民用飛機變頻發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)壓設(shè)計和過壓保護

程方舜

【摘 要】由于變頻電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、可靠性高、運行成本低以及易于實現(xiàn)起動發(fā)電等優(yōu)點，變頻電源逐漸取代恒頻電源成為民用飛機發(fā)電系統(tǒng)的主流。但是由于變頻發(fā)電機轉(zhuǎn)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(shè)備，發(fā)電機輸出瞬態(tài)電壓的調(diào)節(jié)和過壓保護設(shè)計尤為重要。本文旨在分析變頻發(fā)電系統(tǒng)三級式航空發(fā)電機的調(diào)壓原理，根據(jù)電壓瞬態(tài)極限和適航安全性要求，提出變頻發(fā)電系統(tǒng)過壓保護架構(gòu)的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】變頻電源；調(diào)壓；過壓保護

0 概述

在傳統(tǒng)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(fā)動機的變轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為恒定轉(zhuǎn)速，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)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(xiàn)起動/發(fā)電。變頻電源系統(tǒng)取消了恒速傳動裝置，由發(fā)動機齒輪箱直接驅(qū)動發(fā)電機輸出寬變頻（360～800Hz）交流電。變頻交流電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高、可靠性高、維修費用低等優(yōu)點，且易于構(gòu)成起動發(fā)電系統(tǒng)。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(tǒng)。然而，變頻發(fā)電系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)速變化范圍寬，具有電壓上升速率快、磁路飽和時發(fā)電電壓高的特點，因此控制變頻發(fā)電機輸出電壓保持在規(guī)定范圍之內(nèi)，在發(fā)生過壓故障時能夠快速切斷發(fā)電通道，保護后級用電設(shè)備，成為變頻電源系統(tǒng)中亟待解決的問題。

1 變頻發(fā)電系統(tǒng)工作原理

1.1 發(fā)電機的結(jié)構(gòu)

目前民用飛機變頻電源系統(tǒng)主要應(yīng)用的發(fā)電機為三級式無刷同步發(fā)電機。三級式同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由永磁副勵磁機、主勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器和主發(fā)電機組成，其中三個電機轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)整流器共軸安裝。當(dāng)電機運轉(zhuǎn)時，永磁副勵磁機的永磁體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在定子上產(chǎn)生三相交流電；該三相交流電經(jīng)過主勵磁機放大后，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)整流器整流，得到主發(fā)電機的勵磁，并在主發(fā)電機定子繞組上產(chǎn)生三相交流電，為飛機電網(wǎng)供電。

1.2 發(fā)電機的調(diào)壓和保護原理

飛機電源系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，三級無刷同步發(fā)電機向全機交流用電設(shè)備供電，并通過變壓整流器向全機直流用電設(shè)備供電。三級無刷同步發(fā)電機的調(diào)壓控制通過發(fā)電機控制器（GCU）實現(xiàn)。GCU不斷檢測發(fā)電機的輸出電壓，通過內(nèi)部控制邏輯調(diào)節(jié)勵磁機的勵磁電流，從而改變主發(fā)電機的磁場，以此實現(xiàn)調(diào)壓控制。副勵磁機同時為GCU供電。當(dāng)GCU檢測到發(fā)電機輸出電壓超過正常工作瞬態(tài)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(fā)電機接觸器，把發(fā)電機和飛機電網(wǎng)隔離，實現(xiàn)故障保護。

2 變頻發(fā)電系統(tǒng)的電壓極限和安全性要求

由于變頻發(fā)電系統(tǒng)的三級式無刷同步發(fā)電機由發(fā)動機直接驅(qū)動，轉(zhuǎn)速范圍非常寬。對于一臺2對極的360～800Hz的三級無刷同步發(fā)電機來說，其轉(zhuǎn)速范圍為10800～24000rpm。因此，變頻發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電機輸出電壓保持在規(guī)定范圍之內(nèi)，同時在發(fā)生過壓故障時能夠快速切斷發(fā)電通道，才能保護后級用電設(shè)備不受損害。變頻發(fā)電機的輸出電壓極限以及故障保護的安全性要求在相關(guān)工業(yè)規(guī)范和適航條款中有所規(guī)定，具體介紹如下：

2.1 規(guī)范要求

MIL-STD-704F規(guī)定了正常工作情況下變頻發(fā)電機輸出電壓的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的特性參數(shù)。正常工作包括用電設(shè)備的通斷、發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化、匯流條轉(zhuǎn)換、電源的同步和并聯(lián)，以及外部電源供電。轉(zhuǎn)換工作時可能發(fā)生供電中斷。正常工作特性還包括轉(zhuǎn)換工作時產(chǎn)生的持續(xù)時間不超過50μs的電壓尖峰。在正常工作狀態(tài)下，變頻發(fā)電機的瞬態(tài)電壓應(yīng)保持在圖2規(guī)定的極限范圍內(nèi)。正常工作狀態(tài)包括正常的電源轉(zhuǎn)換和諸如電動機起動之類的負(fù)載變化。

2.2 適航要求

中國民用航空規(guī)章CCAR 25部對系統(tǒng)保護和安全性做了以下規(guī)定：

CCAR第25.1309條設(shè)備、系統(tǒng)及安裝規(guī)定“（b）飛機系統(tǒng)與有關(guān)部件的設(shè)計，在單獨考慮以及與其它系統(tǒng)一同考慮的情況下，必須符合下列規(guī)定：（1）發(fā)生任何妨礙飛機繼續(xù)安全飛行與著陸的失效狀態(tài)的概率為極不可能；（2）發(fā)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(tài)的概率為不可能”。

CCAR第25.1357條電路保護裝置規(guī)定“（b）發(fā)電系統(tǒng)中的保護和控制裝置的設(shè)計，必須能足夠迅速的斷電，并將故障電源和輸電設(shè)備與其相關(guān)聯(lián)的匯流條斷開，防止出現(xiàn)危險的過壓和其它故障?！?/p>

3 變頻發(fā)電系統(tǒng)的過壓保護

3.1 過壓故障的失效等級

當(dāng)變頻發(fā)電機輸出電壓超過正常工作瞬態(tài)極限時，應(yīng)由保護裝置的動作進行限制。根據(jù)中大功率變頻交流發(fā)電機的輸出特性可知，在發(fā)電機勵磁電流飽和條件下，發(fā)電機輸出電壓上升率非常高。因此在電源系統(tǒng)進行大功率負(fù)載切換或出現(xiàn)故障原因?qū)е聞畲呕芈芬恢碧幱陲柡蜖顟B(tài)時，將會引起發(fā)電機輸出電壓迅速上升的過壓故障，危害后級用電設(shè)備。根據(jù)飛機安全性等級分析，變頻發(fā)電系統(tǒng)的過壓故障應(yīng)為災(zāi)難級失效，即該失效狀態(tài)會妨礙持續(xù)安全飛行和著陸，導(dǎo)致絕大部分或全部乘員死亡以及飛機損毀，其發(fā)生的概率應(yīng)該為極不可能。極不可能的失效狀態(tài)是那些在某一機型所有的飛機的整個的營運壽命中非預(yù)期發(fā)生的，不太可能的失效狀態(tài)，每飛行小時平均概率應(yīng)低于1E-9。

3.2 傳統(tǒng)過壓保護方案

傳統(tǒng)飛機發(fā)電系統(tǒng)的過壓保護功能僅由GCU實現(xiàn)，當(dāng)GCU檢測到發(fā)電機輸出電壓超過正常工作瞬態(tài)極限的電壓，便起動保護功能，切斷發(fā)電機勵磁并斷開發(fā)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(yīng)時間，在勵磁回路電流飽和時發(fā)電機電壓變化率很高，將使得發(fā)電機輸出電壓在發(fā)電機接觸器尚未斷開的時間內(nèi)在輸出端產(chǎn)生嚴(yán)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(tǒng)中增加與GCU采用獨立非相似設(shè)計的冗余過壓保護裝置，與GCU共同實現(xiàn)系統(tǒng)過壓保護。冗余過壓保護裝置的設(shè)計完全由硬件電路實現(xiàn)，其響應(yīng)速度更快、動作時間更短。在發(fā)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(xiàn)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(shè)備與GCU共同進行過壓保護，使得變頻發(fā)電系統(tǒng)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(jié)

本文介紹了變頻發(fā)電系統(tǒng)三級式無刷同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和調(diào)壓原理，分析了變頻發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化范圍寬，電壓上升速率快、磁路飽和時發(fā)電電壓高的特點。為使之能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求和安全性要求，指出在變頻發(fā)電系統(tǒng)增加冗余過壓保護裝置的必要性，提出變頻發(fā)電系統(tǒng)過壓保護架構(gòu)的設(shè)計。

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[責(zé)任編輯：王偉平]

強化民主管理，就是要建立一整套科學(xué)、規(guī)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(xué)校重大事項應(yīng)當(dāng)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(guī)管理工會的能力和水平，發(fā)揮工會維護教職工權(quán)益的作用。二是，完善校務(wù)公開制度。校務(wù)公開是教職工代表大會在閉會期間教職工行使民主權(quán)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(shè)是實現(xiàn)依法治國對工會工作的必然要求，也是維護教職工合法權(quán)益的必然要求。隨著我國法治化建設(shè)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(fā)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(dǎo)思想，樹立依法維權(quán)、依法履職的觀念，切實維護廣大教職工的合法權(quán)益。

【參考文獻】

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[2]《中華人民共和國工會法》第2條規(guī)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(quán)益?！薄皡⑴c協(xié)調(diào)勞動關(guān)系和調(diào)解勞動爭議，與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面建立協(xié)商制度，協(xié)商解決涉及職工切身利益問題。幫助和指導(dǎo)職工與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面簽訂和履行勞動合同，代表職工與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面簽訂集體合同或者其他專項協(xié)議，并監(jiān)督執(zhí)行。”

[3]《中國工會章程》第28條規(guī)定：“參與協(xié)調(diào)勞動關(guān)系和調(diào)解勞動爭議，與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面建立協(xié)商制度，協(xié)商解決涉及職工切身利益問題。幫助和指導(dǎo)職工與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面簽訂和履行勞動合同，代表職工與企業(yè)、事業(yè)單位行政方面簽訂集體合同或者其他專項協(xié)議，并監(jiān)督執(zhí)行?！?/p>

[4]《工會法》第14條：“中華全國總工會、地方總工會、產(chǎn)業(yè)工會具有社會團體法人資格。基層工會組織具備民法通則規(guī)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(quán)益是工會的基本職責(zé)。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(quán)益?！?/p>

[責(zé)任編輯：王偉平]