民用飛機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

民用飛機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)吳明星【摘要】Chinahascarriedouttheresearchofcivilaircraft,theaircraftelectricalsystemofadvancedtechnologyconsistsofthefollowingaspects:variablefrequencypower,electricalmulti-channeltransmissionsystemsandelectricalloadmanagementcen-ters(ELMC).Withthedevelopmentofforeignstatusandtrend,itisintroducedfrompowersupplysystem,electricalpowerdis-tributionsystemandelectricalloadmanagementthreeaspectsofthedesignofcivilaircraftelectricalsystems.%針對(duì)我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展大型客機(jī)的開(kāi)發(fā)和研制，對(duì)飛機(jī)的電氣系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)變頻電源、電氣多路傳輸系統(tǒng)和電氣負(fù)載管理中心(ELMC)進(jìn)行了一些探討。結(jié)合國(guó)外電氣系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，從電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和電氣負(fù)載三個(gè)方面闡述了民用飛機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?！酒诳Q(chēng)】《技術(shù)與市場(chǎng)》【年(卷)，期】2015(000)011【總頁(yè)數(shù)】3頁(yè)(P7-9)【關(guān)鍵詞】電氣系統(tǒng);變頻電源;多路傳輸系統(tǒng);負(fù)載管理中心(ELMC)【作者】吳明星【作者單位】上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210【正文語(yǔ)種】中文0引言世界航空業(yè)的快速發(fā)展，電子新技術(shù)、新材料、新設(shè)備越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到民用航空領(lǐng)域中，采用大容量、效率高、頻率范圍廣但又不會(huì)降低供電特性、電能質(zhì)量穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，對(duì)提高民航飛行安全，促進(jìn)行業(yè)穩(wěn)步、協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展和飛機(jī)自動(dòng)化水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)和各種先進(jìn)電氣電子設(shè)備將越來(lái)越多地在飛機(jī)上使用，飛機(jī)供電容量的增大與變頻供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量問(wèn)題也將日益突出，這直接關(guān)系到先進(jìn)電氣設(shè)備功能的發(fā)揮和飛機(jī)的飛行安全。飛機(jī)供電系統(tǒng)是飛機(jī)電能的生產(chǎn)、變換和輸配等裝置組成的一個(gè)完整系統(tǒng)，其作用是向飛機(jī)上的所有用電設(shè)備提供滿足規(guī)定技術(shù)性能的電能，保證用電設(shè)備的正常工作。它是現(xiàn)代飛機(jī)的一個(gè)重要組成部分。1飛機(jī)電氣系統(tǒng)整體框架飛機(jī)電氣系統(tǒng)從功能上可將飛機(jī)電氣系統(tǒng)劃分為電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和電氣負(fù)載三大部分。電源系統(tǒng)是電源到匯流條之間的部分，主要由主電源、二次電源、應(yīng)急電源和輔助電源組成。主電源由航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的發(fā)電機(jī)和電源控制器等組成。二次電源將主電源電能變換為另一種形式的電能。應(yīng)急電源是一個(gè)獨(dú)立電源，當(dāng)飛行中主電源發(fā)生故障時(shí)，向飛機(jī)上重要用電設(shè)備供電。航空蓄電池和輔助動(dòng)力裝置是飛機(jī)上常用的輔助電源;配電系統(tǒng)是從電源匯流到用電設(shè)備輸入端的部分，飛機(jī)的配電系統(tǒng)由電網(wǎng)、配電裝置和電網(wǎng)保護(hù)裝置組成，它的作用是將電源產(chǎn)生的電能傳輸分配到飛機(jī)各用電設(shè)備上;電氣負(fù)載主要是飛機(jī)上的用電設(shè)備，如飛控系統(tǒng)、航電設(shè)備、照明設(shè)施、防冰與環(huán)控系統(tǒng)等，可以分為交流負(fù)載和直流負(fù)載兩大類(lèi)。飛機(jī)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1飛機(jī)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2民用供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則飛機(jī)電網(wǎng)的分布決定于飛機(jī)用電設(shè)備的分布位置，基本遍布于飛機(jī)全身，因此飛機(jī)配電系統(tǒng)十分復(fù)雜，且易于發(fā)生故障。為了保證安全飛行和完成飛行任務(wù)，根據(jù)飛機(jī)配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足以下技術(shù)要求。1） 匯流條和配電電路的配置應(yīng)使供電系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，負(fù)載能夠從飛機(jī)主電源、二次電源、地面電源或者輔助電源（如適用時(shí)）獲得電力。2） 當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，使總的可用功率減少到低于飛機(jī)的要求時(shí)，則非關(guān)鍵負(fù)載或者預(yù)先選定的負(fù)載應(yīng)按要求脫開(kāi)。3） 飛行關(guān)鍵負(fù)載應(yīng)由主電源或二次電源供電，當(dāng)主電源失效時(shí)應(yīng)由應(yīng)急電源供電，并具有容錯(cuò)供電能力。4） 滿足民用飛機(jī)供電特性要求。電能的質(zhì)量高低直接影響用電設(shè)備性能和儀器的精確度。不僅在正常供電時(shí)要保證供電質(zhì)量，而且要保證在各種故障情況下仍有較高的供電質(zhì)量。5） 在地面工作期間應(yīng)有簡(jiǎn)便的方法，將不需要供電的設(shè)備與地面電源斷開(kāi)。6） 輸配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求應(yīng)按CCAR-25部規(guī)定。具體指標(biāo)根據(jù)飛機(jī)供電系統(tǒng)的合理分配確定。配電系統(tǒng)要有高的可靠性和強(qiáng)的生命力，在正常和各種故障狀態(tài)下保證用電設(shè)備不間斷供電，特別要保證安全返航用設(shè)備的連續(xù)供電。7） 個(gè)別電源發(fā)生故障或?qū)Ь€斷開(kāi)、短路時(shí)，配電系統(tǒng)仍能保持繼續(xù)工作的能力，并能限制故障的發(fā)展，將故障產(chǎn)生的影響限制在最小范圍內(nèi)。輸配電網(wǎng)路中任何部分的故障及組合、人員誤操作不應(yīng)構(gòu)成不安全狀態(tài)。8） 質(zhì)量輕，易于安裝、檢查、維修和維護(hù)方便。9） 要求具有負(fù)載管理能力和自檢測(cè)能力。10） 減少對(duì)電子和通訊設(shè)備的電磁干擾，金屬機(jī)體應(yīng)有低的電阻，電網(wǎng)中要采取濾波和屏蔽設(shè)施;為消除飛機(jī)上的靜電干擾，機(jī)上各金屬部分應(yīng)有良好接觸（電連接使之成為一個(gè)整體），并需安裝靜電放電器。3民用飛機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)飛機(jī)電源系統(tǒng)已經(jīng)歷了由低壓直流到恒頻交流的發(fā)展過(guò)程，就目前發(fā)展趨勢(shì)看有兩種，一種是以波音787和空客A380為代表的大型民用飛機(jī)，采用了變頻交流電源系統(tǒng);另一種是以美國(guó)的F-22和F-35為代表的第四戰(zhàn)斗機(jī)采用了高壓直流電源系統(tǒng)。飛機(jī)電源系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示。圖2飛機(jī)電源系統(tǒng)發(fā)展變頻交流電源系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、重量輕、體積小、成本低、維護(hù)費(fèi)用少、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但由于其輸出頻率取決于發(fā)動(dòng)機(jī)減速器輸出轉(zhuǎn)速，尤其是多數(shù)飛機(jī)均采用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍大，因此，這種變頻交流電源系統(tǒng)稱(chēng)之為寬變頻交流電源系統(tǒng)，它具有頻率變化大的缺點(diǎn)，難以滿足機(jī)載電子設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)的要求，其發(fā)展曾一度受到了限制。但是，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在飛機(jī)上的應(yīng)用，變頻交流電源系統(tǒng)更易于構(gòu)成變頻交流啟動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)，因此，在最新研制的大型民用飛機(jī)上也得到了很好的應(yīng)用，如波音787飛機(jī)和空客A380飛機(jī)。民用飛機(jī)在確定發(fā)電機(jī)的容量時(shí)，有以下原則。1） 對(duì)于雙主發(fā)電機(jī)的民用飛機(jī)，1臺(tái)發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)能夠?yàn)檎麄€(gè)飛機(jī)的基本負(fù)載供電。2） 對(duì)于四主發(fā)電機(jī)的飛機(jī)，2臺(tái)發(fā)電機(jī)的容量應(yīng)能夠?yàn)檎麄€(gè)飛機(jī)的基本負(fù)載供電。3） 對(duì)于遠(yuǎn)程飛機(jī)，包括輔助動(dòng)力發(fā)電機(jī)（APU）的容量應(yīng)設(shè)計(jì)為所有負(fù)載（包括非基本負(fù)載）的2倍容量。因此，基于變頻電源的諸多優(yōu)點(diǎn)，民用飛機(jī)選擇變頻電源系統(tǒng)。4民用飛機(jī)配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)電能分配、傳輸、控制、保護(hù)和管理的系統(tǒng)。配電系統(tǒng)包括匯流條及控制裝置、電路保護(hù)裝置。主要功能是將電功率合理地分配到各級(jí)匯流條。根據(jù)控制方式不同，飛機(jī)配電系統(tǒng)主要有以下三種結(jié)構(gòu)。1） 常規(guī)配電系統(tǒng)。該配電系統(tǒng)采用了諸如繼電器、接觸器、斷路器等機(jī)電式配電設(shè)備，饋電線全部引入座艙內(nèi)的配電中心，二級(jí)配電中心或電氣負(fù)載直接從配電中心獲得電能，由短路器提供饋電線過(guò)載保護(hù)。電氣負(fù)載的控制方式為繼電器邏輯控制，由飛行人員通過(guò)離散控制信號(hào)線手動(dòng)管理電氣負(fù)載，負(fù)載的狀態(tài)由狀態(tài)電門(mén)及信號(hào)指示燈來(lái)顯示。由于配電中心安裝在駕駛艙內(nèi)，這就要求饋電線必須先從發(fā)電機(jī)端敷設(shè)到駕駛艙，然后再?gòu)鸟{駛艙返回到機(jī)身中心的負(fù)載，因而主饋電線又長(zhǎng)又重，早期的飛機(jī)和目前的小型飛機(jī)均采用這種配電方式。2） 遙控配電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，配電匯流條靠近用電設(shè)備，由飛機(jī)駕駛員發(fā)出的遙控信號(hào)通過(guò)功率控制器（如接觸器）對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行控制，座艙內(nèi)只引入控制線，目前的大、中型飛機(jī)均采用這種配電方式。3） 電氣多路傳輸系統(tǒng)。電氣多路傳輸系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)控制的配電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，負(fù)載并不直接連接到主匯流條上，而是接在負(fù)載管理中心。該中心用固態(tài)功率控制器來(lái)控制負(fù)載的接通和斷開(kāi)，以及配電布線的保護(hù)。數(shù)據(jù)處理機(jī)和轉(zhuǎn)換裝置將確保電氣負(fù)載管理中心內(nèi)的匯流條每次接在一個(gè)主匯流條上。數(shù)據(jù)處理機(jī)將按程序在各種飛行和供電狀態(tài)下接通和斷開(kāi)相應(yīng)的負(fù)載，以及在故障情況下重新配置電氣系統(tǒng)。這種配電方式從80年代以來(lái)得到了發(fā)展，逐步應(yīng)用到先進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)中。隨著多電飛機(jī)的發(fā)展，輻射式的集中配電布局就更無(wú)法適應(yīng)，因而迫切要求改變現(xiàn)有的電源控制與管理系統(tǒng)，采用一套新型電源控制與管理系統(tǒng)，以適應(yīng)新一代先進(jìn)飛機(jī)的性能要求。民用飛機(jī)供電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3供電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為保持先進(jìn)性和未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)性，民用飛機(jī)將采用電氣多路傳輸系統(tǒng)，民用配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。5民用飛機(jī)電氣負(fù)載管理設(shè)計(jì)電氣負(fù)載管理中心(ELMC)是飛機(jī)配電系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，它監(jiān)控與二級(jí)配電匯流條相關(guān)的各個(gè)模擬量與狀態(tài)量，通過(guò)數(shù)據(jù)總線接口將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞給PSP，并接收來(lái)自PSP的控制指令，控制繼電器并通過(guò)SSPC控制負(fù)載。負(fù)載管理中心是具有局部處理能力的智能終端。每個(gè)ELMC都帶有一定數(shù)量的可提供分布式負(fù)載控制及保護(hù)的固態(tài)功率控制器(SSPC)。ELMC從自身關(guān)鍵飛行電力匯流條內(nèi)部獲得電力。ELMC控制中心具有以下三大功能。根據(jù)系統(tǒng)控制指令和應(yīng)急模式選擇器的狀態(tài)來(lái)控制SSPC動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)負(fù)載的供電和保護(hù)。圖4配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖監(jiān)測(cè)電力匯流條電壓并向PSP報(bào)告，根據(jù)PSP命令切換繼電器動(dòng)作，而保證負(fù)載的正常供電。不斷采集SSPC的狀態(tài)信息，解出SSPC的狀態(tài)方程，向PSP報(bào)告。同時(shí)ELMC還把內(nèi)部匯流條的電壓和ELMC內(nèi)部二極管的狀態(tài)發(fā)送給PSP。民用飛機(jī)的電氣負(fù)載管理中心結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖5電氣負(fù)載管理中心結(jié)構(gòu)圖6結(jié)語(yǔ)飛機(jī)電氣系統(tǒng)是飛機(jī)的重要組成部分，尤其是隨著飛機(jī)多電化的發(fā)展，電氣系統(tǒng)的作用越來(lái)越重要。本文闡述了飛機(jī)供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，提出了民用飛機(jī)的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)綜合考慮了國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，具