多脉冲整流技术在民用飞机中的应用

刘湛　孙莉

【摘 要】电力电子技术飞速发展，越来越多的电气设备被应用于民用飞机中，基于民用飞机电网的特殊要求，可以有效抑制谐波的多脉冲整流技术在民用飞机中得到广泛应用。本文阐述了多种多脉冲整流方案的特点和工作原理，可以指导在不同需求下对多脉冲整流方案的筛选。

【关键词】民用飞机；高压直流；变压整流器；多脉冲

0 概述

随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电力电子器件被用于民用飞机上。因为设备的非线性的特征，造成了网侧电流的畸变，影响民用飞机的电源品质，降低了负载的电磁兼容性能，危害电网中的其他的设备。民用飞机的二次能源包括液压能、气压能和电能，这就要求民用飞机上必须安装液压泵、压气机、燃料泵等，造成了飞机上空间复杂紧张，维护难度高，再者液、气压的装置本身存在的低可靠性、易泄露、难维护等特点大大降低民用飞机的整体可靠性和安全性。而电能传输容易，控制精确的优势，使得国内外都将目光聚焦在加大电能在飞机上的应用范围，大力发展多电飞机（MEA）和全电飞机（AEA）。随着多电技术的发展，电能在民用飞机上占据越来越高的比例，在国外先进的民用飞机中。多电技术在民机领域的广泛使用必将对飞机电源提出更严苛的要求。

1 民用飞机电源系统的发展

飞机的一次电源即主电源经历了低压直流、恒速恒频交流、变速恒频交流、高压直流以及混合电源。低高压直流电源系统得益于电力电子技术的进步，解决了其初期存在的开关断弧和有刷电机换向恶劣的缺点 ，大大提高了无刷发电机的转速，减小了电机的重量体积。结构简单，效率高。易于民用飞机供电系统的冗余和不间断供电的需求，提高了电气系统的可靠性，提高机载二次电源的功率密度。目前已广泛应用于军机，如RAH-66直升机和F-22战斗机，在民用飞机领域的应用还有待进一步发展。

目前民用飞机发电机基本还是采用三相交流电机，而飞机上存在很多的直流用电设备，比如照明设备、发动机控制装置、继电器的控制线圈等。所以需要机上有大量的整流装置，民用飞机电网受其本身特殊性的影响对机载电气设备运行时产生的谐波有很严格的要求。飞机发电机发出的三相交流电经整流器转换成高压直流或者低压直流电。比如在国外某大型客机中，整流变换器处理的功率占飞机总功率的60%以上。在谐波的污染源中整流装置占最大的比例，传统的三相二极管整流电路会向飞机电网注入大量的谐波，严重危害飞机电网。

2 多脉冲变压整流器

交直流变流机和变压整流器都可以产生机载二次电源，而相对于变流机，整流器无活动部件，无换向火花，噪音低，功率高，所以得到了广泛使用。而传统方案中二极管不控整流技术的输入电流谐波含量（THD）达到了31.08%，严重污染飞机电网，影响电网中其他设备的正常工作以及寿命。多脉冲整流技术因其低谐波含量，高功率因数，强过载能力以及超强的稳定性在目前的机载电源系统中得到广泛应用。根据机载电源系统低压28V和高压270V的不同需求，分别可采用十二脉冲变压整流器和十八脉冲自耦变压整流器。

2.1 12脉冲变压整流器

表1 不同连接方式的三相整流器性能对比

鉴于传统不控二极管整流方案的缺陷，为解决这个问题，20世纪70年代，提出了多脉冲整流的概念，通过将整流器的输入电流叠加，以消除相应次数的谐波，如12脉冲变压蒸馏器的输入电流仅含有12±1次谐波。表1是按照线路的连接方式不同，对变压整流器进行了分类即Y/Y连接的三相桥式整流，Y/Y连接的三相半波整流，Y/ΔY和Δ/Y、Y/Y六相整流以及十二脉冲整流，并列出了各拓扑的关键参数。

由表1可得，相较于Y/Y连接的三相桥式整流，Y/Y连接的三相半波整流，Y/ΔY和Δ/Y、Y/Y六相整流三类方案，12脉冲整流方案的二极管导通角最大，磁芯绕组的利用率最高，输出电压脉动最小，谐波含量最低，所以在民机领域得到广泛应用，在B787和A380飞机中都有大量的多脉冲整流装置。

自耦变压整流器相较于隔离变压器体积更小，效率更高，在无需电气隔离的场合有明显优势。目前民用飞机中常用的自耦变压整流器主要包括12脉冲自耦变压整流器，18脉冲自耦变压整流器。在谐波含量需求更严苛的情况下甚至还有24脉冲、30脉冲自耦变压整流器。在综合考虑变压器绕制复杂度以及谐波需求的情况下，选择何种自耦变压整流器。

如图1所示就是12脉冲变压整流器的拓扑图，主变压器采用三相三绕组，原边绕组为星形，副边有两个绕组，分别为三角形和星形，三组绕组的匝比为1：1：■，可产生相电压相同的三组电压，但副边三角形绕组的相电压相位超前星形绕组的相电压30°，所以两组整流桥的输出线电压相位也依次相差30°，电压有效值相等，满足两路并联供电向负载供电的条件。由于两组整流桥的输出线电压的瞬时值相位相差30°，故而瞬时值不相等，所以在两组整流桥之间加上平衡电抗器，以实现两组整流桥的并联均流。这样每个整流桥只传输50%的负载电流，故适用于于大电流场合。

图1 12脉冲变压整流器

通过两路的移相功能，实现输入电流除12±1次谐波的消除，大大降低了网侧的THD值。同理，通过一次相移为20°的三组变压器可构成18脉冲整流器，使得输入电流仅含18±1次谐波。以此类推，可以构建n个相位差π/3n的变压器给n个三相整流桥供电，使网侧输入电流只含有6nk±1次谐波（k为正整数），其中各次谐波的有效值与次数成反比。

2.2 18脉冲自耦变压整流器

18脉冲自耦变压整流器按整流桥的处理功率不同分为对称式和不对称式，不对称式相较于前者变压器等效容量小，无需平衡电抗器等附件，所以在民用飞机上应用的更多。

如图2所示就是不对称式18脉冲自耦变压整流器的拓扑图。采用一个三相磁芯，每个磁芯绕有5组绕组，原副边并不电气隔离，所以相对于隔离式的变压整流器，具有更高的工作效率，能达到97%以上。三组三相整流桥分别为一组主桥和两组辅桥，主桥为三相输入电压直接输入，两组辅桥是由自耦变压器分别注入滞后和超前电压，相位差为37°，幅值为主桥电压的0.767。

任意时刻，三组整流桥输入为三组三相相位差20°，等幅值的线电压。其中主桥三相两两组合成三组主线电压，每个二极管导通80°，主桥和滞后或者超前电压组成六组复合线电压，每个线电压单周期内导通20°，所以辅桥每个二极管单周期内导通20°，在选择整流桥的二极管时，应根据实际工作功率选择合适的二极管。

通过3组整流桥的移相，电流波形叠加，18脉冲自耦变压整流器向网侧注入的电流谐波仅含有18±1次谐波。谐波含量的理论值为10.11%。

3 结论

针对民用飞机的应用场合，介绍了应用较为广阔的变压整流技术，分析了不同变压整流器之间的效率、谐波含量差异，着重叙述了最为常见的12脉冲变压整流器和18脉冲自耦变压整流器的工作原理和优势，给不同应用场合下对整流器的选用提供了参考。

【参考文献】

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