多电飞机电气系统及电源品质要求的发展

多电飞机电气系统及电源品质要求的发展

作者：冯玉莲刁学敏

来源：《硅谷》2012年第09期

摘要：与常规飞机相比，多电飞机具有许多优点，但由于多电飞机新的电源系统结构、新的负载要求和电力电子设备在航空上的应用，对电源品质有新的要求，因此也需要进一步发展电源品质要求。

关键词：多电飞机；电源品质；电气系统

中图分类号：TH7 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2012）0510041-02

0 引言

传统飞机为用电设备提供了两种类型的主要电源：115V/400Hz的交流电和28V的直流电。单个负载主要由断路器或电器负载控制单元控制。大多数设备的负载范围在2瓦到

10kVA之间。设备类型有：28V直流电子装置（航空电子设备、小型控制器和显示器），对于单相和三相115V交流负载，包括几个大负载（液压和燃油泵、微波炉、鼓风机和风扇）。

随着电子技术发展，多电飞机技术也得到了快速的发展。第一代多电飞机采用270V高压直流电源，还具有向飞机提供应急电力的能力；第二代多电飞机采用起动发电机，电容量显著增大；第三代多电飞机技术采用组合动力装置，功率更大。

多电飞机为用电设备提供了以下两种电源：高压直流电源、变压变频电源。

由于多电飞机新的电气系统结构、新的负载要求和电力电子设备在航空上的应用，对电源品质有了新的要求，因此也需要进一步发展电源品质要求。

1 多电飞机电气系统的组成及功能

多电飞机拥有新的发电、配电系统和负载设备，以波音商用飞机为例来说明如下：

发电——未来商用飞机上的电源系统将包括变频交流电源和其他交流直流电源。对于多电飞机结构，负载设备的附属系统将被电气化，而不是采用气压和（或）液压。如果由变频交流电源对这些大电气负载供电，就需要使用发动机控制器，以更有效地调节大功率负载设备，因此，就需要引入直流电源。

配电——多电飞机上开发了远程配电单元。通过在主电气面板和远程负载设备间添加集中配电点，远程配电单元有效地输送电源到多个较小的负载。也可以在主控制器卡上实现电源品质监控器，在固态功率控制器中实现软起动技术。

负载设备——由于多电飞机带有多个发动机负载，这些负载需要恒定功率，所以变频电源系统中需要增加对这些负载的控制器；在多电飞机中，一些负载（如环控系统、发动机起动系统和机翼除冰系统）将由气动功率变为电气功率，这就引入了大功率负载。因此，考虑发动机控制器和大的负载对电源品质的影响是很重要的。

2 多电飞机电源品质要求的发展

由于飞机电气系统结构与功能的改变，由于飞机电气负载设备的改变，多电飞机供电系统电源品质也相应地发生了变化，负载对电源品质的影响通过以下几点进行分析：

浪涌电流——因为在变频系统飞机上，电力电子发动机控制器或直流/交流转换器是比较大的交流发动机负载和大的直流负载，需要这些负载设备应用“软起动”算法/电路去限制浪涌电流，所以浪涌电流的限值会变小。

电流谐波——在电力系统中，理想状态下，电能以恒定的幅值和频率向负载供电，相数为3，相序为正向，波形为正弦波；实际运行状态下，由于负载的多样性，电压的幅值、频率、相位差等也都随机变化，于是，电网中就会产生谐波，于是，电压、电流的波形中产生高次谐波，对电力系统产生恶劣的影响，使用电设备不能安全运行。因此，在对电流谐波含量限制进行调整时，需要对限值进行严格把关。

线性负载的电压、电流相位相同，其电压和电流的关系矢量图如图1所示；非线性负载的电压、电流相位不同，其电压和电流的关系矢量图如图2、图3所示，图2为容性负载，图3为感性负载。传统的线性负载，其工作电压和电流只含有基波，没有或仅有很少的谐波成分；但是，非线性负载却会产生很多的谐波。谐波与基波叠加，造成了波形的畸变，畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。

由于多电飞机上使用的电子负载数量的增加，非线性负载的数量也大大增加，因此电网中的谐波含量增加了，所以，电源品质要求中电流谐波含量限值也应该变大。

输入电容——为了防止短路状态下故障电流过大，对较大负载设备输入电容的要求做出了规定。输入电容要求的目的是为了阻止交流总线上的电源的自励磁，阻止随着由于系统共振造成的设备的不稳定而发生的电压和电流振荡。

功率因数——对设备运行在满载状态下的最小的功率因数已经作了要求，类似对输入电容的要求，为了防止同步电源的自激励，不允许电源系统在不允许的功率因数下运行。

再生电源——由于某种负载设备在多电飞机结构中越来越普遍，再生电源可能破坏电源系统的瞬态特性。例如，在感应发动机（惯性大）上发动机控制器的应用，当发动机实际输出的瞬态速度比发动机控制器输出的同步瞬态速度大时，此时发动机工作就像发电机，引起逆向电流，这个过程叫再生制动。未来的电源品质要求需要考虑电源系统上任何再生电源的限值。

稳态电压——由于电压不断波动，稳态电压在一个区间内不断变化。电压波动是指多个正弦波的峰值，在一段时间内超过标准电压值或低于标准电压值，大约从半个周波到几百个周波，包括过压波动和欠压波动。大型用电设备的频繁启动导致电压的周期性波动，这些设备启动时都需要极大的瞬时峰值功率。电压波动导致用电设备工作功率不稳，产品寿命变短；发光设备会导致眼睛疲劳，降低工作效率。

稳态电压值是指用电设备输入端调压点的电压稳态范围，电源品质要求中定义的电压范围兼顾了调压点的电压范围和调压点与用电设备输入端之间的压降。过去，相对较小的电压降被包括在用电设备终端定义的最小稳态电压中。随着负载功率要求的增大和变频电源系统（频率增大时，电抗增大）的应用，最小稳态电压限值需要增大，另外，电压降的要求也要加上。

电压不平衡——三相不平衡会在中性线上产生过电流，不仅会使导线温度升高，造成绝缘损坏，而且会在三相变压器中产生环电流，导致变压器过热，甚至引发严重火灾事故等。由于大量非线性负载和非对称动态大负载的增加，变频电源的电压不平衡将会增大。

电压畸变——由于多电飞机上非线性负载的增加和变频电源系统中高频阶段增加的畸变的影响，多电飞机的电压总谐波含量也随之增加了。

相移——相移的要求没有发生改变。

直流分量——用电设备输入端交流电压的直流分量是在发电机调压点上对电源的要求。由于多电飞机使用非线性负载的数量在增加，发电机调压点上的电压直流分量也会增大，因此电源品质要求中也应该相应做出改变。

多电飞机电气系统使用的直流电源是高压直流电。由于使用的直流用电设备数量的增大，直流电源的稳定性问题是对设计者最大的挑战之一，为了确保能满足所有的电源品质规范要求，电源系统需要在所有的工作状态和飞行状态下保持稳定。随着电源结构和负载要求的发展，对多电飞机电气系统电源品质的要求也发生了变化，详细的变化情况对照表见表1。

3 结束语

多电飞机技术在美国已得到全面发展，并正在进行广泛和充分的验证，并且许多技术已经得到实际应用。与常规飞机相比，多电飞机具有许多优点：飞机重量显著减轻；飞机和发动机附件系统大大减小，能耗降低；可靠性、维修性大大提高。因此，加速多电飞机的研制和开发，做好多电飞机电源品质规范要求的发展工作，显得尤为重要。

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