多电飞机与电力电子

1. 民用航空技术交流会 多电飞机与电力电子 南京航空航天大学 严仰光，张方华

2. 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 多电飞机与电力电子：提纲

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 B787 美国波音公司 F-35 美国洛·马公司

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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 多电飞机与电力电子：提纲

8. 多电飞机的特征：概要 • 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 • 电能代替集中式的液压、气压能、机械能

9. 多电飞机的特征：传统飞机的能量分配 推力 机械能，发电机、燃油和滑油泵 液压能，舵面、起落架、舱门等操纵 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

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。

11. 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

12. 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。

13. 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 • 采用气浮/磁浮轴承，省去滑油系统，可靠性高

14. 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 液压能 电 能 机械能 液压能 气压能 电 能 电能

15. 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征：(2)飞机上的二次能源用电能代替 • 气压能和机械能 B787使用的变频交流和28V直流电动机

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 B787大功率调速电动机

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

18. 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征：(2)飞机上的二次能源用电能代替 多电飞机的优点 • 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  附件机匣传动的液压泵和飞机的液压管路 提高飞机的可靠性生命力和经济性

19. A380飞机的操纵部件和作动功率 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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 多电飞机与电力电子：提纲

25. 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 2 3 多电飞机的特点 MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 MEA的电源总容量： 910kVA A380 560 2007 4×150 2×120 1460kVA B787 163 2010 4×250 2×225 250kW F-35 31.8 2007 250kW IPU * MEA的电源总容量提升5倍以上

26. 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 B747-200 362-394 1970 4×60 2×60 主电源为IDG，辅助电源为APU** 辅助电源为双输出 多电飞机 2 B747-300/400 362-394 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 5 MD-11 273 1990 3×100/120* 90 6 A340 275/365 1990 4×75/90* 90/115* 7 A380 560 2007 4×150 2×120 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 * 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

27. 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 主电源为IDG，辅助电源为APU 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 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

28. 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

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(VFSG) Rating: 250 kVA Frequency: 360–800 Hz Weight – dry: 203 lbs MTBF: 30,000 FH MTBUR: 20,000 FH

30. 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

31. 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

32. 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 APU Alignment Pin ASG Rating: 225 kVA Frequency: 360–440 Hz Weight – dry: 122.7 lbs. MTBF: 40,000 FH MTBUR: 30,000 FH ASGs Installed On APU

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 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

34. 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

35. MEA的电源和用电设备：(2) 电源的其他特点 • 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

36. MEA的电源和用电设备：(3) 非线性负载显著增加 线性负载和恒功率负载的输入特性 EMA和EHA的输入特性曲线 雷达等通讯设备的脉冲负载特性

37. MEA的电源和用电设备 • 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。

38. 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 多电飞机与电力电子：提纲

39. DC电源和AC电源的比较：(1)AC电源的缺点 • 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

40. 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

41. 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。

42. DC电源和AC电源的比较：(2)DC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65kW无刷直流发电机，辅助电源1台22kW APU ）。

43. 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 多电飞机与电力电子：提纲

44. 航空电源的研究工作：(1) 起动发电系统 定子 转子 整流器 电枢绕组 调 压 器 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。

45. 航空电源的研究工作：(2)二次电源 输入: 27VDC 1 2 输出: 单相115V/400Hz 功率: 1000VA 3 研制成功20W-10kW功率等级的多种静止变流器。

46. 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 展望与结论 多电飞机与电力电子：提纲

47. 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

48. 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。 多电飞机与电力电子：总结

49. 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