器件/裝置的不斷進步，高壓直流配電比交流配電具有明顯的優越性。

高壓直流發電系統的可選方案包括線繞轉子式發電機方案、電勵磁雙凸極發電機方案、開關磁阻發電機方案和異步發電機方案等。前兩種方案是將交流發電機的輸出利用全橋整流電路整流以提供直流電，第三種和第四種方案是開關磁阻電機或異步電機與可控功率變換器一起工作并由可控功率變換器輸出直流電。由三相或六相交流發電機供電的全橋整流電路或可控功率變換器功率器件和交流發電機構成一個整體，半導體功率器件裝在散熱片上并置于發電機的冷卻油中，兩者可以有效地共用一個散熱系統，可實現綜合設計的目的。

4 總結

從目前先進飛機看，無論是先進戰斗機，還是先進的大型民用飛機，由于對飛機電源系統的容量需求都比較大，出于飛機對電源系統自身及配電系統的重量、效率等方面的限制，變頻交流電源和高壓直流電源為優先選擇的供電體制。

但是高壓直流電源系統的配電系統復雜、不成熟，也是不爭的事實。變頻交流電源系統繼承了恒頻交流電源系統的特性，成熟性高。所以，在中國的大型客機的方案中，是可以采用變頻交流電源系統的。

【參考文獻】

[1]周增幅，等.飛機電源系統發展趨勢[C]// 中國航空學會航空電氣工程第七屆學術年會論文集.2007，8.

[2]肖嵐，嚴仰光.航空二次電源的研究現狀和發展趨勢[C]// 中國航空學會航空電氣工程第五屆學術年會論文集.2003，7.

[責任編輯：鄧麗麗]