全电飞机中的航空电源系统 胡育文 南京航空航天大学自动化学院 江苏 南京 210016 摘要本文介绍了航空电源的发展历史 论述了当前航空电源技术的现状和各方案的优缺点 对我国航空电源的发展提出了若干建议 关键词 全电飞机 航空电源 全电飞机和多电飞机是航空发展的必然趋势 近年来各先进国家都在积极创造条件 向这个目标进军 所谓全电飞机 是把飞机上的动力源 如电 液 气都统一到电方面来 所有的执行元件都是电动元件 彻底革除液压系统和气压系统 这样动力备配方便 系统 简单可靠 大大减轻重量和减小体积 使飞机发生一次质的大跃变 我国也正在朝这个方 向努力 很显然 全电飞机的用电量将大幅度增加 要发展全电飞机 首先要发展高品质的大 容量电源 同时 由于没有液压和气压系统了 起动发动机的任务也要落到电气系统上来 开发大容量 高品质的具有起动/发电双功能的电源系统就成了发展全电飞机的第一站 1 航空电源系统的发展史 50 年代以前 飞机电源系统是 24V 低压直流电源系统 当时发明的低压直流起动/发 电系统 被认为是飞机直流电源系统发展的一个重要里程碑 随后飞机供电系统容量急剧 增加 由于当时直流灭弧和直流电机电刷拉弧二大技术问题无法解决 迫使飞机直流供电 系统转变为交流供电系统 80 年代以前的飞机交流供电系统是用机械恒装 将发动机变化的转速变成恒速,再带动 发电机旋转 称为恒速恒频系统 无法实现起动/发电双功能 80 年代电力电子技术大发 展 能够用电力电子装置取代机械恒装 出现了变速恒频(VSCF)系统 这种系统能实现起 动/发电双功能 但很复杂 80 年代与 90 年代电力电子技术 电机控制技术大发展 解决 了直流灭弧和电机控制问题 飞机电源系统重新回到直流电源系统 但此时因容量要求大 为增加 直流输出电压从原来的 24V 升高到 270V 此即称为高压直流供电系统(HVDC) 归纳一下航空电源的发展史 如图 1 所示 24V低压直流电源系统50年代以前 110V交流恒速恒频电源系统70年代以前 110V交流变速恒频电源系统90年代以前 270V高压直流电源系统20世纪 图1航空电源的发展史 2 航空电源系统研究现状 要扩大飞机电源的容量 用低压肯定是不行的 那会导致很大的电流 其电缆将大大 增加飞机重量 飞机无法接受 唯一的办法就是升高电压 所以 在未来的高性能大功率 的飞机电源中 高压不可避免 以前那种 24V 的低电压体制肯定不能满足要求 高压电源也有二种体制 一种为交流体制 即提供相电压为 115V 的三相交流电 一 种是直流体制 即提供 270V 的直流电 直流电显然比三相交流电简单 只是以前不能解 决高空直流拉弧和电机这二个关键技术问题 被迫采用三相交流电 近年来这二个关键技 术已经解决 因此 用270V 的高压直流电源系统已成为人们的共识 这种系统中发电机是和航空发动机联在一块的 而发动机在起动时必须靠外力来起动 因此还要一套起动发动机系统 其实 电机是能双向运行的 它既能发电 又可以电动 它已和发动机联为一体 能否就用它来起动发动机呢 原理上是可以的 但有一个条件 即电机的功率要大 如太小就没有足够的力量来起动发动机 以前飞机发电机的容量较小 只30kW 以下 它不能起动发动机 而未来的航空电源是大功率的 它的发电机功率高达 几百千瓦 足以起动发动机 这样就能做到一机两用 既可发电 又可起动 这样不但可 以省去一整套起动系统 还大大加强了飞机的可靠性 因此 美国的新型飞机 例如 2001 年开始设计的 JSF 轻型战斗机 它的电机发电容量达 132KW 就设计成起动/发电系统形 式 可见 将来的先进电源系统有二种类型 一种是纯发电型 如美国的 F22 另一种是 起动/发电系统型 如美国的 JSF 轻型战斗机 当前 在国际和国内正在研究的高压直流起动/发电系统有四种 三级式无刷同步电机 开关磁阻电机 异步电机和电磁式双凸极电机 下面分别比较一下它们的优缺点 ( 1 ) 三级式无刷同步电机起动/ 发电系统 DSP控制器 主回路功率变换器 负载 48V->270V 二次电源 转换开关 48V蓄电池 功率变换电路 蓄电池 调压控制器电压调节器 N S 三级式旋转整流器同步发电机 发动机 图2三级电机式同步电机的起动/发电系统原理图 三级式无刷同步电机的起动/发电系统原理图如图 2 所示 这种电机就是我国已能生产 的并已装机服役的电机 它比较成熟 94 年115 厂和南航大合作研制的歼 83 VSCF 变速 恒频 电源就采用这种电机再+整流+逆变器而构成的 作为高压直流系统 只要在 VSCF 的 电机+整流+逆变器 的系统中删掉逆变器变成 电机+整流 系统就行 可见 要实 现270V 的高压直流系统在我国一点不难 难的是它的配电和用电体系会作较大变化 这种系统的优点是显而易见的 就是上面所说的在我国已成熟 但这种系统有如下缺 点 主电机复杂 它由三级电机组成 在转子上还有旋转整流器 因此 它不能超高速 运行 可靠性差 原因也是转子部分太复杂 起动功能较难实现 现在正在研究之中 因此 这种系统不太可能成为航空电源最优起动/发电系统 但它是一个最好的过渡 系统 因为 270V 高压直流电源系统要改革的不仅是电机本身 它的配电 用电设备 负 载都要相应变化 牵涉面很广 要全面改革 工作量太大 若先用成熟的电机系统 稳住 电机这一头 置力于配电和用电设备的改变 首先使飞机接受 270V 高压直流系统 然后 再在电机上下工夫 提高它的性能 这样比较能使人接受 美国 F22 就是采用这种策略 它的电源系统是 2*60KW 三级同步电机的 270V 高压直流系统 不具备起动功能 而第二 步在研制 JSF 轻型歼击机时 电源系统就采用了全新的 132KW 的具有起动/发电双功能的 开关磁阻电机 270V 高压直流系统 借鉴先进国家经验 我们国家第一步应走这个过渡阶 段 这样花钱少 系统的可靠性和安全性都较大 更重要的是能使我们在实践中进一步体 验一下 270V 高压直流电源系统的优缺点 为我国航空业接受 270V 高压直流电源系统铺平 道路 ( 2 ) 开关磁阻电机起动/ 发电系统 DSP控制器 负载 48V->270V 二次电源 转换开关 48V蓄电池 主回路功 率变换器 开关磁阻电机 或异步电机 发动机 图3开关磁阻电机或异步电机起动/发电系统原理图 开关磁阻电机起动/发电系统原理图如图 3 所示 这是新一代的航空电源系统 1985 年在美国空军的资助下 GE 公司 Sandstrand 公司两个单位合作研制 历时已近 20 年 它的突出优点是 转子特别简单 只有硅钢片 没有任何东西 因此适合超高速运行 这对航空电 源来说是至关重要的 电机也很简单 和前面的三级电机比较 它只有一级电机就能实现起动/发电的双 功能的任务 转子允许高功率密度 实现起动功能容易 适宜运行在高温度的环境 但是 也有人指出它的缺点 噪音太大 力矩脉动较大 要想提高效率 转子位置要求精确测量 对位置传感器的要求高于异步电机的要求 电机非线性厉害 设计较困难 要求电机的气隙小 这个系统经过了 20 年之久的地面研究 从小到大 从基本到复杂都经历了一遍可行 性论证的研究 并在 2001 年美国国防部的 JSF 轻型歼击机的竞标中 一举中标 ( 3 ) 异步电机起动/ 发电系统 异步电机起动/发电系统原理图也如图 3 所示 该系统和开关磁阻电机起动/发电系统 在1985 年同年代开始研究的 它是由美国 NASA 美国宇航中心 资助 wisconsin 大学 的lipo 教授领头研究的项目 在以往 20 年的研究中 名气没有开关磁阻电机的大 它的 主要优点为 转子结构也很简单 只是通常的鼠笼式转子 它大大优于三级电机的转动部分 但不及开关磁阻电机转子那么简单 它的转速已达 1.8 万转/分 而现在飞机中应用的大型 涡轮喷气和涡轮风扇发动机的最高转速也只 1 万多转/分 因此 在转速方面也能满足航空 的要求 电机也很简单 它也只用一级电机就能实现起动/发电功能的任务 噪音小 力矩脉动小 效率高 已有实践证实 包括功率变换器在内 整个系统的效率在高速时可达 90% 实现起动功能也容易 它还有一个重要的优势是应用面广 1998 年汽车国际标准界颁布汽车的电源电压 从14V 上升到 42V 后 以美国福特汽车公司为首的许多集团在汽车行业掀起一轮起动/发 电双功能系统研究的热潮 福特公司同时研制了二台电机 一台异步机 一台开关磁阻电 机作对比实验 结果选择了异步电机系统 并拿出了异步电机发电效率能达 90%的实验数 据 大大丰富了异步电机起动/发电系统的研究 我们知道 汽车行业是一个富有而通用的 行业 一旦它选择了某种技术 那这种技术将会得到高速发展 因此 航空业异步电机起 动/发电技术能得到汽车业的起动/发电技术的大力支持 在动态响应和速度变化范围这两个指标上有较大的优势 突加突抛负载时 输出电 压的恢复时间﹤20ms 比美军标要求﹤40ms 还要好 这个数据在我实验室已实现 速度 变化范围达 1 10 以上 这在福特公司的实验中已实现 缺点 它的转子结构毕竟要比开关磁阻电机要复杂一些 虽然用于起动涡轮性负载的发动机不成问题 但它零速时的起动转矩略小 其原因 是零速时电机内部的磁链估计不准 现国内外正在解决这个问题 解决此问题以后可望较 大提高起动转矩 这个系统和开关磁阻电机一样 也经过了 20 年的之久的可行性研究 该系统在航空 方面还未得到直接的应用 这一点比开关磁阻电机差 但1997 年左右 NASA 和Wisconsin 大学的 lipo 教授分别在 IEEE 重要会议和杂志上连续发表了数篇文章 一再强调异步电机 系统在航空电源上的可行性 [1-3] 因此 它的潜力也不可忽视 这种起动/发电系统已在汽 车业中得到了实际应用 ( 4 ) 电磁式双凸极电机起动/ 发电系统 DSP控制器 负载 48V->270V 二次电源 转换开关 48V蓄电池 主回路功 率变换器 永磁 励磁机 蓄电池 DSM 发动机 图4电磁式双凸极电机起动/发电系统 电磁式双凸极电机起动/发电系统原理图如图 4 所示 这系统是我国 1997 年参考 Wiscontion 大学 Lipo 教授的发明 永磁式双凸极电机系统提出来的电磁式双凸极电机系统 这种电机的结构特点和开关磁阻电机结构非常相似 转子结构也非常简单 但它在定子上 要多加一组绕组 以产生直流励磁 另外为了产生励磁的直流电 还要一个励磁机和调压 装置 因此整个结构要比开关磁阻电机复杂 它的优点是 从理论上讲 开关磁阻电机只能利用电机的滑入部分 电动工作时 或者滑出部 发 电工作时 而电磁式双凸极电机则不管是电动工作还是发电工作 电机滑入部分和滑出部 分均能利用 因此其功率/重量比比开关磁阻电机高 由于它有励磁绕组 能独立励磁 它可以多一个控制变量 它能很方便的控制输出 电压 也能很方便的控制力矩的大小 在只发电时 它可以省去要通过全功率的电力电子变换器 只用一个功率较小的电 力电子调压器 它的缺点是 它的优点是有代价的 和开关磁阻电机比较 它的代价是在系统中必须增加三件东 西 在主电机定子上要增加一个励磁绕组 要增加一级励磁机 要增加一个电力电子调压 器 这三个东西加起来 整个系统的功率/重量比和功率/体积比就要差于开关磁阻电机系 统 可见 局部的最优不等于整体的最优 和开关磁阻电机比较 该系统是二级电机结构 效率要受到影响 该系统没有经过严格的地面可行性实验 没有完备的可信的实验数据 由于该方案 在航空中的应用是我国新提出来 我们就无从参考国外的经验 必须自己踏踏实实的走一 遍可行性论证 研制周期较长 总结一下这四种方案的情况 见表 1 表1四种起动/发电系统总结 系统 国外情况 国内情况 三级式同步 电机系统 已在 F22 上服役 成熟 三级式同步机已在我国的恒速恒频飞机上服役 94 年三级式同步电机变速恒频(VSCF)电源系统在歼 8-3 上试飞成功 因此三级式同步机的高压直流电 流系统我国已具备装机条件 问题在 270V 直流电 源的配电和负载要相应改造 开关磁阻 电机系统 美国 85 年开始研究 2001 年在 JSF 新型联合攻击战斗机上中标 但尚 无正式装机记录 我国在 九五 规划中已立项 1998 年该系统南 航大和西工大同时获得部级科技进步二等奖 异步电机 系统 美国 85 年开始研究 1999 年在汽 车上得到应用 1998 年NASA 和Wiscontion 大学的 Lipo 教授 在IEEE 杂志和会议上一再强调该系 统在飞机上应用的可行性 1998 年南航大开始研究 2001 年获得国家自然科 学基金资助 电磁式双凸极 电机系统 在航空应用上的研究无纪录 1997 年南航大开始研究 3 评价电源系统性能优越的标准 (1) 对于大功率电源来讲 效率是第一个重要指标 对于一个 200KVA 的电源系统来 讲 如果效率低于 90% 将产生很可观的能量损耗 (2) 对飞机来讲 功率重量比和功率体积比是第二个重要指标 这个比要按整个电源系 统来计算 而不能只按系统中的某一部分来计算 (3) 动态指标 主要指供电间断时间或电压恢复时间 因为新型战机中有大量计算机控 制设备 计算机的供电间断时间不能太长 否则就要出现误动作 美军标根据实际的需要 给定在 40ms 以内 (4) 稳态指标 这是大家都熟悉的 就不多介绍 4 对发展我国航空电源系统的若干建议 从以上阐述和比较可以看到 我国和先进国家比较 航空电源系统还处于非常落后的 境地 要想尽快赶上和超过先进国家的水平 我们建议如下 (1) 在组织形式上 成立一个较长时期稳定 可做多方协调的领导班子 该班子的任务 是制定短长期研制计划 并经常监督重大项目的进程和进行多方协调 因为只有有这么一个较长时期的机构 它才会有一套长远的计划来实施 15-20 年的长 远预研任务 否则都会是短期行为 因为有这么一个有权威的领导 它才能担负起组织各 方案的比较 选择和拍板的任务 因为有这么一个有影响的领导 它才可能去和发动机 整机设计等重要单位去协调航空电源系统的共同设计问题 (2) 十一五 预研计划对每一个重要课题立项时 必须经过专家组的评审 应面对课 题组 不要面对单位 (3) 航空电源系统的发展采用两条腿走路的方针 一是改造现役电源系统 二是有计划 的研制新一代的高性能航空电源系统 新一代的高性能航空电源系统以 270V 高压直流起动 /发电系统为宜 (4) 在发展新一代的高性能航空电源系统时 又分两步走 第一步是在我国已有的变速 恒频电源系统 VSCF 基础上 减去逆变环节 用三级式同步电机实现只具发电功能的高 压直流电源系统 这是一个过渡系统 第二步 在进行第一步的同时 有计划地发展新型 的具有起动/发电双功能的 270V 高压 直流电源系统 (5) 目前国内外发展新型的具有起动/发电双功能的 270V 高压直流电源系统有三种 开 关磁阻电机系统 异步电机系统和电磁式双凸极电机系统 建议在 3-5 年内支持该三种系 统都研制一套中等功率 18KVA 的起动/发电装置 进行地面实验的比较 在领导机构和专 家组的认真工作下 科学地确认出我国发展的方案 避免各单位之间的争吵和被误导的危 险 参考文献 1 Elbuluk M E, Kankan M D. Potential Starter/Generator Technologies for Future Aerospace Applications IEEE AES Systems 1997 21(5) 24-31 2 Alan I, Lipo T A. Starter/generator employing resonant-converter-fed induction machine part :Analysis IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 2000 36 4 1309-1318. 3 Alan I, Lipo T A. Starter/generator employing resonant-converter-fed induction machine part :Hardware prototype IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 2000 36 4 1319-1329.
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全电飞机中的航空电源系统 胡育文 南京航空航天大学自动化学院 江苏 南京 210016 摘要本文介绍了航空电源的发展历史 论述了当前航空电源技术的现状和各方案的优缺点 对我国航空电源的发展提出了若干建议 关键词 全电飞机 航空电源 全电飞机和多电飞机是航空发展的必然趋势 近年来各先进国家都在积极创造条件 向这个目标进军 所谓全电飞机 是把飞机上的动力源 如电 液 气都统一到电方面来 所有的执行元件都是电动元件 彻底革除液压系统和气压系统 这样动力备配方便 系统 简单可靠 大大减轻重量和减小体积 使飞机发生一次质的大跃变 我国也正在朝这个方 向努力 很显然 全电飞机的用电量将大幅度增加 要发展全电飞机 首先要发展高品质的大 容量电源 同时 由于没有液压和气压系统了 起动发动机的任务也要落到电气系统上来 开发大容量 高品质的具有起动/发电双功能的电源系统就成了发展全电飞机的第一站 1 航空电源系统的发展史 50 年代以前 飞机电源系统是 24V 低压直流电源系统 当时发明的低压直流起动/发 电系统 被认为是飞机直流电源系统发展的一个重要里程碑 随后飞机供电系统容量急剧 增加 由于当时直流灭弧和直流电机电刷拉弧二大技术问题无法解决 迫使飞机直流供电 系统转变为交流供电系统 80 年代以前的飞机交流供电系统是用机械恒装 将发动机变化的转速变成恒速,再带动 发电机旋转 称为恒速恒频系统 无法实现起动/发电双功能 80 年代电力电子技术大发 展 能够用电力电子装置取代机械恒装 出现了变速恒频(VSCF)系统 这种系统能实现起 动/发电双功能 但很复杂 80 年代与 90 年代电力电子技术 电机控制技术大发展 解决 了直流灭弧和电机控制问题 飞机电源系统重新回到直流电源系统 但此时因容量要求大 为增加 直流输出电压从原来的 24V 升高到 270V 此即称为高压直流供电系统(HVDC) 归纳一下航空电源的发展史 如图 1 所示 24V低压直流电源系统50年代以前 110V交流恒速恒频电源系统70年代以前 110V交流变速恒频电源系统90年代以前 270V高压直流电源系统20世纪 图1航空电源的发展史 2 航空电源系统研究现状 要扩大飞机电源的容量 用低压肯定是不行的 那会导致很大的电流 其电缆将大大 增加飞机重量 飞机无法接受 唯一的办法就是升高电压 所以 在未来的高性能大功率 的飞机电源中 高压不可避免 以前那种 24V 的低电压体制肯定不能满足要求 高压电源也有二种体制 一种为交流体制 即提供相电压为 115V 的三相交流电 一 种是直流体制 即提供 270V 的直流电 直流电显然比三相交流电简单 只是以前不能解 决高空直流拉弧和电机这二个关键技术问题 被迫采用三相交流电 近年来这二个关键技 术已经解决 因此 用270V 的高压直流电源系统已成为人们的共识 这种系统中发电机是和航空发动机联在一块的 而发动机在起动时必须靠外力来起动 因此还要一套起动发动机系统 其实 电机是能双向运行的 它既能发电 又可以电动 它已和发动机联为一体 能否就用它来起动发动机呢 原理上是可以的 但有一个条件 即电机的功率要大 如太小就没有足够的力量来起动发动机 以前飞机发电机的容量较小 只30kW 以下 它不能起动发动机 而未来的航空电源是大功率的 它的发电机功率高达 几百千瓦 足以起动发动机 这样就能做到一机两用 既可发电 又可起动 这样不但可 以省去一整套起动系统 还大大加强了飞机的可靠性 因此 美国的新型飞机 例如 2001 年开始设计的 JSF 轻型战斗机 它的电机发电容量达 132KW 就设计成起动/发电系统形 式 可见 将来的先进电源系统有二种类型 一种是纯发电型 如美国的 F22 另一种是 起动/发电系统型 如美国的 JSF 轻型战斗机 当前 在国际和国内正在研究的高压直流起动/发电系统有四种 三级式无刷同步电机 开关磁阻电机 异步电机和电磁式双凸极电机 下面分别比较一下它们的优缺点 ( 1 ) 三级式无刷同步电机起动/ 发电系统 DSP控制器 主回路功率变换器 负载 48V->270V 二次电源 转换开关 48V蓄电池 功率变换电路 蓄电池 调压控制器电压调节器 N S 三级式旋转整流器同步发电机 发动机 图2三级电机式同步电机的起动/发电系统原理图 三级式无刷同步电机的起动/发电系统原理图如图 2 所示 这种电机就是我国已能生产 的并已装机服役的电机 它比较成熟 94 年115 厂和南航大合作研制的歼 83 VSCF 变速 恒频 电源就采用这种电机再+整流+逆变器而构成的 作为高压直流系统 只要在 VSCF 的 电机+整流+逆变器 的系统中删掉逆变器变成 电机+整流 系统就行 可见 要实 现270V 的高压直流系统在我国一点不难 难的是它的配电和用电体系会作较大变化 这种系统的优点是显而易见的 就是上面所说的在我国已成熟 但这种系统有如下缺 点 主电机复杂 它由三级电机组成 在转子上还有旋转整流器 因此 它不能超高速 运行 可靠性差 原因也是转子部分太复杂 起动功能较难实现 现在正在研究之中 因此 这种系统不太可能成为航空电源最优起动/发电系统 但它是一个最好的过渡 系统 因为 270V 高压直流电源系统要改革的不仅是电机本身 它的配电 用电设备 负 载都要相应变化 牵涉面很广 要全面改革 工作量太大 若先用成熟的电机系统 稳住 电机这一头 置力于配电和用电设备的改变 首先使飞机接受 270V 高压直流系统 然后 再在电机上下工夫 提高它的性能 这样比较能使人接受 美国 F22 就是采用这种策略 它的电源系统是 2*60KW 三级同步电机的 270V 高压直流系统 不具备起动功能 而第二 步在研制 JSF 轻型歼击机时 电源系统就采用了全新的 132KW 的具有起动/发电双功能的 开关磁阻电机 270V 高压直流系统 借鉴先进国家经验 我们国家第一步应走这个过渡阶 段 这样花钱少 系统的可靠性和安全性都较大 更重要的是能使我们在实践中进一步体 验一下 270V 高压直流电源系统的优缺点 为我国航空业接受 270V 高压直流电源系统铺平 道路 ( 2 ) 开关磁阻电机起动/ 发电系统 DSP控制器 负载 48V->270V 二次电源 转换开关 48V蓄电池 主回路功 率变换器 开关磁阻电机 或异步电机 发动机 图3开关磁阻电机或异步电机起动/发电系统原理图 开关磁阻电机起动/发电系统原理图如图 3 所示 这是新一代的航空电源系统 1985 年在美国空军的资助下 GE 公司 Sandstrand 公司两个单位合作研制 历时已近 20 年 它的突出优点是 转子特别简单 只有硅钢片 没有任何东西 因此适合超高速运行 这对航空电 源来说是至关重要的 电机也很简单 和前面的三级电机比较 它只有一级电机就能实现起动/发电的双 功能的任务 转子允许高功率密度 实现起动功能容易 适宜运行在高温度的环境 但是 也有人指出它的缺点 噪音太大 力矩脉动较大 要想提高效率 转子位置要求精确测量 对位置传感器的要求高于异步电机的要求 电机非线性厉害 设计较困难 要求电机的气隙小 这个系统经过了 20 年之久的地面研究 从小到大 从基本到复杂都经历了一遍可行 性论证的研究 并在 2001 年美国国防部的 JSF 轻型歼击机的竞标中 一举中标 ( 3 ) 异步电机起动/ 发电系统 异步电机起动/发电系统原理图也如图 3 所示 该系统和开关磁阻电机起动/发电系统 在1985 年同年代开始研究的 它是由美国 NASA 美国宇航中心 资助 wisconsin 大学 的lipo 教授领头研究的项目 在以往 20 年的研究中 名气没有开关磁阻电机的大 它的 主要优点为 转子结构也很简单 只是通常的鼠笼式转子 它大大优于三级电机的转动部分 但不及开关磁阻电机转子那么简单 它的转速已达 1.8 万转/分 而现在飞机中应用的大型 涡轮喷气和涡轮风扇发动机的最高转速也只 1 万多转/分 因此 在转速方面也能满足航空 的要求 电机也很简单 它也只用一级电机就能实现起动/发电功能的任务 噪音小 力矩脉动小 效率高 已有实践证实 包括功率变换器在内 整个系统的效率在高速时可达 90% 实现起动功能也容易 它还有一个重要的优势是应用面广 1998 年汽车国际标准界颁布汽车的电源电压 从14V 上升到 42V 后 以美国福特汽车公司为首的许多集团在汽车行业掀起一轮起动/发 电双功能系统研究的热潮 福特公司同时研制了二台电机 一台异步机 一台开关磁阻电 机作对比实验 结果选择了异步电机系统 并拿出了异步电机发电效率能达 90%的实验数 据 大大丰富了异步电机起动/发电系统的研究 我们知道 汽车行业是一个富有而通用的 行业 一旦它选择了某种技术 那这种技术将会得到高速发展 因此 航空业异步电机起 动/发电技术能得到汽车业的起动/发电技术的大力支持 在动态响应和速度变化范围这两个指标上有较大的优势 突加突抛负载时 输出电 压的恢复时间﹤20ms 比美军标要求﹤40ms 还要好 这个数据在我实验室已实现 速度 变化范围达 1 10 以上 这在福特公司的实验中已实现 缺点 它的转子结构毕竟要比开关磁阻电机要复杂一些 虽然用于起动涡轮性负载的发动机不成问题 但它零速时的起动转矩略小 其原因 是零速时电机内部的磁链估计不准 现国内外正在解决这个问题 解决此问题以后可望较 大提高起动转矩 这个系统和开关磁阻电机一样 也经过了 20 年的之久的可行性研究 该系统在航空 方面还未得到直接的应用 这一点比开关磁阻电机差 但1997 年左右 NASA 和Wisconsin 大学的 lipo 教授分别在 IEEE 重要会议和杂志上连续发表了数篇文章 一再强调异步电机 系统在航空电源上的可行性 [1-3] 因此 它的潜力也不可忽视 这种起动/发电系统已在汽 车业中得到了实际应用 ( 4 ) 电磁式双凸极电机起动/ 发电系统 DSP控制器 负载 48V->270V 二次电源 转换开关 48V蓄电池 主回路功 率变换器 永磁 励磁机 蓄电池 DSM 发动机 图4电磁式双凸极电机起动/发电系统 电磁式双凸极电机起动/发电系统原理图如图 4 所示 这系统是我国 1997 年参考 Wiscontion 大学 Lipo 教授的发明 永磁式双凸极电机系统提出来的电磁式双凸极电机系统 这种电机的结构特点和开关磁阻电机结构非常相似 转子结构也非常简单 但它在定子上 要多加一组绕组 以产生直流励磁 另外为了产生励磁的直流电 还要一个励磁机和调压 装置 因此整个结构要比开关磁阻电机复杂 它的优点是 从理论上讲 开关磁阻电机只能利用电机的滑入部分 电动工作时 或者滑出部 发 电工作时 而电磁式双凸极电机则不管是电动工作还是发电工作 电机滑入部分和滑出部 分均能利用 因此其功率/重量比比开关磁阻电机高 由于它有励磁绕组 能独立励磁 它可以多一个控制变量 它能很方便的控制输出 电压 也能很方便的控制力矩的大小 在只发电时 它可以省去要通过全功率的电力电子变换器 只用一个功率较小的电 力电子调压器 它的缺点是 它的优点是有代价的 和开关磁阻电机比较 它的代价是在系统中必须增加三件东 西 在主电机定子上要增加一个励磁绕组 要增加一级励磁机 要增加一个电力电子调压 器 这三个东西加起来 整个系统的功率/重量比和功率/体积比就要差于开关磁阻电机系 统 可见 局部的最优不等于整体的最优 和开关磁阻电机比较 该系统是二级电机结构 效率要受到影响 该系统没有经过严格的地面可行性实验 没有完备的可信的实验数据 由于该方案 在航空中的应用是我国新提出来 我们就无从参考国外的经验 必须自己踏踏实实的走一 遍可行性论证 研制周期较长 总结一下这四种方案的情况 见表 1 表1四种起动/发电系统总结 系统 国外情况 国内情况 三级式同步 电机系统 已在 F22 上服役 成熟 三级式同步机已在我国的恒速恒频飞机上服役 94 年三级式同步电机变速恒频(VSCF)电源系统在歼 8-3 上试飞成功 因此三级式同步机的高压直流电 流系统我国已具备装机条件 问题在 270V 直流电 源的配电和负载要相应改造 开关磁阻 电机系统 美国 85 年开始研究 2001 年在 JSF 新型联合攻击战斗机上中标 但尚 无正式装机记录 我国在 九五 规划中已立项 1998 年该系统南 航大和西工大同时获得部级科技进步二等奖 异步电机 系统 美国 85 年开始研究 1999 年在汽 车上得到应用 1998 年NASA 和Wiscontion 大学的 Lipo 教授 在IEEE 杂志和会议上一再强调该系 统在飞机上应用的可行性 1998 年南航大开始研究 2001 年获得国家自然科 学基金资助 电磁式双凸极 电机系统 在航空应用上的研究无纪录 1997 年南航大开始研究 3 评价电源系统性能优越的标准 (1) 对于大功率电源来讲 效率是第一个重要指标 对于一个 200KVA 的电源系统来 讲 如果效率低于 90% 将产生很可观的能量损耗 (2) 对飞机来讲 功率重量比和功率体积比是第二个重要指标 这个比要按整个电源系 统来计算 而不能只按系统中的某一部分来计算 (3) 动态指标 主要指供电间断时间或电压恢复时间 因为新型战机中有大量计算机控 制设备 计算机的供电间断时间不能太长 否则就要出现误动作 美军标根据实际的需要 给定在 40ms 以内 (4) 稳态指标 这是大家都熟悉的 就不多介绍 4 对发展我国航空电源系统的若干建议 从以上阐述和比较可以看到 我国和先进国家比较 航空电源系统还处于非常落后的 境地 要想尽快赶上和超过先进国家的水平 我们建议如下 (1) 在组织形式上 成立一个较长时期稳定 可做多方协调的领导班子 该班子的任务 是制定短长期研制计划 并经常监督重大项目的进程和进行多方协调 因为只有有这么一个较长时期的机构 它才会有一套长远的计划来实施 15-20 年的长 远预研任务 否则都会是短期行为 因为有这么一个有权威的领导 它才能担负起组织各 方案的比较 选择和拍板的任务 因为有这么一个有影响的领导 它才可能去和发动机 整机设计等重要单位去协调航空电源系统的共同设计问题 (2) 十一五 预研计划对每一个重要课题立项时 必须经过专家组的评审 应面对课 题组 不要面对单位 (3) 航空电源系统的发展采用两条腿走路的方针 一是改造现役电源系统 二是有计划 的研制新一代的高性能航空电源系统 新一代的高性能航空电源系统以 270V 高压直流起动 /发电系统为宜 (4) 在发展新一代的高性能航空电源系统时 又分两步走 第一步是在我国已有的变速 恒频电源系统 VSCF 基础上 减去逆变环节 用三级式同步电机实现只具发电功能的高 压直流电源系统 这是一个过渡系统 第二步 在进行第一步的同时 有计划地发展新型 的具有起动/发电双功能的 270V 高压 直流电源系统 (5) 目前国内外发展新型的具有起动/发电双功能的 270V 高压直流电源系统有三种 开 关磁阻电机系统 异步电机系统和电磁式双凸极电机系统 建议在 3-5 年内支持该三种系 统都研制一套中等功率 18KVA 的起动/发电装置 进行地面实验的比较 在领导机构和专 家组的认真工作下 科学地确认出我国发展的方案 避免各单位之间的争吵和被误导的危 险 参考文献 1 Elbuluk M E, Kankan M D. Potential Starter/Generator Technologies for Future Aerospace Applications IEEE AES Systems 1997 21(5) 24-31 2 Alan I, Lipo T A. Starter/generator employing resonant-converter-fed induction machine part :Analysis IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 2000 36 4 1309-1318. 3 Alan I, Lipo T A. Starter/generator employing resonant-converter-fed induction machine part :Hardware prototype IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 2000 36 4 1319-1329.