民用飞机变频交流配电方案下的燃油系统供油泵的权衡研究

（上海飞机设计研究院，上海 201210）

对于民用飞机上安装的各类系统的用电设备，为它们供电的源头是航空发动机。航空发动机在工作产生推力的同时，输出了一部分轴功率带动发电机工作为飞机上各系统、设备提供电力供应。而发电机工作状态和发动机转速有直接关系，发动机在最大状态和慢车状态下的转速比大约为2：1，导致发电机的工作状态也在一个大范围内宽幅变化。传统飞机的系统、设备一般使用恒频交流电，以将来自发动机的变频能量输入电源转换为机载设备可用的恒频电。传统飞机供电一般有两种解决方案：集成驱动发电机（Integrated Drive Generator，IDG）或者可变恒速转换器（Variable Speed Constant Frequency converters，VSCF)。两种方案所存在的问题是其电源、配电调节系统设计的复杂化，以及其恶劣的工作环境导致系统可靠性降低。

随着航空技术的发展，自上世纪90年代开始，新一代民用飞机开始采用变频电源为各系统、设备供电，即允许电源频率随发动机工作状态变化而变化。供电频率由传统的恒定400 Hz调整为350 Hz~800 Hz。这不仅对燃油系统主供油泵的设计带来了挑战，也增加了供油系统构架和设计点选择的设计和匹配难度。本文对变频交流供电架构下燃油泵的解决方案进行了讨论。

1 变频交流供电带来的挑战

传统的飞机燃油系统使用恒频交流泵作为主燃油泵。这种类型的恒频交流泵具有独立的转子和定子，转子在变化的磁场产生扭矩持续转动。电机设计原理简单、工作可靠、稳定性好。同时，恒频交流泵还具有效率高，功率因子固定、电功率固定，便于系统设计点选择等优势，且其启动瞬时电流低，具有较好的干转特性。因此，这类恒频交流泵在航空领域内获得大量应用。其典型的工作特性线如图1所示。

图1典型恒频交流泵工作特性

如采用变频交流电源供电，对燃油系统设计带来的挑战可以分为两个层次：部件设计层和系统设计层。

对于燃油泵，变频电源导致的最大的问题是电动机的工作状态会随着供电频率在一个很大范围内变化。如何优化电机设计使整个转速和负载范围内提供足够且必要的扭矩而不导致额外的大幅重量增加，是部件级层面的关键技术。

在燃油系统设计层面，问题焦点在于如何在综合考虑效率、重量、可靠性、电功率、电磁防护、散热量等不同因素的情况下对不同类型的解决方案进行权衡研究，并且就设计点的选择进行优化研究。

2 高滑差感应变频解决方案

首先考虑的是能否实现一种电机设计，使得其转子在不同频率范围内的转速变化尽可能的小，以降低高频和低频情况下性能和功率消耗的差别。高滑差感应变频电机就是在这种思路下应运而生。

设备主要包括两个组件：定子和转子。转子在定子所产生的磁场作用下产生扭矩持续转动。在实际情况中，转子旋转的速度总是滞后于磁场变换的速度（又名同步转速），这个速度差使转子可以切割磁感线并产生有效扭矩。典型的电机转速-扭矩图如图2所示。滑差所指的即是同步转速和转子转动速度之间的差值，通常通过转速或者频率的百分比进行标识。

式中：S代表滑差；ns是同步转速；na是转子旋转速度。

图2电机转速-扭矩图

很明显，高滑差方案降低了高频情况下的转子转速，同时提高na了转子扭矩，进而实现了减少功率消耗的作用。

诚然，高滑差方案的部件设计也存在诸多关键技术。其一是由于燃油箱内工作环境恶劣，且存在一定外来物污染损伤泵体的可能，通常燃油泵设计时需要考虑外来物吸入造成转子卡滞导致燃油泵温度急速上升的情况。为了避免燃油泵转子卡滞超温，标准的做法是设置专用的热熔断丝在预设的超温情况下熔断以切断供电。但是，高滑差方案在低频时转子的堵转电流很高，在高频时的转子堵转电流又比较小，如热熔断丝以低频状态作为设计点，在高频情况下热熔断丝通常难以熔断跳闸起到保护作用，而以高频作为设计点，又会限制泵在低频情况下的干转能力。

此外，高滑差方案的使用还存在以下一些问题：

第一，变频转子设计导致的增重；

第二，在高/低频率下功率因数和转子效率较低；

第三，与恒频泵相比电功率较高；

第四，干转能力受限；

第五，频率变化导致的性能变化较大；

第六，全频率范围内断路器跳开点漂移。

从系统层面，尽管从特性线上来看，高滑差方案使得其高频特性线更接近低频（如图3所示），但不同频率之间仍存在很大差异。这表现为燃油泵的供油流量和压力在发动机慢车和最大状态下差异巨大，如果将泵的选型设计点定得过低，其在高频情况下能力就远大于实际所需，造成了功率和重量上的巨大浪费。因此，实际选择设计点时可能要做出某些妥协，牺牲一些极端情况下系统的性能来提高全包线范围内的工作经济性。另一方面，针对低频时可能出现的功率因数过低的情况，还需要对发电机和配电设备进行相应扩容优化以避免对飞机供电系统的不利影响。综上所述，对于高滑差感应方案，如何选择其选型设计点需要进行精细的系统级乃至飞机级权衡研究。

图3高滑差感应变频泵工作特性线

3 无刷电控直流解决方案

鉴于高滑差感应变频电机方案在低频下可能出现非常低的功率因数的情况，如果系统对于燃油泵本身具有大功率的要求，高滑差感应变频电机方案在低频或者高频的性能无法满足设计要求。亦或为了实现这些极端情况的油泵性能，可能导致的飞机发电和配电布线方面的重量和可靠性损失非常大。在这种情况下无刷电控直流电机方案是一种比较好的替代方案。

无刷电控直流方案的目标是通过一个电子转换器ECU将变频交流供电转换为直流供电，以实现电机在各种频率范围内转速一致以保持工作特性线和功率因数恒定。ECU包括一个供电接头、自耦合变压器和整流器、滤波器、三相电桥、电机位置控制器等逻辑控制单元。原理图如图4所示。

图4无刷电控直流方案原理图

其工作原理是，转换器将变频交流供电转换为直流供电，并起到电磁防护和调节启动电流峰值的作用。电机定子部分是由永磁级组成，磁场保持不变。转子在转动过程中，采用位置传感器来监测转子相对于定子的旋转角度，相关信息反馈给控制器以根据转子位置实时调整三相电流的配置以实现转子的持续转动。

这套方案可以实现在整个频率范围内工作特性线基本不变，功率消耗基本恒定。劣势是复杂的控制系统增加了部件重量，且由于电子设备所处的工作环境恶劣，导致设备的可靠性有较大程度的下降。

4 综合对比

综上所述，对两种解决方案和传统方案的对比如表1所示。仅从燃油系统设计的角度考虑，使用传统的恒频交流泵是最优方案，具有效率高，可靠性好的特点。在变频供电情况下，高滑差感应变频方案和无刷电控直流方案均是备选方案。相对而言，无刷电控直流方案的工作特性稳定，可满足大功率的使用要求，对飞机配电网络影响小，但是可靠性较低。高滑差感应变频方案则是介于两者之间的一种解决方案，重量和功率代偿大，需要系统设计和构架上做出一定妥协来弥补和提高经济性。

表1方案对比表

5 结束语

本文总结和研究了在民用飞机采用变频供电的趋势下，燃油系统主供油泵的几种解决方案，同时，对每种方案的优势和劣势进行了梳理，并分析了它们对燃油系统设计的影响。实际型号研制中，燃油系统主供油泵的选择将不仅仅是燃油系统层面的研究工作，更需要上升到飞机层面进行权衡分析。

[1]Roy Langton，Chuck Clark，Martin Hewitt.Aircraft Fuel Systems[M].John Wiley，2009.