劉湛　孫莉

【摘 要】電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，越來(lái)越多的電氣設(shè)備被應(yīng)用于民用飛機(jī)中，基于民用飛機(jī)電網(wǎng)的特殊要求，可以有效抑制諧波的多脈沖整流技術(shù)在民用飛機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。本文闡述了多種多脈沖整流方案的特點(diǎn)和工作原理，可以指導(dǎo)在不同需求下對(duì)多脈沖整流方案的篩選。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；高壓直流；變壓整流器；多脈沖

0 概述

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的電力電子器件被用于民用飛機(jī)上。因?yàn)樵O(shè)備的非線性的特征，造成了網(wǎng)側(cè)電流的畸變，影響民用飛機(jī)的電源品質(zhì)，降低了負(fù)載的電磁兼容性能，危害電網(wǎng)中的其他的設(shè)備。民用飛機(jī)的二次能源包括液壓能、氣壓能和電能，這就要求民用飛機(jī)上必須安裝液壓泵、壓氣機(jī)、燃料泵等，造成了飛機(jī)上空間復(fù)雜緊張，維護(hù)難度高，再者液、氣壓的裝置本身存在的低可靠性、易泄露、難維護(hù)等特點(diǎn)大大降低民用飛機(jī)的整體可靠性和安全性。而電能傳輸容易，控制精確的優(yōu)勢(shì)，使得國(guó)內(nèi)外都將目光聚焦在加大電能在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍，大力發(fā)展多電飛機(jī)（MEA）和全電飛機(jī)（AEA）。隨著多電技術(shù)的發(fā)展，電能在民用飛機(jī)上占據(jù)越來(lái)越高的比例，在國(guó)外先進(jìn)的民用飛機(jī)中。多電技術(shù)在民機(jī)領(lǐng)域的廣泛使用必將對(duì)飛機(jī)電源提出更嚴(yán)苛的要求。

1 民用飛機(jī)電源系統(tǒng)的發(fā)展

飛機(jī)的一次電源即主電源經(jīng)歷了低壓直流、恒速恒頻交流、變速恒頻交流、高壓直流以及混合電源。低高壓直流電源系統(tǒng)得益于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，解決了其初期存在的開(kāi)關(guān)斷弧和有刷電機(jī)換向惡劣的缺點(diǎn) ，大大提高了無(wú)刷發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，減小了電機(jī)的重量體積。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高。易于民用飛機(jī)供電系統(tǒng)的冗余和不間斷供電的需求，提高了電氣系統(tǒng)的可靠性，提高機(jī)載二次電源的功率密度。目前已廣泛應(yīng)用于軍機(jī)，如RAH-66直升機(jī)和F-22戰(zhàn)斗機(jī)，在民用飛機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用還有待進(jìn)一步發(fā)展。

目前民用飛機(jī)發(fā)電機(jī)基本還是采用三相交流電機(jī)，而飛機(jī)上存在很多的直流用電設(shè)備，比如照明設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置、繼電器的控制線圈等。所以需要機(jī)上有大量的整流裝置，民用飛機(jī)電網(wǎng)受其本身特殊性的影響對(duì)機(jī)載電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波有很嚴(yán)格的要求。飛機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換成高壓直流或者低壓直流電。比如在國(guó)外某大型客機(jī)中，整流變換器處理的功率占飛機(jī)總功率的60%以上。在諧波的污染源中整流裝置占最大的比例，傳統(tǒng)的三相二極管整流電路會(huì)向飛機(jī)電網(wǎng)注入大量的諧波，嚴(yán)重危害飛機(jī)電網(wǎng)。

2 多脈沖變壓整流器

交直流變流機(jī)和變壓整流器都可以產(chǎn)生機(jī)載二次電源，而相對(duì)于變流機(jī)，整流器無(wú)活動(dòng)部件，無(wú)換向火花，噪音低，功率高，所以得到了廣泛使用。而傳統(tǒng)方案中二極管不控整流技術(shù)的輸入電流諧波含量（THD）達(dá)到了31.08%，嚴(yán)重污染飛機(jī)電網(wǎng)，影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常工作以及壽命。多脈沖整流技術(shù)因其低諧波含量，高功率因數(shù)，強(qiáng)過(guò)載能力以及超強(qiáng)的穩(wěn)定性在目前的機(jī)載電源系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)機(jī)載電源系統(tǒng)低壓28V和高壓270V的不同需求，分別可采用十二脈沖變壓整流器和十八脈沖自耦變壓整流器。

2.1 12脈沖變壓整流器

表1 不同連接方式的三相整流器性能對(duì)比

鑒于傳統(tǒng)不控二極管整流方案的缺陷，為解決這個(gè)問(wèn)題，20世紀(jì)70年代，提出了多脈沖整流的概念，通過(guò)將整流器的輸入電流疊加，以消除相應(yīng)次數(shù)的諧波，如12脈沖變壓蒸餾器的輸入電流僅含有12±1次諧波。表1是按照線路的連接方式不同，對(duì)變壓整流器進(jìn)行了分類即Y/Y連接的三相橋式整流，Y/Y連接的三相半波整流，Y/ΔY和Δ/Y、Y/Y六相整流以及十二脈沖整流，并列出了各拓?fù)涞年P(guān)鍵參數(shù)。

由表1可得，相較于Y/Y連接的三相橋式整流，Y/Y連接的三相半波整流，Y/ΔY和Δ/Y、Y/Y六相整流三類方案，12脈沖整流方案的二極管導(dǎo)通角最大，磁芯繞組的利用率最高，輸出電壓脈動(dòng)最小，諧波含量最低，所以在民機(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在B787和A380飛機(jī)中都有大量的多脈沖整流裝置。

自耦變壓整流器相較于隔離變壓器體積更小，效率更高，在無(wú)需電氣隔離的場(chǎng)合有明顯優(yōu)勢(shì)。目前民用飛機(jī)中常用的自耦變壓整流器主要包括12脈沖自耦變壓整流器，18脈沖自耦變壓整流器。在諧波含量需求更嚴(yán)苛的情況下甚至還有24脈沖、30脈沖自耦變壓整流器。在綜合考慮變壓器繞制復(fù)雜度以及諧波需求的情況下，選擇何種自耦變壓整流器。

如圖1所示就是12脈沖變壓整流器的拓?fù)鋱D，主變壓器采用三相三繞組，原邊繞組為星形，副邊有兩個(gè)繞組，分別為三角形和星形，三組繞組的匝比為1：1：■，可產(chǎn)生相電壓相同的三組電壓，但副邊三角形繞組的相電壓相位超前星形繞組的相電壓30°，所以兩組整流橋的輸出線電壓相位也依次相差30°，電壓有效值相等，滿足兩路并聯(lián)供電向負(fù)載供電的條件。由于兩組整流橋的輸出線電壓的瞬時(shí)值相位相差30°，故而瞬時(shí)值不相等，所以在兩組整流橋之間加上平衡電抗器，以實(shí)現(xiàn)兩組整流橋的并聯(lián)均流。這樣每個(gè)整流橋只傳輸50%的負(fù)載電流，故適用于于大電流場(chǎng)合。

圖1 12脈沖變壓整流器

通過(guò)兩路的移相功能，實(shí)現(xiàn)輸入電流除12±1次諧波的消除，大大降低了網(wǎng)側(cè)的THD值。同理，通過(guò)一次相移為20°的三組變壓器可構(gòu)成18脈沖整流器，使得輸入電流僅含18±1次諧波。以此類推，可以構(gòu)建n個(gè)相位差π/3n的變壓器給n個(gè)三相整流橋供電，使網(wǎng)側(cè)輸入電流只含有6nk±1次諧波（k為正整數(shù)），其中各次諧波的有效值與次數(shù)成反比。

2.2 18脈沖自耦變壓整流器

18脈沖自耦變壓整流器按整流橋的處理功率不同分為對(duì)稱式和不對(duì)稱式，不對(duì)稱式相較于前者變壓器等效容量小，無(wú)需平衡電抗器等附件，所以在民用飛機(jī)上應(yīng)用的更多。

如圖2所示就是不對(duì)稱式18脈沖自耦變壓整流器的拓?fù)鋱D。采用一個(gè)三相磁芯，每個(gè)磁芯繞有5組繞組，原副邊并不電氣隔離，所以相對(duì)于隔離式的變壓整流器，具有更高的工作效率，能達(dá)到97%以上。三組三相整流橋分別為一組主橋和兩組輔橋，主橋?yàn)槿噍斎腚妷褐苯虞斎耄瑑山M輔橋是由自耦變壓器分別注入滯后和超前電壓，相位差為37°，幅值為主橋電壓的0.767。

任意時(shí)刻，三組整流橋輸入為三組三相相位差20°，等幅值的線電壓。其中主橋三相兩兩組合成三組主線電壓，每個(gè)二極管導(dǎo)通80°，主橋和滯后或者超前電壓組成六組復(fù)合線電壓，每個(gè)線電壓?jiǎn)沃芷趦?nèi)導(dǎo)通20°，所以輔橋每個(gè)二極管單周期內(nèi)導(dǎo)通20°，在選擇整流橋的二極管時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作功率選擇合適的二極管。

通過(guò)3組整流橋的移相，電流波形疊加，18脈沖自耦變壓整流器向網(wǎng)側(cè)注入的電流諧波僅含有18±1次諧波。諧波含量的理論值為10.11%。

3 結(jié)論

針對(duì)民用飛機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合，介紹了應(yīng)用較為廣闊的變壓整流技術(shù)，分析了不同變壓整流器之間的效率、諧波含量差異，著重?cái)⑹隽俗顬槌Ｒ?jiàn)的12脈沖變壓整流器和18脈沖自耦變壓整流器的工作原理和優(yōu)勢(shì)，給不同應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì)整流器的選用提供了參考。

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