民機(jī)變頻供電體制對(duì)電網(wǎng)接觸器的影響分析研究

劉偉

【摘 要】在民用飛機(jī)領(lǐng)域，大功率變頻供電逐漸成為民用飛機(jī)電源系統(tǒng)主流技術(shù)，繼而對(duì)配電系統(tǒng)關(guān)鍵部件的影響分析及設(shè)計(jì)點(diǎn)優(yōu)化研究顯得日益重要。本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，從航空 電網(wǎng)接觸器的觸點(diǎn)溫升和開(kāi)斷能力等方面，對(duì)民機(jī)變頻供電體制下航空接觸器的特性進(jìn)行了研究，定性和定量的給出了變頻率供電對(duì)航空接觸器的性能影響。

【關(guān)鍵詞】電源；變頻體制；民用飛機(jī)；航空接觸器

【Abstract】In the civil aircraft field，high power capacity variable frequency（VF）power supply has been a more famous technology，and research on variable frequency impact to key component of power distribution system and its associated optimization of design points becomes more and more critical.This paper presents a research on contact point temperature increase and open capability of aerospace electrical network contactor based on theoretical analysis and testing，characteristics of aerospace contactor under variable frequency power supply has been researched，and performance impact has been presented from quantity and quality consideration.

【Key words】Electrical Power；Variable Frequency Power Supply；Civil Aircraft；Aerospace Contactor

0 引言

目前，出于對(duì)變頻發(fā)電系統(tǒng)在成本、重量、能量可逆性等方面的優(yōu)勢(shì)[1-2]，全球飛機(jī)制造商們?cè)絹?lái)越青睞變頻發(fā)電系統(tǒng)，目前在役的新機(jī)型A380，在研機(jī)型B787、A350及C系列均選用了變頻發(fā)電系統(tǒng)。和恒頻電源相比，變頻交流電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，但是變頻供電系統(tǒng)的應(yīng)用也帶來(lái)了一些問(wèn)題，其中一點(diǎn)就表現(xiàn)在電源頻率對(duì)配電電網(wǎng)核心部件-配電接觸器的影響方面。

由于頻率的變化給整個(gè)供電及用電系統(tǒng)帶來(lái)了很大的影響。在變頻電源系統(tǒng)中，電弧開(kāi)斷技術(shù)受頻率影響較大。電源頻率越高，電弧電流過(guò)零后“零休”時(shí)間越短[3]，變頻電源最高頻率為800Hz是目前在恒速恒頻系統(tǒng)電源頻率400Hz的兩倍，嚴(yán)重影響觸頭的開(kāi)斷能力，開(kāi)關(guān)觸頭和引線(xiàn)由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，頻率增加引起交流電阻增加，進(jìn)而引起損耗增大。對(duì)于電流開(kāi)斷能力一定的開(kāi)關(guān)電器，為保證其正常工作，就需要進(jìn)一步研究開(kāi)斷性能、溫升、負(fù)載特性等。

1 配電接觸器理論分析

本文從接觸器觸點(diǎn)溫升和開(kāi)斷能力兩個(gè)方面進(jìn)行理論分析。

1.1 接觸器觸點(diǎn)溫升理論分析

接觸器的主觸點(diǎn)在長(zhǎng)期導(dǎo)通的狀態(tài)下，會(huì)因通過(guò)大電流而發(fā)熱。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)使觸點(diǎn)發(fā)生材料的軟化和冷焊接。本章將著重研究觸點(diǎn)的發(fā)熱，討論主電流頻率變化對(duì)主觸點(diǎn)溫升的影響。

假設(shè)觸頭為面接觸，引進(jìn)過(guò)渡電阻R，其面積等于接觸橫截面。如圖1。

以某型接觸器為例，觸頭材料為銀氧化鎘，其在電流100A時(shí)不同頻率對(duì)應(yīng)溫度數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 電流為100A時(shí)不同頻率觸頭溫度計(jì)算對(duì)比

從計(jì)算的結(jié)果可以看出電流頻率的變化對(duì)于觸頭穩(wěn)態(tài)溫升的影響非常小，變化只有5%左右，可以忽略其對(duì)接觸器性能的影響。

1.2 接觸器開(kāi)斷能力的理論分析

1.2.1 電流頻率對(duì)電弧能量的影響

從公式中看出，電弧能量與電源頻率成反比例關(guān)系。如果電流第一次過(guò)零時(shí)電弧熄滅，則頻率高時(shí)電弧能量比頻率低時(shí)能量小。變頻電源系統(tǒng)的頻率范圍是360Hz到800Hz。頻率為800Hz時(shí)能量為400Hz時(shí)的50%，而360Hz時(shí)電弧能量是400Hz時(shí)電弧能量的90%。從能量角度考慮，800Hz時(shí)電弧比400Hz時(shí)容易熄滅，而360Hz時(shí)最難熄滅。

1.2.2 電流頻率對(duì)開(kāi)斷時(shí)截流值的影響

當(dāng)開(kāi)斷小電流時(shí)，由于滅弧裝置的作用，在電流沒(méi)有到達(dá)自然零點(diǎn)時(shí)，電弧熄滅，電流就被突然降至零點(diǎn)，這就是截流現(xiàn)象。由于電流被截?cái)啵姼胸?fù)載上剩余的電磁能就會(huì)引起過(guò)電壓，所以開(kāi)斷電流過(guò)零前的dI/dt會(huì)影響開(kāi)斷電流的截流。如果電流的頻率變大，電流的 dI/dt變大，使得此點(diǎn)到達(dá)電流自然過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間變小，進(jìn)而提高了電弧的穩(wěn)定性，進(jìn)而使電流在幅值更小的時(shí)刻熄滅，降低了截流值[5]。

1.2.3 電流頻率對(duì)電弧伏安特性的影響

電流頻率變化，會(huì)對(duì)電弧的伏安特性產(chǎn)生很大的影響。如圖2。

圖2 電弧伏安特性

圖中曲線(xiàn)（1）為低頻下電弧的伏安特性，曲線(xiàn)（2）為高頻下電弧的伏安特性，曲線(xiàn)（3）是電弧的靜態(tài)伏安特性[6]。

從以上的低頻和高頻下電弧的伏安特性可以看出，電流頻率的變化對(duì)電弧伏安特性的影響非常大，在中頻（360Hz～800Hz）下，電弧的伏安特性會(huì)產(chǎn)生很大的變化。

電弧的伏安特性可以反映弧柱的熱慣性與電弧熄弧時(shí)間的關(guān)系以及弧隙電壓恢復(fù)過(guò)程和介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程的關(guān)系，其對(duì)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷能力產(chǎn)生的影響很大。在電流頻率變化而其他條件不變時(shí)，弧柱的熱慣性不變，弧柱區(qū)等離子體擴(kuò)散的速度是一定的。

1.2.4 電流頻率對(duì)“零休”時(shí)間的影響

電流過(guò)零前零休時(shí)間的長(zhǎng)短，對(duì)電弧的熄滅過(guò)程有很大的影響。在這期間零休時(shí)間的增長(zhǎng)，意味著在電流過(guò)零前較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，弧柱輸入功率接近于零。這樣，在電流過(guò)零時(shí)和過(guò)零后，弧柱將更冷、更細(xì)，更有可能產(chǎn)生弧柱消失、弧隙中氣體轉(zhuǎn)變成絕緣狀態(tài)等現(xiàn)象。顯然，這對(duì)于防止電弧重燃非常有利。

弧隙兩端的電壓不斷減小，當(dāng)小到最小起弧電壓時(shí)，電弧熄滅，零休開(kāi)始。當(dāng)電流的頻率增大，考慮電源電壓的波形不變，則達(dá)到最小起弧電壓的電角度是不變的，零休的電角度不變，零休的時(shí)間變短。

1.2.5 電流頻率對(duì)恢復(fù)電壓的影響

電壓恢復(fù)過(guò)程中加于弧隙上的電壓稱(chēng)之為恢復(fù)電壓。由于電壓恢復(fù)過(guò)程是電路的一個(gè)過(guò)渡過(guò)程（暫態(tài)過(guò)程），恢復(fù)電壓一般都具有兩個(gè)分量：穩(wěn)態(tài)分量與暫態(tài)分量。如圖3：

2 變頻體制接觸器特性試驗(yàn)分析

2.1 接觸器穩(wěn)態(tài)溫升試驗(yàn)

試驗(yàn)的目的是觀察接觸器觸點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫升與電流頻率的關(guān)系。接觸器閉合時(shí)觸點(diǎn)壓降很小，電流很大，只需要模擬出大電流的環(huán)境。試驗(yàn)中采用艾普斯AMF-33010電源，此電源為三相400Hz交流電源，每相可以提供140V，25A的電流，可調(diào)頻率范圍是350～450Hz，應(yīng)用變壓器降壓升流，以實(shí)現(xiàn)大電流。以電流鉗測(cè)量副邊電流。試驗(yàn)原理圖如圖4所示。

圖 4 接觸器溫升試驗(yàn)電路圖

隨著通電時(shí)間的增長(zhǎng)，接觸器觸點(diǎn)的溫度會(huì)不斷升高，最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的溫度值，這個(gè)溫度就是觸點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度。分別調(diào)節(jié)電源頻率為350Hz，400Hz，450Hz，記錄觸點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度。測(cè)試環(huán)境溫度為25℃，通100A電流。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 接觸器觸點(diǎn)溫升數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，頻率變化對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度變化的影響很小，和理論分析的結(jié)果相近，頻率升高會(huì)使得穩(wěn)態(tài)溫度升高，變化大約為5%。頻率的提高使得觸點(diǎn)溫度的提高是很有限的，并且遠(yuǎn)低于銀基觸點(diǎn)溫升的上限，在實(shí)際的設(shè)計(jì)和計(jì)算中可以忽略由于頻率的升高而導(dǎo)致的溫度升高。

2.2 接觸器開(kāi)斷試驗(yàn)

試驗(yàn)所用的接觸器為國(guó)產(chǎn)的H800-A6N型接觸器，其額定開(kāi)斷電流為175A，額定開(kāi)斷電壓為115V。試驗(yàn)得到典型開(kāi)斷成功波形如圖5所示。開(kāi)斷試驗(yàn)開(kāi)斷失敗波形如圖6所示。

圖 5 開(kāi)斷試驗(yàn)開(kāi)斷成功典型波形

圖5為420Hz開(kāi)斷試驗(yàn)開(kāi)斷成功的波形，CH1為電容兩端電壓；CH2為霍爾元件輸出信號(hào)；CH3為觸點(diǎn)兩端電壓?；魻栐妮敵鲋当碚骰芈分械碾娏髦?，最大量程為500A左右，由于試驗(yàn)中電流過(guò)大，出現(xiàn)飽和。

圖 6 開(kāi)斷試驗(yàn)開(kāi)斷失敗典型波形

從圖5和圖6可以看出，如果電流開(kāi)斷成功，電流只產(chǎn)生半個(gè)波形，燃弧至過(guò)零點(diǎn)時(shí)電弧熄滅，隨后電壓保持不變。如果開(kāi)斷失敗電流波形會(huì)持續(xù)兩個(gè)波形。

以頻率415Hz、590Hz和805Hz點(diǎn)為測(cè)試工況，測(cè)試變頻體制下接觸器開(kāi)斷成功率，數(shù)據(jù)如表3所示。

表 3 開(kāi)斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從開(kāi)斷試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，試驗(yàn)中隨著電流值的增加接觸器開(kāi)斷的成功率下降，同時(shí)可以看出頻率在590Hz時(shí)開(kāi)斷能力最差，低于415Hz和800Hz時(shí)的開(kāi)斷能力，隨著電流的增大開(kāi)斷成功率下降最快。415Hz時(shí)開(kāi)斷能力強(qiáng)于800Hz時(shí)，但是開(kāi)斷能力差別不大。當(dāng)頻率變化，試驗(yàn)中接觸器能否開(kāi)斷受很多因素影響。首先當(dāng)頻率升高，電弧能量降低，從這個(gè)角度來(lái)看，有助于電弧開(kāi)斷。而頻率升高使電流過(guò)零點(diǎn)的di/dt變大，不利于開(kāi)斷。接觸器的開(kāi)斷能力隨著頻率的變化而變化可以歸結(jié)為這兩個(gè)因素的作用的強(qiáng)弱。

試驗(yàn)結(jié)果和分析可知，電流頻率變化對(duì)電流di/dt值的影響和對(duì)電弧能量的影響成為影響開(kāi)斷的主要因素。由于電流頻率的升高，另一方面，由于頻率的升高，在相同電流值的前提下，di/dt值變大，使得電流過(guò)零時(shí)的時(shí)間更短，使得電弧能量未及時(shí)散失，弧隙電阻未升高到足夠大時(shí)便建立起反向電流，從而不利于電流的開(kāi)斷。

隨著電流頻率的升高，弧隙的開(kāi)斷能力時(shí)刻處于上述兩方面的作用之下。415Hz時(shí)，di/dt值的增大起到了主要的作用，使得接觸器的開(kāi)斷能力下降，因此590Hz時(shí)接觸器開(kāi)斷能力小于415Hz，而805Hz左右時(shí)，電弧能量起到了更大的作用，電弧能量對(duì)開(kāi)斷能力起到主導(dǎo)的作用，因而開(kāi)斷能力升高，805Hz時(shí)接觸器的開(kāi)端能力高于590Hz。

3 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析和實(shí)際工程分析，從航空接觸器的觸點(diǎn)溫升和開(kāi)斷能力等方面，對(duì)民機(jī)變頻供電體制下航空接觸器的特性進(jìn)行了研究，定性和定量的給出了變頻率供電隊(duì)航空接觸器的性能影響，對(duì)于民機(jī)變頻供電體制下配電系統(tǒng)研制和設(shè)計(jì)點(diǎn)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

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