研 究 Research
三相交流电源的三相电压对称性
The Electric Symmetry of Three-phase Alternating Current Supply
张洪伟/中航工业试飞院
摘 要:在航空飞行器领域，随着机载综合航空电子电气设备的增加，三相交流电源所带负载功率随之加大。尤其是个别大功率单相机载设备在配电系统中的接通与断开，对三相交流电源的对称性产生了很大的影响。本文重点讨论了如何解决三相交流电源电压的对称性问题。关键词：三相交流电源、对称性
三
相交流电源是航空用电的主要形式。其具有的三相特性不但能满
允许的波动范围。三相电源的不对称性规定为：在供电系统正常工作状态下，三相交流电压各相不相等。电压不对称性一般用最大相电压与最小相电压之差表示。当相间不对称负载达到15%的额定电流，最大相电压与最小相电压之间的差值大于3V 时则认为相间不对称。不对称指标还可以用各相电压和三相电压平均值之差的最大值与三相电压平均值之比的百分数表示。
相电压的对称性既是影响稳态电压极限的主要因素，又是供电质量的指标之一。严重的电压不对称会给供电系统带来以下不良后果。
1） 使单相用电设备的供电电压较大地偏离额定值。因为调压器无法在电压不对称的情况下使三相电压都保持为额定值。
2） 降低了异步电动机的输出力矩。不对称时，除正向力矩外，还产生了与逆序电压成平方的逆向力矩。
3） 电机转子发热加剧。三相电压不对称时，逆序磁场感应出的电流使转子发热。
4） 三相整流器输出电路中出现
低频的电压脉动。
因此，三相交流电压的对称性在三相供电系统中至关重要，在工程上应该努力实现三相电压的对称性。
足三相用电设备的需要，同时也能满足单相用电设备的要求。
三相交流电源电压的对称和
不对称
飞机常用三相交流电源为115/ 200V 、400Hz 。理想的供电状态是三相稳态电压保持在115/200V、400Hz ，三相间相位差为120°。 但在实际工程应用中，三相电源供电特性曲线给出了其正常工作的极限范围，与理论数据有一定偏差。通常情况下，三相负载在一定范围内变化时，三相稳态电压的幅值变化不超过3V ，相位差变化不超过8°， 则三相电压对称。制造良好的发电机在负载对称的条件下供电电压一般总是对称的，技术成熟的供电系统经过大量的地面试验和飞行试验也能满足供电的对称性要求。
在实际的三相交流电源供电系统中，伴随着大功率用电设备的加卸载，势必对三相电源的对称性（又称平衡性）产生影响，有时甚至超过电源系统
2 从设计角度解决三相电压的
对称性问题
飞机供电系统的设计涉及很多方面内容，其中三相交流电源的带负载工作情况是一个重要环节，需要进行大量的技术分析和地面试验验证，尤其是一些关键负载加卸载工作状态对三相电压的对称性有很大影响。为此，应该从以下三方面考虑负载分配方案。
1） 在机械电气负载统计分析的基础上，根据各负载的功率要求，制定科学合理的配电方案，使各相承担的负载量基本一致，从配电角度减小三相电压的不对称性。特别对于一些大功率负载如油泵、雷达、吊舱等，要尽量做到与其他用电设备的均衡分配设计。最好采用三相供电，减小单一负载的加卸载对供电系统的影响。
2） 在分配各相之间的不对称负载时，应考虑用电负载大致的运行顺
航空科学技术
AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY
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序，根据其工作特点做出比较优化的负载分配方案，尽量减少由于一些难以预测的转换组合作用而引起有害的三相电压不对称现象，保证其正常的加卸载对电源系统的对称性不产生超出技术规定的影响。
3） 由于设备阻抗与电源相序阻抗的并联，使系统总阻抗减小，还可以减小三相电压不对称的影响。因此，合理布置配电系统中运行的感应电动机和同步电动机将会使系统的不对称现象减弱。尤其是未来电传飞机中大量电动机构的使用，更应该考虑阻抗并联的影响。
的大小来控制发电机激磁电流大小，实现对三相端电压的调节。由于此种方法是敏感单相电压，不能反映三相电压的变化情况，尤其是在多负载加卸载配电线路中不能满足将发电机电压调至额定值的要求，因此很少使用。
2） 最高相电压调节
通过三组电压敏感电路检测三相电压的每一相值，比较其大小（由逻辑数字电路或门实现），利用相电压值最高的那相作为发电机激磁电流的控制信号。因为采样的是三相电压中相电压最高的一相，所以可调整发电机输出最高相电压不超过额定值，可有效预防过载现象的发生（其原理图见图1）。
3） 三相平均电压调节
通过电压敏感电路检测三相电压，求出其三相电压的平均值，用此平均值电压控制发电机激磁电流的大小，实现对三相端电压的调节。此种电路在调节点三相电压对称时，三相电压平均值也就反映了各相电压的大小，可实现对三相端电压大小的调节。但若三相电压不对称，则三相电压平均值不能反映各相的电压值，因此会出现调节缺陷。
通常三相交流电源系统采用简单可靠的调节方式，使用较多的是三相平均电压调节方法，其实用电路见图2。其中电压检测电路由R1～R3，D1～D3构成的三相半波整流电路和由R4、C1与R5、R6、R7构成的滤波和输出电路等环节组成。它将调节点的
图2 三相平均电压调节原理图图1 最高相电压调节控制原理图
三相交流电压变换为脉动直流电压U 输出，此直流电压U 的直流分量的大小与三相交流电压的平均值成正比。当三相对称时，平均值反映各相电压的大小；当三相不对称时，某相电压降低，而另两相电压保持额定值。用平均电压检测法时，调压器感受的电压（不对称电压）降低了，这必然要求增加发电机激磁电流使三相平均值增加到对称时的值，从而使两正常相电压增加很多，这就出现了前文所举实例中出现的故障现象。
为了避免这种不对称情况的发生，在多相发电机电压调节电路中可以将最高相电压调节（又称高相电压限制）与三相平均电压调节两者的优点结合起来，组成平均值高相电压组合检测电路（原理图见图3）。此电路特点是在三相电压对称工作时有高的稳定精度，即高相电压调节单元与三相平均电压调节单元共同作用于激
3 采用电压敏感与调节电路解决三相电压的对称性问题
引入一个实例：在某型飞机的雷达科目试飞中，科研人员发现飞行中雷达开机工作状态时发电机两相电压明显升高，超过了额定值。经技术分析确认，由于该机雷达属于单相用电设备，它被挂接在电源系统的C 相。电源系统的三相端电压敏感与调节采用电路简单、可靠性较高的三相平均电压晶体管调节电路。当雷达开机工作时，其所在的C 相电压由于负载加大而降低，致使三相平均电压降低。依据设计原理，此时应增加发电机激磁电流，使发电机端电压升高。激磁电流的增加使三相平均电压恢复到正常值，但由于A 、B 两相电压在调节前正常，调节后反而使其超出额定值，使三相电压在雷达工作时表现出严重的不对称现象。
三相交流发电机三相电压的敏感调节采用以下三种方法。
1） 固定相电压调节
通过电压敏感电路检测三相电压中某一相电压或线电压，根据敏感电压
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4 利用交交型变速恒
A B C
最高相电压调节单元参考电压三相平均电
压调节单元
去激磁控制电路
发器电路输出的控制角减小，由公式U 。=1.17U a ×cos α可知，增大。当α减小，U 。A 相端电压增大时，电路情况则相反。另一方面，A 、B 、C 三相敏感输出经过逻辑同或门进行逻辑判断，当A 、B 、C 三相不对称输出时，同或门输出0，后续的逻辑与门输出也为0。此时，不通过改变发电机激磁电流的方法来升高六相发电机的输出电压（即三相交流的输出电压），而是通过失去对称性的电压相调整自身相电压而使三相电压重新恢复对称。当A 、B 、C 三相对称时，逻辑同或门输出1，此时根据A 相敏感电压的高低（即三相电压的高低）来决定是增加激磁还是减小激磁，后续的逻辑与门便可实现这种逻辑关系的判断。当A 相敏感电压高，输出1，过逻辑非门后变为0，逻辑与门输出0，减小激磁；当A 相敏感电压低，输出0，过逻辑非门后变为1，逻辑与门输出1，增加激磁。因此，如图5所示的控制调节原理不但可以调节三相电压，也可调节单相电压。尤其是单相电压的调节对于克服三相电源的不对称问题非常有效，具有较强的带不对称负载能力。
频电源解决三相对称
性问题
目前，在发动机最高转速和最低转速差值较大的飞机上大多采用恒速恒频电源。但随着电子器件的发展，变速恒频电源成为交流电源发展的一个趋势。交交
图3 平均值高相电压组合检测电路原理图
磁电路。在电源系统出现三相不对称时，高相电压调节单元作用于激磁电路，平均电压调节单元被隔离，使电路中正常电压相用电设备免受高电压危险。
型变速恒频电源具有的多点调节方式以及能量转换效率高、能实现无刷发电等优点，故将会得到较为广泛的应用。特别是利用交交型变速恒频电源的单相电压调节功能，可以实现较高的三相电压对称性。
图4为六相发电机的交交型变速恒频电源的循环变换器主电路，主要用于六相发电机输出与控制电压频率相等的单相电压。由于采用零式可控整流电路，三套相同的上述电路接于同一发电机时，变换器输出有公共点，因而三个相同的电路可以构成三相四线制输出。
图5为交交型变速恒频电源的电压调节电路原理图。由于该型电源的三相采用完全相同的三组变换器，故可实现单相的电压调节。图中A 、B 、C 三相均有各自的电压敏感电路，相敏感电路的输出一方面送入各相的
5 结束
三相交流电源的对称性问题关系电源系统的品质和安全，为了保证高的电源可靠性，不但应从发电机、负载分配、配电形式种类等方面做出科学的分析和设计，同时在调节控制方式上更应该采取科学有效的思路方法。随着新技术的不断出现，控制理论和控制方法都将迎来新的变革，不断创新将始终是充满生命力的征程。 参考文献（略）
图4 六相发电机循环变换器主电路
A
循环变换器单元
&
去激磁控制电路
晶体管控制角触发器，生成一定角度的晶体管控制角，从而控制各相12个晶体管的
B
循环变换器单元
C
循环变换器单元
A 相控制角触发电路
B 相控制角触发电路C 相控制角触发电路
导通程度，实现相输出电压大小的调节。例如，当输出A 相端电压降低时，敏感电路输出信号可促使控制角触
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图5 交交型变速恒频电源电压调节原理图
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三相交流电源的三相电压对称性
The Electric Symmetry of Three-phase Alternating Current Supply
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摘 要:在航空飞行器领域，随着机载综合航空电子电气设备的增加，三相交流电源所带负载功率随之加大。尤其是个别大功率单相机载设备在配电系统中的接通与断开，对三相交流电源的对称性产生了很大的影响。本文重点讨论了如何解决三相交流电源电压的对称性问题。关键词：三相交流电源、对称性
三
相交流电源是航空用电的主要形式。其具有的三相特性不但能满
允许的波动范围。三相电源的不对称性规定为：在供电系统正常工作状态下，三相交流电压各相不相等。电压不对称性一般用最大相电压与最小相电压之差表示。当相间不对称负载达到15%的额定电流，最大相电压与最小相电压之间的差值大于3V 时则认为相间不对称。不对称指标还可以用各相电压和三相电压平均值之差的最大值与三相电压平均值之比的百分数表示。
相电压的对称性既是影响稳态电压极限的主要因素，又是供电质量的指标之一。严重的电压不对称会给供电系统带来以下不良后果。
1） 使单相用电设备的供电电压较大地偏离额定值。因为调压器无法在电压不对称的情况下使三相电压都保持为额定值。
2） 降低了异步电动机的输出力矩。不对称时，除正向力矩外，还产生了与逆序电压成平方的逆向力矩。
3） 电机转子发热加剧。三相电压不对称时，逆序磁场感应出的电流使转子发热。
4） 三相整流器输出电路中出现
低频的电压脉动。
因此，三相交流电压的对称性在三相供电系统中至关重要，在工程上应该努力实现三相电压的对称性。
足三相用电设备的需要，同时也能满足单相用电设备的要求。
三相交流电源电压的对称和
不对称
飞机常用三相交流电源为115/ 200V 、400Hz 。理想的供电状态是三相稳态电压保持在115/200V、400Hz ，三相间相位差为120°。 但在实际工程应用中，三相电源供电特性曲线给出了其正常工作的极限范围，与理论数据有一定偏差。通常情况下，三相负载在一定范围内变化时，三相稳态电压的幅值变化不超过3V ，相位差变化不超过8°， 则三相电压对称。制造良好的发电机在负载对称的条件下供电电压一般总是对称的，技术成熟的供电系统经过大量的地面试验和飞行试验也能满足供电的对称性要求。
在实际的三相交流电源供电系统中，伴随着大功率用电设备的加卸载，势必对三相电源的对称性（又称平衡性）产生影响，有时甚至超过电源系统
2 从设计角度解决三相电压的
对称性问题
飞机供电系统的设计涉及很多方面内容，其中三相交流电源的带负载工作情况是一个重要环节，需要进行大量的技术分析和地面试验验证，尤其是一些关键负载加卸载工作状态对三相电压的对称性有很大影响。为此，应该从以下三方面考虑负载分配方案。
1） 在机械电气负载统计分析的基础上，根据各负载的功率要求，制定科学合理的配电方案，使各相承担的负载量基本一致，从配电角度减小三相电压的不对称性。特别对于一些大功率负载如油泵、雷达、吊舱等，要尽量做到与其他用电设备的均衡分配设计。最好采用三相供电，减小单一负载的加卸载对供电系统的影响。
2） 在分配各相之间的不对称负载时，应考虑用电负载大致的运行顺
航空科学技术
AERONAUTICAL SCIENCE & TECHNOLOGY
33
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序，根据其工作特点做出比较优化的负载分配方案，尽量减少由于一些难以预测的转换组合作用而引起有害的三相电压不对称现象，保证其正常的加卸载对电源系统的对称性不产生超出技术规定的影响。
3） 由于设备阻抗与电源相序阻抗的并联，使系统总阻抗减小，还可以减小三相电压不对称的影响。因此，合理布置配电系统中运行的感应电动机和同步电动机将会使系统的不对称现象减弱。尤其是未来电传飞机中大量电动机构的使用，更应该考虑阻抗并联的影响。
的大小来控制发电机激磁电流大小，实现对三相端电压的调节。由于此种方法是敏感单相电压，不能反映三相电压的变化情况，尤其是在多负载加卸载配电线路中不能满足将发电机电压调至额定值的要求，因此很少使用。
2） 最高相电压调节
通过三组电压敏感电路检测三相电压的每一相值，比较其大小（由逻辑数字电路或门实现），利用相电压值最高的那相作为发电机激磁电流的控制信号。因为采样的是三相电压中相电压最高的一相，所以可调整发电机输出最高相电压不超过额定值，可有效预防过载现象的发生（其原理图见图1）。
3） 三相平均电压调节
通过电压敏感电路检测三相电压，求出其三相电压的平均值，用此平均值电压控制发电机激磁电流的大小，实现对三相端电压的调节。此种电路在调节点三相电压对称时，三相电压平均值也就反映了各相电压的大小，可实现对三相端电压大小的调节。但若三相电压不对称，则三相电压平均值不能反映各相的电压值，因此会出现调节缺陷。
通常三相交流电源系统采用简单可靠的调节方式，使用较多的是三相平均电压调节方法，其实用电路见图2。其中电压检测电路由R1～R3，D1～D3构成的三相半波整流电路和由R4、C1与R5、R6、R7构成的滤波和输出电路等环节组成。它将调节点的
图2 三相平均电压调节原理图图1 最高相电压调节控制原理图
三相交流电压变换为脉动直流电压U 输出，此直流电压U 的直流分量的大小与三相交流电压的平均值成正比。当三相对称时，平均值反映各相电压的大小；当三相不对称时，某相电压降低，而另两相电压保持额定值。用平均电压检测法时，调压器感受的电压（不对称电压）降低了，这必然要求增加发电机激磁电流使三相平均值增加到对称时的值，从而使两正常相电压增加很多，这就出现了前文所举实例中出现的故障现象。
为了避免这种不对称情况的发生，在多相发电机电压调节电路中可以将最高相电压调节（又称高相电压限制）与三相平均电压调节两者的优点结合起来，组成平均值高相电压组合检测电路（原理图见图3）。此电路特点是在三相电压对称工作时有高的稳定精度，即高相电压调节单元与三相平均电压调节单元共同作用于激
3 采用电压敏感与调节电路解决三相电压的对称性问题
引入一个实例：在某型飞机的雷达科目试飞中，科研人员发现飞行中雷达开机工作状态时发电机两相电压明显升高，超过了额定值。经技术分析确认，由于该机雷达属于单相用电设备，它被挂接在电源系统的C 相。电源系统的三相端电压敏感与调节采用电路简单、可靠性较高的三相平均电压晶体管调节电路。当雷达开机工作时，其所在的C 相电压由于负载加大而降低，致使三相平均电压降低。依据设计原理，此时应增加发电机激磁电流，使发电机端电压升高。激磁电流的增加使三相平均电压恢复到正常值，但由于A 、B 两相电压在调节前正常，调节后反而使其超出额定值，使三相电压在雷达工作时表现出严重的不对称现象。
三相交流发电机三相电压的敏感调节采用以下三种方法。
1） 固定相电压调节
通过电压敏感电路检测三相电压中某一相电压或线电压，根据敏感电压
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4 利用交交型变速恒
A B C
最高相电压调节单元参考电压三相平均电
压调节单元
去激磁控制电路
发器电路输出的控制角减小，由公式U 。=1.17U a ×cos α可知，增大。当α减小，U 。A 相端电压增大时，电路情况则相反。另一方面，A 、B 、C 三相敏感输出经过逻辑同或门进行逻辑判断，当A 、B 、C 三相不对称输出时，同或门输出0，后续的逻辑与门输出也为0。此时，不通过改变发电机激磁电流的方法来升高六相发电机的输出电压（即三相交流的输出电压），而是通过失去对称性的电压相调整自身相电压而使三相电压重新恢复对称。当A 、B 、C 三相对称时，逻辑同或门输出1，此时根据A 相敏感电压的高低（即三相电压的高低）来决定是增加激磁还是减小激磁，后续的逻辑与门便可实现这种逻辑关系的判断。当A 相敏感电压高，输出1，过逻辑非门后变为0，逻辑与门输出0，减小激磁；当A 相敏感电压低，输出0，过逻辑非门后变为1，逻辑与门输出1，增加激磁。因此，如图5所示的控制调节原理不但可以调节三相电压，也可调节单相电压。尤其是单相电压的调节对于克服三相电源的不对称问题非常有效，具有较强的带不对称负载能力。
频电源解决三相对称
性问题
目前，在发动机最高转速和最低转速差值较大的飞机上大多采用恒速恒频电源。但随着电子器件的发展，变速恒频电源成为交流电源发展的一个趋势。交交
图3 平均值高相电压组合检测电路原理图
磁电路。在电源系统出现三相不对称时，高相电压调节单元作用于激磁电路，平均电压调节单元被隔离，使电路中正常电压相用电设备免受高电压危险。
型变速恒频电源具有的多点调节方式以及能量转换效率高、能实现无刷发电等优点，故将会得到较为广泛的应用。特别是利用交交型变速恒频电源的单相电压调节功能，可以实现较高的三相电压对称性。
图4为六相发电机的交交型变速恒频电源的循环变换器主电路，主要用于六相发电机输出与控制电压频率相等的单相电压。由于采用零式可控整流电路，三套相同的上述电路接于同一发电机时，变换器输出有公共点，因而三个相同的电路可以构成三相四线制输出。
图5为交交型变速恒频电源的电压调节电路原理图。由于该型电源的三相采用完全相同的三组变换器，故可实现单相的电压调节。图中A 、B 、C 三相均有各自的电压敏感电路，相敏感电路的输出一方面送入各相的
5 结束
三相交流电源的对称性问题关系电源系统的品质和安全，为了保证高的电源可靠性，不但应从发电机、负载分配、配电形式种类等方面做出科学的分析和设计，同时在调节控制方式上更应该采取科学有效的思路方法。随着新技术的不断出现，控制理论和控制方法都将迎来新的变革，不断创新将始终是充满生命力的征程。 参考文献（略）
图4 六相发电机循环变换器主电路
A
循环变换器单元
&
去激磁控制电路
晶体管控制角触发器，生成一定角度的晶体管控制角，从而控制各相12个晶体管的
B
循环变换器单元
C
循环变换器单元
A 相控制角触发电路
B 相控制角触发电路C 相控制角触发电路
导通程度，实现相输出电压大小的调节。例如，当输出A 相端电压降低时，敏感电路输出信号可促使控制角触
航空科学技术
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图5 交交型变速恒频电源电压调节原理图
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