多电飞机电源系统

1. 多电飞机的技术特点

多电飞机是航空科技发展的一项全新技术，它改变了传统的飞机设计理念，是飞机技术发展的一次革命。美国从20世纪80年代中到90年代初开始投入了大量的人力和物力，组织开展多电飞机的研究。该研究涉及发电、配电、电力管理、电防冰、电刹车、电力作动和发动机等多个领域，从航空电力系统的概念出发，优化整个飞机的设计。与全电飞机略有不同，多电飞机(More Electric Aircraft，MEA）在用电力系统取代液压和气压系统的过程中，采用电动静液作动器来操纵飞行控制舵面。电动静液作动器实际上是一种分布式的小型电动和电控液压系统，因而可以说，多电飞机方案是全电飞机方案的初级阶段。

随着波音787飞机和空客380飞机的首飞及投入运营，多电飞机已成为现实。多电飞机的特征是具有大容量的供电系统，并广泛采用电力作动技术，使飞机重量下降，可靠性提高，维护性好，运营成本降低。多电飞机的主要优势简述如下。

（1）多电飞机使飞机的电气系统体系结构优化

影响飞机电气系统体系结构的因素很多，包括飞机的类型（民用或军用运输机、亚声速或超声速飞机、战斗机等）、飞机的体系结构（发动机类型、数量、具体布局）、电气负载总需求及它们之间的互相关联性。图1.3-1是一种典型的多电民用飞机电气系统体系结构图。

多电飞机技术由于采用电力驱动代替了液压、气压、机械系统和飞机的附件传动机匣，是飞机系统的重大创新，它可以节约飞机的有效空间，优化飞机的空间布局，有利于飞机的总体设计，有效提高了飞机的性能和系统可靠性，使之具有容错和故障后重构的能力。

图1.3-1 多电民用飞机电气系统体系结构图

（2）多电飞机简化了飞机的动力系统结构

多电飞机中的二次能源只有电能，使整个动力系统设计简化，取消了飞机的附件传动机匣和燃气涡轮起动机，简化了飞机的结构，使飞机结构简单、重量轻、可靠性高、可维修性

好、生存能力强、使用维护费用低、地面支援设备少，地面设备和机上接口也得以简化。

（3）多电飞机改善了飞机发动机的性能

由于多电飞机取消了发动机的引气，采用闭式循环系统，改善了发动机的效率和性能。

（4）多电飞机减少了飞机的能源浪费，提高了效率

多电飞机技术的一个最大优点是：由于采用了电力驱动，各飞机用户可以根据自己的需求来控制发电量，减少了能源的浪费。如采用传统的气源系统，飞机在巡航飞行状态时，发动机排气量将超出需求，这就导致发动机的燃油消耗超出实际需求，造成能源的浪费。而多电飞机技术意味着可以根据实际用电需求，控制运转发电机所需要的燃油损耗。

（5）多电飞机为未来飞机高能武器的使用提供电力保障

飞机系统的用电量需求在目前和可预见的未来将持续呈几何级数的增长。采用多电飞机技术可以有效地满足飞机系统对电力需求的急剧增长。由于多电飞机技术在设计中可以方便地为机载武器系统提供充足的电力，这就有可能为安装新一代武器系统，如定向能激励器、电磁炮等提供充足的能源。事实上，正是由于高能武器的发展，加快了多电飞机技术发展。

总之，采用多电飞机技术可以根据飞机用电设备的实际负荷，对发电系统统一地、有效地进行分配，使运行的发电系统处于较高的效率状态。多电飞机技术的使用可以节约民用飞机的运营费用；充足的电力资源和合理的电能分配管理可以为军机上的高能武器的使用创造良好的条件，使军机在战术和技术性能上有显著提高。在飞机设计时，可以将发电、配电和用电设备作为一个整体来进行系统分析和研制，使系统设计达到最合理、最优化的指标，使飞机运营达到的最经济、最可靠的目的，最大限度地发挥其战术性能，从而提高军机的战斗力和生命力，提高民用飞机的可靠性和经济性。

2. 多电飞机的电源系统及其特点

由于多电飞机非常依赖于电能的应用，因此对机载电源系统提出了更高的设计要求。如第四代战斗机引进的多电飞机的概念绝不仅仅是将115V/ 400Hz的交流供电体制变成270V 直流供电体制，以及供电容量上有大幅的增加那么简单，它还表现在两个重要特征上，一是大量的电力作动器负载取代了原来的液压作动器，二是机电系统的高度综合化。因此，要求多电飞机的电源系统具有以下的特点：

（1）发电容量要大，一般都采用起动／发电形式，如国外目前正在研究单机容量大于500kW的起动／发电机。

（2）要能提供可靠性高、容错能力强的电源系统，并且易于实现多余度的不中断供电。

（3）应能提供多种形式的电能，电能的多样性可以简化用电设备的结构，减少系统的体积和重量。

（4）应具有计算机检测、监控、管理和保护功能，并能接受飞机负载管理中心的管理。

各国航空领域的研究结果表明，由于恒频交流电源的效率较低，不能满足多电飞机大容量电源的要求，并且交流电不易实现不间断供电，因此，恒频交流电不适合于用作多电飞机的主电源。目前，多电飞机采用的主电源系统主要有两种：一种是高压直流电源系统；另一种是变频交流电源系统。这两种电源系统都适合于设计成大功率的电源系统，且都具有可靠性高、效率高、结构简单等特点，270V高压直流电源系统还具有易于实现不间断供电的优点。

由于多电飞机要求供电容量大，其电源系统应具有高效率，而传统的恒频交流电源效率较低，恒装体积重量大，使发电能力受到限制。作为航空交流电源的最新发展，变频交流电源具有与恒频交流电源相同的供电质量，而其效率高达90％以上，且体积比带有恒装的恒频电源小，具有重量轻、价格低、系统可靠性高、维护性好等优点，作为多电飞机的一种可用电源系统，已经在多电飞机波音787上得到应用。变频交流电源的额定电压有115 V、230V

两种，将这两种电压等级的交流电源相比较会发现，115V变频交流电源的发电机馈线重，发电系统体积重量大，而230V变频电源对现有的机载供电体制和现有机载设备的结构及参数等均有影响。因此，在实际使用中，采用将230V变频电源用作主电源，给大功率用电设备供电；将115V变频电源作为二次电源，给其他设备供电，这是一种比较适宜的供电方案。

在变频电源系统的应用中，由于其比恒频系统有更宽的工作频率范围，因此需要考虑高频因素对系统的影响，这些影响主要有以下几个方面：

（1）变频交流发电机的电抗必须比等效的恒频交流发电机的低，以便抵消电源质量受到高频信号的影响，这将导致重量增加10%。

（2）电源系统需要快速的过电压保护能力，以便在高频时发生短路故障的情况下，把最大电压限制在规定范围内。

（3）对馈线较长的大飞机，馈线阻抗对相电压不平衡的影响比发电机阻抗带来的影响更大，尤其是变频系统。

此外，多电飞机电力作动器的大量应用，将对供电系统产生以下影响：

（1）多数大功率电动机都带有一个低输入阻抗的“容性”电磁干扰滤波器，因而在供电系统启动时可能会出现冲击电流。

（2）大多数大功率电动机负载具有恒功率特性，可能影响供电质量和系统稳定性。

（3）多电飞机的飞行控制作动器可能把再生能量返回到配电系统，对其产生干扰。

（4）大功率的关键飞行负载需要不间断供电。

在交流电源系统中，解决大功率电力作动器对电网造成的影响是比较困难的。因此多电飞机采用高压直流电源系统也是一种可行的方案。

直流电源系统同时具有起动和发电的功能，但传统的28V低压直流发电系统不适合多电飞机，必须采用270V高压直流电源系统。270V的高压直流起动／发电机同样具有起动和发电的功能，其高转速易于提高功率密度，减小体积，电源效率高达90％以上。发电时还可以吸收系统回馈的能量，具有可靠性高、结构简单、配电电网重量轻、易于实现余度供电及不中断供电的优点。该系统已在军机F-22上得到应用。但另一方面，若飞机上仅采用一种高压直流电源系统，必将带来用电体制的改变，将影响现有机载设备的继承性及机电产品的成本。实际上，各种供电体制都有不足，只有将不同体制的供电系统有机地结合起来，才能进一步提高电源系统和飞机的性能。因此，混合电源系统应是多电飞机理想的电源体制。

3．国外典型的多电飞机

（1）空客A380飞机

空客A380飞机是典型的多电商用飞机，完全按多电飞机的电力系统设计。飞机的总发电功率为910kW。其中，由发动机驱动4台150 kV A的变频交流发电机，频率为360Hz-800Hz；由辅助动力装置（APU）驱动2台120kV A的恒频交流发电机；1个空气冲压涡轮系统驱动一台70 kV A发电机。电源系统采用固态配电技术，一次、二次配电系统采用集中控制，使飞机可靠性大为提高。大部分作动装置采用了电力作动，使飞机重量下降，性能大大提高。

（2）波音787飞机

与空客A380相比，波音787飞机更接近于全电飞机。飞机的总发电功率为1400kW。其中，2台发动机驱动4台225 kV A的变频交流起动／发电机；由辅助动力装置驱动2台225 kV A的变频交流发电机；1个空气冲压涡轮系统驱动一台50kV A发电机。除了采用固态配电技术外，作动装置几乎全部采用电力作动。

（3）F-35战斗机

F-35战斗机是一种典型的多电战斗机，总的发电功率为250kW，能携带更大的高能武器。与波音787相同，除了采用固态配电技术外，作动装置几乎全部采用电力作动，使飞机