新型民用飛機短艙防冰、反推及飛控綜合供電方法淺析
2014-08-12 21:11:22孫善民
科技視界 2014年19期
孫善民
【摘 要】本文提出了設計一套由發動機驅動，并獨立于飛機原有供電電網的發電系統和飛機原有電網，向飛機短艙防冰系統、飛控系統和發動機反推力系統綜合供電方法，并給出供電方案和權衡分析。
【關鍵詞】供電系統；變頻交流發電機；永磁發電機；電防冰；試航取證
【Abstract】This paper presents a design driven by the engine， and is independent of the existing aircraft electrical power system and aircraft original electrical power system to the aircraft nacelle anti-ice systems， flight control system and engine thrust reverser system integrated power supply method， and gives supply scheme and tradeoff analysis.
【Key words】Electrical power system； Variable frequency AC generator； Permanent magnet generator； Electric anti-icing； Airworthiness certification
0 前言
適航條例CCAR/FAR/CS25部第1093 和1419 條款對短艙防冰提出了要求，發動機短艙可以采用電熱或者熱氣的方式進行防冰，從而保證飛機安全飛行和著陸的要求，其中大型噴氣式民用客機基本上都采用了熱氣防冰設計，技術成熟。而現役的大型民用飛機的短艙均沒有采用電防冰系統進行除冰，電防冰系統具有構型簡單，熱效率高等特點，隨著多電飛機的發展，短艙電防冰是發展趨勢。
適航條例CCAR/FAR/CS25部第1351條款專用條件對飛控操縱提出了要求，考慮到飛控系統的供電安全性需求，可能需要提供獨立于飛機原有電源系統的備份供電系統。
適航條例CCAR/FAR/CS25部第933條款對飛機反推力系統提出了要求，目前，發動機反推力系統可以采用液壓或者電源供電的方式提供動力，從而保證飛機安全飛行和著陸的要求。考慮到飛機供電系統有多套供電電源，具有可冗余供電，通道隔離，可靠性較高等特點，并且是飛機的二次能源，環保性好，故電源系統取代液壓能源向反推供電是發展趨勢。
綜上所述，本文將提出設計一套由發動機驅動，并獨立于飛機原有供電電網的發電系統和飛機原有電網，向飛機短艙防冰系統、飛控系統和發動機反推力系統綜合供電方法。
1 短艙防冰、反推、飛控綜合供電方案設計
本文對發動機短艙電防冰（ENAI）、電反推（ETRAS）及飛控（FCS）用電設備的綜合供電進行了如下方案設計和權衡分析。
1.1 綜合供電系統方案設計及分析
供電電源主要包括變頻交流發電機（VFG，飛機電源）和發動機驅動的專用永磁發電機（PMG），表1提供了3種綜合供電構型。
表1 綜合供電構型
1.1.1 構型1供電方案
ENAI由專用永磁發電機PMG1供電，ETRAS由飛機電網（VFG）供電，飛控系統由專用永磁發電機PMG2供電，三者的供電電源相互獨立，供電架構如圖1所示。
圖1 構型1供電架構
分別從用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標對供電方案進行分析，詳見表2。
表2 構型1供電方案分析
1.1.2 構型2供電方案分析
ENAI由專用永磁發電機PMG1供電，同時由飛機電網提供備份電源，ETRAS由飛機電網（VFG）供電，飛控系統由專用永磁發電機PMG2供電，三者的供電電源相互獨立，供電架構如圖2所示。
圖 2 構型2供電架構
分別從用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標對供電方案進行分析，詳見表3。
表3 構型2供電方案分析
1.1.3 構型3供電方案分析
ENAI和ETRAS由飛機電網供電，飛控系統由專用永磁發電機PMG供電，飛機電網和PMG供電電源相互獨立，供電架構如圖3所示。
分別從用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標對供電方案進行分析，詳見表4。
針對上述3種供電方案的分析，實際機型的供電設計需要綜合考慮用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標進行權衡與選擇。
2 基于Saber模型的電防冰供電仿真分析
考慮到短艙電防冰脈沖負載可以影響飛機電網的電源品質，下面將對構型2供電方案中短艙電防冰供電進行saber仿真和分析。
2.1 saber仿真模型搭建
圖4 電防冰仿真試驗模型
該仿真試驗采用120kVA變頻發電機（VFG）、發電機接觸器（GC），短艙電防冰Saber模型，120kVA變頻發電機輸出端接有80kVA、功率因數為0.9（滯后）的三相負載和電防冰負載，該仿真模型也考慮了發電機主饋線電阻和電感影響因素。仿真模型原理框圖如圖4所示。
2.2 仿真結果及分析
設置發電機仿真頻率點分別為380Hz，400Hz和700Hz，對VFG輸出電壓進行仿真，圖5至圖7給出了短艙電防冰從飛機電網取電時，變頻供電系統調壓點處的電壓波形。
圖5 380Hz時的調壓點A相穩態電壓波形
圖6 400Hz時的調壓點A相穩態電壓波形
根據表5和表6中短艙防冰從飛機電網取電時所反映出的電能品質參數特性，表明飛機電網的電能品質參數超標較為嚴重，影響了飛機電網的電能品質。
圖7 700Hz時的調壓點A相穩態電壓波形
表5 短艙防冰從飛機電網取電仿真直流分量分析
表6 短艙防冰從飛機電網取電仿真諧波分析
3 結語
目前，隨著多電飛機的發展，作為飛機二次能源的電源系統的供電技術比較成熟，可靠，表明飛機短艙防冰、反推及飛控系統集成供電將具有可行性。
【參考文獻】
[1]MIL-STD-704E.Aircraft Electric Power Characteristics[S].
[責任編輯：楊玉潔]
【摘 要】本文提出了設計一套由發動機驅動，并獨立于飛機原有供電電網的發電系統和飛機原有電網，向飛機短艙防冰系統、飛控系統和發動機反推力系統綜合供電方法，并給出供電方案和權衡分析。
【關鍵詞】供電系統；變頻交流發電機；永磁發電機；電防冰；試航取證
【Abstract】This paper presents a design driven by the engine， and is independent of the existing aircraft electrical power system and aircraft original electrical power system to the aircraft nacelle anti-ice systems， flight control system and engine thrust reverser system integrated power supply method， and gives supply scheme and tradeoff analysis.
【Key words】Electrical power system； Variable frequency AC generator； Permanent magnet generator； Electric anti-icing； Airworthiness certification
0 前言
適航條例CCAR/FAR/CS25部第1093 和1419 條款對短艙防冰提出了要求，發動機短艙可以采用電熱或者熱氣的方式進行防冰，從而保證飛機安全飛行和著陸的要求，其中大型噴氣式民用客機基本上都采用了熱氣防冰設計，技術成熟。而現役的大型民用飛機的短艙均沒有采用電防冰系統進行除冰，電防冰系統具有構型簡單，熱效率高等特點，隨著多電飛機的發展，短艙電防冰是發展趨勢。
適航條例CCAR/FAR/CS25部第1351條款專用條件對飛控操縱提出了要求，考慮到飛控系統的供電安全性需求，可能需要提供獨立于飛機原有電源系統的備份供電系統。
適航條例CCAR/FAR/CS25部第933條款對飛機反推力系統提出了要求，目前，發動機反推力系統可以采用液壓或者電源供電的方式提供動力，從而保證飛機安全飛行和著陸的要求。考慮到飛機供電系統有多套供電電源，具有可冗余供電，通道隔離，可靠性較高等特點，并且是飛機的二次能源，環保性好，故電源系統取代液壓能源向反推供電是發展趨勢。
綜上所述，本文將提出設計一套由發動機驅動，并獨立于飛機原有供電電網的發電系統和飛機原有電網，向飛機短艙防冰系統、飛控系統和發動機反推力系統綜合供電方法。
1 短艙防冰、反推、飛控綜合供電方案設計
本文對發動機短艙電防冰（ENAI）、電反推（ETRAS）及飛控（FCS）用電設備的綜合供電進行了如下方案設計和權衡分析。
1.1 綜合供電系統方案設計及分析
供電電源主要包括變頻交流發電機（VFG，飛機電源）和發動機驅動的專用永磁發電機（PMG），表1提供了3種綜合供電構型。
表1 綜合供電構型
1.1.1 構型1供電方案
ENAI由專用永磁發電機PMG1供電，ETRAS由飛機電網（VFG）供電，飛控系統由專用永磁發電機PMG2供電，三者的供電電源相互獨立，供電架構如圖1所示。
圖1 構型1供電架構
分別從用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標對供電方案進行分析，詳見表2。
表2 構型1供電方案分析
1.1.2 構型2供電方案分析
ENAI由專用永磁發電機PMG1供電，同時由飛機電網提供備份電源，ETRAS由飛機電網（VFG）供電，飛控系統由專用永磁發電機PMG2供電，三者的供電電源相互獨立，供電架構如圖2所示。
圖 2 構型2供電架構
分別從用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標對供電方案進行分析，詳見表3。
表3 構型2供電方案分析
1.1.3 構型3供電方案分析
ENAI和ETRAS由飛機電網供電，飛控系統由專用永磁發電機PMG供電，飛機電網和PMG供電電源相互獨立，供電架構如圖3所示。
分別從用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標對供電方案進行分析，詳見表4。
針對上述3種供電方案的分析，實際機型的供電設計需要綜合考慮用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標進行權衡與選擇。
2 基于Saber模型的電防冰供電仿真分析
考慮到短艙電防冰脈沖負載可以影響飛機電網的電源品質，下面將對構型2供電方案中短艙電防冰供電進行saber仿真和分析。
2.1 saber仿真模型搭建
圖4 電防冰仿真試驗模型
該仿真試驗采用120kVA變頻發電機（VFG）、發電機接觸器（GC），短艙電防冰Saber模型，120kVA變頻發電機輸出端接有80kVA、功率因數為0.9（滯后）的三相負載和電防冰負載，該仿真模型也考慮了發電機主饋線電阻和電感影響因素。仿真模型原理框圖如圖4所示。
2.2 仿真結果及分析
設置發電機仿真頻率點分別為380Hz，400Hz和700Hz，對VFG輸出電壓進行仿真，圖5至圖7給出了短艙電防冰從飛機電網取電時，變頻供電系統調壓點處的電壓波形。
圖5 380Hz時的調壓點A相穩態電壓波形
圖6 400Hz時的調壓點A相穩態電壓波形
根據表5和表6中短艙防冰從飛機電網取電時所反映出的電能品質參數特性，表明飛機電網的電能品質參數超標較為嚴重，影響了飛機電網的電能品質。
圖7 700Hz時的調壓點A相穩態電壓波形
表5 短艙防冰從飛機電網取電仿真直流分量分析
表6 短艙防冰從飛機電網取電仿真諧波分析
3 結語
目前，隨著多電飛機的發展，作為飛機二次能源的電源系統的供電技術比較成熟，可靠，表明飛機短艙防冰、反推及飛控系統集成供電將具有可行性。
【參考文獻】
[1]MIL-STD-704E.Aircraft Electric Power Characteristics[S].
[責任編輯：楊玉潔]
【摘 要】本文提出了設計一套由發動機驅動，并獨立于飛機原有供電電網的發電系統和飛機原有電網，向飛機短艙防冰系統、飛控系統和發動機反推力系統綜合供電方法，并給出供電方案和權衡分析。
【關鍵詞】供電系統；變頻交流發電機；永磁發電機；電防冰；試航取證
【Abstract】This paper presents a design driven by the engine， and is independent of the existing aircraft electrical power system and aircraft original electrical power system to the aircraft nacelle anti-ice systems， flight control system and engine thrust reverser system integrated power supply method， and gives supply scheme and tradeoff analysis.
【Key words】Electrical power system； Variable frequency AC generator； Permanent magnet generator； Electric anti-icing； Airworthiness certification
0 前言
適航條例CCAR/FAR/CS25部第1093 和1419 條款對短艙防冰提出了要求，發動機短艙可以采用電熱或者熱氣的方式進行防冰，從而保證飛機安全飛行和著陸的要求，其中大型噴氣式民用客機基本上都采用了熱氣防冰設計，技術成熟。而現役的大型民用飛機的短艙均沒有采用電防冰系統進行除冰，電防冰系統具有構型簡單，熱效率高等特點，隨著多電飛機的發展，短艙電防冰是發展趨勢。
適航條例CCAR/FAR/CS25部第1351條款專用條件對飛控操縱提出了要求，考慮到飛控系統的供電安全性需求，可能需要提供獨立于飛機原有電源系統的備份供電系統。
適航條例CCAR/FAR/CS25部第933條款對飛機反推力系統提出了要求，目前，發動機反推力系統可以采用液壓或者電源供電的方式提供動力，從而保證飛機安全飛行和著陸的要求。考慮到飛機供電系統有多套供電電源，具有可冗余供電，通道隔離，可靠性較高等特點，并且是飛機的二次能源，環保性好，故電源系統取代液壓能源向反推供電是發展趨勢。
綜上所述，本文將提出設計一套由發動機驅動，并獨立于飛機原有供電電網的發電系統和飛機原有電網，向飛機短艙防冰系統、飛控系統和發動機反推力系統綜合供電方法。
1 短艙防冰、反推、飛控綜合供電方案設計
本文對發動機短艙電防冰（ENAI）、電反推（ETRAS）及飛控（FCS）用電設備的綜合供電進行了如下方案設計和權衡分析。
1.1 綜合供電系統方案設計及分析
供電電源主要包括變頻交流發電機（VFG，飛機電源）和發動機驅動的專用永磁發電機（PMG），表1提供了3種綜合供電構型。
表1 綜合供電構型
1.1.1 構型1供電方案
ENAI由專用永磁發電機PMG1供電，ETRAS由飛機電網（VFG）供電，飛控系統由專用永磁發電機PMG2供電，三者的供電電源相互獨立，供電架構如圖1所示。
圖1 構型1供電架構
分別從用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標對供電方案進行分析，詳見表2。
表2 構型1供電方案分析
1.1.2 構型2供電方案分析
ENAI由專用永磁發電機PMG1供電，同時由飛機電網提供備份電源，ETRAS由飛機電網（VFG）供電，飛控系統由專用永磁發電機PMG2供電，三者的供電電源相互獨立，供電架構如圖2所示。
圖 2 構型2供電架構
分別從用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標對供電方案進行分析，詳見表3。
表3 構型2供電方案分析
1.1.3 構型3供電方案分析
ENAI和ETRAS由飛機電網供電，飛控系統由專用永磁發電機PMG供電，飛機電網和PMG供電電源相互獨立，供電架構如圖3所示。
分別從用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標對供電方案進行分析，詳見表4。
針對上述3種供電方案的分析，實際機型的供電設計需要綜合考慮用電需求、電能品質、安裝、重量、可靠性和試航取證風險等指標進行權衡與選擇。
2 基于Saber模型的電防冰供電仿真分析
考慮到短艙電防冰脈沖負載可以影響飛機電網的電源品質，下面將對構型2供電方案中短艙電防冰供電進行saber仿真和分析。
2.1 saber仿真模型搭建
圖4 電防冰仿真試驗模型
該仿真試驗采用120kVA變頻發電機（VFG）、發電機接觸器（GC），短艙電防冰Saber模型，120kVA變頻發電機輸出端接有80kVA、功率因數為0.9（滯后）的三相負載和電防冰負載，該仿真模型也考慮了發電機主饋線電阻和電感影響因素。仿真模型原理框圖如圖4所示。
2.2 仿真結果及分析
設置發電機仿真頻率點分別為380Hz，400Hz和700Hz，對VFG輸出電壓進行仿真，圖5至圖7給出了短艙電防冰從飛機電網取電時，變頻供電系統調壓點處的電壓波形。
圖5 380Hz時的調壓點A相穩態電壓波形
圖6 400Hz時的調壓點A相穩態電壓波形
根據表5和表6中短艙防冰從飛機電網取電時所反映出的電能品質參數特性，表明飛機電網的電能品質參數超標較為嚴重，影響了飛機電網的電能品質。
圖7 700Hz時的調壓點A相穩態電壓波形
表5 短艙防冰從飛機電網取電仿真直流分量分析
表6 短艙防冰從飛機電網取電仿真諧波分析
3 結語
目前，隨著多電飛機的發展，作為飛機二次能源的電源系統的供電技術比較成熟，可靠，表明飛機短艙防冰、反推及飛控系統集成供電將具有可行性。
【參考文獻】
[1]MIL-STD-704E.Aircraft Electric Power Characteristics[S].
[責任編輯：楊玉潔]
