多电飞机与电力电子.ppt

1、2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,1,多电飞机与电力电子,南京航空航天大学 航空电源航空科技重点实验室,严仰光,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,2,21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,多电飞机,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,3,A380 欧洲空客公司,A380 欧洲空客公司,空机重量 ：280,000公斤 最大载客量：853人 四发，双通道，双层 发动

2、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,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,4,空机重量 ：154,000公斤 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,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,5,F-35 美国洛马公司,F-35 美国洛马公司,21世纪初的三种新飞机,

3、空机重量 ：12,020公斤 标准的武器配备：2枚空空导弹和2 枚JDAM Pratt & Whitney JSF119-611加力 涡扇发动机,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,6,A380 910kVA,B787 1460kVA,F35 250kW,多电飞机的特点,多电飞机特点之一：电源容量大,飞机电源总容量：,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,7,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

4、, 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。,电源额定功率,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,8,双发动机客机电源额定功率,电源额定功率,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,9,战斗机电源额定功率,电源额定功率,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,10,机械能 液压能 气压能 电 能,多电飞机的特点,多电飞机特点之二：飞机上的二次能源

5、用电能代替,现有飞机的二次能源,多电飞机的二次能源,机械能 液压能 气压能 电 能,电能,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,11,多电飞机的优点,飞机发动机附件机匣的简化或取消,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,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,12,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

6、液压泵和飞机的液压管路,多电飞机的优点,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,13,不提取发动机压缩后的空气,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,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,14,大大提高可靠性,多电飞机的优点,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,15,APU,ASGs Installed On APU,Rating: 225 kVA F

7、requency: 360440 Hz Weight dry: 122.7 lbs. MTBF: 40,000 FH MTBUR: 30,000 FH,Lifting Lug,Alignment Pin,Input Shaft,Scavenge Core,Supply Core,ASG,多电飞机的优点,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,16,Pneumatic Ducting and Associated Systems Eliminated,多电飞机的优点,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.252

8、7 华中科技大学,17,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。,起动发电机的应用,简化取消附件机匣，省去了空气或燃气起动机及相关设备。,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,18,不提取压流后空气 内浆式起动发电机 磁浮轴承 分传式数字发动机控制系统,多电发动机多电飞机技术的核心,多电发动机,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,19,IPU和内装起动发电机,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛

9、2010.11.2527 华中科技大学,20,对飞机和发动机做减法，卸去包袱，简化结构，简化地面支援设备； 多电飞机建立在电工科技发展的基础上。,多电飞机的特点,多电飞机特点之三,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,21,A380飞机的操纵部件和作动功率,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,22,B787大功率调速电动机,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,23,B787使用的变频交流和28V直流电动机,2010-11-2

10、6,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,24,电气加温与防冰除冰用电量增大 调速电动机和伺服电动机大量增加 多台大功率起动发电机同时工作 数字控制与通信网络广泛应用 电源和配电系统可靠性要求大幅度提高，余度、容错、不中断供电系统逐步完善 电气设备工作环境更恶劣,多电飞机电气设备的特点,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,25,Controls,Output Filter,Common Motor Start Controller (CMSC),大功率调速电机控制器,2010-11-26,第四届电工技术

11、前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,26,Input Shaft,Rating: 250 kVA Frequency: 360800 Hz Weight dry: 203 lbs MTBF: 30,000 FH MTBUR: 20,000 FH,B787的起动发电机(VFSG),2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,27,B787 VFSG的技术指标,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,28,B787 VFAC S/G发电机电路图,2010-11-26,第四届

12、电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,29,B787 VFAC S/G起动工作系统图,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,30,机电作动机构的组成,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,31,电液作动机构的构成,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,32,电动环境控制系统压气机,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,33,VFAC电源给调速电动

13、机的供电,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,34,自耦变压整流器（ATRU）的电路,输入电流正弦 输出电压脉动小 效率高,体积重量小 不隔离,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,35,A380、B787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。,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,36,交流电机受频率的约束，结构优化困难，体积重

14、量较大； 交流电有有功和无功，均有线路损耗； 交流导线有电阻和电抗，线路压降大； 交流电源并联困难，无法实现不中断供电，且受电端电能质量不高； 现代飞机非线性用电设备越来越多，交流电源对非线性负载的适应性差。,飞机交流供电的不足,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,37,二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。,高压直流电在飞机上的应用,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。,2010-11-26,

15、第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,38,主电源 2台65kW无刷直流发电机 270V 241A； 辅助电源 1台22kW APU 270V 82A； 28VDC电源 3台 2.1kW 270/28V DC/DC，可并联； 400Hz电源 2台 6000VA 270VDC/400Hz 115/200VAC； 专用电源 永磁发电机和AC/DC变换器构成三余度专用电源； 备份电源 蓄电池，用于起动APU。,F-22的高压直流电源,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,39,F-35飞机的开关磁阻起动发电机,

16、2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,40,250kW SRS/G技术数据,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,41,工作环境温度 400C 工作转速 10000r/min 视发动机功率大小 转子内径 200mm 对中大型发动机 电机功率 250kW 平均故障间隔时间 20000h。 可选电机：开关磁阻电机 电励磁双凸极电机,发动机内装起动发电机,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,42,变压整流器和DC/DC变换器,201

17、0-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,43,固态功率控制器（SSPC）是高压直流电源的配电元件（主功率器件MOSFET）。 功能：接通/断开电路； 返回状态信号； 配电线过流保护（安秒特性）； 短路电流快速切除； 配电线电弧故障保护； 与控制信号间电隔离； 优点：使用寿命长，控制功率小，易于与计算机接口。 缺点：通态压降大，特别是双向开关的SSPC。,直流供电系统的配电元件,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,44,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

18、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。,直流电源的冗余和不中断供电,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,45,多电飞机的电气系统是多变换器的电力电子系统； 多电飞机的电气系统是多微处理器的网络系统； 两者的配合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。,应用270VDC的多电飞机电气系统,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学术论坛 2010.11.2527 华中科技大学,46,电工科技的进步为多电飞机的发展奠定了基础,电工材料 微电子：集成电路与微型计算机 电力电子 电机及其控制原理 检测技术和自动控制,1903年1940年代2000年 电气 电气/液压/气压 电气,2010-11-26,第四届电工技术前沿问题学