Transcript 多电飞机的特征：(2)

民用航空技术交流会
多电飞机与电力电子
严仰光，张方华
南京航空航天大学
1
多电飞机与电力电子： 提纲
1. 多电飞机的诞生
2. 多电飞机的特征
3. 多电飞机的电源和用电设备
4. DC电源和AC电源系统的比较
5. 南航大学在航空电源方面的研究
6. 结论
2
21世纪初的三种新飞机
21世纪初的三种新飞机
A380
欧洲空客公司
B787
美国波音公司
F-35
美国洛·马公司
3
21世纪初的三种新飞机
21世纪初的三种新飞机
A380
欧洲空客公司
 空机重量 ：280,000公斤
 最大载客量：555-853人
 四发，双通道，双层
 发动机：4台涡轮风扇喷气式
发动机
- 罗尔斯-罗伊斯公司Trent900
- 发动机联盟GP7200
4
21世纪初的三种新飞机
21世纪初的三种新飞机
B787
美国波音公司
 空机重量 ：115,000公斤
 载客量：210~330人
 双发，双通道
 发动机：
- 通用电气GEnx
- 劳斯莱斯(Rolls-Royce)Trent
1000
5
21世纪初的三种新飞机
21世纪初的三种新飞机
F-35
美国洛·马公司
 空机重量 ：13,020公斤
 标准的武器配备：2枚空空
弹和2 枚JDAM
 Pratt & Whitney JSF119-611加
力涡扇发动机
6
6
多电飞机与电力电子： 提纲
1. 多电飞机的诞生
2. 多电飞机的特征
3. 多电飞机的电源和用电设备
4. DC电源和AC电源系统的比较
5. 南航大学在航空电源方面的研究
6. 结论
7
多电飞机的特征：概要
1. 多电发动机是多电飞机技术的核心
– 不提取发动机的压缩空气
– 取消或简化附件传动机匣
– 采用气浮/磁浮轴承，省去滑油系统
2. 电能代替集中式的液压、气压能、机械能
8
多电飞机的特征：传统飞机的能量分配
推力
电能，
航电、照
明、风机、
娱乐等
气压能，
高温高压空
气用于座舱
增压、防冰
和环控
液压能，
舵面、起
落架、舱
门等操纵
机械能，
发电机、
燃油和
滑油泵
9
多电飞机的特征：(1-1)不提取发动机压缩后的空气
多电飞机的优点
提取发动机压缩空气
 电气加温和防冰设备；
 电动飞机环境控制系统（增压，温度和湿度的调节）；
 提取轴马力比引气更省燃油。
10
多电飞机的特征：(1-1)不提取发动机压缩后的空气
多电飞机的优点
大大提高
可靠性
11
多电飞机的特征：(1-2)简化或取消附件机匣
多电飞机的优点
附
件
机
匣
是一个复杂的齿轮传动装置；
将发动机的机械能传到各设备；
包括滑油泵、燃油泵、液压泵、
发电机、起动机。

B787——简化附件机匣，附件机匣上仅有起动发电机

F-35的IPU ——取消附件机匣，起动发电机和发动机组
合于一体。
简化或取消附件机匣，省去了空气或燃气起动机及相关设备。
12
多电飞机的特征：(1-3)采用气浮/磁浮轴承
IPU和内装起动发电机
扇轴驱动发电机
采用气浮/磁浮轴承，省去滑
油系统，可靠性高
高压起动发电机
磁轴承
SR起动/发电机
陶瓷涡轮机
双模式燃烧室
磁轴承
13
多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替
多电飞机的特点
现有飞机的二次能源
多电飞机的二次能源
气压能
机械能
机械能
液压能
液压能
气压能
电
能
电能
电
能
14
多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替
① 气压能和机械能
序号
使用电能
设备名称
1
230V 360 － 800HzAC
环境控制系统循环风扇
2
230V 360 － 800HzAC
冰箱电动压缩机
3
115V 360 － 800HzAC
设备冷却风扇
4
115V 360 － 800HzAC
冰箱电动压缩机
5
230V 360 － 800HzAC
燃料泵
6
28VDC
燃料泵
B787使用的变频交流和28V直流电动机
15
多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替
气压能和机械能
序号
设备名称
数量
单台功率/kW
总功率/kW
1
电动液压泵
4
75
300
2
电动压气机
4
75
300
3
电动风扇
2
25
50
4
制氮电动机
1
50
50
调速电动机总功率
700
B787大功率调速电动机
16
多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替
电动环境控制系统压气机
气压能和机械能
电动环境控制系统压气机
17
多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替
多电飞机的优点
② 集中式飞机液压能源的替代
飞机舵面和其它机构的操纵
集中式液压系统

附件机匣传动
的液压泵和飞
机的液压管路
机电作动机构或
电液作动机构
提高飞机的可
靠性生命力和
经济性
18
多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替
集中式飞机液压能源的替代
序号
部件名称
作动面积/m2
作动功率/kW 总功率/kW
1
副翼
6×4
6×6
36
2
升降舵
6×12
6×10
60
3
方向舵
2×20
2×10
20
4
配平
205
50
50
5
襟翼与阻力板
150
150
6
起落架
175
175
7
机轮刹车和转向控制
9
9
8
作动系统总功率
550
A380飞机的操纵部件和作动功率
19
多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替
使用EMA和EHA
EMA替代液压作动机构
机电作动机构EMA
20
多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替
使用EMA和EHA
EHA替代液压作动机构
电液作动机构EHA
21
多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替
大功率调速电机控制器
集中式飞机液压能源的替代
Controls
Output Filter
Common Motor Start
Controller (CMSC)
大功率调速电机控制器
22
多电飞机的特征：总结
1. 多电发动机是多电飞机技术的核心
① 不提取发动机的压缩空气
② 取消或简化附件传动机匣
③ 采用气浮/磁浮轴承，省去滑油系统
2. 电能代替集中式的液压、气压能、机械能
多电飞机是飞机技术的全局性优化
① 简化了飞机和发动机结构，迎风面积小，节省能源
② 减少了地面支援设备
③ 改善了飞机的可靠性、维护性、生命力和经济性
23
多电飞机与电力电子： 提纲
1. 多电飞机的诞生
2. 多电飞机的特征
3. 多电飞机的电源和用电设备
4. DC电源和AC电源系统的比较
5. 南京航空航天大学在航空电源方面的研究
6. 结论
24
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
多电飞机的特点
MEA的电源总容量：
最大起飞
重量/t
始用日
期
主电源功率 辅助电源
/kVA
功率/kVA
序
号
飞机型
号
1
A380
560
2007
4×150
2×120
910kVA
2
B787
163
2010
4×250
2×225
1460kVA
3
F-35
31.8
2007
250kW
IPU *
250kW
备注
MEA的电源总容量提升5倍以上
25
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
多发动机客机电源额定功率
序号
飞机型号
最大起飞
重量/t
始用日期
主电源功率
/kVA
辅助电源功率
/kVA
1
B747-200
362-394
1970
4×60
2×60
2
B747300/400
362-394
1980/1985
4×75/90*
2×75/90
3
DC-10
259
1971
3×90
90
4
伊尔-76
151
1983
4×60
60kVA+12kW
90
5
MD-11
273
1990
3×100/120*
6
A340
275/365
1990
4×75/90*
90/115*
7
A380
560
2007
4×150
2×120
备注
主电源为
IDG，辅
助电源为
APU**
辅助电源
为双输出
多电飞机
* 恒速恒频电源115/200VAC 400Hz组合传动发电机IDG, 75/90中75为额定功率，50%过
载和100%过载以75kVA计，为112.5kVA和150kVA，90kVA时可长期工作。
** 辅助动力装置与发电机组合
26
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
双发动机客机电源额定功率
序号 飞机型号
最大起飞
重量/t
始用日期
主电源功率
/kVA
辅助电源
功率/kVA
备注
1
A310-300
150
1983
2×75/90
90
2
B767
159
1982
2×75/90
90
3
B777
229
1995
2×120kVA+
20kVA
120
20 kVA为变速恒
频电源
4
B787
163
2010
4×250
2×225
多电飞机
主电源为IDG，
辅助电源为APU
27
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
战斗机电源额定功率
序
号
飞机
型号
发动机
数
最大起
飞重量/t
始用日
期
主电源
功率/kVA
1
F-15C
2
30
1974
2×40/50
2
F-16
1
16
1978
40
3
幻-2000
1
17
1983
20
4
苏-27
2
34
辅助电源
功率/kVA
备注
主电源为IDG
5
应急电源为
5kVA
20kVA为变速
恒频电源
2×30
5
F-22
2
27
1997
2×65kW
22 kW
主电源和辅
助电源
270VDC
6
F-35
1
31.8
2007
250kW
IPU *
270VDC 多
电飞机
* IPU组合动力装置是APU和应急动力装置EPU的组合。
28
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
B787的起动发电机(VFSG)
Rating: 250 kVA
Frequency: 360–800 Hz
Weight – dry: 203 lbs
MTBF: 30,000 FH
MTBUR: 20,000 FH
29
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
B787的起动发电机的技术指标
序号
技术指标
单位
数据
1
结构型式
2
额定电压
VAC
230/400
3
额定电流
AAC
361
4
额定频率
Hz
360-800
5
额定功率
kVA
250
6
过载能力
%
7
功率因数
cosφ
8
极对数
9
转速
r/min
7200-16000
10
起动转矩
Nm
≮180
11
冷却方式
12
效率
%
>90
13
电机干重
kg
92
14
平均故障间隔时间
h
30000
旋转整流器式同步电机
125%
5'
175%
5''
0.75-0.95
3
喷油
30
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
B787 VFAC S/G发电机电路图
31
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
B787的APU
Lifting Lug
Input
Shaft
Supply
Core
Scavenge
Core
ASG
Alignment Pin
Rating: 225 kVA
Frequency: 360–440 Hz
Weight – dry: 122.7 lbs.
MTBF: 40,000 FH
APU
ASGs Installed
On APU
MTBUR: 30,000 FH
32
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
F-35飞机的开关磁阻起动发电机
Q31
Q11
Q51
B1
A1
C1
X1
Y1
Z1
Q21
Q41
Q61
Q32
Q12
A2
EMI
滤波
270V
A
Q52
B2
C2
X2
Y2
Z2
Q22
Q42
Q62
EMI
滤波
270V
B
结构简单的开关磁阻起动/发电机，互为备份的
两个独立的变换器通道
33
MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大
F-35飞机的开关磁阻起动发电机技术指标
序号
技术要求
单位
数据
1
电机结构
2
额定电压
VDC
270
3
额定电流
ADC
928
4
额定功率
kW
250
5
过载功率
kW
330
6
工作转速
r/min
13456~22224
7
起动转矩
Nm
≮180
8
冷却方式
9
效率
%
≮89
10
重量
kg
46.6（电机本体）
11
平均故障间隔时间
h
20000
开关磁阻起动发电机
空心导体油冷
34
MEA的电源和用电设备：(2) 电源的其他特点
① 功率大、效率高、体积重量小
② 要求多种电能（B787 中8种以上）
③ 电能质量要高
④ 不中断供电
⑤ 内装起动/发电机
35
MEA的电源和用电设备：(3) 非线性负载显著增加
I
I
1
O
U
2
O
U
线性负载和恒功率负载
的输入特性
n1 < n2 < n3
n1
n2
n3
EMA和EHA的输入特
性曲线
P (kW)
雷达等通讯设备的脉
冲负载特性
O
t (秒)
36
MEA的电源和用电设备
①
②
③
④
电源功率显著增大；
非线性负载显著增加；
电力电子变换器广泛应用；
多微处理器的智能配电系统。
A380、B787、F35等多电飞机的发电系统、二次电源
及用电设备和电力电子紧密结合，是电机、机械
、电力电子、传感器、控制理论和计算机及通信
网络构成的集成机电系统，使多电飞机电气系统
有高的可靠性、好的维修性、小的体积重量、低
的成本和优良性能。
37
多电飞机与电力电子： 提纲
1. 多电飞机的诞生
2. 多电飞机的特征
3. 多电飞机的电源和用电设备
4. DC电源和AC电源系统的比较
5. 南京航空航天大学在航空电源方面的研究
6. 结论
38
DC电源和AC电源的比较：(1)AC电源的缺点
① 非线性负载使电源畸变， 必须有TRU、ATRU、
PFC、APF；电源重量增加。
② 不易承受能量回馈，B787用耗能电阻或用矩阵变
换器、AC/DC/AC变换器
③ 与电能存储设备如蓄电池、超级电容等接口复杂
④ 发电系统重量大，结构复杂。B787 发电机，
250kVA，92Kg; F35 发电机 250kW 46.6Kg
⑤ 交流电网电压降大，损耗大
⑥ 不易实现并联和不中断供电
⑦ 交流固态功率控制器结构复杂，损耗大
⑧ 交流电源飞机离不开28V直流电
39
DC电源和AC电源的比较：(1)AC电源的缺点
B787 VFAC S/G起
动工作系统图
ATRU单向能量流动
自耦变压整流器
（ATRU）的电路
波形质量高、过载强、
效率高、重量轻
40
DC电源和AC电源的比较：(1)AC电源的缺点
VFAC电源给调速
电动机的供电
耗能电阻防止母线电
压升高
反流保护二极管D和SSPC组
合实现不中断供电
电源故障；馈线故障；配电线
故障；负载故障。
以上4种故障不会导致用电
设备供电中断。
41
DC电源和AC电源的比较：(2)DC电源的缺点
① 不能用结构简单使用方便的异步电机和变压器。
• 二次大战时某些大型飞机使用110V直流电，遇到
三个难题：
a. 有刷直流电机高空换向；
b. 开关电器高空断弧；
c. 直流电能变换和电压电流隔离检测。
•
电工科技发展特别是电力电子学的发展克服了三个难题
•
1997年装备270V直流电源的F-22飞机升空（主电源
2
台65kW无刷直流发电机，辅助电源1台22kW APU ）。
42
多电飞机与电力电子： 提纲
1. 多电飞机的诞生
2. 多电飞机的特征
3. 多电飞机的电源和用电设备
4. DC电源和AC电源系统的比较
5. 南京航空航天大学在航空电源方面的研究
6. 结论
43
航空电源的研究工作：(1) 起动发电系统
整流器
定子
转子
调
压
器
电枢绕
组
励磁绕
组
电励磁双凸极发电机系统
•提出电励磁双凸极直流电机，适用于起动/发电场合，具
有电励磁电机控制简单、开关磁阻电机结构简单的优点。
44
航空电源的研究工作：(2)二次电源
1
输入: 27VDC
2
输出: 单相115V/400Hz
3
功率: 1000VA
研制成功20W-10kW功率等级的多种静止变流器。
45
多电飞机与电力电子： 提纲
1. 多电飞机的诞生
2. 多电飞机的特征
3. 多电飞机的电源和用电设备
4. DC电源和AC电源系统的比较
5. 南京航空航天大学在航空电源方面的研究
6. 展望与结论
46
多电飞机对电气设备提出了更高的要求
1. 恶劣环境下工作的能力，如内装起动发电机
2. 更高的可靠性、更小的体积重量
3. 电能管理与热管理
– 稳态功率的管理瞬态功率的管理
– 严峻的热管理挑战
4. 全电化：节能环保
47
多电飞机与电力电子： 总结
1. 多电发动机是多电飞机的核心技术，取消引气
大幅度降低了燃料消耗；液压能、机械能等被
电能替代，同时简化了机载和保障系统，实现
了飞机技术的全局性优化。
2. 多电飞机的电源功率显著增加，非线性负载显
著增加，并具有持续增加的趋势。
3. 与AC电源系统相比，DC电源系统具有较大的
优势。
4. 多电飞机在高功率密度的发电技术、功率变换
技术、配电技术、能量管理和热管理等方面提
出了更大的挑战，是电气学科，尤其是电力电
子技术的重要机遇。
48
民用航空技术交流会
谢谢！
南京航空天大学
江苏省航空学会
49