大型民用飞机电源系统的现状与发展

1、大型民用飞机电源系统的 现状与发展程国华(上海飞机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

2、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.

3、 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

4、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 65k W 的 270V 高压直流电源系统 , F -35战斗机则采用了 250k W 、 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1 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 ,

5、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 (CS D 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 (I D G , 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

6、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

7、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 。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

8、 、 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

9、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 1所示 。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 (k VA 频率范围 (Hz 1贝尔法斯特 英国 19668×50334-485 2SF -340支线 瑞典 19842×263ATP 支线运输 英国 1987304全球快车 加拿大 4596 5新舟 -2×20325-528 6B -20094

10、15;250360-800 7A -380欧洲 20084×150360-800 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

11、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 2×60k VA 增 加 到 2×90k VA 。与 此 同 时 , AP U 发 电 容 量 也 从 40k VA 增加到 90k VA (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

12、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 (k VA 2×60(CSCF 2×90(CSCF 2×90(CSCF AP U 发电机 (k VA 40(CF 90(CF 90(CF RAT 发电机 (k VA 7. 5(CF 5(CF 5(CF 蓄电池 (A h 36或 382×472×23逆变器 (VA 500, 单相 1000, 单相 1000, 单相28V TRU (A 3×503×2003×2003 高了飞机的可靠性 、 维护性

13、、 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

14、 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 915K VA 。其中 , 由发动机驱动 4台 150K VA 的变频交流发电系统 , 发电容量 共 600K VA, 频率在 360Hz 800Hz 之间 ; 由辅助动力装置 (AP U 驱动两台 120K VA 恒速发电机 , 发电

15、容量共 240K VA; 一个空气 充压涡轮系统驱动一个 75K VA 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 1450K VA 。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 230V 250k W 变频 (AP U , 变 的 恒 频 系 统 , 频 率 在 360Hz 800Hz

16、 之间 ; 一个空气充压涡轮系 统驱动一个 10K VA 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. 3 F35战斗机

17、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 250K W 。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/E MM 、 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

18、共享上实现了最优化 , 该飞机 接近于全电飞机 。4 5 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 (I D G 容量为 60K VA (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 120K VA 以下的恒装研制能力 。当 前主要生产研制 60K VA 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

19、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 I D G 已经很困难 。尽管国外 研制的 I D G 能够达到 150K VA, 但由于工艺 、 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 90K VA 。该产品已经在装配与试验 。该 厂曾经研制了 15K VA 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 I D G 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 、 70K W 开 关磁阻电机应用于海军 , 军用 70K W 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 125K W 的