研制开发
航空变压整流器的研究
李征燕，董恩生，李娟娟
（空军航空大学航空作战勤务学院，吉林
变压整流器属于航空二次电源，在主电源是交流电源系统的飞机上，其为飞机电源系统的重要组成部分。因此介绍了变压整流器的性能指标，然后简要分析其组成及工作原理。
变压整流器；平衡电抗器；十二脉波整流
Study of Aviation Transformer Rectifier Unit
LI Zhengyan，DONG Ensheng，LI Juanjuan
，Air Force Aviation University
Transformer rectifier unit is a kind of secondary power supply.If the main power supply of an aircraft the transformer rectifier unit is an important part of power supply system in the aircraft.
the performance index of variable voltage rectifier is introduced
balance reactor；twelve pulse rectification
1.1.3 变压整流器的整流系数
变压整流器的整流系数用K z 来表示，即：
K z =U dp /E 2 （2）
式中，U dp 为整流电压的平均值；E 2为变压器副边绕组交流电压有效值。
在m 相半波整流电路中，m 不同，整流系数也不 同。在三相半波整流电路中，整流系数为1.17，使用3个整流元件；在六相半波整流电路中，整流系数为1.35，使用4个整流元件[3]。在m 相半波整流电路中，相数越多，整流系数越高，而且相数越多，使用的整
流元件也越多。但是，当m 很大时，
K z 却增加的并不多，这说明过多地用增加相数的方法来增大整流系数的意义并不大，所以一般不采用这种方法来提高输出的直流电压。
1.1.4 变压整流器的效率
飞机上直流用电设备的功率一般占用交流电功率的5%～10%。单台变压整流器的额定电流一般为数十安培到100～200 A [4]。通常情况下，在飞机上都有多台变压整流器。对于这样大功率的整流设备而言，整流效率是衡量TRU 质量好坏的重要指标之一。变压整流器的总效率用η来表示：
de 100%3
U η=×直流输出功率
交流输出功率
（1）
这样：
=
100%+++η×直流输出功率
直流输出功率变压器损耗功率整流元件损耗功率滤波器损耗功率
（2）
一般来说，变压整流器的效率都在80%以上，它损耗的功率以发热的形式消耗掉，所以在飞机上一般以强迫通风进行冷却。1.1.5 变压整流器的利用程度
变压整流器的利用程度通常用变压器绕组的利用系数K 来表示，它指的是直流输出功率与视在功率之比。变压器原边绕组的利用系数K 1与副边绕组的利用系数K 2是不同的。K 1和K 2越大，表示变压器利用得越好。
以上这些衡量指标应根据飞机的具体需要而定。另外，在运行的过程中，要求变压整流器具有一定的过载能力[5]。例如，在150%额定负载时应工作 5 min ，有的则要求能用于起动辅助动力装置的发动机，该发动机装有直流电力起动电机。对飞机交流电源来说，变压整流器是一个功率较大的负载，它的工作应不影响或较少影响交流电源的电能品质，变压整流器还应有小的体积和质量。1.2 外特性
变压整流器的外特性指的是输出直流电压与负载的关系，是变压整流器的重要特性之一，其表示如下：
U =F (I d ) （3）
由于变压器和整流元件的特性实际上并不是理想的，所以变压整流器整流后的输出电压是随着负载的增大而下降的。这主要是受以下几个原因所造成的。
一是变压器绕组电阻对整流电路输出电压的影响。由于变压器原、副边绕组都有一定的电阻，因此会使整流电路的输出电压有所下降。当变压整流器的联接形式一定时，变压器电阻压降所引起的输出电压
的下降值，即电阻压降ΔU R 与整流电路的输出电流I d 成正比。
二是变压器的漏电抗对整流电路输出电压的影响。考虑了变压器的漏抗后，也会使整流电路输出的整流电压下降。当变压器漏电感越大、电源频率越高以及换相的电流越大时，换相重叠的时间就越长，整流电路输出电压的下降也越大。当变压整流器的连接形式一定时，由于变压器漏电感而使输出电压的下降称为换相压降，用ΔU d 表示。
以三相半波整流电路为例，假设变压器绕组的总漏感为L B ，漏感为L B 的变压器每相折算到二次侧的漏抗为X B ，且X B =ωL B 。通过分析，可求得：
d B B 3
=2π3U X I ∆交流输出功率 （4）同理，可求出三相桥式整流电路中，ΔU d 与I d 的表达式为：
d B d 2π3
=π
U X I ∆
（5）
采用同样的方法可以求出其他整流电路中，ΔU d
与I d 的关系式。通过分析可知，当变压整流器的连接形式一定时，无论采用哪种整流电路，ΔU d 是I d 的函数，换相压降ΔU d 与整流电路的输出电流I d 成正比。I d 越大，ΔU d 就越大。
三是整流元件的压降对整流电路输出电压的影响。假设整流元件是理想元件，理想元件的管压降为零，对整流电路的输出电压也就没有影响。但是整流元件并不是理想元件，而是存在一定的压降，这就会使整流电路输出的直流电压有所降低。整流元件引起直流电压的降低量用ΔU a 来表示，它就等于整流电路输出电流流经各整流元件所产生的压降之和。当变压整
流器的连接形式一定时，在任何瞬间，整流电路中输
来表示。同时，假设整流元件导通时，它的管压降为ΔU
VD
ac reactor。
（6）通过上面的分析可知，如果变压整流器在空载
则在带负载时的输出电压U
d
为：
（7）
图1 变压整流器的外特性
由外特性曲线可以看出，外特性是随着负载的增大而逐渐下降的曲线。为了减小外特性的下倾程度，不仅要正确地选择变压整流器的联接线路外，而且还应该尽量减少变压器绕组的电阻和漏电感。
变压整流器的外特性除了与上述的因素有关外，还受到输入交流电压大小的影响，而且输入电压对外特性的影响是比较大的。为了减小变压器交流电压的变化，变压整流器一般接在主交流汇流条上。此外，由于变压整流器电压变化大，因此一般不采用并联工作。在需要并联时，变压整流器的输出端应接有反流保护器。
变压整流器实例
变压整流器的组成
飞机上使用的变压整流器通常由输入滤波器、降压变压器、二极管整流电路以及输出滤波器等构成，有的变压整流器还有冷却风扇和过热保护电路等
某型飞机上变压整流器的组成方块如图2所示。
图2 变压整流器的组成方块图
2.1.1变压器
变压器将200 V的交流电压变换成所需电压。变压器的重量占整个变压整流器装置总重量的一半，因此设法减轻变压器的重量成为减轻整个装置重量的关键。变压器的原边绕组采用“星”形联接，铁心使用的是“E”形截面。“
很多优点，如通风性能好、冷却效果显著、铁芯各截面的不均匀间隙小、特性较好以及不易产生磁噪声等。
在铁心形状一定的情况下，可以通过提高最大磁通密度以减少材料用量，从而减轻重量。但磁通密度的增大，将引起磁噪声的增大和性能的降低。减轻变压器重量的另外一些措施是从绝缘材料、导电材料以及加工方法等来减轻绕组重量。
2.1.2整流电路
变压整流器中的整流电路一般采用由二极管构成的不可控整流电路，将交流电能变换成直流电能。不可控整流电路中使用的整流元件是电力二极管，它采用的主要材料是硅。电力二极管是变压整流器中最主要的部件之一，它的好坏不仅影响工作性能，而且影响
流、三相桥式整流、六相半波整流以及六相全波整流等几种基本类型。变压器和整流器的连接线路对整流电路输出电压脉动的幅值、波形以及脉动的频率都有影响。本文介绍的变压整流器，采用的整流电路原理如图3所示。
图3 带平衡电抗器的不可控整流电路
这种变压整流器中采用的是带平衡电抗器的不可控整流电路。这个电路是两组三相桥式二极管整流电路的并联，并且在这种并联电路中必须采用平衡电抗器L P 。平衡电抗器L P 使两组三相桥式二极管整流电路同时导电。带平衡电抗器的不可控整流电路是两组三相桥式二极管整流电路的并联，所以它的输出直流电压在一个周期内脉动12次，输出电压是十二脉波的，因此这个电路也称为十二脉波整流电路。与三相桥式二极管整流电路相比，带平衡电抗器的不可控整流电路，输出电压的脉动频率增大了，脉动程度减小了，谐波含量降低了[7]。经过输出滤波电路后，输出的直流电压变得更平滑。带平衡电抗器的不可控整流电路不仅输出直流电压脉动小，而且输入电流的波形比较接近正弦波，可减小输入滤波电路。此
外，在实际的变压整流器中，为了保护整流元件，在二极管的两端并联一个电容器，起到过电压保护的作用。
4 变压整流器的优缺点及其发展
典型的变压整流器主要由三相降压变压器和三相二极管不可控整流电路组成。这种TRU 的输出电压不能调节，且输出电压受负载和电源电压的影响较大，另外体积质量也较大[8]。这些是典型的变压整流器无法解决的问题，因此随着电力电子技术的飞速发展，出现了电子式变压整流器[9]。
实际上，电子式变压整流器是一种带隔离的直流变换器，它需要通过整流→滤波→逆变→整流→滤波的过程实现[10]。在电子式变压整流器中，由于高频逆变器输出交流电的频率较高，因此降压变压器的体积小重量轻，另外逆变器可以调节输出直流电压的
幅值，因此在电子式变压整流器中，输出电压不受交流电源电压和负载的影响。很显然，电子式变压整流器解决了典型的变压整流器无法解决的一些问题。正是因为电子式变压整流器没有典型的变压整流器的缺点，而且它还具有稳压精度高和效率高等优点，因此目前已经装机使用。
A 380飞机上已经开始应用具有输出电压调节功能的变压整流器，采用了3台300 A 充电器/变压整流器。充电器/变压整流器是双功能二次电源，一是给蓄电池充电，二是充电结束后转换为变压整流器。由于其
作充电器时电流可控，因此作变压整流器时输出电压也可调节到额定直流电流28 V 。A 380飞机的电源可分成3个独立的电源组，每个电源组中有一台充电器/变压整流器将交流电转换为符合要求的直流电，以供负载使用。
5 结 论
变压整流器主要用在以交流电源为主电源的中大型飞机上。本文给出了一种实际使用的变压整流器的工作原理。与传统的三相和六相整流电路相比，它所采用的整流电路可有效降低输入电流中的谐波含量，其输出电压脉动频率大，脉动的幅值小，提高了变压整流器的整流质量，能够为用电设备提供高质量的电能。文章最后分析了典型的变压整流器优缺点，同时对变压整流器未来的发展方向进行了展望。将来，电子式变压整流器将逐渐取代典型的变压整流器。参考文献：
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[10] 苏过林，杨善水，陈万华.同步整流芯片IR1167在变
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