大型民用飞机电源系统的现状与发展概要

大型民用飞机电源系统的GMMyetqiWKjornrnjEl的宙"*WiWWVMIE**v*|Q现状与发展程国华（上海飞机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究所电气系统研究室摘要：飞机电源系统经历了由低压直流、恒速恒频交流、，本文在分析了统的发展现状和研究水平，关键字:;;1飞机电源系统发展的历程飞机电源系统经历了低压直流、交流、高压直流的发展过程，其中交流电源经历了恒速恒频、变速恒频、变速变频。1.1低压直流电源系统自1914年飞机上第一次使用航空直流发电机以来，飞机直流电源系统经历了九十年的发展过程，其额定电压由6伏、12伏，逐步发展为28伏的低压直流电源系统，一直沿用至今。28伏低压直流电源系统主要由直流发电机、调压器、保护器和滤波器等组成。1.2交流电源系统随着飞机的不断发展，机载电子设备和电力传动装置不断增加，机上用电量大大增加，而且对供电质量要求有所提高，低压直流电源系统已不能满足飞机的用电需要，从而促进了飞机交流电源系统的发展。交流电源系统经历了恒速恒频交流电源系统、变速恒频交流电源系统、变速变频交流电源系统。1.2.1恒速恒频交流电源系统恒速恒频交流电源系统是一种通过各种恒速传动装置（简称恒装使发电机恒速运行以产生恒频交流电的系统。目前它是应用最为广泛的一种飞机电源系统。1.2.2变速恒频交流电源系统变速恒频电源系统是一种通过电子功率变换器把变频发电机输出的变频交流电变换为恒频交流电的系统。在变速恒频电源系统中，交流发电机由飞机发动机直接驱动，发电机所输出的交流电的频率随发动机转速的变化而变化，通过功率变换器将变频交流电变换为400Hz恒频交流电。1.2.3变频交流电源系统变频交流电源系统是最早在飞机上使用的交流电源系统。变频交流电源系统中，交流发电机是由发动机通过减速器直接驱动的，因而输出的交流电频率随发动机转速的变化而变化。它主要用于装有涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机的飞机或直升机上，并称之为窄变频交流电源系统。1.3高压直流电源系统270V直流电源系统由发电机和控制器构成,美国的F-14A战斗机、S-3A和P-3C反潜机等局部采用了高压直流供电技术,而F-22战斗机上已采用了65kW的270V高压直流电源系统,F-35战斗机则采用了250kW、270V高压直流起动发电系统。因此270V直流电源系统也将是今后飞机电源的发展方向之一。2各电源系统技术特点2.1低压直流电源系统的特点低压直流电源系统是早期使用的一种电源系统，随着多电技术在飞机上的广泛发展，飞机的装机容量不断增加，如果继续使用低压直流电源系统，将使得配电系统的重量变得非常庞大，因此目前飞机上已很少采用28伏低压直流电源系统作为主电源系统（仅用于少数用电量较小的飞机。2.2恒频交流电源系统特点长期以来，115V、3相的。一台恒速传动装置（CSD便可以把发动机主齿轮箱的变速输出稳定为一个恒定转速。目前产生恒频的最佳方法是使用组合驱动发电机（IDG,如图1所示。整体驱动发电机把恒速传动装置和发电机合二为一，构成一个整体。与恒速传动装置和发电机分开使用的系统比较，组合驱动发电机的体积较小、重量较轻，且维护较为简单。虽然恒速恒频电源系统目前仍广泛用于各种军、民用飞机，而且经过几十年的发展，有了很大的改进，但它在可靠性、维修性、重量、费用、战损生存能力等方面一直存在着不同程度的缺陷图1组合驱动发电机示意图在过去20年中，在若干民用飞机上试验并使用过一种产生恒频电源的替代方法，即试图通过电子变频装置把由变速发动机附件齿轮箱直接驱动的一台发电机产生的变频电源转换为恒频电源。这就是所谓的变速恒频（VSCF技术。变速恒频交流电源系统与恒速恒频交流电源系统相比，具有电气性能好、效率高、可靠性高、维护费用低等优点，因此曾一度受到很高的重视。但大功率变速恒频电源系统主要受到功率器件的限制。经过实践发现，这一技术没有能够达到预期的可靠性要求，现在已经不把这一技术视为近期民0图2变速恒频电源系统示意图2.3变频交流电源系统特点变频交流电源系统具有结构简单、能量转换效率高、功率密度高等优点。变频交流电源系统由交流发电机和控制器构成，系统只有一次变换过程，交流发电机直接由发动机附件传动机匣驱动，没有恒速传动装置（恒速恒频系统采用和二次变换装置（变速恒频系统采用，结构简单、重量轻、体积小、功率密度高，可靠性高、费用低，能量转换效率高，易于构成起动发电系统。因此单从电源系统本身来讲而不考虑配电系统、用电设备和发动机起动等因素，在各种电源系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 中，变频交流发电系统具有结构最简单、可靠性最高、效率最高、费用最低等优点，而且具有较小的重量和体积。但由于其输出频率取决于发动机减速器输出转速，尤其是多数飞机均采用涡喷发动机或涡扇发动机，发动机转速变化范围大，因此这种变频交流电源系统称之为宽变频交流电源系统，它具有频率变化大的缺点，难以满足机载电子设备对供电品质的要求，其发展曾一度受到了限制。但随着电力电子技术的发展及其在飞机上的应用，变频交流电源系统更易于构成变频交流起动发电系统，因此，在最新研制的大型民用飞机上也得到了应用，如Boeing787飞机和A380飞机。使用变频电源的飞机主要有2以下几种（如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1所示0表1变频电源飞机列表序号飞机名称生产国家生产年代主发电机容量（kVA频率范围（Hz1贝尔法斯特英国1966850334-4852SF-340支线瑞典19842263ATP支线运输英国1987304全球快车加拿大45965新舟-220325-5286B-20094250360-8007A-380欧洲20084X50360-800由于交流发电机直接由发动机附件传动机匣驱动，其转速随着发动机的转速而变化，频率变化范围较大，一般约为2:1左右。为满足飞机各种不同用电负载的需要，二次电源变换形式较多，造成飞机配电系统十分复杂。2.4高压直流电源系统特点270V直流电源系统由发电机和控制器构成。恒速恒频交流电源效率在68%左右，高压直流电源的效率可达到85%以上。270V高压直流电源系统具有结构简单、能量转换效率高、功率密度高、易实现不中断供电以及使用安全等优点。3飞机电源系统的发展方向资料表明,B737-800与B737-300相比,驾驶舱的仪表板采用了大尺寸显示器；增加了航空电子设备；改进了座舱的内饰，使乘客感到更加宽敞和舒适。以上的改进对于电源系统而言，能够分析出的是驾驶舱和客舱的用电量会增加，主发电机的功率由2E0kVA增加到2)90kVA。与此同时,APU发电容量也从40kVA增加到90kVA(如表2所示。另外，飞机上存在多种二次能源以电能逐步取代液压能、气压能等其它形式的二次表2部分150座级飞机电源容量对比参数737-300B737-800A320-200主发电机容量(kVA260(CSCF2X90(CSCF2X90(CSCFAPU发电机(kVA40(CF90(CF90(CFRAT发电机(kVA7.5(CF5(CF5(CF蓄电池(A?h36或382>472X23逆变器(VA500,单相1000,单相1000,单相28VTRU(A3>03>2003>200高了飞机的可靠性、维护性、经济性，提高了飞机的总体性能。被列为多电的子系统为：飞控系统、液压系统、环控系统、防冰系统。多电技术的关键技术是大功率的发电机和大功率的电动机。飞机技术的发展带来飞机的用电量的快速增加，要求飞机供电系统的容量也相应增加。随着电力电子技术、计算机技术的发展，28V低压直流交、270VB787、A380飞机以及A320后继机、B737后继机都将可能是多电飞机。多电飞机是未来飞机发展的方向之一，但是多电的程度是需要根据飞机的航程、载客量以及设备的体积、重量、效率、可靠性、经济技术风险等方面综合考虑。4先进飞机电源系统状况随着B787飞机项目的进展，多电飞机将成为现实。其特征是具有大容量的供电系统和广泛采用电力作动技术，飞机重量相对较轻，可靠性高、维修性好、营运成本低等优势。4.1空客A380多电飞机A380飞机是一个典型的多电商用飞机，它完全按多电飞机电力系统来设计，总的发电功率是915KVA。其中，由发动机驱动4台150KVA的变频交流发电系统,发电容量共600KVA,频率在360Hz~800Hz之间；由辅助动力装置（APU驱动两台120KVA恒速发电机，发电容量共240KVA;一个空气充压涡轮系统驱动一个75KVA发电系统。A380飞机大部分的作动装置采用电力作动,使飞机的设计更为简单，地面保障设备减少，飞机性能大为提高。4.2波音787飞机波音787飞机是一个典型的多电商用飞机,它与A380飞机相比,更接近全电飞机,它完全按多电飞机来设计，总发电功率是1450KVA波音787飞机的电源系统与以往的波音飞机有着很大的区别，飞机上的电源来自4个安装在发动机上的230V250kW变频（APU,变的恒频系统，频率在360Hz~800Hz之间；一个空气充压涡轮系统驱动一个10KVA交流发电系统。电源经过变频、整流、变压分配后形成飞机的4种电源模式，即传统的115V交流、28V直流和新的230V交流、270V直流。其中230V交流和270V直流电源主要用于以往由气源系统驱动的系统部件。波音787飞机上取消了传统的气源系统。这样的设计优化了飞机能源的使用提高了发动机的效率。由于取消了气源系统的各个部件（活门，管道等，大大降低了飞机的重量，系统的可靠性得到显著提高，飞机的维修成本也得到有效降低。4.3F35战斗机F35战斗机是一个典型多电战斗机，技术更加先进，能携带更大的高能武器。它完全按多电飞机来设计,总的发电功率是250KW。F35战斗机采用固态配电技术，对飞机的电力系统进行了优化设计，一次配电和二次配电系统采用集中控制，飞机可靠性大为提高，飞机重量大大减轻，飞机性能更为优越，F35战斗机成为典型的第二代多电飞机。F35的综合机载机电系统主要包括热/能量管理系统（T/EMM、起动/发电系统和电静液作动器系统（EHA,并由飞机管理系统控制，从而使机载机电系统在布局、能量利用和控制信息共享上实现了最优化，该飞机接近于全电飞机。45关于我国飞机电源技术水平5.1恒速恒频电源系统我国陕西航空电气有限责任公司（115厂自行研制的比较先进的、比较成熟的电源系统为恒速恒频系统,其中组合式传动发电机（IDG容量为60KVA（恒装由南京液压中心研制，该产品已经装备多种类型的战斗机，属于货架产品。悠久历史，术,具有120KVA以下的恒装研制能力。当前主要生产研制60KVA的恒装,功率传输效率约80%,已经在军机上采用,最长实现200飞行小时无故障使用。从产品角度上可以使用，但仍存在一些问题，如专利保护问题；单独适航取证问题；可靠性还需要进一步验证。由于恒速装置的技术难度高，我国要研制更大功率的IDG已经很困难。尽管国外研制的IDG能够达到150KVA,但由于 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 、材料等技术因素，我国在短期内实现技术的突破很困难。5.2变频电源系统陕西航空电气有限责任公司（115厂已经开始了变频电源的研制，其中发电机容量为90KVA。该产品已经在装配与试验。该厂曾经研制了15KVA的变速恒频电源系统，其中发电机部分为变频发电机。由于变频发电机的结构与IDG发电机相同，为三级发电机，部分关键技术可以通用，该厂已经完成了电磁设计、冷却、整流等关键技术，如果承担更大功率的变频发电机的研制，没有很大的技术难点，因此其有能力承担更大功率变频发电机的研制。但是与国外比较，在材料、轴承、热处理等技术上仍存在差异，在寿命、可靠性等性能上亦不如国外水平。5.3高压直流的电源系统高压直流电源可采用开关磁阻发电机和绕线式发电机。115厂研制的270V、70KW开关磁阻电机应用于海军，军用70KW的开关磁阻发电机在研制中，作为预研项目，该厂曾经研制过125KW的磁悬浮开关磁阻发电机。5.4试验条件115厂作为我国最有实力的航空电源生,,为新型目前我国国内飞机电源系统的整体发展水平滞后于国外电源系统供应商，国外Boe2ing787上已经装配了变频250KVA的发电机,而我们国内90KVA的发电机还在研制中。另外我们国内技术储备与国外相比差距较大。中国商用飞机有限责任公司的成立，标志着我国大型客机项目的正式启动，开创了我国大型飞机研制的新局面，国内电源生产厂家可以借助大型客机项目展开国际合作，提升自己的技术水平，从而提升我们的产业结构。参考文献李开省•多电飞机技术发展研究•中国航空学会航空电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 第六届学术年会论文集,2005.8.陈伟.多电飞机供电系统研究.中国航空学会航空电气工程第六届学术年会论文集,2005.8.周增福等.飞机电源系统发展趋势•中国航空学会航空电气工程第七届学术年会论文集,2007.8.齐蓉，林辉，周素莹.多电飞机电气系统关键技术研究.航空计算技术2004.3.⑸傅大丰，杨善水，严仰光，刘祥.飞机自动配电管理系统电气负载管理技术的研究.南京航空航天大学学报,2002.2.⑹刘铭，黄纯洲，李勤.飞机机载机电系统多电技术的发展现状.航空科学技术，2005.6.