民用航空技术交流会 多电飞机与电力电子 严仰光，张方华 南京航空航天大学

多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南航大学在航空电源方面的研究 结论 多电飞机与电力电子： 提纲 多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南航大学在航空电源方面的研究 结论

21世纪初的三种新飞机 21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 21世纪初的三种新飞机 A380 欧洲空客公司 空机重量 ：280,000公斤 最大载客量：555-853人 四发，双通道，双层 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 B787 美国波音公司 空机重量 ：115,000公斤 载客量：210~330人 双发，双通道 发动机： 　- 通用电气GEnx - 劳斯莱斯(Rolls-Royce)Trent 1000

21世纪初的三种新飞机 21世纪初的三种新飞机 F-35 美国洛·马公司 空机重量 ：13,020公斤 标准的武器配备：2枚空空 弹和2 枚JDAM Pratt & Whitney JSF119-611加力涡扇发动机

多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南航大学在航空电源方面的研究 结论 多电飞机与电力电子： 提纲 多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南航大学在航空电源方面的研究 结论

多电发动机是多电飞机技术的核心 电能代替集中式的液压、气压能、机械能 多电飞机的特征：概要 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 电能代替集中式的液压、气压能、机械能

多电飞机的特征：传统飞机的能量分配 推力 电能， 航电、照明、风机、娱乐等 气压能， 高温高压空气用于座舱增压、防冰和环控 液压能，舵面、起落架、舱门等操纵 机械能，发电机、燃油和滑油泵

多电飞机的特征：(1-1)不提取发动机压缩后的空气 多电飞机的优点 提取发动机压缩空气 电气加温和防冰设备； 电动飞机环境控制系统（增压，温度和湿度的调节）； 提取轴马力比引气更省燃油。

多电飞机的特征：(1-1)不提取发动机压缩后的空气 多电飞机的优点 大大提高可靠性

多电飞机的特征：(1-2)简化或取消附件机匣 多电飞机的优点 附 件 机 匣 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。 B787——简化附件机匣，附件机匣上仅有起动发电机 F-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。

多电飞机的特征：(1-3)采用气浮/磁浮轴承 IPU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：(2)飞机上的二次能源用电能代替 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 机械能 液压能 气压能 电 能 电能

多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替 气压能和机械能 序号 使用电能 设备名称 1 230V 360 － 800HzAC 环境控制系统循环风扇 2 冰箱电动压缩机 3 115V 360 － 800HzAC 设备冷却风扇 4 5 燃料泵 6 28VDC B787使用的变频交流和28V直流电动机

多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替 气压能和机械能 序号 设备名称 数量 单台功率/kW 总功率/kW 1 电动液压泵 4 75 300 2 电动压气机 3 电动风扇 25 50 制氮电动机 调速电动机总功率 700 B787大功率调速电动机

多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替 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：(2)飞机上的二次能源用电能代替 多电飞机的优点 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 附件机匣传动的液压泵和飞机的液压管路  提高飞机的可靠性生命力和经济性

多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替 集中式飞机液压能源的替代 序号 部件名称 作动面积/m2 作动功率/kW 总功率/kW 1 副翼 6×4 6×6 36 2 升降舵 6×12 6×10 60 3 方向舵 2×20 2×10 20 4 配平 205 50 5 襟翼与阻力板 150 6 起落架 175 7 机轮刹车和转向控制 9 8 作动系统总功率 550 A380飞机的操纵部件和作动功率

多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替 使用EMA和EHA EMA替代液压作动机构 机电作动机构EMA

多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替 使用EMA和EHA EHA替代液压作动机构 电液作动机构EHA

多电飞机的特征：(2)飞机上的二次能源用电能代替 大功率调速电机控制器 集中式飞机液压能源的替代 Controls Output Filter Common Motor Start Controller (CMSC) 大功率调速电机控制器

多电发动机是多电飞机技术的核心 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 多电飞机的特征：总结 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 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 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

多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南京航空航天大学在航空电源方面的研究 结论 多电飞机与电力电子： 提纲 多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南京航空航天大学在航空电源方面的研究 结论

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 多电飞机的特点 MEA的电源总容量： 3 2 1 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 910kVA A380 560 2007 4×150 2×120 1460kVA B787 163 2010 4×250 2×225 250kW F-35 31.8 2007 250kW IPU * MEA的电源总容量提升5倍以上

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 多发动机客机电源额定功率 2×120 4×150 2007 560 A380 7 90/115* 4×75/90* 1990 275/365 A340 6 90 3×100/120* 273 MD-11 5 60kVA+12kW 4×60 1983 151 伊尔-76 4 3×90 1971 259 DC-10 3 2×75/90 1980/1985 362-394 B747-300/400 2 主电源为IDG，辅助电源为APU** 辅助电源为双输出 多电飞机 2×60 1970 B747-200 1 备注 辅助电源功率 /kVA 主电源功率 始用日期 最大起飞 重量/t 飞机型号 序号 * 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。 ** 辅助动力装置与发电机组合

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 双发动机客机电源额定功率 多电飞机 2×225 4×250 2010 163 B787 4 20 kVA为变速恒频电源 120 2×120kVA+ 20kVA 1995 229 B777 3 90 2×75/90 1982 159 B767 2 主电源为IDG，辅助电源为APU 1983 150 A310-300 1 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

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 战斗机电源额定功率 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 备注 1 F-15C 2 30 1974 2×40/50 主电源为IDG F-16 16 1978 40 5 应急电源为5kVA 3 幻-2000 17 1983 20 20kVA为变速恒频电源 4 苏-27 34 2×30 F-22 27 1997 2×65kW 22 kW 主电源和辅助电源270VDC 6 F-35 31.8 2007 250kW IPU * 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。

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 B787的起动发电机(VFSG) Rating: 250 kVA Frequency: 360–800 Hz Weight – dry: 203 lbs MTBF: 30,000 FH MTBUR: 20,000 FH

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 B787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 VAC 230/400 3 额定电流 AAC 361 4 额定频率 Hz 360-800 5 额定功率 kVA 250 6 过载能力 % 125% 5' 175% 5'' 7 功率因数 cosφ 0.75-0.95 8 极对数 9 转速 r/min 7200-16000 10 起动转矩 Nm ≮180 11 冷却方式 喷油 12 效率 >90 13 电机干重 kg 92 14 平均故障间隔时间 h 30000

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 B787 VFAC S/G发电机电路图

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 B787的APU Lifting Lug Input Shaft Supply Core Scavenge Core APU Alignment Pin ASG Rating: 225 kVA Frequency: 360–440 Hz Weight – dry: 122.7 lbs. MTBF: 40,000 FH MTBUR: 30,000 FH ASGs Installed On APU

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 F-35飞机的开关磁阻起动发电机 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

MEA的电源和用电设备：(1) 电源容量显著增大 F-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 VDC 270 3 额定电流 ADC 928 4 额定功率 kW 250 5 过载功率 330 6 工作转速 r/min 13456~22224 7 起动转矩 Nm ≮180 8 冷却方式 空心导体油冷 9 效率 % ≮89 10 重量 kg 46.6（电机本体） 11 平均故障间隔时间 h 20000

MEA的电源和用电设备：(2) 电源的其他特点 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 内装起动/发电机

MEA的电源和用电设备：(3) 非线性负载显著增加 线性负载和恒功率负载的输入特性 EMA和EHA的输入特性曲线 雷达等通讯设备的脉冲负载特性

MEA的电源和用电设备 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。

多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南京航空航天大学在航空电源方面的研究 结论 多电飞机与电力电子： 提纲 多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南京航空航天大学在航空电源方面的研究 结论

DC电源和AC电源的比较：(1)AC电源的缺点 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、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AC电源的比较：(1)AC电源的缺点 B787 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AC电源的比较：(1)AC电源的缺点 VFAC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AC电源的比较：(2)DC电源的缺点 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： 有刷直流电机高空换向； 开关电器高空断弧； 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 ）。

多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南京航空航天大学在航空电源方面的研究 结论 多电飞机与电力电子： 提纲 多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南京航空航天大学在航空电源方面的研究 结论

航空电源的研究工作：(1) 起动发电系统 电励磁双凸极发电机系统 整流器 调 压 器 定子 转子 电枢绕组 励磁绕组 提出电励磁双凸极直流电机，适用于起动/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。

研制成功20W-10kW功率等级的多种静止变流器。 航空电源的研究工作：(2)二次电源 输入: 27VDC 输出: 单相115V/400Hz 功率: 1000VA 1 2 3 研制成功20W-10kW功率等级的多种静止变流器。

多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南京航空航天大学在航空电源方面的研究 展望与结论 多电飞机与电力电子： 提纲 多电飞机的诞生 多电飞机的特征 多电飞机的电源和用电设备 DC电源和AC电源系统的比较 南京航空航天大学在航空电源方面的研究 展望与结论

恶劣环境下工作的能力，如内装起动发电机 更高的可靠性、更小的体积重量 电能管理与热管理 全电化：节能环保 多电飞机对电气设备提出了更高的要求 稳态功率的管理瞬态功率的管理 严峻的热管理挑战 全电化：节能环保

多电飞机与电力电子： 总结 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 电能替代，同时简化了机载和保障系统，实现 了飞机技术的全局性优化。 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。 与AC电源系统相比，DC电源系统具有较大的 优势。 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 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。

民用航空技术交流会 谢谢！ 南京航空天大学 江苏省航空学会