全电飞机中的航空电源系统.PDFVIP

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