多电飞机变频交流供电系统

第1章概述 1.1多电飞机的诞生 21世纪初诞生了一类新的飞机，即多电飞机。欧洲空中客车公司的A380、美国波音公司的B787和洛克希德 马丁公司的F-35均为多电飞机。 现代飞机的内部能源有三种：液压能、气压能和电能。多电飞机用电能代替液压能和气压能，可以简化飞机的二次能源系统。飞机气压能来自提取发动机压气机的压缩空气，液压能来自发动机附件机匣传动的液压泵。减小或消除气压能和液压能可简化飞机与发动机的结构，节省燃油，减少污染物的排放；发动机附件机匣传动附件的减少，减小了发动机迎风面积，从而减小了飞行阻力；飞机内部结构的简化，改善了可靠性和维修性；二次能源种类的减少，也减少了地面支援设备。由此可见，多电飞机技术是飞机的一种全局性优化技术，必将进一步发展。 1.2典型多电飞机电气系统特点 以B787飞机电气系统为例，主要有以下特点： (1)主电源总容量达兆瓦级，总容量相比传统飞机得到大幅提升。 (2)首次使用变频交流起动发电机(VFSG)。单台发电机额定容量为250kV A，额定电压为235V，额定工作频率为360～800Hz。该电机起动航空发动机工作时，起动转矩达407N m。起动发电机的应用取消了空气涡轮起动机，简化了附件机匣，减少了管路。宽变频交流起动发电机的应用，消除了恒速恒频交流电源的恒速传动装置(CSD)，大幅度简化了飞机发电系统的结构，发电系统的效率从0.72左右提高到0.9左右，从而为增大单台发电机的额定容量创造了条件。　　 (3)飞机环境控制系统(ECS)的能源由提取航空发动机的引气转为由压气机CAC(也称空气压缩机)供气。发电机单台容量的增加为设置电动压气机CAC创造了条件。不提取发动机的引气就可以大幅度提高燃油利用率，节省燃油。电动压气机的驱动电机是可调速电动机，其驱动压气机的出口压缩空气的压力，流量和温度均为可控的，且远比引气的温度低，从而显著提高了环境控制系统的能量利用率。　 (4)首次采用大功率调速电动机和相应的大功率直流交流电力电子变换器。该变换器称为通用电动机起动控制器(CMSC)，8台额定功率为110kW的CMSC的硬件结构完全相同，软件随其所在的位置加入，称为位置编程。这种设计思路简化了设备研制、生产和测试过程，简化了使用和维护，可以互为备份，提高了可靠性和使用维护性能。 (5)首次采用全固态分布式配电系统。飞机上的17个远距配电箱(RPDU)分布于飞机的用电设备附近，缩短了负载配电线。远距配电箱有两个特点：一是具有微处理器，构成智能配电系统；二是采用小于10A的115V交流固态功率控制器和28V直流固态功率控制器(SSPC)，实现用电设备的计算机通断控制和配电线的过流保护、电弧保护和短路电流的快速切除，提高了配电系统的可靠性、可维修性和生命力，降低了电网重量。 1.3多电飞机发展的基础 半个多世纪以来，电工科技得到了突飞猛进的发展，为多电飞机的诞生创造了条件。电工科技的发展主要表现为电工材料、集成电路和微处理器及其网络、电力电子器件和电力电子装置、电机理论及其控制技术的发展。 电工科技的发展使飞机电气系统由电磁机械系统转为电磁电子机械系统。几十年来，飞机发电机由有刷直流发电机发展到恒速恒频发电系统、变速恒频发电系统、变频交流发电系统和高压直流系统。低压直流起动发电系统由有刷直流起动发电机和电磁式发电机调节保护器、继电器接触器等组成的起动箱等构成，是典型的电磁机械系统。多电飞机变频交流起动发电系统由三级式无刷交流起动发电机、数字式发电机控制器(GCU)、数字式汇流条功率控制器(BPCU)和通用电动机起动控制器(CMSC)等构成，称为电磁电子机械，这里的电子既包括微电子又包括电力电子。直流起动发电机QF-12D额定功率为12kW，质量为31kg，功率密度为0.387kW/kg。相比之下，VFSG的容量与功率密度相对比较高，例如，B787的VFSG的额定容量为250kV A，质量为92kg，功率密度为2.71(kV A)/kg。二者的功率密度差6倍。这表明由于电工科技的发展，飞机发电机的功率密度、能量转换效率和平均故障间隔时间均有大幅度变化。 多电飞机的电气系统有两个显著特点：一是单台发电机额定容量急剧增大；二是电动机的数量大幅度增加。据统计，某型多电战斗机的电机总数为85台。其中3台为起动发电机，82台为电动机。这些电动机多为调速电动机或伺服电动机，均由电机、直交变换器和微控制器构成。伺服电动机用于飞机舵面的操纵，为四象限运行，能量双向流通，响应速度很快。半个世纪前，装于轰炸机上的旋转炮塔的伺服系统采用直流电动机和机电放大器，机电放大器不仅体积重量大，而且响应速度慢，与现代伺服系统差别极大。后者电压、电流变化率和功率、转速变化率dp/dt、dn/dt比机电放大器构成的系统大了几个数量级。式中，u、i、p、n和t代表电压、电流、功率、转速和时间。电机、微电子和电力电子的发展为电磁机械代替液压和气压机械创造了条件。 多电飞机的电气系统不是对气压和液压系统的简单替代，而是更高级的发展，自动化、智能化成为多电飞机电气系统发展所必需的。从模拟电子系统发展到数字式控制的网络系统，飞行员大幅度摆脱了手动操纵电气开关的烦恼，地勤人员也减少了地面维护时间，减少了排除故障所花的心血，大幅度提高了飞机的战术技术性能和出勤率。 多电飞机的电源系统的重要性随着多电飞机的发展不断提高，余度供电、容错供电和不中断供电要求随之增高。电能中断或失去电能对飞机安全性的影响也越来越大。B787飞机由于采用变频交流电源，多个电源不能并联运行，只能采用备份转换的方式，供电中断不可避免。该飞机只有28V直流电源实现了不中断供电，故重要用电设备都由28V直流供电。 大功率电力电子变换器的功率管都工作在周期性高频开关状态，其du/dt和di/dt都很大，导致极恶劣的电磁环境，而飞机上的大量传感器具有高灵敏度，对电磁环境极为敏感。因此大功率电力电子装置和航空电子设备的电磁兼容性设计极为重要。先进的多电飞机机体大量采用碳纤维复合材料，这种材料有强度好、抗疲劳、重量轻的特点，但导电性很差。为了对飞机进行雷电防护，碳纤维层板内有导电的金属网，机体内有专设的金属电回路，电源配电箱中有专门的雷电防护模块(LPU)，电力电子装置有良好的电磁屏蔽，以形成良好的电磁环境。 由此可见，多电飞机的发展建立在电工科技发展的基础上，而多电飞机的诞生又带来了大量新的问题，需要电工科技工作者去解决。多电飞机对电工科技又提出了新的要求，需要进一步提高电工设备的功率密度和效率，进一步提高电气系统的可靠性、安全性和环境适应性。尽管B787飞机的变频交流起动发电机(VFSG)的功率密度比直流起动发电机QF-12D提高了6倍，但该电机的质量有92kg，仍相当大，用于环境控制系统的电动压气机的直流交流变换器质量达52kg，也相当大，它们的功率密度仍不够高，尽管250kV AVFSG从机械能转换为电能的效率已达0.9，但因电机容量大幅度增加，额定输出时的损耗达27.3kW，为了减小电机的发热和温升，必须采用油冷设施，需要足够大的外部燃油/滑油和空气/滑油散热器，从而增加了发电系统的复杂性。同样，提高电气系统和电工设备的可靠性与环境适应性也是电工科技的永恒课题，而多电飞机的诞生对上述问题的改善提出了更为迫切的要求。 1.4本章小结 我国正在发展自己的宽体大型客机，学习典型多电飞机采用的电气系统及其电工新技术，显得十分重要。本书的目的是简要介绍典型多电飞机变频交流电气系统，探讨其优点和不足之处。学习、消化、吸收的目的是创造，做出比前人更好的飞机电气系统和设备。多电飞机B787投入航线已经十多年了，而其电气设备的设计研制已过去了更长时间，电工科技在这些年又有了更大进步。 近二十年，电工科技的重大突破是宽禁带电子器件由诞生到商业应用，GaN和SiC电力电子器件的发展与逐步成熟，为航空电气系统和设备的进一步发展开辟了新道路。绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的两大缺点是关断时有电流拖尾和允许结温低。硅二极管也有两大缺陷：允许结温低和反向恢复损耗大(仅工作电压低的硅肖特基二极管没有反向恢复损耗)。从而导致由硅器件构成的大功率电力电子装置的开关频率低且损耗大，冷却要求高，使硅电力电子装置的功率密度较低，能量转换效率也较低。GaN和SiC电力电子器件的应用为航空电气设备的发展带来了新的机遇。近二十年，电工装置的模块化和集成化技术也得到了快速发展，为我们构建新的更高功率密度、更高效率和更可靠的飞机电气系统与设备创造了条件。未来我国自行研制的宽体大型多电飞机及其电气系统必将超越**代多电飞机。 第2章大型多电飞机电源系统 2.1多电飞机发电系统 以双发动机大型客机B787为例，每台发动机的附件机匣上装有两台额定容量为250kV A的变频交流起动发电机(VFSG)，飞机尾部装有辅助动力装置(APU)及其起动发电机(ASG)，ASG的额定发电容量为225kV A，两台ASG的总容量为450kV A。13000m高空飞行时，ASG的总容量降到100kV A。由此可见，B787主电源的总容量为1000kV A，辅助电源总容量为450kV A，发电总容量为1450kV A，其成为发电容量昀大的客机。表2.1和表2.2是VFSG和ASG的主要技术指标。 ASG发电工作时转速变化范围较小，属于恒频发电机。每台ASG配有发电机控制器(AGCU)、发电机断路器(AGCB)和发电机中线继电器(AGNR)，形成一条发电通道。AGNR发电工作时是闭合的，使电机为三相四线制输出，起动APU工作时断开AGNR，成为三相星接电枢绕组。由于APU上有两台ASG，形成两条ASG发电通道。变频交流起动发电机、发电机控制器、发电机断路器、发电机中线继电器构成变频交流发电通道。4台VFSG构成4条独立的发电通道。 图2.1(a)是大型多电飞机机上设备分布图，图2.1(b)是典型电气系统图。电气系统图中上侧的7个圆代表7台发电机，左侧两台变频交流起动发电机(VFSG)用L1VFSG和L2VFSG表示，右侧用R1VFSG和R2VFSG表示，中间为辅助动力装置APU的起动发电机LASG和RASG。L1VFSG和L1GCU(图中未画出)、L1GCB和L1GNR构成左1发电通道，向L1235VacBus(L1235Vac汇流条)供电。相应地，L2、R1和R2等发电通道，分别向L2235VacBus、R1235VacBus和R2235VacBus供电。LASG发电通道给左连接汇流条(LTB)供电，RASG给右连接汇流条(RTB)供电。6个发电通道分别向6条235V交流汇流条供电。 由于发电机工作频率不同，故只能单独向相应的235VacBus供电。正常工作时汇流条连接断路器(BTB)均不闭合，形成相互独立的4条主发电通道和2条ASG发电通道。任一发电通道发生故障，脱离其供电的235V交流汇流条后，其余的5条正常发电通道均可通过BTB的接通使故障发电通道的235V交流汇流条供电，仅当6条发电通道均故障时，235V交流汇流条才失电，使得所有235V交流汇流条都不能向用电设备供电。例如，L1VFSG故障，L1GCB断开，L1235VacBus失电：①若RASG此时处于发电状态，则只要接通L1BTB，L1235VacBus即可得电；②若RASG未工作，L2VFSG处于发电状态，则接通L3BTB，L1235VacBus即可得电；③若RASG和L2VFSG未工作，而LASG处于发电状态，则接通L2BTB和L3BTB，即可使L2235VacBus和L1235VacBus都得电；④若R2235VacBus此时有电，则接通R2BTB经连接汇流条RTB，再接通L1BTB就可使R2VFSG向L1235