飛機變壓整流器并聯(lián)運行均衡性研究

郝世勇，戰(zhàn)祥新

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島　266041）

飛機變壓整流器并聯(lián)運行均衡性研究

郝世勇，戰(zhàn)祥新

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島266041）

針對飛機直流電源系統(tǒng)中變壓整流器多采用多臺并聯(lián)供電方式，負(fù)載電流不平衡的問題，本文通過分析變壓整流器的供電特性，以變壓整流器并聯(lián)供電均衡性為中心，采用電路分析方法，研究了飛機變壓整流器并聯(lián)運行條件和負(fù)載分配規(guī)律。最后以變壓整流器兩類參數(shù)不等時的影響為例，分析了參數(shù)不等時的負(fù)載分配情形。分析結(jié)果表明：僅靠濾波器調(diào)節(jié)無法實現(xiàn)多臺變壓整流器的供電均衡，必須加自動均衡電路進行調(diào)節(jié)。

變壓整流器；并聯(lián)供電；均衡性；負(fù)載分配

在以交流為主電源的飛機上，為了能夠向機載直流用電設(shè)備供電，直流二次電源是必不可少的重要電源設(shè)備。在正常工作過程中，直流二次電源還用來向應(yīng)急電源（蓄電池）充電，保證其處于良好狀態(tài)。飛機直流用電設(shè)備的功率一般不超過總交流消耗功率的20%。但是，直流用電設(shè)備的數(shù)量較多，對某些設(shè)備或系統(tǒng)的工作可靠性起著重要作用。所以，直流二次電源工作性能的好壞，直接決定飛機電源系統(tǒng)的正常狀態(tài)，不僅影響部隊訓(xùn)練及作戰(zhàn)任務(wù)的完成，同時也關(guān)系到飛行安全。

由于變壓器和整流元件的內(nèi)阻影響，變壓整流器的輸出電壓是隨著負(fù)載的增大而下降的。為了滿足直流用電設(shè)備的供電要求，飛機上的變壓整流器通常采用并聯(lián)供電方式。本文通過分析變壓整流器的供電特性，以變壓整流器并聯(lián)供電均衡性為中心，研究飛機變壓整流器并聯(lián)運行條件和負(fù)載分配規(guī)律。

1　變壓整流器組成及原理分析

變壓整流器由變壓器和電子整流器兩大部分組成，某典型航空變壓整流器組成及原理電路如圖1所示。

圖1　變壓整流器組成及原理圖

通過變壓器將機上115/200 V、400 Hz的交流電變換為線電壓相位相差30°的兩組三相交流電實現(xiàn)降壓，再由兩組三相橋式整流器進行全波整流。整流后由平衡電抗器吸收并平衡兩組整流電壓之間的瞬時電壓差，并聯(lián)輸出28.5 V的直流電壓。為降低脈動電壓，減少電磁干擾，在輸入和輸出端均裝有平滑濾波器。

變壓器是一個三繞組變壓器，一個初級繞組和兩個次級繞組。初級繞組為帶中線的星形連接，次級繞組中一個為三角形連接，另一個為星形連接。它們的工作原理與一般的電力變壓器相同，次級星形繞組的線電壓與初級繞組線電壓同相，而次級三角形繞組的線電壓與初級繞組相電壓相差（滯后）30°，這正是要得到十二相整流脈動所需要的。

整流器是由兩組三相橋式整流器通過平衡電抗器并聯(lián)組成的。由于整流二極管具有單向?qū)щ娦?，在任何瞬間只有兩條整流臂導(dǎo)通，隨著時間的推移，各臂整流橋輪流導(dǎo)通。每個周期內(nèi)，直流電壓出現(xiàn)六次脈沖，每個脈沖為60°電角度，次級星形繞組的波形與大小同三角形繞組的線電壓只是相位相差30°電角度［1-4］。

2　變壓整流器的外特性分析

變壓整流器的外特性指的是整流后的電壓與負(fù)載的關(guān)系，它是變壓整流器的重要特性之一。

考慮變壓器的漏抗，會使整流器輸出的整流電壓下降。變壓器原、副邊繞組都有一定的電阻，因此也使整流器的輸出電壓下降。由于整流元件實際上不是理想元件，也存在一定的壓降，故也使整流器輸出的直流電壓降低。實驗表明，整流元件只要一導(dǎo)通，它的壓降ΔUz與整流電流Id在一定范圍內(nèi)幾乎無關(guān)。整流器輸出電流流經(jīng)的整流元件數(shù)與變壓整流器的聯(lián)接形式有關(guān)，由整流元件引起直流電壓的降低量ΔUz等于整流器輸出電流流經(jīng)各整流元件所產(chǎn)生的壓降之和［5-6］。

如果變壓整流器空載時的輸出電壓為Udo，則負(fù)載時的輸出電壓Ud為：

式中：ΔUx為變壓器漏抗引起的壓降 （又稱換相壓降）；ΔUr為變壓器電阻引起的壓降 （又稱電阻壓降）；ΔUz為整流元件引起的壓降。

電壓調(diào)整率K表示變壓整流器輸出電壓的調(diào)整程度，其定義為：

式中：Udo為變壓整流器空載時輸出的直流電壓；

Ude為額定負(fù)載時，變壓整流器輸出的直流電壓。

電壓調(diào)整率越小，則說明負(fù)載電流Id的變化對變壓整流器輸出直流電壓Ud的影響越小，供電質(zhì)量越高

3　變壓整流器并聯(lián)供電均衡性分析

為提高電源總功率及供電可靠性，飛機上的變壓整流器通常采用并聯(lián)供電方式，具有三臺并聯(lián)運行、兩臺并聯(lián)運行等多種工作模式。當(dāng)某一變壓整流器因故障而停止供電時，另一臺變壓整流器可以繼續(xù)供電。但是，并聯(lián)供電也帶來新的問題，那就是各電源的輸出電流能否相等，即供電是否均衡。如果供電不均衡，就可能使輸出電流小的變壓整流器的功率不能充分利用，而輸出電流大的變壓整流器卻有過流損壞的危險。

3.1負(fù)載均衡分配的條件

兩臺變壓整流器并聯(lián)供電的原理電路如圖2所示。

圖2　變壓整流器并聯(lián)供電的原理示意圖

圖中U1、U2分別為變壓整流器TRU1、TRU2的空載輸出電壓；U為匯流條電壓；R為總負(fù)載電阻；R+l、R+2為變壓整流器TRU1、TRU2正接線柱到配電板之間的總線路電阻，它包括導(dǎo)線電阻、導(dǎo)線連接處的接觸電阻、接觸器觸頭的接觸電阻等，簡稱正線電阻；R-l、R-2為變壓整流器TRU1、TRU2負(fù)接線柱到地之間的線路電阻，它包括導(dǎo)線電阻、導(dǎo)線連接處的接觸電阻，簡稱負(fù)線電阻；I1、I2分別為TRU1、TRU2的輸出電流；I為負(fù)載總電流。從原理圖上可見：

解這兩個方程，可得出：

式（3）～（5）是兩個變壓整流器負(fù)載分配規(guī)律的基本數(shù)學(xué)表達(dá)式。從公式可見負(fù)載分配均衡時（ΔI=0），必須同時具備兩臺變壓整流器電壓相等（U1=U2）、正線電阻相等（R+1=R+2）及負(fù)線電阻相等（R-1=R-2）3個條件。電流差ΔI是由電壓差、正線電阻差及負(fù)線電阻差分別引起的。

由于變壓整流器沒有電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，電壓隨負(fù)載變化而變化，若電壓調(diào)整率分別為K1、K2，則兩臺變壓整流器TRU1、TRU2的電壓可表示為：

式中，U10、U20分別為變壓整流器TRU1、TRU2的空載電壓。

將式（3）～（6）聯(lián)立求解得：

式 （7）～（9）是考慮變壓整流器空載電壓及電壓調(diào)整率時，發(fā)電機負(fù)載分配規(guī)律的基本數(shù)學(xué)表達(dá)式。

從式（9）可見，負(fù)載分配均衡時（ΔI=0），必須同時具備3個條件：

1）兩臺變壓整流器空載電壓相等，即U10=U20；

2）兩臺變壓整流器正線電阻相等，即R+1=R+2；

3）兩臺變壓整流器負(fù)線電阻相等，即R-1=R-2；

4）兩臺變壓整流器電壓調(diào)整率相同，即K1=K2。

當(dāng)均衡條件不具備時，產(chǎn)生的電流差ΔI由兩部分組成。從式（9）可見，第一部分不隨負(fù)載變化而變化。第二隨總負(fù)載的增大，所引起電流差也增大。

3.2負(fù)載分配規(guī)律

要使負(fù)載均衡分配的4個條件同時具備，實際上很難做到。實際直流電源系統(tǒng)中，兩臺變壓整流器的空載電壓、正線電阻、負(fù)線電阻及電壓調(diào)整率往往都不相等。

下面分析兩個以上均衡條件不具備時的負(fù)載分配規(guī)律。在這種情況下，負(fù)載的分配就要全面考慮上述各種因素所造成的影響。首先將4種參數(shù)分為兩類：一類是空載電壓，另一類是正線電阻、負(fù)線電阻及電壓調(diào)整率。

3.2.1兩類參數(shù)不等、作用相同時的負(fù)載分配情形

假定U10＞U20、K1＜K2、R+1＜R+2、R-1＜R-2時，這兩類參數(shù)不等都是使I1＞I2、對負(fù)載分配的影響是相同的，所引起的電流差ΔIU0、ΔIK、ΔIR+、ΔIR-都是正值。結(jié)果總的電流差為4個電流差之和，而且負(fù)載的分配有如下特點（參看圖3）。

1）無論負(fù)載怎樣變化，總是空載電壓高、電壓調(diào)整率小、正線電阻小、負(fù)線電阻小的變壓整流器輸出電流（I1）大，反之則小；

2）負(fù)載增大時，負(fù)載電壓高、電壓調(diào)整率小、正線電阻小、負(fù)線電阻小的變壓整流器輸出電流I1增大得快。相反則慢，而且隨著負(fù)載電流I的增大，電流差ΔI也愈來愈大。

可見，這種情況對負(fù)載的均衡分配是很不利的，負(fù)載基本上由一臺變壓整流器承擔(dān)，另一臺變壓整流器輸出的電流很小，甚至在負(fù)載較小時不參與工作，負(fù)載的分配很不均衡。

3.2.2兩類參數(shù)不等、影響作用相反時的負(fù)載分配情形

假定U10＜U20、K1＜K2、R+1＜R+2、R-1＜R-2的條件下，空載電壓不等是使I1＜I2，而電壓調(diào)整率、正線電阻、負(fù)線電阻不等，卻使I1＞I2，它們的影響是相反的。在這種情況下，ΔIU0為負(fù)值，ΔIK和ΔIR+為正值，總電流差為

負(fù)載的分配規(guī)律和前一種情況有很大差別。它的特點是：

圖3　U10＞U20、K1＜K2、R+1＜R+2、R-1＜R-2時負(fù)載分配規(guī)律

1）負(fù)載由零增大時，電流差開始由小變大，隨后由大變小，再由小變大；

2）負(fù)載很小時，和前一種情況相同，空載電壓低的發(fā)電機沒有電流輸出。

4　結(jié)束語

變壓整流器是飛機上重要的二次電源設(shè)備，其供電性能的優(yōu)劣決定著飛機的供電質(zhì)量。通過上面的分析可以看到：變壓整流器的空載電壓和電壓調(diào)整率這兩項指標(biāo)直接影響并聯(lián)供電的均衡性。變壓整流器內(nèi)部的電磁泄露程度、變壓器原副邊是否存在匝間短路、整流管內(nèi)部損耗、電連接點接觸電阻情況等問題也會影響供電的均衡性。因此，要實現(xiàn)多臺變壓整流器的供電均衡，必須加自動均衡電路進行調(diào)節(jié)，僅靠濾波器調(diào)節(jié)是無法實現(xiàn)的。

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Research of balance on transformer rectifier units in parallel operation

HAO Shi-yong，ZHAN Xiang-xin
（Naval Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch，Qingdao 266041，China）

To the problem of unbalanced load current in aircraft DC power supply system for the transformer rectifier units with many sets of parallel power supply mode，this article through the analysis of the power supply characteristics of transformer rectifier，with rectifier power supply in parallel balance as the center，and the circuit analysis method，studied the aircraft transformer rectifier parallel operation conditions and the load distribution rule.Finally with transformer rectifier with two kinds of parameters as an example，the influence of load distribution of the parameter range is analyzed.The analysis results show that the adjustment cannot be achieved merely by filter more transformer rectifier power balance，and automatic balancing circuit must be regulated.

transformer rectifier unit；power supply in parallel；balance；load distribution

TN35

A

1674－6236（2016）09-0163-03

2015-05-25稿件編號：201505220

郝世勇（1969—），男，吉林通化人，碩士，高級工程師。研究方向：航空電氣系統(tǒng)。