航空變壓整流器的研究

李征燕，董恩生，李娟娟

（空軍航空大學 航空作戰(zhàn)勤務學院，吉林 長春 130022）

0 引 言

目前，現役中的大型飛機上，主電源普遍采用恒速恒頻交流電源系統(tǒng)。在采用交流電源為主電源的飛機上，為了給無線電通信、雷達、控制與保護裝置以及直流電動機等直流用電設備供電，二次交直電源是必不可少的。飛機上直流用電設備的功率，一般占交流消耗功率的5%～10%，所占比例較小。但是，飛機上直流用電設備比較多，而且對某些設備或系統(tǒng)的工作可靠性起著決定性作用。因此，二次交直電源是交流主電源飛機供電系統(tǒng)中的重要組成部分[1]。

在飛機主交流供電系統(tǒng)中，二次交直電源一般采用不同形式的變壓整流器完成電能的變換。變壓整流器（Transformer Rectifier Unit，TRU）是用于將115/200 V、400 Hz或變頻交流電轉變?yōu)?8 V直流電，為直流用電設備供電[2]。

1 變壓整流器的性能指標

1.1 衡量指標

航空變壓整流器質量的好壞，除了用對一般航空設備的要求來衡量外，還必須考慮一些其他指標。航空變壓整流器主要要求輸出電壓波形質量高，整流效率足夠高，因此先分析它的衡量指標。

1.1.1 電壓調整率

電壓調整率表示整流器輸出電壓的調整程度。電壓調整率Δu為：

式中，Ud0為整流器空載時輸出的直流電壓；Ude為額定負載Ide時整流器輸出的直流電壓。

電壓調整率大小反映了負載電流的變化對整流器輸出直流電壓的影響。電壓調整率越小，則說明負載電流Id的變化對整流器輸出直流電壓Ud的影響越小，供電質量越高[1]。

1.1.2 整流電壓的脈沖程度

整流就是將交流電轉換成直流電，為負載提供平穩(wěn)的直流電壓或電流。但實際上整流電路輸出的直流電壓卻是脈動的，流過負載的電流也是脈動的，其中包括了不少的交流分量。通常情況下，用紋波因數來表示負載上電壓或電流的脈動程度。紋波因數的大小與整流電路輸出電壓一個周期內的脈波數m有關。表1中給出了不同脈波數m下，整流電路的紋波因數值[3]。

表1 不同脈波數m時的紋波因數值

從表可以看出，m=2時，紋波因數是48.200%，這說明單相全波整流電路（2脈波整流電路）的紋波因數是48.200%，三相橋式整流電路是6脈波整流電路，其紋波因數為4.180%。通過上表可以看出，脈波數m越大，則紋波因數越小，說明整流器供電質量就越高。

1.1.3 變壓整流器的整流系數

變壓整流器的整流系數用Kz來表示，即：

式中，Udp為整流電壓的平均值；E2為變壓器副邊繞組交流電壓有效值。

在m相半波整流電路中，m不同，整流系數也不同。在三相半波整流電路中，整流系數為1.17，使用3個整流元件；在六相半波整流電路中，整流系數為1.35，使用4個整流元件[3]。在m相半波整流電路中，相數越多，整流系數越高，而且相數越多，使用的整流元件也越多。但是，當m很大時，Kz卻增加的并不多，這說明過多地用增加相數的方法來增大整流系數的意義并不大，所以一般不采用這種方法來提高輸出的直流電壓。

1.1.4 變壓整流器的效率

飛機上直流用電設備的功率一般占用交流電功率的5%～10%。單臺變壓整流器的額定電流一般為數十安培到100～200 A[4]。通常情況下，在飛機上都有多臺變壓整流器。對于這樣大功率的整流設備而言，整流效率是衡量TRU質量好壞的重要指標之一。變壓整流器的總效率用η來表示：

這樣：

一般來說，變壓整流器的效率都在80%以上，它損耗的功率以發(fā)熱的形式消耗掉，所以在飛機上一般以強迫通風進行冷卻。

1.1.5 變壓整流器的利用程度

變壓整流器的利用程度通常用變壓器繞組的利用系數K來表示，它指的是直流輸出功率與視在功率之比。變壓器原邊繞組的利用系數K1與副邊繞組的利用系數K2是不同的。K1和K2越大，表示變壓器利用得越好。

以上這些衡量指標應根據飛機的具體需要而定。另外，在運行的過程中，要求變壓整流器具有一定的過載能力[5]。例如，在150%額定負載時應工作5 min，有的則要求能用于起動輔助動力裝置的發(fā)動機，該發(fā)動機裝有直流電力起動電機。對飛機交流電源來說，變壓整流器是一個功率較大的負載，它的工作應不影響或較少影響交流電源的電能品質，變壓整流器還應有小的體積和質量。

1.2 外特性

變壓整流器的外特性指的是輸出直流電壓與負載的關系，是變壓整流器的重要特性之一，其表示如下：

由于變壓器和整流元件的特性實際上并不是理想的，所以變壓整流器整流后的輸出電壓是隨著負載的增大而下降的。這主要是受以下幾個原因所造成的。

一是變壓器繞組電阻對整流電路輸出電壓的影響。由于變壓器原、副邊繞組都有一定的電阻，因此會使整流電路的輸出電壓有所下降。當變壓整流器的聯接形式一定時，變壓器電阻壓降所引起的輸出電壓的下降值，即電阻壓降ΔUR與整流電路的輸出電流Id成正比。

二是變壓器的漏電抗對整流電路輸出電壓的影響?？紤]了變壓器的漏抗后，也會使整流電路輸出的整流電壓下降。當變壓器漏電感越大、電源頻率越高以及換相的電流越大時，換相重疊的時間就越長，整流電路輸出電壓的下降也越大。當變壓整流器的連接形式一定時，由于變壓器漏電感而使輸出電壓的下降稱為換相壓降，用ΔUd表示。

以三相半波整流電路為例，假設變壓器繞組的總漏感為LB，漏感為LB的變壓器每相折算到二次側的漏抗為XB，且XB=ωLB。通過分析，可求得：

同理，可求出三相橋式整流電路中，ΔUd與Id的表達式為：

采用同樣的方法可以求出其他整流電路中，ΔUd與Id的關系式。通過分析可知，當變壓整流器的連接形式一定時，無論采用哪種整流電路，ΔUd是Id的函數，換相壓降ΔUd與整流電路的輸出電流Id成正比。Id越大，ΔUd就越大。

三是整流元件的壓降對整流電路輸出電壓的影響。假設整流元件是理想元件，理想元件的管壓降為零，對整流電路的輸出電壓也就沒有影響。但是整流元件并不是理想元件，而是存在一定的壓降，這就會使整流電路輸出的直流電壓有所降低。整流元件引起直流電壓的降低量用ΔUa來表示，它就等于整流電路輸出電流流經各整流元件所產生的壓降之和。當變壓整流器的連接形式一定時，在任何瞬間，整流電路中輸出電流流經的整流元件數量也一定，假設用n來表示。同時，假設整流元件導通時，它的管壓降為ΔUVD。由此可得：

通過上面的分析可知，如果變壓整流器在空載時的輸出電壓為Ud0，則在帶負載時的輸出電壓Ud為：

變壓整流器的外特性如圖1所示。

由外特性曲線可以看出，外特性是隨著負載的增大而逐漸下降的曲線。為了減小外特性的下傾程度，不僅要正確地選擇變壓整流器的聯接線路外，而且還應該盡量減少變壓器繞組的電阻和漏電感。

變壓整流器的外特性除了與上述的因素有關外，還受到輸入交流電壓大小的影響，而且輸入電壓對外特性的影響是比較大的。為了減小變壓器交流電壓的變化，變壓整流器一般接在主交流匯流條上。此外，由于變壓整流器電壓變化大，因此一般不采用并聯工作。在需要并聯時，變壓整流器的輸出端應接有反流保護器。

2 變壓整流器實例

2.1 變壓整流器的組成

飛機上使用的變壓整流器通常由輸入濾波器、降壓變壓器、二極管整流電路以及輸出濾波器等構成，有的變壓整流器還有冷卻風扇和過熱保護電路等[6]。某型飛機上變壓整流器的組成方塊如圖2所示。

2.1.1 變壓器

變壓器將200 V的交流電壓變換成所需電壓。變壓器的重量占整個變壓整流器裝置總重量的一半，因此設法減輕變壓器的重量成為減輕整個裝置重量的關鍵。變壓器的原邊繞組采用“星”形聯接，鐵心使用的是“E”形截面?！癊”形截面鐵心與“Y”形相比有很多優(yōu)點，如通風性能好、冷卻效果顯著、鐵芯各截面的不均勻間隙小、特性較好以及不易產生磁噪聲等。

在鐵心形狀一定的情況下，可以通過提高最大磁通密度以減少材料用量，從而減輕重量。但磁通密度的增大，將引起磁噪聲的增大和性能的降低。減輕變壓器重量的另外一些措施是從絕緣材料、導電材料以及加工方法等來減輕繞組重量。

2.1.2 整流電路

變壓整流器中的整流電路一般采用由二極管構成的不可控整流電路，將交流電能變換成直流電能。不可控整流電路中使用的整流元件是電力二極管，它采用的主要材料是硅。電力二極管是變壓整流器中最主要的部件之一，它的好壞不僅影響工作性能，而且影響其工作的可靠性，因此整流元件必須經過嚴格篩選。

2.1.3 濾波電路

整流電路輸出的直流電是脈動的。為了降低變壓整流器輸出直流電的脈動程度，獲得比較平滑的直流電壓，在變壓整流器的輸出端都設置有輸出濾波電路。

變壓整流器對飛機交流電源來說是非線性負載，它的工作會使電源電壓波形將發(fā)生畸變，有時甚至出現波形斷裂現象。為了減小變壓整流器對電源電壓的影響，一般在變壓整流器的輸入端設置有輸入濾波電路。輸入濾波器通常為L型或π型LC濾波器，主要用于減小變壓整流器工作時對交流電源的影響。

2.1.4 冷卻風扇

通風效果好就可以減輕變壓器的重量，此外整流電路中使用的二極管功耗很大且發(fā)熱，因此在變壓整流器中還設置了冷卻風扇。冷卻風扇是用主電源（200 V、400 Hz）供電的交流電動機驅動的電風扇，其是變壓整流器中唯一的旋轉部件，從可靠性的方面來看，它是最易產生故障的部件。

2.2 變壓整流器的工作原理

本文給出一種實際變壓整流器的工作原理。它的輸入電壓為三相交流電，交流電的頻率是400 Hz，輸入額定電壓為115/200 V，額定輸出直流電壓是28.5 V。變壓整流器在地面時用內裝的風扇進行空氣散熱，飛行中用附加吹風散熱。輸入的三相交流電經過輸入串聯LC濾波器，可以有效地抑制電網諧波，提高交流電質量。濾波后的交流電經過變壓器降壓后作為整流電路的輸入電壓。

根據變壓器和整流電路的線路連接方式以及整流電路的不同類型，變壓整流器可以分為三相半波整流、三相橋式整流、六相半波整流以及六相全波整流等幾種基本類型。變壓器和整流器的連接線路對整流電路輸出電壓脈動的幅值、波形以及脈動的頻率都有影響。本文介紹的變壓整流器，采用的整流電路原理如圖3所示。

這種變壓整流器中采用的是帶平衡電抗器的不可控整流電路。這個電路是兩組三相橋式二極管整流電路的并聯，并且在這種并聯電路中必須采用平衡電抗器LP。平衡電抗器LP使兩組三相橋式二極管整流電路同時導電。帶平衡電抗器的不可控整流電路是兩組三相橋式二極管整流電路的并聯，所以它的輸出直流電壓在一個周期內脈動12次，輸出電壓是十二脈波的，因此這個電路也稱為十二脈波整流電路。與三相橋式二極管整流電路相比，帶平衡電抗器的不可控整流電路，輸出電壓的脈動頻率增大了，脈動程度減小了，諧波含量降低了[7]。經過輸出濾波電路后，輸出的直流電壓變得更平滑。帶平衡電抗器的不可控整流電路不僅輸出直流電壓脈動小，而且輸入電流的波形比較接近正弦波，可減小輸入濾波電路。此外，在實際的變壓整流器中，為了保護整流元件，在二極管的兩端并聯一個電容器，起到過電壓保護的作用。

4 變壓整流器的優(yōu)缺點及其發(fā)展

典型的變壓整流器主要由三相降壓變壓器和三相二極管不可控整流電路組成。這種TRU的輸出電壓不能調節(jié)，且輸出電壓受負載和電源電壓的影響較大，另外體積質量也較大[8]。這些是典型的變壓整流器無法解決的問題，因此隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，出現了電子式變壓整流器[9]。

實際上，電子式變壓整流器是一種帶隔離的直流變換器，它需要通過整流→濾波→逆變→整流→濾波的過程實現[10]。在電子式變壓整流器中，由于高頻逆變器輸出交流電的頻率較高，因此降壓變壓器的體積小重量輕，另外逆變器可以調節(jié)輸出直流電壓的幅值，因此在電子式變壓整流器中，輸出電壓不受交流電源電壓和負載的影響。很顯然，電子式變壓整流器解決了典型的變壓整流器無法解決的一些問題。正是因為電子式變壓整流器沒有典型的變壓整流器的缺點，而且它還具有穩(wěn)壓精度高和效率高等優(yōu)點，因此目前已經裝機使用。

A380飛機上已經開始應用具有輸出電壓調節(jié)功能的變壓整流器，采用了3臺300 A充電器/變壓整流器。充電器/變壓整流器是雙功能二次電源，一是給蓄電池充電，二是充電結束后轉換為變壓整流器。由于其作充電器時電流可控，因此作變壓整流器時輸出電壓也可調節(jié)到額定直流電流28 V。A380飛機的電源可分成3個獨立的電源組，每個電源組中有一臺充電器/變壓整流器將交流電轉換為符合要求的直流電，以供負載使用。

5 結 論

變壓整流器主要用在以交流電源為主電源的中大型飛機上。本文給出了一種實際使用的變壓整流器的工作原理。與傳統(tǒng)的三相和六相整流電路相比，它所采用的整流電路可有效降低輸入電流中的諧波含量，其輸出電壓脈動頻率大，脈動的幅值小，提高了變壓整流器的整流質量，能夠為用電設備提供高質量的電能。文章最后分析了典型的變壓整流器優(yōu)缺點，同時對變壓整流器未來的發(fā)展方向進行了展望。將來，電子式變壓整流器將逐漸取代典型的變壓整流器。