多电飞机与电力电子课件.ppt

1、1南京航空航天大学南京航空航天大学 民用航空技术交流会民用航空技术交流会严仰光，张方华严仰光，张方华2多电飞机与电力电子：多电飞机与电力电子：提纲提纲 1.多电飞机的诞生多电飞机的诞生2.多电飞机的特征多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和电源和AC电源系统的比较电源系统的比较5.南航大学在航空电源方面的研究南航大学在航空电源方面的研究6.结论结论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l 空机重量：280,000公斤l 最大载客量：555-853人l 四发，双通

2、道，双层 l 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GP7200 21世纪初的三种新飞机21世纪初的三种新飞机5l 空机重量：115,000公斤l 载客量：210330人l 双发，双通道l 发动机：-通用电气GEnx -劳斯莱斯(Rolls-Royce)Trent 100021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l 空机重量：13,020公斤l 标准的武器配备：2枚空空 弹和2 枚JDAM l Pratt&Whitney JSF119-611加力涡扇发动机 21世纪初的三种新

3、飞机7多电飞机与电力电子：多电飞机与电力电子：提纲提纲 1.多电飞机的诞生多电飞机的诞生2.多电飞机的特征多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和电源和AC电源系统的比较电源系统的比较5.南航大学在航空电源方面的研究南航大学在航空电源方面的研究6.结论结论8多电飞机的特征：概要多电飞机的特征：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多电

4、飞机的特征：传统飞机的能量分配电能，电能，航电、照航电、照明、风机、明、风机、娱乐等娱乐等气压能，气压能，高温高压空高温高压空气用于座舱气用于座舱增压、防冰增压、防冰和环控和环控液压能，液压能，舵面、起舵面、起落架、舱落架、舱门等操纵门等操纵机械能，机械能，发电机、发电机、燃油和燃油和滑油泵滑油泵推力推力10提取发动机压缩空气l 电气加温和防冰设备；l 电动飞机环境控制系统（增压，温度和湿度的调节）；l 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：多电飞机的特征：(1-1)不提取发动机压缩后的空气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：多电飞机的特征

5、：(1-1)不提取发动机压缩后的空气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：多电飞机的特征：(1-2)简化或取消附件机匣简化或取消附件机匣nB787简化附件机匣，附件机匣上仅有起动发电机nF-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。13IPU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：多电飞机的特征：(1-3)采用气浮采用气浮/磁浮轴承磁浮轴承14机械能液压能气压能电 能

6、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：多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替飞机上的二次能源用电能代替15序号使用电能设备名称1230V 360 800HzAC环境控制系统循环风扇2230V 360 800HzAC冰箱电动压缩机3115V 360 800HzAC设备冷却风扇4115V 360 800HzAC冰箱电动压缩机5230V 360 800HzAC燃料泵628VDC燃料泵B787使用的变频交流和28V直流电动机 气压能和机械能多电飞机的特征：多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替飞机上的二次能源用电能代替16序号

7、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：多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替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：多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替飞机上的二次能源用电能代替18 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

8、的优点多电飞机的特征：多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替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6466362升降舵612610603方向舵220210204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：多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替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：多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电

9、能代替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：多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替飞机上的二次能源用电能代替22ControlsOutput FilterCommon Motor Start Controller(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：多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替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：多电飞机的特征：总结总结1.多电发动机是多电飞机技术的核心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

10、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多电飞机是飞机技术的全局性优化 简化了飞机和发动机结构，迎风面积小，节省能源 减少了地面支援设备 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：多电飞机与电力电子：提纲提纲 1.多电飞机的诞生多电飞机的诞生2.多电飞机的特征多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和电源和AC电源系统的比较电源系统的比较5.南京航空航天大学在航空电源方面的研究南京航空航天大学在航空电源方面的研究6.结论结论

11、25910kVA910kVA1460kVA1460kVA250kW250kW多电飞机的特点MEA的电源总容量：MEA的电源和用电设备：的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大212041502007560A380222542502010163B787F-3531.82007250kWIPU*MEA的电源总容量提升5倍以上26212041502007560A380790/115*475/90*1990275/365A3406903100/120*1990273MD-11560kVA+12kW4601983151伊尔-764903901971259DC-103275/90475/9

12、0*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2604601970362-394B747-2001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115/200VAC 400Hz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：的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大27多电飞机222542

13、502010163B787420 kVA为变速恒频电源1202120kVA+20kVA 1995229B777390275/901982159B7672主电源为IDG，辅助电源为APU90275/901983150A310-3001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：的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大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-15C2301974240/50主电源为IDG2F-161161978405应急电源为5k

14、VA 3幻-200011719832020kVA为变速恒频电源4苏-272342305F-222271997265kW 22 kW主电源和辅助电源270VDC6F-3512007250kWIPU*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：的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大29Rating:250 kVAFrequency:360800 HzWeight dry:203 lbsMTBF:30,000 FHMTBUR:20,000 FHB787的起动发电机(VFSG)MEA的电源和用电设备：的电源和

15、用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大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%5175%57功率因数cos 0.75-0.958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：的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大31B787 VFAC S/G发电机电路图MEA的电源和用电设备：

16、的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大32B787的APUAPUASGs InstalledOn APU Rating:225 kVA Frequency:360440 Hz Weight dry:122.7 lbs.MTBF:40,000 FH MTBUR:30,000 FHLifting LugAlignment Pin Input ShaftScavengeCore Supply Core ASGMEA的电源和用电设备：的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大33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

17、机MEA的电源和用电设备：的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大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/min13456222247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：的电源和用电设备：(1)电源容量显著增大电源容量显著增大35 功率大、效率高、体积重量小 要求多种电能（B787 中8种以上）电能质量要高 不中断供电 内装起

18、动/发电机MEA的电源和用电设备：的电源和用电设备：(2)电源的其他特点电源的其他特点36MEA的电源和用电设备：的电源和用电设备：(3)非线性负载显著增加非线性负载显著增加雷达等通讯设备的脉冲雷达等通讯设备的脉冲负载特性负载特性EMA和和EHA的输入特的输入特性曲线性曲线线性负载和恒功率负载线性负载和恒功率负载的输入特性的输入特性37 电源功率显著增大；非线性负载显著增加；电力电子变换器广泛应用；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

19、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的电源和用电设备的电源和用电设备38多电飞机与电力电子：多电飞机与电力电子：提纲提纲 1.多电飞机的诞生多电飞机的诞生2.多电飞机的特征多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和电源和AC电源系统的比较电源系统的比较5.南京航空航天大学在航空电源方面的研究南京航空航天大学在航空电源方面的研究6.结论结论39 非线性负载使电源畸变，必须有TRU、ATRU、PFC、APF；电源重量增加。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 与电能存储设备如蓄电池、

20、超级电容等接口复杂 发电系统重量大，结构复杂。B787 发电机，250kVA，92Kg;F35 发电机 250kW 46.6Kg 交流电网电压降大，损耗大 不易实现并联和不中断供电 交流固态功率控制器结构复杂，损耗大 交流电源飞机离不开28V直流电DC电源和电源和AC电源的比较：电源的比较：(1)AC电源的缺点电源的缺点40B787 VFAC S/G起动工作系统图ATRU单向能量流动自耦变压整流器（ATRU）的电路波形质量高、过载强、效率高、重量轻DC电源和电源和AC电源的比较：电源的比较：(1)AC电源的缺点电源的缺点41VFAC电源给调速电动机的供电耗能电阻防止母线电压升高反流保护二极管D

21、和SSPC组合实现不中断供电电源故障；馈线故障；配电线故障；负载故障。以上4种故障不会导致用电设备供电中断。DC电源和电源和AC电源的比较：电源的比较：(1)AC电源的缺点电源的缺点42 不能用结构简单使用方便的异步电机和变压器。二次大战时某些大型飞机使用110V直流电，遇到三个难题：a.有刷直流电机高空换向；b.开关电器高空断弧；c.直流电能变换和电压电流隔离检测。电工科技发展特别是电力电子学的发展克服了三个难题1997年装备270V直流电源的F-22飞机升空（主电源 2台65kW无刷直流发电机，辅助电源1台22kW APU）。DC电源和电源和AC电源的比较：电源的比较：(2)DC电源的缺点

22、电源的缺点43多电飞机与电力电子：多电飞机与电力电子：提纲提纲 1.多电飞机的诞生多电飞机的诞生2.多电飞机的特征多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和电源和AC电源系统的比较电源系统的比较5.南京航空航天大学在航空电源方面的研究南京航空航天大学在航空电源方面的研究6.结论结论44航空电源的研究工作：航空电源的研究工作：(1)起动发电系统起动发电系统电励磁双凸极发电机系统整流器调调压压器器提出电励磁双凸极直流电机，适用于起动提出电励磁双凸极直流电机，适用于起动/发电场合，具发电场合，具有电励磁电机控制简单、开关磁阻电机结构简单的优点。有电励磁电机控制简

23、单、开关磁阻电机结构简单的优点。定子定子转子转子电枢绕电枢绕组组励磁绕励磁绕组组45航空电源的研究工作：航空电源的研究工作：(2)二次电源二次电源 输入:27VDC输出:单相115V/400Hz功率:1000VA123研制成功20W-10kW功率等级的多种静止变流器。46多电飞机与电力电子：多电飞机与电力电子：提纲提纲 1.多电飞机的诞生多电飞机的诞生2.多电飞机的特征多电飞机的特征3.多电飞机的电源和用电设备多电飞机的电源和用电设备4.DC电源和电源和AC电源系统的比较电源系统的比较5.南京航空航天大学在航空电源方面的研究南京航空航天大学在航空电源方面的研究6.展望与结论展望与结论47多电飞

24、机对电气设备提出了更高的要求多电飞机对电气设备提出了更高的要求1.恶劣环境下工作的能力，如内装起动发电机恶劣环境下工作的能力，如内装起动发电机2.更高的可靠性、更小的体积重量更高的可靠性、更小的体积重量3.电能管理与热管理电能管理与热管理 稳态功率的管理瞬态功率的管理 严峻的热管理挑战4.全电化：节能环保全电化：节能环保48多电飞机与电力电子：多电飞机与电力电子：总结总结 1.多电发动机是多电飞机的核心技术，取消引气多电发动机是多电飞机的核心技术，取消引气大幅度降低了燃料消耗；液压能、机械能等被大幅度降低了燃料消耗；液压能、机械能等被电能替代，同时简化了机载和保障系统，实现电能替代，同时简化了

25、机载和保障系统，实现了飞机技术的全局性优化。了飞机技术的全局性优化。2.多电飞机的电源功率显著增加，非线性负载显多电飞机的电源功率显著增加，非线性负载显著增加，并具有持续增加的趋势。著增加，并具有持续增加的趋势。3.与与AC电源系统相比，电源系统相比，DC电源系统具有较大的电源系统具有较大的优势。优势。4.多电飞机在高功率密度的发电技术、功率变换多电飞机在高功率密度的发电技术、功率变换技术、配电技术、能量管理和热管理等方面提技术、配电技术、能量管理和热管理等方面提出了更大的挑战，是电气学科，尤其是电力电出了更大的挑战，是电气学科，尤其是电力电子技术的重要机遇。子技术的重要机遇。49南京航空天大学南京航空天大学 江苏省航空学会江苏省航空学会民用航空技术交流会民用航空技术交流会