知识问答 | 你知道飞机电源系统有哪些类型吗？

现代飞机主电源系统有四种类型：

• 28V低压直流电源，

• 270V高压直流电源，

• 400Hz 115/200V恒频交流电源

• 360- 800Hz 115/200V变频交流电源。

本文详细介绍了这四种飞机电源系统的基本概况和发展历程，并结合代表机型分析其特点、讨论比较他们的优缺点。

低压直流电源(LVDC)

自1914年飞机上第一次使用航空直流发电机以来, 飞机直流电源系统经历了九十年的发展过程, 其额定电压由6伏、12伏, 逐步发展为28伏的低压直流电源系统, 一直沿用至今。

优点：

28V低压直流电源系统简单可靠。

缺点：

一是有刷直流发电机工作转速有限( 一般为4000- 9000r/min 或7000- 13000r/min)，电机最大功率受到限制。他的可靠工作高度也有限(一般为0- 18000m)，工作寿命也较短，使用维护不方便。二是电压低，大功率时输配电线重量大。

二次世界大战后期，在某些大的飞机上曾采用110V直流电源，但因电机高空换向困难和开关电器触头高空断弧困难没有进一步发展。

恒速恒频交流电源(CSCF)

1946年美国发明了机械液压恒速传动装置，他将发动机变化的转速转变为恒定的转速后传动交流发电机，可发出400Hz 115/200V交流电，这就是飞机恒速恒频交流电源(CSCF)。恒频交流发电机的额定容量最大已达150kVA，比直流电机大近一个数量级。同时交流开关电器易于断弧，交流电压变换和交流电变为直流也方便，因此几十年来，恒速恒频交流电源得到了迅速的发展和应用。

20世纪70年代，桑德思特朗公司成功将恒速传动装置(CSD)装置与发电机组合在同一壳体内，共用油源、油槽和散热器，称为综合驱动发电机(IDG)。由于采用了整体设计和喷油冷却技术，电机使用高饱和磁密的铁钴钒磁性材料，改进了绝缘，使得电机转速升高到12000r/min至24000r/min，CSCF电源的功率重量比和可靠性大幅提高，如下图：

A320/A330 IDG系统工作原理

整体驱动发电机由恒速装置CSD 和交流发电机组成，一起安装在一个壳体内。CSD 部分改变变化的输入速度为恒定的输出速度。

CSD 通过液压机械驱动来加减从发动机齿轮箱过来的输入速度。通过执行这种控制和恒速的差值的方式来达到交流发电机的要求。滑油循环系统提供IDG 的冷却和润滑

无论何时下列状态下，GCU 通过伺服控制回路来执行对IDG 输出速度的控制：

伺服控制回路由IDG 液压伺服活门和包括伺服活门继电器的GCU 控制电路组成。输出速度的控制根据GCU 控制电路监控PMG 的频率来确定执行。PMG 安装在IDG 差动输出齿轮上。PMG的频率信号和GCU 内部的频率参考值比较。

PMG 频率和参考频率的差值产生一个误差信号到伺服控制回路电路。频率误差信号被用于通过伺服继电器来控制伺服活门的当前流量。

伺服活门工作通过将滑油引入不同的液压控制腔来控制液压组件的位置。使用误差信号，伺服活门控制进入腔体的滑油多少来保持发电机的频率。当IDG 速度减少到低于参考频率设定点时，伺服活门的供给量增加，提高IDG 的输出速度。

在正常情况下，伺服活门继电器闭合，允许伺服活门控制回路的流量控制。在某一通道故障的状态下，伺服活门继电器断开，确保GCU 断开，伺服活门工作在当前位置。

FADEC 提供GCU 相关的发动机速度信息用于低速保护。

优点：

与恒速传动装置和发电机分开使用的系统比较, 组合驱动发电机的体积较小、重量较轻。

缺点：

CSD是精密液压机械，不仅生产制造困难，使用维护也不方便。

变速恒频交流电源(VSCF)

随着电力电子器件的发展，变速恒频交流电源(VSCF)在1970年代诞生并装机使用。变速恒频电源由航空发动机直接传动的发电机产生变频交流电，通过电力电子变换器将变频交流电转为400Hz 115/200V交流电，如下图：

20世纪80年代后，美国Sundstrand公司为B737- 400研制的VSCF电源额定输出功率为60kVA，无刷直流发电机为65kW、转速达13700～25500r/min的高速油冷电机，转子结构强度高，其旋转阻力和旋转整流管的机械应力大为减小，该电机的重量比同为12000r/min、同容量的CSCF电源发电机要小30%左右。

优点：

电能转换率高，恒速恒频电源的效率为68~72%，变速恒频则达80%；变速恒频电能质量高，没有频率瞬变过程；电力电子变换器安装位置灵活，可设置自检电路，易于维修；变速恒频电源可实现起动发电，省去专用起动机。

缺点：

因功率电子器件原因他的过载能力和环境适应能力没有恒速恒频电源强。这一技术没有能够达到预期的可靠性要求, 现在已经不把这一技术视为近期民用飞机领域中恒频电源的替代技术。

变频交流电源（VSVF）

进入21世纪以来，A380和B787采用了变频交流电源，即频率为360- 800Hz 115/200V变频交流电源，从而引起了人们的重视。变频交流电源的最大优点是省去了恒频交流电源的恒速传动装置或电力电子变换器，显著简化了飞机主电源，使主电源的效率提高到90%左右。

由于飞机上的辅助动力装置发电机，冲压空气涡轮应急发电机，变压器，变压整流器等辅助应急电源和二次电源仍可沿用恒频电源的，飞机配电元件如保险丝、熔断丝、开关、继电器、接触器、电连接器和飞机导线与恒频电源配电系统相同，从而大幅度降低了变频交流电源发展的风险和成本。变频交流电源的发展主要依赖于电机技术和电能变换技术的突破。

A380/A350 VFG系统工作原理

每个发电机控制单元（GCU）和过压保护单元（OPU）管理其相关VFG的调节和保护。通过调节提供给励磁发电机的电流，根据检测到的电流和电压值来完成电压调节。CT和POR。当电气参数正确时，GCU命令OPU关闭发电机线路接触器（GLC）。GCU向ENMF（在ENMU中托管）发送电源就绪信号，该信号向GLC发出接地/断开信号。GCU（通过OPU）拥有GLC的全部权限。 DRIVE P / BSW用于VFG的机械断开。

交流发电机直接由发动机附件传动机匣驱动, 没有恒速传动装置(恒速恒频系统采用)和二次变换装置(变速恒频系统采用)。

优点：

结构简单、重量轻、体积小、功率密度高, 可靠性高、费用低, 能量转换效率高, 易于构成起动发电系统。

缺点：

频率变化范围较大，难以满足机载电子设备对供电品质的要求。为满足飞机各种不同用电负载的需要, 二次电源变换形式较多, 飞机配电系统十分复杂。

高压直流电源(HVDC)

几十年来，飞机用电设备发生了重要变化，主要特点是从线性负载向非线性负载的改变。大部分航空电子设备的内部电源从线性电源转为开关电源，开关电源的输入是电容滤波的整流电路，他具有精确的输出电压调节，成为一个恒功率的负载。大部分飞机控制和发动机控制用电液和机电作动机构都是电力电子变换器与电动机的组合，他们与异步电机驱动的泵和风扇有质的不同，也是非线性负载。以往飞机照明大都为白炽灯，是典型的电阻负载，但现在发光二极管和高强度气体放电灯也必须与电力电子变换器联合，成为非线性部件。与此同时，计算机的大量应用和军用飞机静稳定性的放宽后的飞控系统却要求电源的不中断供电。目前即使飞机恒频电源，也只能做到不中断转换，远达不到不中断供电要求。在这种情况下，高压直流电源(HVDC)重新为人们所关注。

美国1997年试飞的第四代战斗机F- 22是第一架装备270V高压直流电源的飞机。主电源为二台65kW、270V直流发电机，辅助电源为一台辅助动力装置(APU) 驱动的22kW、270V直流发电机，四台270V/28V、2.1kW直流变换器和二台6kVA静止变流器为二次电源。

270V高压直流电源的成功应用主要取决于三项技术的突破：

a.无刷直流发电机和电动机的诞生;

b. 无触点固态电器，常称固态功率控制器的发展；

c.电能变换器的模块化和小型化。

高压直流电源和28V低压直流电源一样简单可靠，适合于非线性负载。21世纪初，美国试飞的F- 35战斗机，不仅采用了高压直流电源，而且是第一架多电型军用飞机。该单发动机战斗机的主电源是250kW的开关磁阻起动/发电机，由航空发动机直接传动，该电机的功率变换器为125kW的双通逆结构，如下图：

由于开关磁阻电机转子上没有磁钢、没有励磁线包，本身就有较高的可靠性，而两台相互独立的功率变换器互为冗余，又显著地提高了电源可靠性。多电飞机(MEA)的特点是用电能代替集中式液压、气压能，从而提高了飞机的可靠性、维修性，降低了机载设备重量和全周期费用。主电源功率的加大部分主要是用于向飞机和发动机控制用的电液和机电作动机构、电动燃油供给系统、飞机环境控制系统和飞机舱门及起落架操纵机构供电。

未来发展趋势

综上，在多电飞机方兴未艾的大环境下，变频交流电源或交、直流混合供电系统在大型民用飞机领域将得到更广泛的应用和更大的发展；而270V高压直流电源系统在军用轻型飞机领域备受青睐，是目前研发的一个热点和重点。飞机起动/发电系统的高速化、集成化、高可靠性和高功率密度也必然是现代飞机电源系统的发展趋势。

参考资料：

《现代飞机电源系统及其发展》（万伟悦、严仰光）

《大型民用飞机电源系统的现状与发展》（程国华）

《A320/A350 TECHNICAL TRAINING MANUAL》

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