民用飞机变频交流和高压直流电源系统研究.doc

民用飞机变频交流和高压直流电源系统研究 吴善永曹涛 （上海飞机设计研究院，中国上海xx10） 【摘要】主要对民用飞机变频交流与高压直流两种新体制电源系统的技术特点进行了研究比较，最后结合我国大型客机的发展提出了一些看法。 关键词变频交流；高压直流；供电体制 1航空电源系统供电体制发展历史概要 航空电源系统由供电系统和配电系统组成。供电系统分为主电源、二次电源、应急电源、辅助电源、备份电源。配电系统有常规配电系统、遥控配电系统、自动配电系统。 从电源系统供电体制来看，经历了从28V低压直流电源系统、115/200V变频交流电源系统、400Hz恒频交流电源系统，到270V高压直流电源系统，以及混合电源系统的发展过程。1 2变频交流与高压直流两种体制电源系统的技术特点 2.1变频交流电源系统的技术特点 变频交流供电系统主要技术特点如下： 1）变频交流电源系统具有结构简单、能量转换效率高、功率密度高等优点 变频交流电源系统由交流发电机和控制器构成，系统只有一次变换过程，交流发电机直接由发动机附件传动机匣驱动，没有恒速传动装置和二次变换装置，结构简单，重量轻、体积小、功率密度高，可靠性高、费用低，能量转换效率高，易于构成起动发电系统。因此单从电源系统本身来讲而不考虑配电系统、用电设备和发动机起动等因素，在各种电源系统方案中，变频交流发电系统具有结构最简单、可靠性最高、效率最高、费用最低等优点，而且具有较小的重量和体积。 2）变频交流供电系统的配电系统复杂，不利于系统的综合设计 由于交流发电机直接由发动机附件传动机匣驱动，其转速随着发动机的转速而变化，频率变化范围较大，一般约为2:1左右。为满足飞机各种不同用电负载的需要，二次电源变换形式较多，造成飞机配电系统十分复杂。例如Boeing787飞机配电系统就采用了230VAC、115VAC、28VDC和270VDC四种供电体制向机上电用负载供电，除230VAC变频交流电外，其它三种体制的电源均需二次电源变换装置得到。为此，机上装了两台自耦变压器（ATU），用于将230VAC交流电变换为115VAC交流电，每台额定功率为90kVA；四台变压整流器（TRU），用于将230VAC交流电变换为28VDC直流电，每台额定电流为240A；四台自耦变压整流器（ATRU），用于将230VAC交流电变换为270VDC直流电，每台额定功率为150kW。飞机配电系统十分复杂，各类大功率的二次电源变换装置具有独立的结构、独立的散热系统，这对于系统的综合设计（包括结构设计、热设计和能量综合设计等）及飞机的综合控制与管理是不利的。 3）变频交流供电系统因频率变化大给用电负载带来不利影响 变频交流虽然提高了发电系统的可靠性和能量转换效率，但对飞机用电设备带来了不利影响。对于飞机上大多数航空电子设备和系统控制组件，一般都使用低压直流电源，利用变压整流器将变频交流电变换成28V直流电。由于变压整流器中唯一对频率敏感的元件是变压器，所以在设计变压整流器时必须避免变压器在最低工作频率出现饱和。一般地，最低频率为328Hz的100A变压整流器要比一个400Hz频率的同类变压整流器重10%。 对于交流用电设备，分为对频率敏感的用电设备和对频率不敏感的用电设备。对频率不敏感的用电设备，如设备加热负载，可直接由变频交流直接供电；对频率敏感的用电设备，又分为不能直接使用变频电源的用电设备和可以使用变频交流的用电设备。对于不能直接使用变频电源的航空电子设备和系统控制组件等交流用电设备，可由静止变流器提供400Hz恒频电源；而对于交流电动机负载，目前飞机上使用的主要是感应电动机，虽然可以采用变频交流电，但必须通过改进设计，以适应频率变化范围大的特点，为此将使交流电动机的重量和体积比恒频交流时有所增加。在328Hz的最小频率上，电动机的重量体积将大约比使用400Hz恒频电源的大15%左右。 2.2高压直流供电系统主要技术特点 270V高压直流电源系统具有以下特点： 1）270V高压直流电源系统具有结构简单、能量转换效率高、功率密度高等优点 270V直流电源系统由发电机和控制器构成，没有恒速传动装置，结构简单，能量转换效率高。30/40kVA恒速恒频交流电源效率在68%左右，喷油冷却变速恒频电源效率为77%，循油冷却变速恒频电源效率为79%，高压直流电源的效率在85%以上。按输出40kW计算，恒速恒频电源的损耗为18.5kW，变速恒频电源的损耗为12kW，高压直流电源的损耗为7kW。可见，在与40kVA恒速恒频电源损耗相同的情况下，高压直流电源功率可达100kW。高压直流电源为飞机电源容量的进一步增大创造了条件。 270V直流电源中的变换器有两种，直流变换器和直交变换器。直流变换器将270V直流电转变为28V直流电，与恒频交流电源中的变压整流器（将115V、400Hz三相交流电转变为28V直流电）的作用相当，但前者效率在90%以上，后者效率约为80%2，且后者在功率密度和电能质量方面均较差。直交变换器将270V直流电转变为115V、400Hz三相交流电，类似于28V直流电源中的静止变流器，但前者效率更高。 无刷直流发电机具有优良的可逆性，易于构成起动发电系统，可取消专用的航空发动机起动机，进一步减轻了系统的重量。 高压直流电气系统中的电动机和发电机不受工作频率的制约，不仅可在任意转速或变速情况下工作，而且可实现结构优化，进一步减小体积重量。 另一方面，高压直流电气系统中的发电机不一定必须用电磁式同步发电机，它的电动机也不一定必须用异步机，可以选用结构简单的（特别是转子结构简单），性能优良的电机，为航空电机的进一步发展创造了条件，而航空电机的发展反过来又促进了高压直流电气系统的发展。 2）270V高压直流电源系统具有冗余和容错能力，可靠性高 270V高压直流电源系统是一个分布式电源系统，分布式电源系统的基本特点是冗余配置和容错能力，有高的工作可靠性。分布式电源系统根据飞机的不同要求，可以实现多次电源故障后仍能可靠供电的能力。比如在经受一次故障时仍能向全部飞机用电设备供电；在发生两次故障后仍能向所有关键负载和任务负载供电，在发生三次故障后仍能向所有关键飞行负载供电。这些故障可以发生在同一供电通道的不同部件上，也可发生在不同通道的同一部件上，或以上两种方式的组合形式。 3）270V高压直流供电系统具有不中断供电的特性 低压直流和交流供电系统的配电器件为自动保护开关或称断路器，它和熔断器一样是一种热保护器，当它所保护的部分网络发生短路故障时，大的短路电流使其发热，当温度达到一定值后自动保护开关或称断路器动作，切除短路部分。其动作时间取决于短路情况，短路电流越大，动作越快。短路故障不仅伴随着电流的加大，还有可能使电网电压急剧下降，导致供电中断。固态功率控制器（SSPC）是固态器件，它的响应速度为微秒级，在其保护范围内发生短路故障时，可迅速切除短路部分，防止整个电网电压的下降。直流电源都通过反流保护二极管接到汇流条，电源和它的馈电线故障被反流保护二极管隔离，不会导致汇流条电压的变化。由此可见，SSPC和反流保护二极管的应用是直流电源实现不中断供电的基础。同时，蓄电池可方便地和直流汇流条连接，提高不中断供电能力。 4）270V高压直流供电系统电网重量轻、用电设备端电能质量高 270V高压直流电源是分布式电源系统，也是分布式布局的结构，二次电源在配电中心附近，甚至和配电中心组合在一个结构内，因此馈电线都是270V线路，仅从配电中心到用电设备的配电线才有270VDC，115VAC和27VDC三种，但它们的长度都较短。在传输相同功率时，270V直流馈电线要比115V交流轻得多。又因多路传输的应用，大量信号线和控制线由总线替代，故270V直流电网重量显著减轻。又因配电线短，用电设备端电能质量提高，可有效减轻设备内部电源的重量。 5）270V高压直流供电系统对非线性负载适应能力强 在早期的28V直流供电系统中，用电负载多数为线性负载，如旋转变流机，直流电动机，电气照明（白炽灯）、加温和防冰设备等，其运行特性都相当于电阻负载，即负载端输入电压高则负载电流大，负载的变化不会反过来影响供电系统的运行。 航空电子设备和电力电子装置是非线性负载。无刷直流电动机、二次电源、大功率电子设备是恒功率负载，对270V直流发电系统来讲，发电机输出电压的升高不是使负载电流增加，而是减小，即输入功率是不随供电电压的变化而变化的。 无刷直流电动机不仅具有恒功率的特性，而且具有双向能量传递特性。机电作动机构使舵面正向偏转时，空气动力阻力使电机电动工作运行。舵面反向转动时则为制动工作运行，再生制动时能量从电机返回电源。 三相直交型二次电源在不对称负载下工作，或者对于单相直交型二次电源，一方面具有能量回馈特性，另一方面又是一个时变负载，400Hz逆变电源，时变负载的变化周期为800Hz，50Hz逆变电源功率变化周期为100Hz。 某些航空电子设备对电源来说具有脉冲特性，是脉冲负载。 以上几种非线性负载对电源特性的影响是不可忽视的，据国外统计，在未来飞机上，这类负载消耗功率约占电源输出功率的80%左右。非线性用电设备的增加，使电力系统的稳定性问题更加突出，用电设备对电源的影响非常明显，交流电力系统适应性较差，而直流电力系统有较强的适应能力。 6）270V高压直流更加适应于飞机机电综合设计的发展要求 高压直流机电作动机构或电液作动机构的发展，为取代目前飞机广泛使用的液压作动系统创造了条件，从而为飞机机电系统的综合及二次能源的统一奠定了基础，为构建多电飞机甚至全电飞机提供了必要的条件。 3两种体制电源系统的分析比较 下面就高压直流供电系统与变频交流供电系统的优、缺点做一简要的比较。 3.1飞机电气系统采用直流供电体制，在以下几个方面优于变频交流供电体制 1）电力线不存在电抗压降； 2）直流配电也不存在趋肤效应； 3）直流配电系统时功率因数为1； 4）飞机机身可以作为全部电缆的回线； 5）直流电的电晕起始电压比交流的高； 6）在同样电压值时，从人身安全来讲直流电比交流电更安全； 7）直流发电机并联容易； 8）直流电源系统易实现不中断供电。 3.2高压直流配电也存在一些缺点： 1）直流电更难断开。同样容量时，常规的直流断路器比交流断路器要大。 2）直流电压稍比交流电压难以隔离。 但是，随高压直流的电流控制技术尤其是固态配电技术的不断发展和SSPC控制器件/装置的不断进步，高压直流配电比交流配电具有明显的优越性。 高压直流发电系统的可选方案包括线绕转子式发电机方案、电励磁双凸极发电机方案、开关磁阻发电机方案和异步发电机方案等。前两种方案是将交流发电机的输出利用全桥整流电路整流以提供直流电，第三种和第四种方案是开关磁阻电机或异步电机与可控功率变换器一起工作并由可控功率变换器输出直流电。由三相或六相交流发电机供电的全桥整流电路或可控功率变换器功率器件和交流发电机构成一个整体，半导体功率器件装在散热片上并置于发电机的冷却油中，两者可以有效地共用一个散热系统，可实现综合设计的目的。 4总结 从目前先进飞机看，无论是先进战斗机，还是先进的大型民用飞机，由于对飞机电源系统的容量需求都比较大，出于飞机对电源系统自身及配