大型民用飛機電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

1、大型民用飛機電源系統(tǒng)的 現(xiàn)狀與發(fā)展程國華(上海飛機設計研究所電氣系統(tǒng)研究室 摘要 :飛機電源系統(tǒng)經(jīng)歷了由低壓直流 、 恒速恒頻交流、 , 本文在分析了 統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和研究水平 , 關(guān)鍵字 :; ; 1 飛機電源系統(tǒng)發(fā)展的歷程飛機電源系統(tǒng)經(jīng)歷了低壓直流 、 交流 、 高 壓直流的發(fā)展過程 , 其中交流電源經(jīng)歷了恒 速恒頻 、 變速恒頻 、 變速變頻 。 1. 1 低壓直流電源系統(tǒng)自 1914年飛機上第一次使用航空直流 發(fā)電機以來 , 飛機直流電源系統(tǒng)經(jīng)歷了九十 年的發(fā)展過程 , 其額定電壓由 6伏 、 12伏 , 逐 步發(fā)展為 28伏的低壓直流電源系統(tǒng) , 一直沿 用至今 。 28伏低壓直流電源

2、系統(tǒng)主要由直 流發(fā)電機 、 調(diào)壓器 、 保護器和濾波器等組成 。 1. 2 交流電源系統(tǒng)隨著飛機的不斷發(fā)展 , 機載電子設備和 電力傳動裝置不斷增加 , 機上用電量大大增 加 , 而且對供電質(zhì)量要求有所提高 , 低壓直流 電源系統(tǒng)已不能滿足飛機的用電需要 , 從而 促進了飛機交流電源系統(tǒng)的發(fā)展 。 交流電源系統(tǒng)經(jīng)歷了恒速恒頻交流電源 系統(tǒng) 、 變速恒頻交流電源系統(tǒng) 、 變速變頻交流 電源系統(tǒng) 。 1. 2. 1 恒速恒頻交流電源系統(tǒng)恒速恒頻交流電源系統(tǒng)是一種通過各種 恒速傳動裝置 (簡稱恒裝 使發(fā)電機恒速運 行以產(chǎn)生恒頻交流電的系統(tǒng) 。 目前它是應用 最為廣泛的一種飛機電源系統(tǒng) 。 1. 2.

3、 2 變速恒頻交流電源系統(tǒng)變速恒頻電源系統(tǒng)是一種通過電子功率變換器把變頻發(fā)電機輸出的變頻交流電變換 為恒頻交流電的系統(tǒng) 。 在變速恒頻電源系統(tǒng) 中 , 交流發(fā)電機由飛機發(fā)動機直接驅(qū)動 , 發(fā)電 機所輸出的交流電的頻率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變 化而變化 , 通過功率變換器將變頻交流電變 換為 400Hz 恒頻交流電 。 1. 2. 3 變頻交流電源系統(tǒng)變頻交流電源系統(tǒng)是最早在飛機上使用 的交流電源系統(tǒng) 。變頻交流電源系統(tǒng)中 , 交 流發(fā)電機是由發(fā)動機通過減速器直接驅(qū)動 的 , 因而輸出的交流電頻率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的 變化而變化 。 它主要用于裝有渦輪螺旋槳發(fā) 動機和渦輪軸發(fā)動機的飛機或直升機上 , 并 稱之

4、為窄變頻交流電源系統(tǒng) 。 1. 3 高壓直流電源系統(tǒng)270V 直流電源系統(tǒng)由發(fā)電機和控制器 構(gòu)成 , 美國的 F -14A 戰(zhàn)斗機 、 S -3A 和 P -3C 反潛機等局部采用了高壓直流供電技術(shù) , 而 F -22戰(zhàn)斗機上已采用了 65k W 的 270V 高壓直流電源系統(tǒng) , F -35戰(zhàn)斗機則采用了 250k W 、 270V 高壓直流起動發(fā)電系統(tǒng) 。因 此 270V 直流電源系統(tǒng)也將是今后飛機電源 的發(fā)展方向之一 。2 各電源系統(tǒng)技術(shù)特點2. 1 低壓直流電源系統(tǒng)的特點1 低壓直流電源系統(tǒng)是早期使用的一種電 源系統(tǒng) , 隨著多電技術(shù)在飛機上的廣泛發(fā)展 , 飛機的裝機容量不斷增加 ,

5、如果繼續(xù)使用低 壓直流電源系統(tǒng) , 將使得配電系統(tǒng)的重量變 得非常龐大 , 因此目前飛機上已很少采用 28伏低壓直流電源系統(tǒng)作為主電源系統(tǒng) (僅用 于少數(shù)用電量較小的飛機 。 2. 2 恒頻交流電源系統(tǒng)特點 長期以來 , 115V 、 3相 的 。 一臺恒速傳動裝置 (CS D 便可以把發(fā)動 機主齒 輪 箱 的 變 速 輸 出 穩(wěn) 定 為 一 個 恒 定 轉(zhuǎn)速 。目前產(chǎn)生恒頻的最佳方法是使用組合驅(qū) 動發(fā)電機 (I D G , 如圖 1所示 。整體驅(qū)動發(fā) 電機把恒速傳動裝置和發(fā)電機合二為一 , 構(gòu) 成一個整體 。 與恒速傳動裝置和發(fā)電機分開 使用的系統(tǒng)比較 , 組合驅(qū)動發(fā)電機的體積較 小 、 重

6、量較輕 , 且維護較為簡單 。雖然恒速恒頻電源系統(tǒng)目前仍廣泛用于 各種軍 、 民用飛機 , 而且經(jīng)過幾十年的發(fā)展 , 有了很大的改進 , 但它在可靠性 、 維修性 、 重 量 、 費用 、 戰(zhàn)損生存能力等方面一直存在著不 同程度的缺陷 。圖 1 組合驅(qū)動發(fā)電機示意圖在過去 20年中 , 在若干民用飛機上試驗 并使用過一種產(chǎn)生恒頻電源的替代方法 , 即 試圖通過電子變頻裝置把由變速發(fā)動機附件 齒輪箱直接驅(qū)動的一臺發(fā)電機產(chǎn)生的變頻電 源轉(zhuǎn)換為恒頻電源 。 這就是所謂的變速恒頻(VSCF 技術(shù) 。變速恒頻交流電源系統(tǒng)與恒 速恒頻交流電源系統(tǒng)相比 , 具有電氣性能好 、 效率高 、 可靠性高 、 維護

7、費用低等優(yōu)點 , 因此 曾一度受到很高的重視 。 但大功率變速恒頻 電源系統(tǒng)主要受到功率器件的限制 。 經(jīng)過實 踐發(fā)現(xiàn) , 這一技術(shù)沒有能夠達到預期的可靠 性要求 , 現(xiàn)在已經(jīng)不把這一技術(shù)視為近期民 。圖 2 變速恒頻電源系統(tǒng)示意圖2. 3 變頻交流電源系統(tǒng)特點變頻交流電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單 、 能量轉(zhuǎn)換效率高 、 功率密度高等優(yōu)點 。變頻交流 電源系統(tǒng)由交流發(fā)電機和控制器構(gòu)成 , 系統(tǒng) 只有一次變換過程 , 交流發(fā)電機直接由發(fā)動 機附件傳動機匣驅(qū)動 , 沒有恒速傳動裝置 (恒速恒頻系統(tǒng)采用 和二次變換裝置 (變速 恒頻系統(tǒng)采用 , 結(jié)構(gòu)簡單 、 重量輕 、 體積小 、 功率密度高 , 可靠性高

8、 、 費用低 , 能量轉(zhuǎn)換效 率高 , 易于構(gòu)成起動發(fā)電系統(tǒng) 。因此單從電 源系統(tǒng)本身來講而不考慮配電系統(tǒng) 、 用電設 備和發(fā)動機起動等因素 , 在各種電源系統(tǒng)方 案中 , 變頻交流發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)最簡單 、 可 靠性最高 、 效率最高 、 費用最低等優(yōu)點 , 而且 具有較小的重量和體積 。 但由于其輸出頻率 取決于發(fā)動機減速器輸出轉(zhuǎn)速 , 尤其是多數(shù) 飛機均采用渦噴發(fā)動機或渦扇發(fā)動機 , 發(fā)動 機轉(zhuǎn)速變化范圍大 , 因此這種變頻交流電源 系統(tǒng)稱之為寬變頻交流電源系統(tǒng) , 它具有頻 率變化大的缺點 , 難以滿足機載電子設備對 供電品質(zhì)的要求 , 其發(fā)展曾一度受到了限制 。 但隨著電力電子技術(shù)的

9、發(fā)展及其在飛機上的 應用 , 變頻交流電源系統(tǒng)更易于構(gòu)成變頻交 流起動發(fā)電系統(tǒng) , 因此 , 在最新研制的大型民 用飛機上也得到了應用 , 如 Boeing787飛機 和 A380飛機 。 使用變頻電源的飛機主要有2以下幾種 (如表 1所示 。表 1 變頻電源飛機列表序號 飛機名稱 生產(chǎn)國家 生產(chǎn)年代 主發(fā)電機容量 (k VA 頻率范圍 (Hz 1貝爾法斯特 英國 19668×50334-485 2SF -340支線 瑞典 19842×263ATP 支線運輸 英國 1987304全球快車 加拿大 4596 5新舟 -2×20325-528 6B -20094

10、15;250360-800 7A -380歐洲 20084×150360-800 由于交流發(fā)電機直接由發(fā)動機附件傳動 機匣驅(qū)動 , 其轉(zhuǎn)速隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速而變化 , 頻率變化范圍較大 , 一般約為 2:1左右 。為 滿足飛機各種不同用電負載的需要 , 二次電 源變換形式較多 , 造成飛機配電系統(tǒng)十分 復雜 。2. 4 高壓直流電源系統(tǒng)特點270V 直流電源系統(tǒng)由發(fā)電機和控制器 構(gòu)成 。 恒速恒頻交流電源效率在 68%左右 , 高壓 直 流 電 源 的 效 率 可 達 到 85%以 上 。 270V 高壓直流電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單 、 能量 轉(zhuǎn)換效率高 、 功率密度高 、 易實現(xiàn)不中斷供

11、電 以及使用安全等優(yōu)點 。 3 飛機電源系統(tǒng)的發(fā)展方向 資料表明 , B737-800與 B737-300相 比 , 駕駛艙的儀表板采用了大尺寸顯示器 ; 增 加了航空電子設備 ; 改進了座艙的內(nèi)飾 , 使乘 客感到更加寬敞和舒適 。以上的改進對于電源系統(tǒng)而言 , 能夠分 析出的是駕駛艙和客艙的用電量會增加 , 主 發(fā) 電 機 的 功 率 由 2×60k VA 增 加 到 2×90k VA 。與 此 同 時 , AP U 發(fā) 電 容 量 也 從 40k VA 增加到 90k VA (如表 2所示 。 另外 , 飛機上存在多種二次能源 , 以電能 逐步取代液壓能 、 氣壓能等

12、其它形式的二次表 2 部分 150座級飛機電源容量對比參 數(shù) 737-300B737-800A320-200主發(fā)電機容量 (k VA 2×60(CSCF 2×90(CSCF 2×90(CSCF AP U 發(fā)電機 (k VA 40(CF 90(CF 90(CF RAT 發(fā)電機 (k VA 7. 5(CF 5(CF 5(CF 蓄電池 (A h 36或 382×472×23逆變器 (VA 500, 單相 1000, 單相 1000, 單相28V TRU (A 3×503×2003×2003 高了飛機的可靠性 、 維護性

13、、 經(jīng)濟性 , 提高了 飛機的總體性能 。被列為多電的子系統(tǒng)為 :飛控系統(tǒng) 、 液壓系統(tǒng) 、 環(huán)控系統(tǒng) 、 防冰系統(tǒng) 。 多電技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)是大功率的發(fā)電機和大 功率的電動機 。 飛機技術(shù)的發(fā)展帶來飛機的 用電量的快速增加 , 要求飛機供電系統(tǒng)的容 量也相應增加 。隨著電力電子技術(shù) 、 計算機 技術(shù)的發(fā)展 ,28V 低 壓 直 流 交 、 270VB787、 A380飛 機 以 及 A320后 繼 機 、 B737后繼機都將可能是多電飛機 。多電飛 機是未來飛機發(fā)展的方向之一 , 但是多電的 程度是需要根據(jù)飛機的航程 、 載客量以及設 備的體積 、 重量 、 效率 、 可靠性 、 經(jīng)濟技術(shù)風險

14、 等方面綜合考慮 。4 先進飛機電源系統(tǒng)狀況隨著 B787飛機項目的進展 , 多電飛機 將成為現(xiàn)實 。 其特征是具有大容量的供電系 統(tǒng)和廣泛采用電力作動技術(shù) , 飛機重量相對 較輕 , 可靠性高 、 維修性好 、 營運成本低等 優(yōu)勢 。4. 1 空客 A380多電飛機A380飛機是一個典型的多電商用飛機 , 它完全按多電飛機電力系統(tǒng)來設計 , 總的發(fā) 電功率是 915K VA 。其中 , 由發(fā)動機驅(qū)動 4臺 150K VA 的變頻交流發(fā)電系統(tǒng) , 發(fā)電容量 共 600K VA, 頻率在 360Hz 800Hz 之間 ; 由輔助動力裝置 (AP U 驅(qū)動兩臺 120K VA 恒速發(fā)電機 , 發(fā)電

15、容量共 240K VA; 一個空氣 充壓渦輪系統(tǒng)驅(qū)動一個 75K VA 發(fā)電系統(tǒng) 。 A380飛機大部分的作動裝置采用電力 作動 , 使飛機的設計更為簡單 , 地面保障設備 減少 , 飛機性能大為提高 。4. 2 波音 787飛機波音 787飛機是一個典型的多電商用飛 機 , 它與 A380飛機相比 , 更接近全電飛機 , 它完全按多電飛機來設計 , 總發(fā)電功率是 1450K VA 。波音 787飛機的電源系統(tǒng)與以往的波音 飛機有著很大的區(qū)別 , 飛機上的電源來自 4個安裝在發(fā)動機上的 230V 250k W 變頻 (AP U , 變 的 恒 頻 系 統(tǒng) , 頻 率 在 360Hz 800Hz

16、 之間 ; 一個空氣充壓渦輪系 統(tǒng)驅(qū)動一個 10K VA 交流發(fā)電系統(tǒng) 。電源經(jīng) 過變頻 、 整流 、 變壓分配后形成飛機的 4種電 源模式 , 即傳統(tǒng)的 115V 交流 、 28V 直流和新 的 230V 交流 、 270V 直流 。其中 230V 交流 和 270V 直流電源主要用于以往由氣源系統(tǒng) 驅(qū)動的系統(tǒng)部件 。波音 787飛機上取消了傳統(tǒng)的氣源系 統(tǒng) 。 這樣的設計優(yōu)化了飛機能源的使用 , 提 高了發(fā)動機的效率 。 由于取消了氣源系統(tǒng)的 各個部件 (活門 , 管道等 , 大大降低了飛機 的重量 , 系統(tǒng)的可靠性得到顯著提高 , 飛機的 維修成本也得到有效降低 。4. 3 F35戰(zhàn)斗機

17、F35戰(zhàn)斗機是一個典型多電戰(zhàn)斗機 , 技 術(shù)更加先進 , 能攜帶更大的高能武器 。它完 全按 多 電 飛 機 來 設 計 , 總 的 發(fā) 電 功 率 是 250K W 。F35戰(zhàn)斗機采用固態(tài)配電技術(shù) , 對飛機 的電力系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計 , 一次配電和二 次配電系統(tǒng)采用集中控制 , 飛機可靠性大為 提高 , 飛機重量大大減輕 , 飛機性能更為優(yōu) 越 , F35戰(zhàn)斗機成為典型的第二代多電飛機 。 F35的綜合機載機電系統(tǒng)主要包括熱 /能量管理系統(tǒng) (T/E MM 、 起動 /發(fā)電系統(tǒng)和 電靜液作動器系統(tǒng) (EHA , 并由飛機管理系 統(tǒng)控制 , 從而使機載機電系統(tǒng)在布局 、 能量利 用和控制信息

18、共享上實現(xiàn)了最優(yōu)化 , 該飛機 接近于全電飛機 。4 5 關(guān)于我國飛機電源技術(shù)水平5. 1 恒速恒頻電源系統(tǒng)我國陜西航空電氣有限責任公司 (115廠 自行研制的比較先進的 、 比較成熟的電 源系統(tǒng)為恒速恒頻系統(tǒng) , 其中組合式傳動發(fā) 電機 (I D G 容量為 60K VA (恒裝由南京液壓 中心研制 , 該產(chǎn)品已經(jīng)裝備多種類型的戰(zhàn) 斗機 , 屬于貨架產(chǎn)品 。悠久歷史 ,術(shù) , 具有 120K VA 以下的恒裝研制能力 。當 前主要生產(chǎn)研制 60K VA 的恒裝 , 功率傳輸效 率約 80%, 已經(jīng)在軍機上采用 , 最長實現(xiàn) 200飛行小時無故障使用 。 從產(chǎn)品角度上可以使 用 , 但仍存在一

19、些問題 , 如專利保護問題 ; 單 獨適航取證問題 ; 可靠性還需要進一步驗證 。 由于恒速裝置的技術(shù)難度高 , 我國要研 制更大功率的 I D G 已經(jīng)很困難 。盡管國外 研制的 I D G 能夠達到 150K VA, 但由于工藝 、 材料等技術(shù)因素 , 我國在短期內(nèi)實現(xiàn)技術(shù)的 突破很困難 。5. 2 變頻電源系統(tǒng)陜西航空電氣有限責任公司 (115廠 已 經(jīng)開始了變頻電源的研制 , 其中發(fā)電機容量 為 90K VA 。該產(chǎn)品已經(jīng)在裝配與試驗 。該 廠曾經(jīng)研制了 15K VA 的變速恒頻電源系統(tǒng) , 其中發(fā)電機部分為變頻發(fā)電機 。由于變頻發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與 I D G 發(fā)電機相 同 , 為三級發(fā)電機 , 部分關(guān)鍵技術(shù)可以通用 , 該 廠已經(jīng)完成了電磁設計、 冷卻、 整流等關(guān)鍵技 術(shù) , 如果承擔更大功率的變頻發(fā)電機的研制 , 沒有很大的技術(shù)難點 , 因此其有能力承擔更大 功率變頻發(fā)電機的研制。 但是與國外比較 , 在 材料、 軸承、 熱處理等技術(shù)上仍存在差異 , 在壽 命、 可靠性等性能上亦不如國外水平。5. 3 高壓直流的電源系統(tǒng)高壓直流電源可采用開關(guān)磁阻發(fā)電機和 繞線式發(fā)電機。 115廠研制的 270V 、 70K W 開 關(guān)磁阻電機應用于海軍 , 軍用 70K W 的開關(guān)磁 阻發(fā)電機在研制中 , 作為預研項目 , 該廠曾經(jīng) 研制過 125K W 的