飛機(jī)270V高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用分析

楊剛

摘? 要：隨著民用飛機(jī)多電化程度越來越高，270V高壓直流供電系統(tǒng)是先進(jìn)飛機(jī)電源系統(tǒng)的優(yōu)選方案。文章闡述了飛機(jī)270V高壓直流供電系統(tǒng)的構(gòu)成、性能、阻抗特性和部件選用要素，詳細(xì)分析了270V直流用電設(shè)備的應(yīng)用，對民用飛機(jī)正確地設(shè)計(jì)和應(yīng)用270V高壓直流供電系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī);270V;高壓直流;供電系統(tǒng)

中圖分類號：V242.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）36-0142-03

Abstract： With the increasing degree of multi-electricity of civil aircraft， 270V high-voltage DC power supply system is the preferred scheme of advanced aircraft power system. This paper expounds the composition， performance， impedance characteristics and component selection elements of the aircraft 270V high-voltage DC power supply system， and analyzes the application of 270V DC power equipment in detail， thus playing an important guiding role in the correct design and application of 270V High Voltage DC power supply system for civil aircraft.

Keywords： civil aircraft; 270V; high-voltage DC; power supply system

引言

多電飛機(jī)是全電飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)過渡過程，飛機(jī)原有的液壓、氣壓和機(jī)械系統(tǒng)由電力系統(tǒng)部分取代[1-2]。隨著多電化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，飛機(jī)電源系統(tǒng)的復(fù)雜化、機(jī)載電驅(qū)動(dòng)負(fù)載數(shù)量的增多、用電功率需求的增大，對多電飛機(jī)電氣系統(tǒng)的供電體制要求逐漸增高。相對于400Hz交流系統(tǒng)，270V高壓直流系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢[3]：（1）由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的變速交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電變換成270V直流電，從而省去了其他有關(guān)裝置，使得系統(tǒng)尺寸更小、重量更輕、效率更高，由此熱耗更低、燃料消耗減少。（2）大部分用電設(shè)備的供電電流最適合采用高壓直流。（3）能獲得更可靠而且更簡單的不間斷供電。（4）在常規(guī)的飛機(jī)電壓水平上，270V DC比400Hz AC對人體更安全。

采用270V高壓直流供電涉及到飛機(jī)供電體制的重大變革，包括發(fā)電、配電以及用電設(shè)備的根本性變化[4]。為了協(xié)調(diào)發(fā)電、配電以及用電設(shè)備的關(guān)系，規(guī)范它們之間的準(zhǔn)則，研究飛機(jī)270V高壓直流供電系統(tǒng)的應(yīng)用是非常必要和及時(shí)的。

1 飛機(jī)270V高壓直流供電系統(tǒng)構(gòu)成

飛機(jī)270V高壓直流供電系統(tǒng)是由經(jīng)特殊設(shè)計(jì)以滿足使用要求的各類電源與控制設(shè)備所組成。這些要求包括電氣性能、功率控制、電源/負(fù)載余度、部件/系統(tǒng)的可靠性和維修性。系統(tǒng)主要由以下部分構(gòu)成：（1）無刷直流發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)控

制器。（2）270V直流功率變換和調(diào)節(jié)。（3）270V直流配電（負(fù)載管理裝置和匯流條）。（4）功率開關(guān)裝置（接觸器、斷路器和功率控制器）。（5）270V直流用電（直接用電、直流變換器和變流器）。（6）功率控制處理器。

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 供電特性

應(yīng)包括飛機(jī)270V高壓直流系統(tǒng)（即發(fā)電、調(diào)節(jié)、配電、控制與用電設(shè)備）的全部性能要求，這些要求以符合GJB 181A-2003的供電接口和按照GJB 860確定電氣負(fù)載的方法為基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)起動(dòng)

當(dāng)系統(tǒng)處在不工作狀態(tài)，突然加上270V DC，這將引起一個(gè)短路電流對電容充電，該電流將是破壞性的。為了避免這種情況只能將系統(tǒng)電壓緩慢地加上去或者進(jìn)行“軟起動(dòng)”。起動(dòng)時(shí)間取決于系統(tǒng)的阻抗特性和接于系統(tǒng)上的設(shè)備的類型，必須與飛行中的關(guān)鍵設(shè)備允許中斷的時(shí)間協(xié)調(diào)一致。

2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件是系統(tǒng)所帶電阻性負(fù)載的功率一定要大于恒功率負(fù)載的功率。通過提高系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)態(tài)值或增加系統(tǒng)輸出濾波電容可以使得運(yùn)行條件有所改善。

2.4 故障保護(hù)

用于400Hz交流系統(tǒng)中的故障保護(hù)設(shè)計(jì)不能直接用于270V高壓直流系統(tǒng)。當(dāng)電感回路是開路時(shí)，沒有特殊的滅弧措施，直流電流不能使用機(jī)械跳開方法。即使電路可能呈現(xiàn)阻性，導(dǎo)線的小小電感也能引起破壞性的電壓。在270V高壓直流系統(tǒng)中，故障電流的產(chǎn)生非?？於页掷m(xù)時(shí)間也非常長。因此，需要額外考慮270V高壓直流系統(tǒng)的故障保護(hù)策略。

2.5 瞬態(tài)和閃電保護(hù)

發(fā)電和用電設(shè)備都必須對由于瞬態(tài)和閃電所造成的損壞或不能正常工作進(jìn)行保護(hù)。對控制導(dǎo)線進(jìn)行保護(hù)，應(yīng)使導(dǎo)線對瞬態(tài)干擾或閃擊具有最小的敏感度。隨著復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的增加，過去實(shí)用的保護(hù)（例如金屬結(jié)構(gòu)）已不再適用。因此，必須研究其他新型保護(hù)方法。在現(xiàn)有飛機(jī)上廣泛使用的一種保護(hù)方法是將控制和保護(hù)導(dǎo)線與其他所有導(dǎo)線分離開，這對瞬態(tài)保護(hù)非常有效，但是對閃電保護(hù)尤其是在復(fù)合結(jié)構(gòu)中卻無幫助。在敏感區(qū)域可根據(jù)需要采用金屬導(dǎo)管、單屏蔽或雙屏蔽或其它機(jī)械安裝的方法加以保護(hù)。

3 270V直流供電系統(tǒng)阻抗特性分析

電源、配電與負(fù)載的阻抗特性是影響供電系統(tǒng)性能的重要因素。270V直流供電系統(tǒng)阻抗特性包括：發(fā)電機(jī)通道電源阻抗特性、配電系統(tǒng)阻抗特性、二次電源阻抗特性。

3.1 發(fā)電機(jī)通道電源阻抗

270V直流系統(tǒng)電源阻抗分析主要針對發(fā)電機(jī)及功率變換的電源阻抗進(jìn)行，建立電源系統(tǒng)的線性模型，在其調(diào)壓點(diǎn)上，推出戴維南（Thevenin）等效電源阻抗轉(zhuǎn)換函數(shù)，并給出電源阻抗轉(zhuǎn)換函數(shù)極限值曲線。在發(fā)動(dòng)機(jī)典型轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機(jī)負(fù)載為正弦和脈沖負(fù)載時(shí)，且輸出不同的功率時(shí)測試電源阻抗，并與極限值進(jìn)行比較，判斷系統(tǒng)的特性。

3.2 配電系統(tǒng)阻抗

應(yīng)考慮最壞情況配電系統(tǒng)阻抗，包含電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)換元件（接觸器和固態(tài)功率控制器）的阻抗效應(yīng)，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)地回路阻抗。

3.3 二次電源阻抗

二次電源變換方式包括直流-直流變換、直流-交流逆變。直流-直流變換是一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換到另一個(gè)不同值的直流電壓的過程，轉(zhuǎn)變可以從270V直流下降到28V直流或從28V直流上升到270V直流。直流-交流逆變是將270V直流轉(zhuǎn)換到115V/400Hz交流的過程。這個(gè)交流電壓可能是單相或三相。在三相的情況下，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ谀孀兤髦行纬芍行跃€。一方面，對于270V直流電源，二次電源變換器是非線性負(fù)載，將給主電源帶來諧波電流，這會(huì)給270V直流電源系統(tǒng)帶來負(fù)面影響，甚至?xí)绊懫湔９ぷ?。另一方面，對?8V直流負(fù)載或者115V/400Hz交流負(fù)載，二次電源變換器是其供電電源，此電源阻抗直接影響對后級負(fù)載的供電特性。

4 部件選用要素考慮

4.1 發(fā)電系統(tǒng)

270V直流發(fā)電系統(tǒng)的功能性電源部件包括：（1）將機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為交流電功率的、由發(fā)動(dòng)機(jī)的齒輪箱驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。（2）用于變換交流輸出的電氣變換設(shè)備，直接或間接地調(diào)節(jié)直流電壓/電流，從而降低/控制整流電壓的脈動(dòng)分量和電磁干擾。

對于先進(jìn)飛機(jī)的應(yīng)用，多種發(fā)電機(jī)可供選擇，線繞轉(zhuǎn)子無刷發(fā)電機(jī)、使用高磁能永磁轉(zhuǎn)子的無刷發(fā)電機(jī)或具有固態(tài)轉(zhuǎn)子的開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。每個(gè)發(fā)電機(jī)都需要一套專用的電氣變換設(shè)備以提供270V DC功率，并符合GJB 181的要求。

對于線繞轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的電功率變換通常由整流裝置和濾波器來完成而與發(fā)電機(jī)無關(guān)。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流完成調(diào)節(jié)功能，從而達(dá)到控制發(fā)電機(jī)在整流之前輸出的交流電壓或者電流。對于永磁轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的電功率變換通常由整流、調(diào)節(jié)和濾波等裝置來完成，與發(fā)電機(jī)無關(guān)。開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的電功率變換不但要完成整流而且還要給電機(jī)提供激磁。

4.2 配電系統(tǒng)

270V DC功率的分配可以由裝于電源配電中心的270V DC匯流條進(jìn)行。為了提供冗余供電，建議至少應(yīng)有兩個(gè)配電裝置。270V DC一次電源應(yīng)由配電裝置中的功率控制器提供。低壓直流和交流變換裝置與低壓直流匯流條與交流匯流條一起設(shè)置在配電中心并向配電負(fù)荷供電。所有負(fù)荷到配電中心的連接饋線都應(yīng)使用電路保護(hù)裝置。

先進(jìn)飛機(jī)的電氣系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)分匯流條和負(fù)荷線路的保護(hù)和遙控，將使用包含局部功率匯流條和功率控制器的電負(fù)荷管理中心。電負(fù)荷管理中心利用遙控終端信息處理和數(shù)據(jù)總線為系統(tǒng)通訊，提供自動(dòng)管理和系統(tǒng)監(jiān)控。

4.3 保護(hù)和控制裝置

270V直流系統(tǒng)保護(hù)和控制裝置包括斷路器、繼電器/接觸器和功率控制器等，這些裝置需特定性能以適應(yīng)運(yùn)行于270V直流系統(tǒng)。因?yàn)樽钄嗟墓收想娏骶哂懈吣?，與傳統(tǒng)的用于28V DC或115/200V AC，400Hz的熔斷器和斷路器相比，270V DC電路的保護(hù)和控制裝置所阻斷的能量更多，且體積更大、重量更重。

因?yàn)楦吖β?能量水平的直流電流的流動(dòng)，270V DC系統(tǒng)比傳統(tǒng)的28V DC或115/200V AC、400Hz系統(tǒng)更易損壞電感負(fù)荷。因此，盡可能的保持低電感是非常重要的，建議每個(gè)負(fù)荷元件抑制其電感，并盡可能靠近輸入端。然而，實(shí)際功率系統(tǒng)和部件有感性元件，并且在有些情形下，電感不能被緩沖。對于這些情況，270V DC功率系統(tǒng)的開關(guān)裝置需要開關(guān)感性負(fù)荷并限制相關(guān)的系統(tǒng)的過壓。

5 270V直流用電設(shè)備應(yīng)用分析

5.1 功能和類型

根據(jù)用電設(shè)備使用類型不同，270V供電系統(tǒng)直流用電一般分為直接用電、變換用電和變流用電。其中直接用電是指270V不經(jīng)任何中間變換直接施加到用電設(shè)備的終端。變換用電是將270V變換成其它水平的直流電壓。變流用電，將270V直流電壓變成某個(gè)水平的交流電，通常是115V/400Hz交流電壓。

5.2 對用電設(shè)備的應(yīng)用分析

為了與270V直流電源和配電系統(tǒng)的規(guī)定相容，270V直流供電系統(tǒng)的接口特性對采用270V直流供電設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下要求。

5.2.1 直流脈動(dòng)電流要求

應(yīng)明確每個(gè)負(fù)載的脈動(dòng)電流要求。在由一個(gè)低阻抗無脈動(dòng)的電壓源供電時(shí)，負(fù)載設(shè)備吸取的連續(xù)電流應(yīng)為：其帶有的總脈動(dòng)含量不超過1000A-Hz當(dāng)量值?？偯}動(dòng)含量與電源要求的平均直流電流無關(guān)，定義如下：

式中：In-單個(gè)脈動(dòng)的幅值，即峰值電流;Fn-單個(gè)諧波的頻率。

5.2.2 用電輸入電流浪涌/恢復(fù)要求

瞬時(shí)輸入電流應(yīng)不大于用電設(shè)備額定輸入電流的4倍，且應(yīng)在10ms之內(nèi)回落到小于或等于額定輸入電流。

5.2.3 用電設(shè)備直流/交流對地隔離要求

每項(xiàng)用電設(shè)備的直流電源輸入線和回線在接口處對飛機(jī)地線的絕緣電阻在500V直流下應(yīng)不小于10MΩ。在1kHz下測得的每項(xiàng)用電設(shè)備交流電源輸入線和回線在接口處對地泄漏電容應(yīng)不大于0.005μf/kW，且最大應(yīng)不大于0.1μf。

5.2.4 用電設(shè)備輸入/輸出隔離要求

每項(xiàng)用電設(shè)備的直流電源輸入線和回線，對功率變換設(shè)備輸出線的絕緣電阻在500V直流下應(yīng)不小于10MΩ。

5.2.5 用電設(shè)備保護(hù)要求

應(yīng)按規(guī)定的供電輸入極限在用電設(shè)備內(nèi)提供內(nèi)置保護(hù)。在匯流條轉(zhuǎn)換或非正常過程后，用電設(shè)備應(yīng)無故障地自動(dòng)重新起動(dòng)。在用電設(shè)備詳細(xì)規(guī)范中應(yīng)規(guī)定用電設(shè)備具有承受非正常斷路或非正常工作狀態(tài)的能力。

5.2.6 功率要求

應(yīng)明確用電設(shè)備的5s最大功率、5min最大功率及連續(xù)功率要求。

5.2.7 功率控制處理器的應(yīng)用

功率控制處理器（Power control processor， PCP）提供飛機(jī)供電系統(tǒng)的全部管理。通過數(shù)據(jù)總線使飛機(jī)供電系統(tǒng)的各個(gè)部件和機(jī)上其他控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。PCP將同連接于電源系統(tǒng)里具有數(shù)字通訊或數(shù)字控制能力的各個(gè)部件一起工作。同時(shí)將接收來自各個(gè)負(fù)荷管理裝置上功率開關(guān)裝置的狀態(tài)，控制負(fù)荷接通或斷開。為了降低數(shù)據(jù)總線上的負(fù)荷，功率開關(guān)裝置的時(shí)間-電流曲線編程和功率開關(guān)裝置的跳閘時(shí)間協(xié)調(diào)將通過負(fù)荷管理裝置來完成。PCP中的程序?qū)⒎从硡R流條保護(hù)的基本原理，而且為了反映不同的飛行狀態(tài)，卸載優(yōu)先權(quán)可以通過飛機(jī)上的其它計(jì)算機(jī)來改變。PCP經(jīng)由飛機(jī)數(shù)據(jù)總線使供電系統(tǒng)和飛機(jī)其它系統(tǒng)通訊。通訊時(shí)間和信息長度按照最小數(shù)據(jù)總線負(fù)荷的原則來設(shè)計(jì)。如果供電系統(tǒng)復(fù)雜，最好由PCP經(jīng)專門數(shù)據(jù)總線與供電系統(tǒng)通訊且經(jīng)飛機(jī)數(shù)據(jù)總線到飛機(jī)。

6 結(jié)束語

飛機(jī)270V高壓直流供電系統(tǒng)在我國還是一個(gè)全新的系統(tǒng)，總體處于起步階段。本文對飛機(jī)270V高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用問題展開研究，針對270V高壓直流供電系統(tǒng)的構(gòu)成、性能、阻抗特性、部件選用要素、用電設(shè)備的應(yīng)用等方面進(jìn)行了闡述和分析。有助于在新型飛機(jī)研制過程中正確地設(shè)計(jì)和應(yīng)用270V高壓直流供電系統(tǒng)，對縮短研制周期、降低研制費(fèi)用、減少不必要的反復(fù)將起到一定的指導(dǎo)作用。

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