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你知道飛機電源系統(tǒng)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(xiàn)代飛機主電源系統(tǒng)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(tǒng)的基本概況和發(fā)展歷程，并結(jié)合代表機型分析其特點、討論比較他們的優(yōu)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(fā)電機以來, 飛機直流電源系統(tǒng)經(jīng)歷了九十年的發(fā)展過程, 其額定電壓由

引

言

 

現(xiàn)代飛機主電源系統(tǒng)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(tǒng)的基本概況和發(fā)展歷程，并結(jié)合代表機型分析其特點、討論比較他們的優(yōu)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(fā)電機以來, 飛機直流電源系統(tǒng)經(jīng)歷了九十年的發(fā)展過程, 其額定電壓由6伏、12伏, 逐步發(fā)展為28伏的低壓直流電源系統(tǒng), 一直沿用至今。
優(yōu)點：
28V低壓直流電源系統(tǒng)簡單可靠。
缺點：
一是有刷直流發(fā)電機工作轉(zhuǎn)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(zhàn)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(guān)電器觸頭高空斷弧困難沒有進一步發(fā)展。
 
 
 

恒速恒頻交流電源(CSCF)

1946年美國發(fā)明了機械液壓恒速傳動裝置，他將發(fā)動機變化的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣ǖ霓D(zhuǎn)速后傳動交流發(fā)電機，可發(fā)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(fā)電機的額定容量最大已達150kVA，比直流電機大近一個數(shù)量級。同時交流開關(guān)電器易于斷弧，交流電壓變換和交流電變?yōu)橹绷饕卜奖?，因此幾十年來，恒速恒頻交流電源得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)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(fā)電機組合在同一殼體內(nèi)，共用油源、油槽和散熱器，稱為綜合驅(qū)動發(fā)電機(IDG)。由于采用了整體設(shè)計和噴油冷卻技術(shù)，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(zhuǎn)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：
圖片
 
A320/A330 IDG系統(tǒng)工作原理
圖片
整體驅(qū)動發(fā)電機由恒速裝置CSD 和交流發(fā)電機組成，一起安裝在一個殼體內(nèi)。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(qū)動來加減從發(fā)動機齒輪箱過來的輸入速度。通過執(zhí)行這種控制和恒速的差值的方式來達到交流發(fā)電機的要求?；脱h(huán)系統(tǒng)提供IDG 的冷卻和潤滑
無論何時下列狀態(tài)下，GCU 通過伺服控制回路來執(zhí)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(jù)GCU 控制電路監(jiān)控PMG 的頻率來確定執(zhí)行。PMG 安裝在IDG 差動輸出齒輪上。PMG的頻率信號和GCU 內(nèi)部的頻率參考值比較。
PMG RGB電源頻率和參考頻率的差值產(chǎn)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(fā)電機的頻率。當IDG 速度減少到低于參考頻率設(shè)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(tài)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(guān)的發(fā)動機速度信息用于低速保護。
優(yōu)點：
與恒速傳動裝置和發(fā)電機分開使用的系統(tǒng)比較, 組合驅(qū)動發(fā)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(chǎn)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(fā)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(fā)動機直接傳動的發(fā)電機產(chǎn)生變頻交流電，通過電力電子變換器將變頻交流電轉(zhuǎn)為400Hz 115/200V交流電，如下圖：
圖片
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(fā)電機為65kW、轉(zhuǎn)速達13700～25500r/min的高速油冷電機，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度高，其旋轉(zhuǎn)阻力和旋轉(zhuǎn)整流管的機械應(yīng)力大為減小，該電機的重量比同為12000r/min、同容量的CSCF電源發(fā)電機要小30%左右。
優(yōu)點：
電能轉(zhuǎn)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(zhì)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(shè)置自檢電路，易于維修；變速恒頻電源可實現(xiàn)起動發(fā)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(huán)境適應(yīng)能力沒有恒速恒頻電源強。這一技術(shù)沒有能夠達到預(yù)期的可靠性要求, 現(xiàn)在已經(jīng)不把這一技術(shù)視為近期民用飛機領(lǐng)域中恒頻電源的替代技術(shù)。
 
 

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(yōu)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。
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由于飛機上的輔助動力裝置發(fā)電機，沖壓空氣渦輪應(yīng)急發(fā)電機，變壓器，變壓整流器等輔助應(yīng)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(guān)、繼電器、接觸器、電連接器和飛機導線與恒頻電源配電系統(tǒng)相同，從而大幅度降低了變頻交流電源發(fā)展的風險和成本。變頻交流電源的發(fā)展主要依賴于電機技術(shù)和電能變換技術(shù)的突破。
 
A380/A350 VFG系統(tǒng)工作原理
圖片
每個發(fā)電機控制單元（GCU）和過壓保護單元（OPU）管理其相關(guān)VFG的調(diào)節(jié)和保護。通過調(diào)節(jié)提供給勵磁發(fā)電機的電流，根據(jù)檢測到的電流和電壓值來完成電壓調(diào)節(jié)。CT和POR。當電氣參數(shù)正確時，GCU命令OPU關(guān)閉發(fā)電機線路接觸器（GLC）。GCU向ENMF（在ENMU中托管）發(fā)送電源就緒信號，該信號向GLC發(fā)出接地/斷開信號。GCU（通過OPU）擁有GLC的全部權(quán)限。  DRIVE P / BSW用于VFG的機械斷開。
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交流發(fā)電機直接由發(fā)動機附件傳動機匣驅(qū)動, 沒有恒速傳動裝置(恒速恒頻系統(tǒng)采用)和二次變換裝置(變速恒頻系統(tǒng)采用)。
優(yōu)點：
結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、功率密度高, 可靠性高、費用低, 能量轉(zhuǎn)換效率高, 易于構(gòu)成起動發(fā)電系統(tǒng)。
缺點：
頻率變化范圍較大，難以滿足機載電子設(shè)備對供電品質(zhì)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(tǒng)十分復雜。
 
 

高壓直流電源(HVDC)

幾十年來，飛機用電設(shè)備發(fā)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(shè)備的內(nèi)部電源從線性電源轉(zhuǎn)為開關(guān)電源，開關(guān)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(diào)節(jié)，成為一個恒功率的負載。大部分飛機控制和發(fā)動機控制用電液和機電作動機構(gòu)都是電力電子變換器與電動機的組合，他們與異步電機驅(qū)動的泵和風扇有質(zhì)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(xiàn)在發(fā)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(lián)合，成為非線性部件。與此同時，計算機的大量應(yīng)用和軍用飛機靜穩(wěn)定性的放寬后的飛控系統(tǒng)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(zhuǎn)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(guān)注。
美國1997年試飛的第四代戰(zhàn)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(fā)電機，輔助電源為一臺輔助動力裝置(APU) 驅(qū)動的22kW、270V直流發(fā)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(yīng)用主要取決于三項技術(shù)的突破：
a.無刷直流發(fā)電機和電動機的誕生;
b. 無觸點固態(tài)電器，常稱固態(tài)功率控制器的發(fā)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(zhàn)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(fā)動機戰(zhàn)斗機的主電源是250kW的開關(guān)磁阻起動/發(fā)電機，由航空發(fā)動機直接傳動，該電機的功率變換器為125kW的雙通逆結(jié)構(gòu)，如下圖：
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由于開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)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(shè)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(fā)動機控制用的電液和機電作動機構(gòu)、電動燃油供給系統(tǒng)、飛機環(huán)境控制系統(tǒng)和飛機艙門及起落架操縱機構(gòu)供電。
 
 

未來發(fā)展趨勢

綜上，在多電飛機方興未艾的大環(huán)境下，RGB電源變頻交流電源或交、直流混合供電系統(tǒng)在大型民用飛機領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用和更大的發(fā)展；而270V高壓直流電源系統(tǒng)在軍用輕型飛機領(lǐng)域備受青睞，是目前研發(fā)的一個熱點和重點。飛機起動/發(fā)電系統(tǒng)的高速化、集成化、高可靠性和高功率密度也必然是現(xiàn)代飛機電源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
DMX512電源 RGB電源 RDM電源 DC-DC電源 DMX512外控電源 DMX512高壓電源 水底燈RGB電源 植物燈電源 RGB驅(qū)動電源 水底燈RGB電源 七彩RGB電源 低壓DC恒流電源 定時調(diào)光電源