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你知道飛機電源系統有哪些類型嗎？

作者：admin時間：2021-05-19 15:02:57 次瀏覽

信息摘要：

引言現代飛機主電源系統有四種類型： 28V低壓直流電源， 270V高壓直流電源， 400Hz 115/200V 恒頻交流電源 360- 800Hz 115/200V變頻交流電源。本文詳細介紹了這四種飛機電源系統的基本概況和發展歷程，并結合代表機型分析其特點、討論比較他們的優缺點。低壓直流電源(LVDC) 自1914年飛機上第一次使用航空直流發電機以來, 飛機直流電源系統經歷了九十年的發展過程, 其額定電壓由

引

言

現代飛機主電源系統有四種類型：

28V低壓直流電源，
270V高壓直流電源，
400Hz 115/200V恒頻交流電源
360- 800Hz 115/200V變頻交流電源。

本文詳細介紹了這四種飛機電源系統的基本概況和發展歷程，并結合代表機型分析其特點、討論比較他們的優缺點。

低壓直流電源(LVDC)

自1914年飛機上第一次使用航空直流發電機以來, 飛機直流電源系統經歷了九十年的發展過程, 其額定電壓由6伏、12伏, 逐步發展為28伏的低壓直流電源系統, 一直沿用至今。

優點：

28V低壓直流電源系統簡單可靠。

缺點：

一是有刷直流發電機工作轉速有限( 一般為4000- 9000r/min 或7000- 13000r/min)，電機最大功率受到限制。他的可靠工作高度也有限(一般為0- 18000m)，工作壽命也較短，使用維護不方便。二是電壓低，RGB電源大功率時輸配電線重量大。

二次世界大戰后期，在某些大的飛機上曾采用110V直流電源，但因電機高空換向困難和開關電器觸頭高空斷弧困難沒有進一步發展。

恒速恒頻交流電源(CSCF)

1946年美國發明了機械液壓恒速傳動裝置，他將發動機變化的轉速轉變為恒定的轉速后傳動交流發電機，可發出400Hz 115/200V交流電，這就是飛機恒速恒頻交流電源(CSCF)。恒頻交流發電機的額定容量最大已達150kVA，比直流電機大近一個數量級。同時交流開關電器易于斷弧，交流電壓變換和交流電變為直流也方便，因此幾十年來，恒速恒頻交流電源得到了迅速的發展和應用。

20世紀70年代，桑德思特朗公司成功將恒速傳動裝置(CSD)裝置與發電機組合在同一殼體內，共用油源、油槽和散熱器，稱為綜合驅動發電機(IDG)。由于采用了整體設計和噴油冷卻技術，電機使用高飽和磁密的鐵鈷釩磁性材料，改進了絕緣，使得電機轉速升高到12000r/min至24000r/min，CSCF電源的功率重量比和可靠性大幅提高，如下圖：

A320/A330 IDG系統工作原理

整體驅動發電機由恒速裝置CSD 和交流發電機組成，一起安裝在一個殼體內。CSD 部分改變變化的輸入速度為恒定的輸出速度。

CSD 通過液壓機械驅動來加減從發動機齒輪箱過來的輸入速度。通過執行這種控制和恒速的差值的方式來達到交流發電機的要求。滑油循環系統提供IDG 的冷卻和潤滑

無論何時下列狀態下，GCU 通過伺服控制回路來執行對IDG 輸出速度的控制：

伺服控制回路由IDG 液壓伺服活門和包括伺服活門繼電器的GCU 控制電路組成。輸出速度的控制根據GCU 控制電路監控PMG 的頻率來確定執行。PMG 安裝在IDG 差動輸出齒輪上。PMG的頻率信號和GCU 內部的頻率參考值比較。

PMG RGB電源頻率和參考頻率的差值產生一個誤差信號到伺服控制回路電路。頻率誤差信號被用于通過伺服繼電器來控制伺服活門的當前流量。

伺服活門工作通過將滑油引入不同的液壓控制腔來控制液壓組件的位置。使用誤差信號，伺服活門控制進入腔體的滑油多少來保持發電機的頻率。當IDG 速度減少到低于參考頻率設定點時，伺服活門的供給量增加，提高IDG 的輸出速度。

在正常情況下，伺服活門繼電器閉合，允許伺服活門控制回路的流量控制。在某一通道故障的狀態下，伺服活門繼電器斷開，確保GCU 斷開，伺服活門工作在當前位置。

FADEC 提供GCU 相關的發動機速度信息用于低速保護。

優點：

與恒速傳動裝置和發電機分開使用的系統比較, 組合驅動發電機的體積較小、重量較輕。

缺點：

CSD是精密液壓機械，不僅生產制造困難，使用維護也不方便。

變速恒頻交流電源(VSCF)

隨著電力電子器件的發展，變速恒頻交流電源(VSCF)在1970年代誕生并裝機使用。變速恒頻電源由航空發動機直接傳動的發電機產生變頻交流電，通過電力電子變換器將變頻交流電轉為400Hz 115/200V交流電，如下圖：

20世紀80年代后，美國Sundstrand公司為B737- 400研制的VSCF電源額定輸出功率為60kVA，無刷直流發電機為65kW、轉速達13700～25500r/min的高速油冷電機，轉子結構強度高，其旋轉阻力和旋轉整流管的機械應力大為減小，該電機的重量比同為12000r/min、同容量的CSCF電源發電機要小30%左右。

優點：

電能轉換率高，恒速恒頻電源的效率為68~72%，變速恒頻則達80%；變速恒頻電能質量高，沒有頻率瞬變過程；電力電子變換器安裝位置靈活，可設置自檢電路，易于維修；變速恒頻電源可實現起動發電，省去專用起動機。

缺點：

因功率電子器件原因他的過載能力和環境適應能力沒有恒速恒頻電源強。這一技術沒有能夠達到預期的可靠性要求, 現在已經不把這一技術視為近期民用飛機領域中恒頻電源的替代技術。

變頻交流電源（VSVF）

進入21世紀以來，RGB電源A380和B787采用了變頻交流電源，即頻率為360- 800Hz 115/200V變頻交流電源，從而引起了人們的重視。變頻交流電源的最大優點是省去了恒頻交流電源的恒速傳動裝置或電力電子變換器，顯著簡化了飛機主電源，使主電源的效率提高到90%左右。

由于飛機上的輔助動力裝置發電機，沖壓空氣渦輪應急發電機，變壓器，變壓整流器等輔助應急電源和二次電源仍可沿用恒頻電源的，飛機配電元件如保險絲、熔斷絲、開關、繼電器、接觸器、電連接器和飛機導線與恒頻電源配電系統相同，從而大幅度降低了變頻交流電源發展的風險和成本。變頻交流電源的發展主要依賴于電機技術和電能變換技術的突破。

A380/A350 VFG系統工作原理

每個發電機控制單元（GCU）和過壓保護單元（OPU）管理其相關VFG的調節和保護。通過調節提供給勵磁發電機的電流，根據檢測到的電流和電壓值來完成電壓調節。CT和POR。當電氣參數正確時，GCU命令OPU關閉發電機線路接觸器（GLC）。GCU向ENMF（在ENMU中托管）發送電源就緒信號，該信號向GLC發出接地/斷開信號。GCU（通過OPU）擁有GLC的全部權限。 DRIVE P / BSW用于VFG的機械斷開。

交流發電機直接由發動機附件傳動機匣驅動, 沒有恒速傳動裝置(恒速恒頻系統采用)和二次變換裝置(變速恒頻系統采用)。

優點：

結構簡單、重量輕、體積小、功率密度高, 可靠性高、費用低, 能量轉換效率高, 易于構成起動發電系統。

缺點：

頻率變化范圍較大，難以滿足機載電子設備對供電品質的要求。為滿足飛機各種不同用電負載的需要, 二次電源變換形式較多, 飛機配電系統十分復雜。

高壓直流電源(HVDC)

幾十年來，飛機用電設備發生了重要變化，主要特點是RGB電源從線性負載向非線性負載的改變。大部分航空電子設備的內部電源從線性電源轉為開關電源，開關電源的輸入是電容濾波的整流電路，他具有精確的輸出電壓調節，成為一個恒功率的負載。大部分飛機控制和發動機控制用電液和機電作動機構都是電力電子變換器與電動機的組合，他們與異步電機驅動的泵和風扇有質的不同，也是非線性負載。以往飛機照明大都為白熾燈，是典型的電阻負載，但現在發光二極管和高強度氣體放電燈也必須與電力電子變換器聯合，成為非線性部件。與此同時，計算機的大量應用和軍用飛機靜穩定性的放寬后的飛控系統卻要求電源的不中斷供電。目前即使飛機恒頻電源，也只能做到不中斷轉換，遠達不到不中斷供電要求。在這種情況下，高壓直流電源(HVDC)重新為人們所關注。

美國1997年試飛的第四代戰斗機F- 22是第一架裝備270V高壓直流電源的飛機。主電源為二臺65kW、270V直流發電機，輔助電源為一臺輔助動力裝置(APU) 驅動的22kW、270V直流發電機，四臺270V/28V、2.1kW直流變換器和二臺6kVA靜止變流器為二次電源。

270V高壓直流電源的成功應用主要取決于三項技術的突破：

a.無刷直流發電機和電動機的誕生;

b. 無觸點固態電器，常稱固態功率控制器的發展；

c.電能變換器的模塊化和小型化。

高壓直流電源和28V低壓直流電源一樣簡單可靠，適合于非線性負載。21世紀初，美國試飛的F- 35戰斗機，不僅采用了高壓直流電源，而且是第一架多電型軍用飛機。該單發動機戰斗機的主電源是250kW的開關磁阻起動/發電機，由航空發動機直接傳動，該電機的功率變換器為125kW的雙通逆結構，如下圖：

由于開關磁阻電機轉子上沒有磁鋼、沒有勵磁線包，本身就有較高的可靠性，而兩臺相互獨立的功率變換器互為冗余，又顯著地提高了電源可靠性。多電飛機(MEA)的特點是用電能代替集中式液壓、氣壓能，從而提高了飛機的可靠性、維修性，降低了機載設備重量和全周期費用。主電源功率的加大部分主要是用于向飛機和發動機控制用的電液和機電作動機構、電動燃油供給系統、飛機環境控制系統和飛機艙門及起落架操縱機構供電。

未來發展趨勢

綜上，在多電飛機方興未艾的大環境下，RGB電源變頻交流電源或交、直流混合供電系統在大型民用飛機領域將得到更廣泛的應用和更大的發展；而270V高壓直流電源系統在軍用輕型飛機領域備受青睞，是目前研發的一個熱點和重點。飛機起動/發電系統的高速化、集成化、高可靠性和高功率密度也必然是現代飛機電源系統的發展趨勢。

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