飛機電源系統(tǒng)

1、飛機電源系統(tǒng)現(xiàn)代飛機戰(zhàn)術(shù)技術(shù)水平在迅速地發(fā)展和提高，為了完成復雜的飛行任務(wù)并保證飛行安全，需要裝配大量先進機載設(shè)備。在飛機上，航空發(fā)動機是機械能源，稱為一次能源，向機載設(shè)備提供的能源稱為二次能源。二次能源主要有液壓能、氣壓能和電能。由于電能易于輸送、分配、變換和控制，絕大部分機載設(shè)備采用電能工作。隨著電氣技術(shù)水平的提高，國外正在研制“全電飛機”，它將用電能全部取代飛機液壓能和氣壓能。飛機上用來產(chǎn)生電能的設(shè)備組合（電源及其調(diào)節(jié)、控制和保護設(shè)備）稱為飛機電源系統(tǒng)，電源系統(tǒng)中有主電源、輔助電源、應(yīng)急電源和二次電源，飛機上用來傳輸、分配、轉(zhuǎn)換和控制電能的導線和設(shè)備按一定方式組合起來，稱為飛機配電系統(tǒng)或

2、飛機電網(wǎng)。飛機電網(wǎng)主要由傳輸電能的導線和電纜、防止導線和設(shè)備受短路或超載危害的保護裝置、配電裝置、電源、用電設(shè)備的控制和轉(zhuǎn)換裝置及電源檢查儀表等組成。電源系統(tǒng)與配電系統(tǒng)總稱為飛機供電系統(tǒng)。依靠電能工作的設(shè)備稱為用電設(shè)備，供電系統(tǒng)與用電設(shè)備總稱為飛機電力系統(tǒng)。飛機主電源由發(fā)電機及其傳動、調(diào)節(jié)、控制、保護裝置等組成，向正常飛行的飛機用電設(shè)備供電。主電源不工作時由輔助電源或地面電源供電。常用的輔助電源是航空蓄電池或輔助動力裝置驅(qū)動的發(fā)電機。在飛行中主電源一旦發(fā)生故障不能正常供電時，由應(yīng)急電源供電。常用的應(yīng)急電源有航空蓄電池和風動渦輪發(fā)電機。二次能源（以下簡稱次電源）是將主電源一種型式的電能轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌?/p>

3、電壓、不同電流和不同質(zhì)量電能的設(shè)備，以滿足不同用電設(shè)備對不同形式電能的要求。電源和混合電源?；旌想娫淳褪峭瑫r采用兩種主電源。各種電源與其調(diào)節(jié)、控制、保護裝置及電網(wǎng)一起組成供電系統(tǒng)。這些供電系統(tǒng)在飛機發(fā)展的不同時期都發(fā)揮了它們的作用。同時在使用中也看出了它們的優(yōu)缺點。因此，隨著飛機的發(fā)展各國都在改進和研制較理想的供電系統(tǒng)。一、低壓直流供電系統(tǒng)（一）低壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)點在飛機發(fā)明后的半個世紀里，低壓直流供電系統(tǒng)一直充當飛機主電源是因為它有突出的優(yōu)點：1. 容易實現(xiàn)多臺發(fā)電機與蓄電池的并聯(lián)供電，保證不中斷供電，供電安全可靠。2. 直流電動機的啟動，調(diào)整性能好。因此，直流供電系統(tǒng)

4、實現(xiàn)電力控制和操縱比較方便。3.直流發(fā)電機可以作為電力起動電動機使用，一機兩用可以減輕設(shè)備總重量。4.由于電壓低，各種有觸頭轉(zhuǎn)換的電路設(shè)備制造容易，體積小，比較安全可靠。5.低壓直流供電系統(tǒng)理論和技術(shù)不太復雜。整體維護性好。全周期維護費用也不高。在飛機沒有發(fā)展到高空、空速的中小型飛機上，每臺發(fā)電機的功率不超過912千瓦的情況下，低壓直流供電系統(tǒng)得到了最廣泛的使用。因為在這種條件下它是比較理想的供電系統(tǒng)。（二）低壓直流供電系統(tǒng)存在的問題隨著現(xiàn)代飛機的發(fā)展，飛機的高度、速度不斷提高和機載設(shè)備的增多對飛機供電系統(tǒng)影響很大。高空、高速使供電系統(tǒng)工作條件變化了，機載設(shè)備的增多使供電量增大、需要電源種類變

5、多。這些，對供電系統(tǒng)提出了更高的要求，使低壓供電系統(tǒng)遇到了難以克服的問題：1.電機換向火花加大、電刷磨損加劇飛行高度增加，空氣稀薄、溫度和濕度降低，直流電機換向火花加大，電刷磨損嚴重。特別是在飛機用電量大量增加的情況下，如果單機功率增加（單機功率在30千瓦以上）、直流發(fā)電機己很難做到安全可靠。發(fā)電機冷卻很難解決在高空、高速條件下，飛機上的直流發(fā)電機冷卻很難解決。在高空條件下，空氣稀薄、發(fā)電機的冷卻效果下降。例如，在15公里高空時，進入發(fā)電機的冷卻空氣量減少五分之三。在高速飛行條件下，應(yīng)用迎面氣流冷卻發(fā)電機幾乎成為不可能。例如，當=2時，入口冷空氣溫度達100攝氏度；當M=2.5時入口冷卻空氣溫

6、度高達200攝氏度。這時己不能用迎面氣流來冷卻發(fā)電機。但又不能用油冷，因為直流發(fā)電機損耗的75%在轉(zhuǎn)子上，為了冷卻，必須把冷卻油通到轉(zhuǎn)子上，可是電刷和換向器是不允許接觸油液的，因此需要解決冷卻油液的動密封問題，這在技術(shù)上是很難做到的。電機重量功率比增加，供電系統(tǒng)重量大隨著現(xiàn)代飛機用電機載設(shè)備的不斷增加，飛機電源的安裝容量幾十倍、幾百倍地增加。目前，殲擊機的安裝容量可達60120千伏安；大型運輸機和重型轟炸機都在200300千伏安以上（伊爾七六飛機上四臺主系統(tǒng)主電機共240千伏安，輔助交流發(fā)電機40千伏安和輔助直流發(fā)電機12千伏安）。如果仍然采用低壓直流供電系統(tǒng)的話，重量將會增加很多。僅對發(fā)電機

7、來說，由于直流發(fā)電機換向（有刷）條件的限制，發(fā)電機電壓不能太高，單機容量也不能太大，因此其重量較大，重量功率比大。例如，功率為18KW的ZF-18直流發(fā)電機、重量為41.5KG，而噴油冷卻的60KVA的200/115 的交流發(fā)電機的重量僅17KG左右。低壓直流供電系統(tǒng)的電網(wǎng)重量也很大。如某型轟炸機電網(wǎng)重量達630KG，占全機重量的1.75%,若將電壓從28.5V提高到120V，約可減少150KG?？傊?，對28.5V低壓直流供電系統(tǒng)，解決裝機容量問題，不能通過提高發(fā)電機電壓，因為提高電壓，直流電機換向條件惡化，有觸頭的按觸器和各種開關(guān)的電弧燒傷嚴重，都降低供電系統(tǒng)的可靠性；不能提高單機容量，也不

8、能增加發(fā)電機數(shù)量（安十二飛機上，有個主發(fā)電機12，總功率為96KW，總重量為300多千克；如果伊爾七六采用12為主發(fā)電機，得安裝24個，總重量近噸），因為每個發(fā)電機，都有一套電源系統(tǒng)，數(shù)量太多，總重量太大。因此，只能尋找其它供電系統(tǒng)。電能變換設(shè)備笨重、效率較低現(xiàn)代飛機上用電機載設(shè)備多，需要多種不同頻率不同電壓的交流電和不同電壓的直流電。因此，需要多種電能變換設(shè)備。如果主電源系統(tǒng)是直流電，要獲得不同電壓的直流電，一般用直流升壓機或晶體直流變換器；要獲得不同頻率，不同電壓的交流電，一般采用變流機或靜止變流器，等等。機電式電能變換設(shè)備，其效率低，變換設(shè)備比較笨重，一般重量功率比為10KG/KW。而且

9、升壓機、變流機也存在一個高空換向困難問題。所以，機載用電設(shè)備的增多，使得直流供電系統(tǒng)在能量變換上遇到了較大困難。這也是這種供電系統(tǒng)的一個不足。綜上所述，低壓直流供電系統(tǒng)己不適用于高空、高速和用電量大且用電種類多的飛機。二.交流供電系統(tǒng)交流供電系統(tǒng)分為恒頻交流供電系統(tǒng)和變頻交流供電系統(tǒng)。恒頻交流供電系統(tǒng)又分為恒速恒頻交流供電系統(tǒng)和變速恒頻交流供電系統(tǒng)。（一）恒速恒頻交流供電系統(tǒng)目前，在高空、高速和裝機容量大的飛機上，普遍裝備200/115，三相，400Hz的恒速恒頻交流電源。伊爾七六飛機主供電系統(tǒng)就是這種恒速恒頻交流系統(tǒng)。欲使發(fā)電機提供恒速恒頻交流電，要求發(fā)電機轉(zhuǎn)速恒定。但是航空發(fā)動機的轉(zhuǎn)速是在

10、較寬范圍內(nèi)變化的，因此發(fā)電機不能由發(fā)動機直接傳動，而要通過稱為恒速裝置的設(shè)備來傳動。自40年代中期恒速傳動裝置應(yīng)用以來，恒速恒頻交流電源得到了迅速發(fā)展。恒速恒頻電源系統(tǒng)由恒速傳動裝置、無刷交流發(fā)電機、電壓調(diào)節(jié)器和控制保護器等組成。二次電源主要是變壓器和變壓整流器，后者將200/115三相交流電變換為28V直流電。蓄電池和靜止變流器作為應(yīng)急電源。恒速恒頻交流電源克服了低壓直流電源的缺點。用旋轉(zhuǎn)整流器取代電刷和滑環(huán)制成了無刷交流發(fā)電機，不存在換向問題。因此高空性能好，工作轉(zhuǎn)速也可提高，加上循油或噴油冷卻技術(shù)的應(yīng)用，使發(fā)電機的重量功率比大大減小。例如：24KW的低壓直流發(fā)電機重量功率比為2.1KG/

11、KW,而60KVA噴油冷卻的交流發(fā)電機僅為0.304KG/KVA。交流電源采用200/115V的供電體制，由于電壓提高，輸送同樣功率所用導線重量大為減輕。交流電源的變壓、變流容易。電能變換設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、效率高。恒速恒頻交流電源經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，由于液壓恒速裝置的改進，控制保護電器的完善，噴油冷卻技術(shù)的應(yīng)用等，使其成為現(xiàn)代飛機應(yīng)用最為廣泛的一種供電形式，具有很強的競爭力。       恒速恒頻交流電源也存在缺點：恒速轉(zhuǎn)動裝置結(jié)構(gòu)復雜、造價高、故障多、維護性差；交流發(fā)電機難以作為起動機使用，另設(shè)起動設(shè)備，使系統(tǒng)重量增加；控制、保護設(shè)備復雜，實現(xiàn)并聯(lián)供電比直

12、流電源復雜得多；交流電動機雖然結(jié)構(gòu)簡單，但啟動、調(diào)速性能沒有直流電動機好。（二）變速恒頻交流供電系統(tǒng)      在變速恒頻供電系統(tǒng)中，發(fā)電機是由發(fā)動機直接帶動的。由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速不是恒定的，因此發(fā)電機輸出的交流電的頻率是變化的。目前有兩種方法，把變頻交流電變成恒頻交流電。1.“交直交”系統(tǒng)      該系統(tǒng)主要由變頻系統(tǒng)發(fā)電機、三相橋式全波整流器、逆變器、波形綜合系統(tǒng)、輸出濾波器等組成。變頻交流發(fā)電機發(fā)出的變頻交流電由三相橋式全波整流器先變成直流電，再由逆變器變換成恒頻交流電，然后由波形綜合系統(tǒng)和濾波器改善波形后輸出

13、。2.“交交”系統(tǒng)      該系統(tǒng)主要由高頻無刷交流發(fā)電機、循環(huán)變頻器、功率濾波器等組成。循環(huán)變頻器把變頻交流電變成恒頻交流電，再經(jīng)濾波后輸出。變速恒頻交流系統(tǒng)與恒速恒頻系統(tǒng)比較起來，恒速傳動裝置的超載和短路能力較強，體積小，重量輕；但維護復雜，成本高，故障多。變速恒頻系統(tǒng)的優(yōu)點是可靠性高、維護性好、壽命長、效率高（為82%，而恒速恒頻系統(tǒng)為78%）、并聯(lián)工作時有功與無功環(huán)流小、穩(wěn)態(tài)電壓與頻率精度高、沒有頻率瞬變、電壓瞬變性能好、用同一基準頻率源控制幾臺變頻器容易同步運行、單臺運行時也不會產(chǎn)生“拍頻”干擾、變頻器與發(fā)電機結(jié)合還可用于起動飛機發(fā)動機。存在

14、的主要問題是，到目前為止，其重量功率比仍大于恒速恒頻系統(tǒng)。交交系統(tǒng)比恒速恒頻系統(tǒng)約重25%、交直交系統(tǒng)比交交系統(tǒng)還要重10%左右。變速恒頻系統(tǒng)的重量功率比曾一度接近由軸向齒輪差動式恒裝和循油冷卻發(fā)電機組成的恒速恒頻系統(tǒng)。但組合式電源裝置的出現(xiàn)，又使這個差距拉大了。而且，變速恒速系統(tǒng)電能質(zhì)量的優(yōu)點顯示不出來，因為現(xiàn)在大多數(shù)飛機用電設(shè)備還沒有提出這么高的要求，所以變速恒頻系統(tǒng)只在個別飛機上用個主電源系統(tǒng)。三.混合供電系統(tǒng)       同一架飛機上的主電源，既有低壓直流電源，又有交流電源則稱為混合供電系統(tǒng)，其中大多以直流電源為主。交流電源可以是變頻交流電，也可

15、以是恒頻交流電。若飛機上照明、加溫、防冰等設(shè)備用電較多，這類設(shè)備對電源頻率可不作較嚴格要求，因此采用變頻交流與低壓直流混合供電。若飛機上二次電源功率較大，則宜采用恒頻交流與低壓直流混合供電。我國生產(chǎn)的殲七型飛機采用低壓直流與變頻交流混合供電，別殲八型殲擊機采用直流電與恒速恒頻交流混合供電，這種飛機應(yīng)用電磁式恒速傳動裝置獲得恒速恒頻交流電。采用混合供電系統(tǒng)是飛機供電系統(tǒng)發(fā)展過程中的一種過渡性措施。四.高壓直流供電系統(tǒng)     人們在使用和研究交流供電系統(tǒng)的時候，特別是在解決交流供電系統(tǒng)存在問題的時候，沒有忘記直流供電系統(tǒng)的優(yōu)點。   

16、七十年代以來，半導體功率器件、大規(guī)模集成電路和新型磁性材料的發(fā)展，為在飛機上應(yīng)用高壓直流電源提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)。目前國外正在研制高壓直流供電系統(tǒng)，某些飛機上己采用高壓直流電源向航空電子設(shè)備供電。我國也己著手研究。     高壓直流電源系統(tǒng)的額定電壓為270V，采用270V電壓，可以和200/115V、400Hz的恒頻交流電源兼容，因為200/115V三相交流電，經(jīng)橋式整流后的直流電壓就是270V。采用高壓直流電源的主要優(yōu)點如下：（一） 工作可靠。與恒速恒頻電源系統(tǒng)相比，高壓直流發(fā)電機系統(tǒng)僅發(fā)電機上有兩個軸承，而且電子線路簡單，工作可靠。（二）重量輕。高壓

17、直流電網(wǎng)比低壓直流電網(wǎng)輕，也比恒頻交流電網(wǎng)輕。即使對于未來采用復合材料的飛機，用雙線制直流電網(wǎng)，仍然比200/115V三相交流電網(wǎng)輕，可見，高壓直流電網(wǎng)是最輕的。（三）連續(xù)供電。和低壓直流電源一樣，直流發(fā)電機易于并聯(lián)供電，電源工作可靠，也可以構(gòu)成互為備用的電路，能夠保證向飛機電子設(shè)備和計算機連續(xù)供電。（四）節(jié)省電能。飛機電子設(shè)備都有內(nèi)部電源，在用恒頻交流電源供電時，電子設(shè)備的內(nèi)部電源是降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓電路的組合，工作效率低。采用高壓直流電源后，可以直接用開關(guān)穩(wěn)壓電源作為電子設(shè)備的內(nèi)部電源，它的效率約提高40%。另外，高電壓輸配電能線損小。（五）安全。同樣電壓下，直流電比50Hz或400H

18、z交流電對人員更安全。將高壓直流系統(tǒng)與恒速恒頻系統(tǒng)及變速恒頻系統(tǒng)進行綜合評分比較的結(jié)果，高壓直流系統(tǒng)得分最高。高壓直流電源系統(tǒng)包括下述幾個主要部分：270V無刷直流發(fā)電機；固態(tài)調(diào)節(jié)和保護器；混合式接觸器；匯流條故障檢測器；400Hz靜止變流器；直流雙向變換器；應(yīng)急電源和輔助電源。盡管發(fā)展高壓直流電源已經(jīng)有了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，但在飛機上應(yīng)用高壓直流電源將涉及電源體制的改變，遇到的問題還是很多的。五.飛機供電系統(tǒng)的發(fā)展方向     目前，世界航空工業(yè)發(fā)達的國家都在積極研制先進飛機的電氣系統(tǒng)，主要進行以下幾方面的工作。（一） 大力發(fā)展變速恒頻交流電源和高壓直流電

19、源     當今世界，各種科學技術(shù)取得長足的進步，新型的電磁材料、大功率半導體器件、大規(guī)模集成電路，微型計算機技術(shù)等迅猛的發(fā)展，這些給予飛機電源的進一步發(fā)展提供了豐厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。例如：由于大功率半導體器件和集成電路的發(fā)展使得恒速恒頻交流電源發(fā)展為變速恒頻交流電源成為現(xiàn)實。由發(fā)動機直接傳動的交流發(fā)電機產(chǎn)生變頻交流電，經(jīng)過循環(huán)變頻器或交直交變換器將變頻交流電變換為恒頻交流電，這就是變速恒頻交流電源。循環(huán)變頻器和直交變換器主要由大功率半導體器件構(gòu)成，它取代了恒速恒頻交流電源中的恒速傳動裝置，克服了它的嚴重缺點，是恒頻交流電源發(fā)展中的一進步。目前國際國內(nèi)都在研制

20、變速恒頻交流電源。1972年美國第一套變速恒頻電源裝于A-4飛機上試飛。此后，F(xiàn)-18、F-5G飛機等也裝備了變速恒頻交流電源。我國也在積極研制該型電源。發(fā)展變速恒頻系統(tǒng)主要應(yīng)解決體積，重量和可靠性問題，解決這些問題的主要途徑是：研制高帶發(fā)電機，目前國外達到的水平為1500030000轉(zhuǎn)分；研制高性能的功率電子器件，包括性能的改進，減小體積重量，增大功率，增加可靠性等；新一代集成電路的應(yīng)用和高溫電子組件的生產(chǎn)等。飛機電源別一個重要發(fā)展方向是采用額定電壓為270V的高壓直流電源。高壓無刷直流發(fā)電機有兩類：電磁式和永磁式。電磁式無刷直流發(fā)電機是無刷交流發(fā)電機與二極管整流橋的組合，調(diào)壓方便、制造技術(shù)

21、成熟，保護裝置比較簡單。當前由于具有很大磁能積的永磁材料（鈷、釤鈷、釹鐵硼）的出現(xiàn)，可以制成大功率的永磁式直流發(fā)電機。永磁式發(fā)電機沒有勵磁繞組，沒有電刷與滑環(huán)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，效率極高。永磁式發(fā)電機的主要缺點是不能用調(diào)節(jié)激磁電流的方法來調(diào)節(jié)電壓，也不能用滅磁的方法來消除過電壓故障和短路故障。這兩種電源發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)相同，它們的優(yōu)點已作了簡單介紹。由地固態(tài)器件的發(fā)展，將制造成固態(tài)調(diào)節(jié)、保護器，混合式接觸器和故障檢測器等，以進一步提高這兩種電源的性能。目前國內(nèi)有些專家認為，由于變速恒頻電源系統(tǒng)供電質(zhì)量高、維護性好，重量方面也可與恒速恒頻交流電源抗衡，且繼承性好，因而近期內(nèi)將大量使用。但因供電體制未變，系統(tǒng)重量仍較大，不易實現(xiàn)不中斷供電，不適