航空电源研究

现代飞机战术技术水平在迅速地发展和提高，为了完成复杂的飞行任务并保证飞行安全，需要装配大量先进机载设备。在飞机上，航空发动机是机械能源，称为一次能源，向机载设备提供的能源称为二次能源。二次能源主要有液压能、气压能和电能。由于电能易于输送、分配、变换和控制，绝大部分机载设备采用电能工作。随着电气技术水平的提高，国外正在研制“全电飞机”，它将用电能全部取代飞机液压能和气压能。飞机上用来产生电能的设备组合（电源及其调节、控制和保护设备）称为飞机电源系统，电源系统中有主电源、辅助电源、应急电源和二次电源，飞机上用来传输、分配、转换和控制电能的导线和设备按一定方式组合起来，称为飞机配电系统或飞机电网。飞机电网主要由传输电能的导线和电缆、防止导线和设备受短路或超载危害的保护装置、配电装置、电源、用电设备的控制和转换装置及电源检查仪表等组成。电源系统与配电系统总称为飞机供电系统。依靠电能工作的设备称为用电设备，供电系统与用电设备总称为飞机电力系统。飞机主电源由发电机及其传动、调节、控制、保护装置等组成，向正常飞行的飞机用电设备供电。主电源不工作时由辅助电源或地面电源供电。常用的辅助电源是航空蓄电池或辅助动力装置驱动的发电机。在飞行中主电源一旦发生故障不能正常供电时，由应急电源供电。常用的应急电源有航空蓄电池和风动涡轮发电机。二次能源（以下简称次电源）是将主电源一种型式的电能转变为不同电压、不同电流和不同质量电能的设备，以满足不同用电设备对不同形式电能的要求。苏式飞机应用最广泛的主电源有三种形式，低压直流电源、恒频交流电源和混合电源。混合电源就是同时采用两种主电源。各种电源与其调节、控制、保护装置及电网一起组成供电系统。这些供电系统在飞机发展的不同时期都发挥了它们的作用。同时在使用中也看出了它们的优缺点。因此，随着飞机的发展各国都在改进和研制较理想的供电系统。一、低压直流供电系统（一）低压直流供电系统的优点在飞机发明后的半个世纪里，低压直流供电系统一直充当飞机主电源是因为它有突出的优点：1.容易实现多台发电机与蓄电池的并联供电，保证不中断供电，供电安全可靠。2.直流电动机的启动，调整性能好。因此，直流供电系统实现电力控制和操纵比较方便。3.直流发电机可以作为电力起动电动机使用，一机两用可以减轻设备总重量。4.由于电压低，各种有触头转换的电路设备制造容易，体积小，比较安全可靠。5.低压直流供电系统理论和技术不太复杂。整体维护性好。全周期维护费用也不高。在飞机没有发展到高空、空速的中小型飞机上，每台发电机的功率不超过9～12千瓦的情况下，低压直流供电系统得到了最广泛的使用。因为在这种条件下它是比较理想的供电系统。（二）低压直流供电系统存在的问题随着现代飞机的发展，飞机的高度、速度不断提高和机载设备的增多对飞机供电系统影响很大。高空、高速使供电系统工作条件变化了，机载设备的增多使供电量增大、需要电源种类变多。这些，对供电系统提出了更高的要求，使低压供电系统遇到了难以克服的问题：1.电机换向火花加大、电刷磨损加剧飞行高度增加，空气稀薄、温度和湿度降低，直流电机换向火花加大，电刷磨损严重。特别是在飞机用电量大量增加的情况下，如果单机功率增加（单机功率在30千瓦以上）、直流发电机己很难做到安全可靠。２．发电机冷却很难解决在高空、高速条件下，飞机上的直流发电机冷却很难解决。在高空条件下，空气稀薄、发电机的冷却效果下降。例如，在15公里高空时，进入发电机的冷却空气量减少五分之三。在高速飞行条件下，应用迎面气流冷却发电机几乎成为不可能。例如，当Ｍ=2时，入口冷空气温度达100摄氏度；当M=2.5时入口冷却空气温度高达200摄氏度。这时己不能用迎面气流来冷却发电机。但又不能用油冷，因为直流发电机损耗的75%在转子上，为了冷却，必须把冷却油通到转子上，可是电刷和换向器是不允许接触油液的，因此需要解决冷却油液的动密封问题，这在技术上是很难做到的。３．电机重量功率比增加，供电系统重量大随着现代飞机用电机载设备的不断增加，飞机电源的安装容量几十倍、几百倍地增加。目前，歼击机的安装容量可达60～120千伏安；大型运输机和重型轰炸机都在200～300千伏安以上（伊尔七六飞机上四台主系统主电机共240千伏安，辅助交流发电机40千伏安和辅助直流发电机12千伏安）。如果仍然采用低压直流供电系统的话，重量将会增加很多。仅对发电机来说，由于直流发电机换向（有刷）条件的限制，发电机电压不能太高，单机容量也不能太大，因此其重量较大，重量功率比大。例如，功率为18KW的ZF-18直流发电机、重量为41.5KG，而喷油冷却的60KVA的200/115Ｖ的交流发电机的重量仅17KG左右。低压直流供电系统的电网重量也很大。如某型轰炸机电网重量达630KG，占全机重量的1.75%,若将电压从28.5V提高到120V，约可减少150KG。总之，对28.5V低压直流供电系统，解决装机容量问题，不能通过提高发电机电压，因为提高电压，直流电机换向条件恶化，有触头的按触器和各种开关的电弧烧伤严重，都降低供电系统的可靠性；不能提高单机容量，也不能增加发电机数量（安十二飞机上，有８个主发电机СТГ－12，总功率为96KW，总重量为300多千克；如果伊尔七六采用СТГ－12为主发电机，得安装24个，总重量近１吨），因为每个发电机，都有一套电源系统，数量太多，总重量太大。因此，只能寻找其它供电系统。４．电能变换设备笨重、效率较低现代飞机上用电机载设备多，需要多种不同频率不同电压的交流电和不同电压的直流电。因此，需要多种电能变换设备。如果主电源系统是直流电，要获得不同电压的直流电，一般用直流升压机或晶体直流变换器；要获得不同频率，不同电压的交流电，一般采用变流机或静止变流器，等等。机电式电能变换设备，其效率低，变换设备比较笨重，一般重量功率比为10KG/KW。而且升压机、变流机也存在一个高空换向困难问题。所以，机载用电设备的增多，使得直流供电系统在能量变换上遇到了较大困难。这也是这种供电系统的一个不足。综上所述，低压直流供电系统己不适用于高空、高速和用电量大且用电种类多的飞机。二.交流供电系统交流供电系统分为恒频交流供电系统和变频交流供电系统。恒频交流供电系统又分为恒速恒频交流供电系统和变速恒频交流供电系统。（一）恒速恒频交流供电系统目前，在高空、高速和装机容量大的飞机上，普遍装备200/115Ｖ，三相，400Hz的恒速恒频交流电源。伊尔七六飞机主供电系统就是这种恒速恒频交流系统。欲使发电机提供恒速恒频交流电，要求发电机转速恒定。但是航空发动机的转速是在较宽范围内变化的，因此发电机不能由发动机直接传动，而要通过称为恒速装置的设备来传动。自40年代中期恒速传动装置应用以来，恒速恒频交流电源得到了迅速发展。恒速恒频电源系统由恒速传动装置、无刷交流发电机、电压调节器和控制保护器等组成。二次电源主要是变压器和变压整流器，后者将200/115Ｖ三相交流电变换为28V直流电。蓄电池和静止变流器作为应急电源。恒速恒频交流电源克服了低压直流电源的缺点。用旋转整流器取代电刷和滑环制成了无刷交流发电机，不存在换向问题。因此高空性能好，工作转速也可提高，加上循油或喷油冷却技术的应用，使发电机的重量功率比大大减小。例如：24KW的低压直流发电机重量功率比为2.1KG/KW,而60KVA喷油冷却的交流发电机仅为0.304KG/KVA。交流电源采用200/115V的供电体制，由于电压提高，输送同样功率所用导线重量大为减轻。交流电源的变压、变流容易。电能变换设备结构简单、效率高。恒速恒频交流电源经过半个世纪的发展，由于液压恒速装置的改进，控制保护电器的完善，喷油冷却技术的应用等，使其成为现代飞机应用最为广泛的一种供电形式，具有很强的竞争力。恒速恒频交流电源也存在缺点：恒速转动装置结构复杂、造价高、故障多、维护性差；交流发电机难以作为起动机使用，另设起动设备，使系统重量增加；控制、保护设备复杂，实现并联供电比直流电源复杂得多；交流电动机虽然结构简单，但启动、调速性能没有直流电动机好。（二）变速恒频交流供电系统在变速恒频供电系统中，发电机是由发动机直接带动的。由于发动机转速不是恒定的，因此发电机输出的交流电的频率是变化的。目前有两种方法，把变频交流电变成恒频交流电。1.“交－直－交”系统该系统主要由变频系统发电机、三相桥式全波整流器、逆变器、波形综合系统、输出滤波器等组成。变频交流发电机发出的变频交流电由三相桥式全波整流器先变成直流电，再由逆变器变换成恒频交流电，然后由波形综合系统和滤波器改善波形后输出。2.“交－交”系统该系统主要由高频无刷交流发电机、循环变频器、功率滤波器等组成。循环变频器把变频交流电变成恒频交流电，再经滤波后输出。变速恒频交流系统与恒速恒频系统比较起来，恒速传动装置的超载和短路能力较强，体积小，重量轻；但维护复杂，成本高，故障多。变速恒频系统的优点是可靠性高、维护性好、寿命长、效率高（为82%，而恒速恒频系统为78%）、并联工作时有功与无功环流小、稳态电压与频率精度高、没有频率瞬变、电压瞬变性能好、用同一基准频率源控制几台变频器容易同步运行、单台运行时也不会产生“拍频”干扰、变频器与发电机结合还可用于起动飞机发动机。存在的主要问题是，到目前为止，其重量功率比仍大于恒速恒频系统。交－交系统比恒速恒频系统约重25%、交－直－交系统比交－交系统还要重10%左右。变速恒频系统的重量功率比曾一度接近由轴向齿轮差动式恒装和循油冷却发电机组成的恒速恒频系统。但组合式电源装置的出现，又使这个差距拉大了。而且，变速恒速系统电能质量的优点显示不出来，因为现在大多数飞机用电设备还没有提出这么高的要求，所以变速恒频系统只在个别飞机上用个主电源系统。三.混合供电系统同一架飞机上的主电源，既有低压直流电源，又有交流电源则称为混合供电系统，其中大多以直流电源为主。交流电源可以是变频交流电，也可以是恒频交流电。若飞机上照明、加温、防冰等设备用电较多，这类设备对电源频率可不作较严格要求，因此采用变频交流与低压直流混合供电。若飞机上二次电源功率较大，则宜采用恒频交流与低压直流混合供电。我国生产的歼七Ⅱ型飞机采用低压直流与变频交流混合供电，别歼八Ｂ型歼击机采用直流电与恒速恒频交流混合供电，这种飞机应用电磁式恒速传动装置获得恒速恒频交流电。采用混合供电系统是飞机供电系统发展过程中的一种过渡性措施。四.高压直流供电系统人们在使用和研究交流供电系统的时候，特别是在解决交流供电系统存在问题的时候，没有忘记直流供电系统的优点。七十年代以来，半导体功率器件、大规模集成电路和新型磁性材料的发展，为在飞机上应用高压直流电源提供了新的技术基础。目前国外正在研制高压直流供电系统，某些飞机上己采用高压直流电源向航空电子设备供电。我国也己着手研究。高压直流电源系统的额定电压为270V，采用270V电压，可以和200/115V、400Hz的恒频交流电源兼容，因为200/115V三相交流电，经桥式整流后的直流电压就是270V。采用高压直流电源的主要优点如下：（一）工作可靠。与恒速恒频电源系统相比，高压直流发电机系统仅发电机上有两个轴承，而且电子线路简单，工作可靠。（二）重量轻。高压直流电网比低压直流电网轻，也比恒频交流电网轻。即使对于未来采用复合材料的飞机，用双线制直流电网，仍然比200/115V三相交流电网轻，可见，高压直流电网是最轻的。（三）连续供电。和低压直流电源一样，直流发电机易于并联供电，电源工作可靠，也可以构成互为备用的电路，能够保证向飞机电子设备和计算机连续供电。（四）节省电能。飞机电子设备都有内部电源，在用恒频交流电源供电时，电子设备的内部电源是降压、整流、滤波和稳压电路的组合，工作效率低。采用高压直流电源后，可以直接用开关稳压电源作为电子设备的内部电源，它的效率约提高40%。另外，高电压输配电能线损小。（五）安全。同样电压下，直流电比50Hz或400Hz交流电对人员更安全。将高压直流系统与恒速恒频系统及变速恒频系统进行综合评分比较的结果，高压直流系统得分最高