1、多电飞机与电力电子,民用航空技术交流会,严仰光，张方华,多电飞机与电力电子： 提纲,多电飞机的诞生多电飞机的特征多电飞机的电源和用电设备DC电源和AC电源系统的比较南航大学在航空电源方面的研究结论,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,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GP7200,21世纪初的三种新飞机,21世纪初的三种新飞机,空机重量 ：115,000公斤
2、载客量：210330人 双发，双通道 发动机：- 通用电气GEnx - 劳斯莱斯(Rolls-Royce)Trent 1000,21世纪初的三种新飞机,B787 美国波音公司,21世纪初的三种新飞机,6,F-35 美国洛马公司,21世纪初的三种新飞机,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,21世纪初的三种新飞机,多电飞机与电力电子： 提纲,多电飞机的诞生多电飞机的特征多电飞机的电源和用电设备DC电源和AC电源系统的比较南航大学在航空电源方面的研究结论,多电飞机的特征：概要,多电发动机是多电
3、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，省去滑油系统电能代替集中式的液压、气压能、机械能,多电飞机的特征：传统飞机的能量分配,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,推力,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。,多电飞机的优点,多电飞机的特征：(1-1)不提取发动机压缩后的空气,大大提高可靠性,多电飞机的优点,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,
4、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。,附件机匣,多电飞机的特征：(1-2)简化或取消附件机匣,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。,IPU和内装起动发电机,采用气浮/磁浮轴承，省去滑油系统，可靠性高,多电飞机的特征：(1-3)采用气浮/磁浮轴承,机械能液压能气压能电 能,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,气压能机械能液压能电 能,电能,多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替,
5、B787使用的变频交流和28V直流电动机,气压能和机械能,多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替,B787大功率调速电动机,气压能和机械能,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,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,飞机舵面和其它机构的操纵,集中式液压系统,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,附件机匣传动的液压泵和飞机的液压管路,多电飞机的优点,多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替,A380飞机的操纵部件和作动功率,集中式飞机液压能源的
6、替代,多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替,机电作动机构EMA,使用EMA和EHA,EMA替代液压作动机构,多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替,电液作动机构EHA,使用EMA和EHA,EHA替代液压作动机构,多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替,Controls,Output Filter,Common Motor Start Controller (CMSC),大功率调速电机控制器,集中式飞机液压能源的替代,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,多电飞机的特征：总结,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
7、消或简化附件传动机匣采用气浮/磁浮轴承，省去滑油系统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简化了飞机和发动机结构，迎风面积小，节省能源减少了地面支援设备改善了飞机的可靠性、维护性、生命力和经济性,多电飞机与电力电子： 提纲,多电飞机的诞生多电飞机的特征多电飞机的电源和用电设备DC电源和AC电源系统的比较南京航空航天大学在航空电源方面的研究结论,910kVA,1460kVA,250kW,多电飞机的特点,MEA的电源总容量：,MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大,2120,4150,2007,560,A380,2225,4250,2010,163,B787,
8、F-35,31.8,2007,250kW,IPU *,MEA的电源总容量提升5倍以上,多发动机客机电源额定功率,* 辅助动力装置与发电机组合,* 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。,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,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,MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大,Rating: 250 kVAFrequency: 3608
9、00 HzWeight dry: 203 lbsMTBF: 30,000 FHMTBUR: 20,000 FH,B787的起动发电机(VFSG),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,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,MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大,B787的APU,APU,ASGs InstalledOn APU,Rating: 225 kVA Frequency: 360440 Hz Weight dry: 122.7 lbs. MTBF: 40,000 FH MTBUR:
10、 30,000 FH,Lifting Lug,Alignment Pin,Input Shaft,ScavengeCore,Supply Core,ASG,MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大,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,F-35飞机的开关磁阻起动发电机,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,MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大,功率大、效率高、体积重量小要求多种电能（B787 中8种以上）电能质量要高不中断供电内装起动/发电机,MEA的电源和用电设备：(2) 电源的其他特点,ME
11、A的电源和用电设备：(3) 非线性负载显著增加,雷达等通讯设备的脉冲负载特性,EMA和EHA的输入特性曲线,线性负载和恒功率负载的输入特性,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。,MEA的电源和用电设备,多电飞机与电力电子： 提纲,多电飞机的诞生多电飞机的特征多电飞机的电源和用电设备DC电源和AC电源系统的
12、比较南京航空航天大学在航空电源方面的研究结论,非线性负载使电源畸变， 必须有TRU、ATRU、PFC、APF；电源重量增加。不易承受能量回馈，B787用耗能电阻或用矩阵变换器、AC/DC/AC变换器与电能存储设备如蓄电池、超级电容等接口复杂发电系统重量大，结构复杂。B787 发电机，250kVA，92Kg; F35 发电机 250kW 46.6Kg交流电网电压降大，损耗大不易实现并联和不中断供电交流固态功率控制器结构复杂，损耗大交流电源飞机离不开28V直流电,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）
13、的电路波形质量高、过载强、效率高、重量轻,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。,DC电源和AC电源的比较：(1)AC电源的缺点,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：有刷直流电机高空换向；开关电器高空断弧；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
14、65kW无刷直流发电机，辅助电源1台22kW APU ）。,DC电源和AC电源的比较：(2)DC电源的缺点,多电飞机与电力电子： 提纲,多电飞机的诞生多电飞机的特征多电飞机的电源和用电设备DC电源和AC电源系统的比较南京航空航天大学在航空电源方面的研究结论,航空电源的研究工作：(1) 起动发电系统,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。,航空电源的研究工作：(2)二次电源,研制成功20W-10kW功率等级的多种静止变流器。,多电飞机与电力电子： 提纲,多电飞机的诞生多电飞机的特征多电飞机的电源和用电设备DC电源和AC电源系统的比较南
15、京航空航天大学在航空电源方面的研究展望与结论,多电飞机对电气设备提出了更高的要求,恶劣环境下工作的能力，如内装起动发电机更高的可靠性、更小的体积重量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全电化：节能环保,多电飞机与电力电子： 总结,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。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。与AC电源系统相比，DC电源系统具有较大的优势。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。,谢谢！,南京航空天大学 江苏省航空学会,民用航空技术交流会,
