新型民用飞机变频交流供电系统过压保护原理设计

孙善民

（上海飞机设计研究院，中国 上海201210）

0 前言

目前， 新型民用飞机供电系统将采用115/200V、360-800Hz 变频交流供电体制， 考虑到变频交流发电机的输入转速范围大和转速高，其供电频率取决于发电机的输入转速，变频交流供电系统具有优良的动、静态性能，其应用也带了的新的挑战。

根据某机型供电系统中大功率变频交流发电机（VFG，额定功率120kVA）的电压输出特性可知，在励磁电流饱和条件下，其电压上升率非常高，在电源系统进行大容量负载切换或出现故障时，将会使发电机励磁回路一直处于饱和状态，引起发电机输出过压故障。 如果采用与传统飞机供电系统类似的发电机控制器（GCU）单独实现电压调节和保护功能，当GCU 过压保护功能起作用后，需要切断发电机励磁绕组， 并断开发电机接触器， 但是由于GCU 的保护控制的延时特性（如延时50ms 动作）以及接触器存在固有的响应时间，当发电机在励磁回路电流饱和时，其输出电压会严重超过飞机电网的过压保护门限值，在发电机接触器尚未断开的时间内，机载用电设备将承受过高的电压浪涌冲击，可能导致用电设备故障，从而引起飞机灾难级的飞行事故。

1 变频交流供电系统过压保护原理设计

针对新型民用飞机供电系统的过压保护需求，下面将对供电系统调压点处的过压保护进行原理设计和分析。

图1 变频交流发电系统过压冗余保护结构图

1.1 功能结构和原理

通常飞机供电系统出现过电压的原因主要有三种情况：（1）大容量负载的过程；（2）系统短路故障排除之后，由于发电机调压器的滞后响应引起的过压；（3）励磁系统故障导致励磁回路饱和的过压。

若大功率变频交流供电系统发生过压故障， 导致用电设备的损坏，可能发生飞机灾难级失效，根据AC 25.1309-1B，“一个灾难级的故障不可以由单个设备的失效导致”， 需要在单个供电通道额外设置一个过压保护装置。

根据SAE ARP 4754A 设备设计保证等级要求的确定和分配原则，A 级设备可以由两个独立非相似设计的B 级设备实现。 因此从适航安全性要求方面考虑， 应增加过压保护装置构成冗余过压保护结构，以辅助GCU 实现过压保护功能。

如图1 所示的变频交流供电系统过压冗余保护结构， 在GCU 实现保护功能的基础上，需要在发电机输出端增加并联的电源保护控制装置OPU，该装置利用电力电子装置实现发电机输出电压的钳位，并且增加发电机励磁接触器、发电机输出接触器的冗余控制电路，作为GCU 的冗余保护，并与GCU 独立非相似，即GCU 的电源保护功能基于复杂硬件与软件实现，电源保护控制装置OPU 不含软件，并且不基于复杂硬件电路实现。

当变频交流发电机输出过电压后，GCU 和OPU 共同进行过压保护，分成三个阶梯过压保护：

1）0～1ms 内出现过压故障之后，OPU 在1ms 内快速开始响应系统保护控制功能，进行发电机输出过压箝位；

2）1～55ms，在该过程中GCU 电压调节（包括电源保护控制）功能与OPU 的过压箝位功能同时作用， 即通过发电机励磁电流控制及OPU 的过压钳位电路共同作用， 将发电机输出电压限定在要求范围内（180V 以内）；

3）当出现过压（180V）超过55ms 后，GCU 的电压调节（过压保护）不能达到要求时，OPU 的冗余保护功能起作用，切断电源。 当电源电压恢复到规定值时， OPU 将给出电源接通信号。

GCU 和OPU 的接口交互信号包括：

1） 由GCU 提供给OPU 永磁副励磁机电源、28V 直流电源、GCU28V 电源、GCU 保护产生的励磁、主发电机接触器控制信号；

2）OPU 提供给GCU 的BIT 检测信号，包括电压钳位电路、电源冗余保护控制电路、励磁回路接触器、发电机接触器的状态信息；

3）OPU 需要获取调压点处的电压信号， 并在冗余保护控制时输出励磁回路接触器、发电机接触器的动作信号。

2.2 OPU 的硬件结构和原理设计

2.2.1 OPU 硬件结构

OPU 硬件组成分为两部分：过压钳位电路和延时保护电路，两部分电路自身的工作原理不同，并独立非相似，硬件结构见图2。

过压钳位电路由采样电路1、电压钳位电路、功率电路、能量泄放回路、辅助电源以及状态检测与显示电路组成。

延时保护电路由采样电路2、过压延时比较电路、发电机接触器电路、励磁接触器电路、辅助电源及状态检测与显示电路组成。

过压钳位电路中的采样电路1 和延时保护电路的采样电路2 均对调节点电压进行检测、调理，为过压钳位、延时保护电路提供信号，但是采用不同工作原理和结构的电路，符合独立非相似结构性，并且提高了采样电路的可靠性。

2.2.2 OPU 工作原理

OPU 过压钳位电路通过采样电路检测调节点电压， 当电压低于180V 时，过压钳位电路不起作用，当电压超过180V 后，过压钳位电路在1ms 内快速响应， 钳位发电机输出电压， 只到输出电压低于180V后，钳位电路不工作；当发电机输出过电压（180V）连续工作55ms 之后，延时保护电路起作用，断开发电机的输出断路器和励磁控制回路接触器，实现保护功能，该延时保护功能与GCU 的过压延时保护功能相互冗余，并且独立非相似，提高整个发电系统的安全性和可靠性。电源保护控制装置中控制电源供电的辅助电源作为整个装置失效率的关键部件， 系统组成中将励磁机输出装换成28V 的变换器在过压钳位电路和延时保护电路中均作了冗余，过压钳位电路中变换器2 作为变换器1 的备份和冗余，同样延时保护电路中变换器4 作为变换器3 的备份和冗余，保证整个装置的各部分在某一变换器失效后，仍然能够正常工作，以降低过压保护装置的失效率。

图2 电源保护控制装置的硬件结构

1）过压箝位保护原理设计为实现在发电机过压运行状态的电压钳位功能，采用电压钳位保护电路，将发电机输出通过半波整流输出，通过能量吸收电路。在发电机出现过压现象后，即电源保护控制电路产生过压信号之后，产生发电机接触器驱动信号，利用该信号控制能量吸收电路，给发电机增加大负载后，使得发电机电流大幅增加，流过电阻负载，由于发电机固有的外特性，使得其输出电压下降，实现发电机过电压的限定，此时发电机过压产生的能量将消耗在电阻负载上。

2）独立供电电源原理设计

电源保护控制装置系统中采用冗余的电源电路，其中一路由变频交流发电机的副励磁机输出供电，将永磁机输出通过整流，再经功率变换器输出28V 独立供电电源，在此基础上利用28V 经过辅助电源输出±15V、5V，给电源保护控制装置电压检测、保护电路用，该电源独立于GCU 电源系统，能够在GCU 失效工作之后，保证电源保护控制装置独立正常工作。 另一路由系统28V 电源通过辅助电源输出±15V、5V，为电源保护装置检测、保护电路提供冗余供电。 副励磁机输出产生28V与28V 电源共同给励磁回路、发电机接触器供电，构成接触器冗余供电系统。

2 结语

目前，新型大功率变频交流供电系统采用发电机控制器（OPU）和过压保护控制装置（OPU）共同构成过压保护结构，两者独立非相似，满足了适航安全要求，并为飞机适航取证减小了不必要的风险。

［1］马述训.飞机设计手册.第16 册[M].航空工业出版社,1999，12:118-119.

［2］AC25.1309 System Design and Analysis[S].

［3］MIL-STD-704E Aircraft Electric Power Characteristics[S].

［4］SAE ARP 4754 Certification Considerations for Highly-Integrated or Complex Aircraft Systems[S].