全电飞机中的航空电源系统.pdf

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1、全电飞机中的航空电源系统胡育文南京航空航天大学自动化学院江苏南京210016摘要本文介绍了航空电源的发展历史论述了当前航空电源技术的现状和各方案的优缺点对我国航空电源的发展提出了若干建议关键词全电飞机航空电源全电飞机和多电飞机是航空发展的必然趋势近年来各先进国家都在积极创造条件向这个目标进军所谓全电飞机是把飞机上的动力源如电液气都统一到电方面来所有的执行元件都是电动元件彻底革除液压系统和气压系统这样动力备配方便系统简单可靠大大减轻重量和减小体积使飞机发生一次质的大跃变我国也正在朝这个方向努力很显然全电飞机的

2、用电量将大幅度增加要发展全电飞机首先要发展高品质的大容量电源同时由于没有液压和气压系统了起动发动机的任务也要落到电气系统上来开发大容量高品质的具有起动/发电双功能的电源系统就成了发展全电飞机的第一站1航空电源系统的发展史50年代以前飞机电源系统是24V低压直流电源系统当时发明的低压直流起动/发电系统被认为是飞机直流电源系统发展的一个重要里程碑随后飞机供电系统容量急剧增加由于当时直流灭弧和直流电机电刷拉弧二大技术问题无法解决迫使飞机直流供电系统转变为交流供电系统80年代以前的飞机交流供电系统是用机械恒装将发动

3、机变化的转速变成恒速,再带动发电机旋转称为恒速恒频系统无法实现起动/发电双功能80年代电力电子技术大发展能够用电力电子装置取代机械恒装出现了变速恒频(VSCF)系统这种系统能实现起动/发电双功能但很复杂80年代与90年代电力电子技术电机控制技术大发展解决了直流灭弧和电机控制问题飞机电源系统重新回到直流电源系统但此时因容量要求大为增加直流输出电压从原来的24V升高到270V此即称为高压直流供电系统(HVDC)归纳一下航空电源的发展史如图1所示24V低压直流110V交流恒速110V交流变速270V高压直流电源系

4、统恒频电源系统恒频电源系统电源系统50年代以前70年代以前90年代以前20世纪图1航空电源的发展史2航空电源系统研究现状要扩大飞机电源的容量用低压肯定是不行的那会导致很大的电流其电缆将大大增加飞机重量飞机无法接受唯一的办法就是升高电压所以在未来的高性能大功率的飞机电源中高压不可避免以前那种24V的低电压体制肯定不能满足要求高压电源也有二种体制一种为交流体制即提供相电压为115V的三相交流电一种是直流体制即提供270V的直流电直流电显然比三相交流电简单只是以前不能解决高空直流拉弧和电机这二个关键技术问题被迫采

5、用三相交流电近年来这二个关键技术已经解决因此用270V的高压直流电源系统已成为人们的共识这种系统中发电机是和航空发动机联在一块的而发动机在起动时必须靠外力来起动因此还要一套起动发动机系统其实电机是能双向运行的它既能发电又可以电动它已和发动机联为一体能否就用它来起动发动机呢原理上是可以的但有一个条件即电机的功率要大如太小就没有足够的力量来起动发动机以前飞机发电机的容量较小只30kW以下它不能起动发动机而未来的航空电源是大功率的它的发电机功率高达几百千瓦足以起动发动机这样就能做到一机两用既可发电又可起动这样不但

6、可以省去一整套起动系统还大大加强了飞机的可靠性因此美国的新型飞机例如2001年开始设计的JSF轻型战斗机它的电机发电容量达132KW就设计成起动/发电系统形式可见将来的先进电源系统有二种类型一种是纯发电型如美国的F22另一种是起动/发电系统型如美国的JSF轻型战斗机当前在国际和国内正在研究的高压直流起动/发电系统有四种三级式无刷同步电机开关磁阻电机异步电机和电磁式双凸极电机下面分别比较一下它们的优缺点(1)三级式无刷同步电机起动/发电系统三级式旋转整流器同步发电机发动机SN转换开关负载调48V->270V功

7、率变换电路压DSP控制器二次电源控制主回路功率变换器蓄电池器48V蓄电池电压调节器图2三级电机式同步电机的起动/发电系统原理图三级式无刷同步电机的起动/发电系统原理图如图2所示这种电机就是我国已能生产的并已装机服役的电机它比较成熟94年115厂和南航大合作研制的歼83VSCF变速恒频电源就采用这种电机再+整流+逆变器而构成的作为高压直流系统只要在VSCF的电机+整流+逆变器的系统中删掉逆变器变成电机+整流系统就行可见要实现270V的高压直流系统在我国一点不难难的是它的配电和用电体系会作较大变化这种系统的优点

8、是显而易见的就是上面所说的在我国已成熟但这种系统有如下缺点主电机复杂它由三级电机组成在转子上还有旋转整流器因此它不能超高速运行可靠性差原因也是转子部分太复杂起动功能较难实现现在正在研究之中因此这种系统不太可能成为航空电源最优起动/发电系统但它是一个最好的过渡系统因为270V高压直流电源系统要改革的不仅是电机本身它的配电用电设备负载都要相应变化牵涉面很广要全面改革工作量太大若先用成熟的电机系统稳住电机这一头置力于配