多电飞机的特征

1多电飞机与电力电子南京航空航天大学民用航空技术交流会严仰光，张方华2多电飞机与电力电子：提纲1.多电飞机的诞生2.多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和AC电源系统的比较5.南航大学在航空电源方面的研究6.结论321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21世纪初的三种新飞机4A380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GP720021世纪初的三种新飞机21世纪初的三种新飞机5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)Trent100021世纪初的三种新飞机B787美国波音公司21世纪初的三种新飞机66F-35美国洛·马公司21世纪初的三种新飞机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&WhitneyJSF119-611加力涡扇发动机21世纪初的三种新飞机7多电飞机与电力电子：提纲1.多电飞机的诞生2.多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和AC电源系统的比较5.南航大学在航空电源方面的研究6.结论8多电飞机的特征：概要1.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2.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、防冰和环控液压能，舵面、起落架、舱门等操纵机械能，发电机、燃油和滑油泵推力10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。多电飞机的优点多电飞机的特征：(1-1)不提取发动机压缩后的空气11大大提高可靠性多电飞机的优点多电飞机的特征：(1-1)不提取发动机压缩后的空气12多电飞机的优点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。附件机匣多电飞机的特征：(1-2)简化或取消附件机匣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扇轴驱动发电机高压起动发电机SR起动/发电机磁轴承双模式燃烧室陶瓷涡轮机磁轴承IPU和内装起动发电机采用气浮/磁浮轴承，省去滑油系统，可靠性高多电飞机的特征：(1-3)采用气浮/磁浮轴承14机械能液压能气压能电能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电能多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替15序号使用电能设备名称1230V360－800HzAC环境控制系统循环风扇2230V360－800HzAC冰箱电动压缩机3115V360－800HzAC设备冷却风扇4115V360－800HzAC冰箱电动压缩机5230V360－800HzAC燃料泵628VDC燃料泵B787使用的变频交流和28V直流电动机①气压能和机械能多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替16序号设备名称数量单台功率/kW总功率/kW1电动液压泵4753002电动压气机4753003电动风扇225504制氮电动机15050调速电动机总功率700B787大功率调速电动机气压能和机械能多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替17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多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替18②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液压泵和飞机的液压管路多电飞机的优点多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替19序号部件名称作动面积/m2作动功率/kW总功率/kW1副翼6×46×6362升降舵6×126×10603方向舵2×202×10204配平20550505襟翼与阻力板1501506起落架1751757机轮刹车和转向控制998作动系统总功率550A380飞机的操纵部件和作动功率集中式飞机液压能源的替代多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替20机电作动机构EMA使用EMA和EHAEMA替代液压作动机构多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替21电液作动机构EHA使用EMA和EHAEHA替代液压作动机构多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替22ControlsOutputFilterCommonMotorStartController(CMSC)大功率调速电机控制器集中式飞机液压能源的替代多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替大功率调速电机控制器23多电飞机的特征：总结1.多电发动机是多电飞机技术的核心①不提取发动机的压缩空气②取消或简化附件传动机匣③采用气浮/磁浮轴承，省去滑油系统2.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①简化了飞机和发动机结构，迎风面积小，节省能源②减少了地面支援设备③改善了飞机的可靠性、维护性、生命力和经济性24多电飞机与电力电子：提纲1.多电飞机的诞生2.多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和AC电源系统的比较5.南京航空航天大学在航空电源方面的研究6.结论25910kVA1460kVA250kW多电飞机的特点MEA的电源总容量：MEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大321备注辅助电源功率/kVA主电源功率/kVA始用日期最大起飞重量/t飞机型号序号2×1204×1502007560A3802×2254×2502010163B787F-3531.82007250kWIPU*MEA的电源总容量提升5倍以上262×1204×1502007560A380790/115*4×75/90*1990275/365A3406903×100/120*1990273MD-11560kVA+12kW4×601983151伊尔-764903×901971259DC-1032×75/904×75/90*1980/1985362-394B747-300/4002主电源为IDG，辅助电源为APU**辅助电源为双输出多电飞机2×604×601970362-394B747-2001备注辅助电源功率/kVA主电源功率/kVA始用日期最大起飞重量/t飞机型号序号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115/200VAC400Hz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。MEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大27多电飞机2×2254×2502010163B787420kVA为变速恒频电源1202×120kVA+20kVA1995229B7773902×75/901982159B7672主电源为IDG，辅助电源为APU902×75/901983150A310-3001备注辅助电源功率/kVA主电源功率/kVA始用日期最大起飞重量/t飞机型号序号双发动机客机电源额定功率MEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大28序号飞机型号发动机数最大起飞重量/t始用日期主电源功率/kVA辅助电源功率/kVA备注1F-15C23019742×40/50主电源为IDG2F-161161978405应急电源为5kVA3幻-200011719832020kVA为变速恒频电源4苏-272342×305F-2222719972×65kW22kW主电源和辅助电源270VDC6F-35131.82007250kWIPU*270VDC多电飞机*IPU组合动力装置是APU和应急动力装置EPU的组合。战斗机电源额定功率MEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大29Rating:250kVAFrequency:360–800HzWeight–dry:203lbsMTBF:30,000FHMTBUR:20,000FHB787的起动发电机(VFSG)MEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大30B787的起动发电机的技术指标序号技术指标单位数据1结构型式旋转整流器式同步电机2额定电压VAC230/4003额定电流AAC3614额定频率Hz360-8005额定功率kVA2506过载能力%125%5'175%5''7功率因数cosφ0.75-0.958极对数39转速r/min7200-1600010起动转矩Nm≮18011冷却方式喷油12效率%9013电机干重kg9214平均故障间隔时间h30000MEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大31B787VFACS/G发电机电路图MEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大32B787的APUAPUASGsInstalledOnAPURating:225kVAFrequency:360–440HzWeight–dry:122.7lbs.MTBF:40,000FHMTBUR:30,000FHLiftingLugAlignmentPinInputShaftScavengeCoreSupplyCoreASGMEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大33Q11A1X1Q21Q31B1Y1Q41Q51C1Z1Q61EMI滤波270VAQ12A2X2Q22Q32B2Y2Q42Q52C2Z2Q62EMI滤波270VB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F-35飞机的开关磁阻起动发电机MEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大34F-35飞机的开关磁阻起动发电机技术指标序号技术要求单位数据1电机结构开关磁阻起动发电机2额定电压VDC2703额定电流ADC9284额定功率kW2505过载功率kW3306工作转速r/min13456~222247起动转矩Nm≮1808冷却方式空心导体油冷9效率%≮8910重量kg46.6（电机本体）11平均故障间隔时间h20000MEA的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大35①功率大、效率高、体积重量小②要求多种电能（B787中8种以上）③电能质量要高④不中断供电⑤内装起动/发电机MEA的电源和用电设备：(2)电源的其他特点36MEA的电源和用电设备：(3)非线性负载显著增加雷达等通讯设备的脉冲负载特性12IUOIUOn1n3n2n1n2n3P(kW)t(秒)OEMA和EHA的输入特性曲线线性负载和恒功率负载的输入特性37①电源功率显著增大；②非线性负载显著增加；③电力电子变换器广泛应用；④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。MEA的电源和用电设备38多电飞机与电力电子：提纲1.多电飞机的诞生2.多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和AC电源系统的比较5.南京航空航天大学在航空电源方面的研究6.结论39①非线性负载使电源畸变，必须有TRU、ATRU、PFC、APF；电源重量增加。②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③与电能存储设备如蓄电池、超级电容等接口复杂④发电系统重量大，结构复杂。B787发电机，250kVA，92Kg;F35发电机250kW46.6Kg⑤交流电网电压降大，损耗大⑥不易实现并联和不中断供电⑦交流固态功率控制器结构复杂，损耗大⑧交流电源飞机离不开28V直流电DC电源和AC电源