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1、大型民用飞机电源系统的GMM yetqiWK jornrnj El的宙* W iWWVM IE* v*|Q现状与发展程国华（上海飞机设计研究所电气系统研究室摘要：飞机电源系统经历了由低压直流、恒速恒频交流、，本文在分析了统 的发展现状和研究水平，关键字:;1 飞机电源系统发展的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. 1 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
2、统主要由直 流发电机、调压器、 保护器和滤波器等组成。1.2 交流电源系统随着飞机的不断发展，机载电子设备和 电力传动装置不断增加，机上用电量大 大增加，而且对供电质量要求有所提高，低压直流电源系统已不能满足飞机的用电 需要，从而促进了飞机交流电源系统的发展。交流电源系统经历了恒速恒频交流 电源系统、变速恒频交流电源系统、变速变频交流电源系统。1.2. 1恒速恒 频交流电源系统恒速恒频交流电源系统是一种通过各种恒速传动装置（简称恒装 使发电机恒速运行以产生恒频交流电的系统。目前它是应用最为广泛的一种飞机电源系 统。1.2. 2 变速恒频交流电源系统变速恒频电源系统是一种通过电子功率变换器把变频
3、发电机输出的变频交流电变换 为恒频交流电的系统。在变速恒 频电源系统 中，交流发电机由飞机发动机直接驱动，发电机所输出的交流电的频率 随发动机转速的变化而变化，通过功率变换器将变频交流电变换为400Hz恒频交 流电。1.2. 3 变频交流电源系统变频交流电源系统是最早在飞机上使用 的交流电源系统。变频交流电源系统 中，交流发电机是由发动机通过减速器直接驱动 的，因而输出的交流电频率随发动 机转速的变化而变化。它主要用于装有涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机的飞机 或直升机上，并称之为窄变频交流电源系统。1.3 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
4、 -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 65k W的270V高压直流电源系统,F -35战斗机则采用了 250k W、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。2 各电源系统技术特点2. 1低压直流电源系统的特点低压直流电源系统是早期使用的一种电 源系统，随着多电技术在飞机上的广泛 发展，飞机的装机容量不断增加，如果继续使用低 压直流电源系统，将使得配电系 统的重量变 得非常庞大，因此目前飞机上已很少采用28伏低压直流电源系统作为 主电源系统（仅用于少数用电量较小的飞机。2. 2 恒频交流电源系统
5、特点 长期 以来，115V、3相的。一台恒速传动装置（CS D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。目前产生恒频的最佳方法是使用组合驱 动发电机（ID G ,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 同程度的缺陷图1 组合驱动发电机示意图在过去20年中，在若干民用飞机上试验 并使用过
6、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0图2变速恒频电源系统示意图2. 3变频交流电源系统特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
7、，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。 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
8、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Boe in g787飞机和A380飞机。使用变频电源 的飞机主要有2以下几种（如表1所示0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（k VA频率范围（Hz1贝尔法斯特英国19668 50334-485 2SF -340支线瑞典19842 263ATP支线运输英国1987304 全球快车 加拿大 4596 5 新舟-2 20325-528 6B
9、 -20094 250360-800 7A -380 欧 洲 20084 X50360-800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。2. 4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。3 飞机电源系统的发展方向 资料表明,B737-800
10、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 E0k VA增加到2)90k VA。与此同时,AP U发电 容量也从40k VA增加到90k VA (如表2所示。另外，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(k VA 2 60(CSCF 2X90(CSCF 2X90(CSCFAP U 发电机(k V
11、A 40(CF 90(CF 90(CFRAT 发电机(k VA 7. 5(CF 5(CF 5(CF蓄电池(A ? h 36 或 382 472X23逆变器(VA 500,单相1000,单相1000,单相28V TRU (A 3 03 2003 200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。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。随着电力电子技术、计算机技 术的发展，28V低压直流交、270VB787、A380飞机以及A
12、320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。4 先进飞机电源系统状况随着B787飞机项目的进展，多电飞机 将成为现实。其特征是具有大容量的 供电系统和广泛采用电力作动技术，飞机重量相对较轻，可靠性高、维修性好、 营运成本低等优势。4. 1 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915K VA。其中，由发动机驱动4台150K VA的变频交流发电系 统,发电容量共600K VA,频
13、率在360Hz 800Hz之间；由辅助动力装置（AP U驱 动两台120K VA恒速发电机，发电容量共240K VA; 一个空气 充压涡轮系统驱动 一个75K VA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。4. 2 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1450K VA波音787飞机的电源系统与以往的波音飞机有着很大的区别，飞机上的电源来 自4个安装在发动机上的230V 250k W变频（AP U ,变的恒频系统，频率在 360H
14、z 800Hz之间；一个空气充压涡轮系 统驱动一个10K VA交流发电系统。电 源经过变频、整流、变压分配后形成飞机的4种电源模式，即传统的115V交 流、28V直流和新 的230V交流、270V直流。其中230V交流 和270V直流电 源主要用于以往由气源系统 驱动的系统部件。波音787飞机上取消了传统的气源系 统。这样的设计优化了飞机能源的使用 提高了发动机的效率。由于取消了气源系统的 各个部件（活门，管道等，大大降 低了飞机的重量，系统的可靠性得到显著提高，飞机的维修成本也得到有效降 低。4. 3F35战斗机F35战斗机是一个典型多电战斗机，技术更加先进，能携带更大的高能武器。 它完全按
15、多电飞机来设计,总的发电功率是250K W。F35战斗机采用固态配电技术，对飞机的电力系统进行了优化设计，一次配电 和二次配电系统采用集中控制，飞机可靠性大为 提高，飞机重量大大减轻，飞机性 能更为优越，F35战斗机成为典型的第二代多电飞机。F35的综合机载机电系统 主要包括热/能量管理系统（T/E MM、起动/发电系统和 电静液作动器系统（EHA , 并由飞机管理系统控制，从而使机载机电系统在布局、能量利用和控制信息共享 上实现了最优化，该飞机接近于全电飞机。45 关于我国飞机电源技术水平5. 1 恒速恒频电源系统我国陕西航空电气有限责任公司（115厂自行研制的比较先进的、比较成熟 的电源系
16、统为恒速恒频系统,其中组合式传动发 电机（ID G容量为60K VA （恒装 由南京液压 中心研制，该产品已经装备多种类型的战 斗机，属于货架产品。悠久历史，术,具有120K VA以下的恒装研制能力。当前主要生产研制60K VA的恒装, 功率传输效率约80%,已经在军机上采用,最长实现200飞行小时无故障使用。 从产品角度上可以使 用，但仍存在一些问题，如专利保护问题；单独适航取证问 题；可靠性还需要进一步验证。由于恒速装置的技术难度高，我国要研制更大功 率的ID G已经很困难。尽管国外 研制的ID G能够达到150K VA,但由于工艺、 材料等技术因素，我国在短期内实现技术的 突破很困难。5. 2 变频电源系统陕西航空电气有限责任公司（
