飞机供电系统

民用飞机供电系统的历史回顾与发展航空自动化学院电气工程及自动化系2010-09-01①于敦主编.民用飞机供电系统发展研究；②严东超.飞机供电系统.国防工业出版社；③程国华.大型民用飞机电源系统的现状与发展;④刘建英.飞机电源系统.兵器工业出版社；⑤B737-600/700/800/900AMM24前续课程：电工学、航空电机学总学时：18学时授课教师:朱继军参考资料课程内容及学时分配（建议）第一章概述（7学时）第二章不同民用飞机供电系统简介（3学时）第三章飞机供电系统举例（4学时）复习答疑：2学时考试：2学时第一章概述(本章内容)1.1飞机供电系统的功用1.2飞机供电系统的组成1.3飞机供电系统的主要类型及发展历程1.4各供电系统技术特点1.5飞机供电系统的发展方向1.6先进飞机供电系统状况1.7关于我国飞机供电系统技术水平1.8对发展我国飞机供电系统的一些看法1.1飞机供电系统的功用所占比例：（1）加热和防冰负载：40%（2）电子设备：20%（3）电动机构：30%（4）照明设备：8%1.2飞机供电系统的组成飞机供电系统主要由飞机电源系统、控制及保护装置、供电网络等组成。1飞机电源系统为保证飞机在各种情况下正常供电，飞机电源系统由主电源、辅助电源、应急电源、二次电源和地面电源组成。①主电源：由主发动机直接或间接传动的发电系统；是机上全部用电设备的能量来源。②辅助电源：工作条件：飞机在地面、且主电源不工作时；或空中作为主电源的备份电源类型：航空蓄电池、APU.G作用：航前/后准备、起动主发动机等1.2飞机供电系统的组成③应急电源：工作条件：飞行中主电源和辅助电源全部失效供电对象：关键负载（EssentialLoad）类型：航空蓄电池（BAT）、静变流器（INV）冲压空气涡轮发电机（RAT）、液压马达驱动发电机（HMG）。1.2飞机供电系统的组成④外接地面电源（EP）：工作场合：飞机在地面类型：电源车（柴油发电机组）、中频电源、电瓶车作用：加油、装卸货物、清洁、地面检查、起动主发动机等1.2飞机供电系统的组成⑤二次电源：概念：将主电源电能变换为另一种形式或规格的电能类型：DC→AC：旋转变流机、静止变流器AC→DC：变压整流器；DC→DC：直流升压机、直流变换器1.2飞机供电系统的组成1.3飞机供电系统的主要类型及发展历程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。1.3飞机供电系统的主要类型及发展历程一、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。二次电源：旋转变流机、静变流器应急电源：航空蓄电池应用：30座以下的小型支线飞机、通用航空飞机二．恒速恒频交流电源系统（CSCF）结构示意图：容量：30、40、60、90、120KVA辅助电源：APU.G；应急电源：BAT、INV、RAT、HMG；二次电源：TRU特点：恒装的采购费用、维修费用、寿命周期费用高；重量重、效率低、供电质量差；可靠性和可维修性也较差。恒频。发动机发电机恒装三．变速恒频交流电源系统（VSCF）结构示意图：特点：①无CSD，可靠性高，寿命周期费用低；但技术不稳定。②VSCF电源与CSCF电源可互换，不需改变配电和用电部分，通用性强。应用：MD-90发动机变频器发电机四．变速变频交流电源系统（VSVF）结构图：特点：不需要CSD，结构简单，重量轻，可靠性高。适用机型：涡桨飞机：接近于恒频交流电涡喷飞机：需另配变频器发动机变速器发电机五、270伏高压直流电源系统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。1.4各供电系统技术特点一、低压直流电源系统的特点1、随着电源容量的增加，低压直流电源系统的重量也在增大。原因：有电刷，电压低，电流大→发电机的体积重量及输电线路重量增大。例如：航空直流发电机：18KW，重量为41.5kg，喷油冷却航空交流发电机：60KVA重量为17kg左右。1.4各供电系统技术特点一、低压直流电源系统的特点2、飞行高度和速度的不断提高，使低压直流电源系统的工作条件恶化。①飞行高度增加（1万米以上），电刷磨损加剧，换向条件恶化。②高速飞行时，直流发电机的冷却问题也难以解决。冷却条件差将导致发电机带载能力下降。1.4各供电系统技术特点一、低压直流电源系统的特点3、二次电源复杂，效率低。主电源为直流电源，则二次电源为变流机/变流器：效率低，体积重量大；且交流电用量大（占95%以上），使变换设备增多。4、优点：控制、保护设备简单；易实现并联供电；可用作起动发电机，减轻机载设备的重量。1.4各供电系统技术特点二、恒频交流电源系统特点长期以来,民航客机的主要电源一直是115V、3相、400Hz交流电。1恒速恒频交流电源系统传统的恒频是通过以恒定的转速驱动发电机的转子而产生的。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。1.4各供电系统技术特点二、恒频交流电源系统特点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。发动机发电机恒装1.4各供电系统技术特点二、恒频交流电源系统特点2、变速恒频交流电源系统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用飞机领域中恒频电源的替代技术。发动机变频器发电机1.4各供电系统技术特点三、变频交流电源系统特点优点：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。1.4各供电系统技术特点三、变频交流电源系统特点缺点：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。应用：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以下几种(如表1所示)1.4各供电系统技术特点三、变频交流电源系统特点表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(Hz)1贝尔法斯特英国19668×50334–4852SF-340支线瑞典19842×263ATP支线运输英国19872×304全球快车加拿大19944×40324–5965新舟-60中国19972×20325–5286B-787美国20094×250360–8007A-380欧洲20084×150360-8001.4各供电系统技术特点三、变频交流电源系统特点结论：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。发动机变速器发电机1.4各供电系统技术特点四、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。1.5飞机供电系统的发展方向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2×60kVA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)。1.5飞机供电系统的发展方向表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(kVA)2×60(CSCF)2×90(CSCF)2×90(CSCF)APU发电机(kVA)40(CF)90(CF)90(CF)RAT发电机(kVA)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28VTRU(A)3×503×2003×2001.5飞机供电系统的发展方向1.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能源,提高了飞机的可靠性、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。2.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。3.随着电力电子技术、计算机技术的发展,飞机供电系统的电压等级从28V低压直流向115V、400Hz恒频交流、270V高压直流、115V变频交流和230V变频交流方向发展。1.5飞机供电系统的发展方向B787、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。1.6先进飞机供电系统状况一、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。1.6先进飞机供电系统状况二、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1460KVA。波音787飞机的电