民用飞机供电系统设计

民用飞机供电系统设计吴明星【摘要】Chinahascarriedouttheresearchofcivilaircraft,theaircraftelectricalsystemofadvancedtechnologyconsistsofthefollowingaspects:variablefrequencypower,electricalmulti-channeltransmissionsystemsandelectricalloadmanagementcen-ters(ELMC).Withthedevelopmentofforeignstatusandtrend,itisintroducedfrompowersupplysystem,electricalpowerdis-tributionsystemandelectricalloadmanagementthreeaspectsofthedesignofcivilaircraftelectricalsystems.%针对我国已经开展大型客机的开发和研制，对飞机的电气系统先进技术变频电源、电气多路传输系统和电气负载管理中心(ELMC)进行了一些探讨。结合国外电气系统发展的现状及发展趋势，从电源系统、配电系统和电气负载三个方面阐述了民用飞机电气系统的设计。【期刊名称】《技术与市场》【年(卷)，期】2015(000)011【总页数】3页(P7-9)【关键词】电气系统;变频电源;多路传输系统;负载管理中心(ELMC)【作者】吴明星【作者单位】上海飞机设计研究院，上海201210【正文语种】中文0引言世界航空业的快速发展，电子新技术、新材料、新设备越来越广泛地应用到民用航空领域中，采用大容量、效率高、频率范围广但又不会降低供电特性、电能质量稳定的供电系统，对提高民航飞行安全，促进行业稳步、协调可持续发展起着举足轻重的作用。随着现代电力电子技术的发展和飞机自动化水平的不断提高，计算机和各种先进电气电子设备将越来越多地在飞机上使用，飞机供电容量的增大与变频供电系统的供电质量问题也将日益突出，这直接关系到先进电气设备功能的发挥和飞机的飞行安全。飞机供电系统是飞机电能的生产、变换和输配等装置组成的一个完整系统，其作用是向飞机上的所有用电设备提供满足规定技术性能的电能，保证用电设备的正常工作。它是现代飞机的一个重要组成部分。1飞机电气系统整体框架飞机电气系统从功能上可将飞机电气系统划分为电源系统、配电系统和电气负载三大部分。电源系统是电源到汇流条之间的部分，主要由主电源、二次电源、应急电源和辅助电源组成。主电源由航空发动机传动的发电机和电源控制器等组成。二次电源将主电源电能变换为另一种形式的电能。应急电源是一个独立电源，当飞行中主电源发生故障时，向飞机上重要用电设备供电。航空蓄电池和辅助动力装置是飞机上常用的辅助电源;配电系统是从电源汇流到用电设备输入端的部分，飞机的配电系统由电网、配电装置和电网保护装置组成，它的作用是将电源产生的电能传输分配到飞机各用电设备上;电气负载主要是飞机上的用电设备，如飞控系统、航电设备、照明设施、防冰与环控系统等，可以分为交流负载和直流负载两大类。飞机电气系统结构如图1所示。图1飞机电气系统结构图2民用供电系统设计原则飞机电网的分布决定于飞机用电设备的分布位置，基本遍布于飞机全身，因此飞机配电系统十分复杂，且易于发生故障。为了保证安全飞行和完成飞行任务，根据飞机配电系统的特点，在设计时需要满足以下技术要求。1） 汇流条和配电电路的配置应使供电系统正常运行的情况下，负载能够从飞机主电源、二次电源、地面电源或者辅助电源（如适用时）获得电力。2） 当供电系统发生故障时，使总的可用功率减少到低于飞机的要求时，则非关键负载或者预先选定的负载应按要求脱开。3） 飞行关键负载应由主电源或二次电源供电，当主电源失效时应由应急电源供电，并具有容错供电能力。4） 满足民用飞机供电特性要求。电能的质量高低直接影响用电设备性能和仪器的精确度。不仅在正常供电时要保证供电质量，而且要保证在各种故障情况下仍有较高的供电质量。5） 在地面工作期间应有简便的方法，将不需要供电的设备与地面电源断开。6） 输配电网络的可靠性要求应按CCAR-25部规定。具体指标根据飞机供电系统的合理分配确定。配电系统要有高的可靠性和强的生命力，在正常和各种故障状态下保证用电设备不间断供电，特别要保证安全返航用设备的连续供电。7） 个别电源发生故障或导线断开、短路时，配电系统仍能保持继续工作的能力，并能限制故障的发展，将故障产生的影响限制在最小范围内。输配电网路中任何部分的故障及组合、人员误操作不应构成不安全状态。8） 质量轻，易于安装、检查、维修和维护方便。9） 要求具有负载管理能力和自检测能力。10） 减少对电子和通讯设备的电磁干扰，金属机体应有低的电阻，电网中要采取滤波和屏蔽设施;为消除飞机上的静电干扰，机上各金属部分应有良好接触（电连接使之成为一个整体），并需安装静电放电器。3民用飞机电源系统设计飞机电源系统已经历了由低压直流到恒频交流的发展过程，就目前发展趋势看有两种，一种是以波音787和空客A380为代表的大型民用飞机，采用了变频交流电源系统;另一种是以美国的F-22和F-35为代表的第四战斗机采用了高压直流电源系统。飞机电源系统发展趋势如图2所示。图2飞机电源系统发展变频交流电源系统具有结构简单可靠、重量轻、体积小、成本低、维护费用少、效率高等优点。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。但是，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启动发电系统，因此，在最新研制的大型民用飞机上也得到了很好的应用，如波音787飞机和空客A380飞机。民用飞机在确定发电机的容量时，有以下原则。1） 对于双主发电机的民用飞机，1台发电机的容量应能够为整个飞机的基本负载供电。2） 对于四主发电机的飞机，2台发电机的容量应能够为整个飞机的基本负载供电。3） 对于远程飞机，包括辅助动力发电机（APU）的容量应设计为所有负载（包括非基本负载）的2倍容量。因此，基于变频电源的诸多优点，民用飞机选择变频电源系统。4民用飞机配电系统设计设备之间实现电能分配、传输、控制、保护和管理的系统。配电系统包括汇流条及控制装置、电路保护装置。主要功能是将电功率合理地分配到各级汇流条。根据控制方式不同，飞机配电系统主要有以下三种结构。1） 常规配电系统。该配电系统采用了诸如继电器、接触器、断路器等机电式配电设备，馈电线全部引入座舱内的配电中心，二级配电中心或电气负载直接从配电中心获得电能，由短路器提供馈电线过载保护。电气负载的控制方式为继电器逻辑控制，由飞行人员通过离散控制信号线手动管理电气负载，负载的状态由状态电门及信号指示灯来显示。由于配电中心安装在驾驶舱内，这就要求馈电线必须先从发电机端敷设到驾驶舱，然后再从驾驶舱返回到机身中心的负载，因而主馈电线又长又重，早期的飞机和目前的小型飞机均采用这种配电方式。2） 遥控配电系统。在该系统中，配电汇流条靠近用电设备，由飞机驾驶员发出的遥控信号通过功率控制器（如接触器）对用电设备进行控制，座舱内只引入控制线，目前的大、中型飞机均采用这种配电方式。3） 电气多路传输系统。电气多路传输系统是一种计算机控制的配电系统。在该系统中，负载并不直接连接到主汇流条上，而是接在负载管理中心。该中心用固态功率控制器来控制负载的接通和断开，以及配电布线的保护。数据处理机和转换装置将确保电气负载管理中心内的汇流条每次接在一个主汇流条上。数据处理机将按程序在各种飞行和供电状态下接通和断开相应的负载，以及在故障情况下重新配置电气系统。这种配电方式从80年代以来得到了发展，逐步应用到先进飞机配电系统中。随着多电飞机的发展，辐射式的集中配电布局就更无法适应，因而迫切要求改变现有的电源控制与管理系统，采用一套新型电源控制与管理系统，以适应新一代先进飞机的性能要求。民用飞机供电控制系统结构如图3所示。图3供电控制系统结构图为保持先进性和未来的竞争性，民用飞机将采用电气多路传输系统，民用配电系统结构图如图4所示。5民用飞机电气负载管理设计电气负载管理中心(ELMC)是飞机配电系统的一个重要部分，它监控与二级配电汇流条相关的各个模拟量与状态量，通过数据总线接口将相关数据传递给PSP，并接收来自PSP的控制指令，控制继电器并通过SSPC控制负载。负载管理中心是具有局部处理能力的智能终端。每个ELMC都带有一定数量的可提供分布式负载控制及保护的固态功率控制器(SSPC)。ELMC从自身关键飞行电力汇流条内部获得电力。ELMC控制中心具有以下三大功能。根据系统控制指令和应急模式选择器的状态来控制SSPC动作，从而实现对相应负载的供电和保护。图4配电系统结构图监测电力汇流条电压并向PSP报告，根据PSP命令切换继电器动作，而保证负载的正常供电。不断采集SSPC的状态信息，解出SSPC的状态方程，向PSP报告。同时ELMC还把内部汇流条的电压和ELMC内部二极管的状态发送给PSP。民用飞机的电气负载管理中心结构图如图5所示。图5电气负载管理中心结构图6结语飞机电气系统是飞机的重要组成部分，尤其是随着飞机多电化的发展，电气系统的作用越来越重要。本文阐述了飞机供电系统的关键组成部分，提出了民用飞机的供电系统设计，该系统综合考虑了国外先进技术，具