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摘要 本文通过回顾飞机电源系统的发展针对电源系统组成供电系统和配电系统，依次对电源系统28V直流电源系统、115V交流电源系统、270V高压直流电源系统和230V交流电源系统等进行介绍，其次对配电系统中常规式配电、遥控式配电和自动化配电的介绍，最后总结电源系统发展特点以及未来发展方向。

关键字： 电源系统 高压直流 变频交流 固态功率控制器

随着现代科学技术以及制造工艺技术的进步，飞机所具备的功能也愈加丰富，对飞机电源系统性能的要求也越来越高。飞机电源系统是为机上所有机载系统供应电能；如飞控系统、导航系统、机电系统等系统的正常工作，高品质的电源系统是必不可少的。

一、飞机电源系统

机上电源一般来自于两个部分，一部分也是主要部分为发动机传动带动发电机输出电源，再经由机上电源系统部件变压整流器或者自耦变压整流器转换为机上所需要的电源种类。另外一部分为机上蓄电池，蓄电池用于飞机在地面维护使用或者应急使用。

飞机电源系统一般由主电源、辅助电源、应急电源、二次电源及地面电源供电插座等构成。主电源是指飞机发动机直接或间接传动的发电系统，是机上全部用电设备的能量来源。应急电源有航空蓄电池和冲压空气涡轮发动机。它用于当飞行中全部主电源发生故障时，为机载用电设备提供电能的供电电源。应急电源容量较小，仅能保证提供飞机紧急返回基地或紧急着陆时重要机载用电设备工作所需的电能。 二次电源是用来变换主电源的电压、电流和频率的装置，如变压整流器、逆变器等，将主电源电能变换为另一种形式的电能，以满足机载用电设备对不同形式电能的要求。

飞机上电源系统分为供电系统和配电系统，供电系统主要指由发动机传动带动发电机发出的电能，直接为机上设备提供的电能；从汇流条传输到用电负载的部分，称为输配电系统，机上由于电能传输的路径短，一般将其输配电系统简称为配电系统。

二、供电系统

飞机供电系统一般指从飞机发动机直接传动所带动的发电机输出的电能，为了满足飞机不断增长的用电需求，一种途径就是采用增加单台发电机的容量;另外一种途径就是在飞机电源系统中采用多通道多台发电机并联技术，多台发电机在正常工作状态时，可以为各通道独立供电，在需要为大功率负载供电时，切换为并联供电模式。由航空发动机传动既可靠又经济，由多台发电机构成的飞机主电源则更为可靠。按照供电体制等级分为四类，分别为28V低压直流电源、115V/400Hz 恒频交流电源系统、115V变频交流电源 、270V高压直流电源和230V变频交流电源等。

2.1低压直流电源（LVDC）

28V低压直流电源（LVDC）是飞机上最早应用的电源，也是早期飞机主要使用的电源，其额定电压为28V。在早期主要是低空飞行且发电机功率较低的情况下低压直流电源系统是特别适合的电源系统。而且低压直流电源系统具有结构简单、性能稳定可靠和整体维护性好等优点，使其在当时得到了极大的应用和发展。

系统组成主要包括直流发电机、调压器、保护器和滤波器等，主电源为直流发电机及发电机控制器，直流发电机的转速随着发动机的变化而变化，直流发电机和电压调节器配合工作，通过检测调压点处的电压，改变发电机的励磁电流，使得发电机的的输出电压不会因为转速的变化而变化，使得发电机的输出电压为恒定的28V。二次电源有两类，为将28V直流电转变为高压或者更低压的直流变换器和将直流电变为交流电的变流器。应急电源主要为蓄电池，可作为起动发动机或辅助动力装置的电源，同时也可作为主电源失效情况下，保证飞机应急飞行的电源。

随着人类对飞机飞行任务要求的不断提高，高空飞行、高速飞行、复杂环境下快速改变飞行状态以及飞机机载用电设备的快速增加及其对供电质量性能要求的提高等因素使得 LVDC 电源系统不再满足需要[1]。其主要不足在于有刷直流发电机工作转速有限，电机最大功率受限。其二电源系统重量大，难以满足飞机发展对大电源容量、电源系统重量的需求。

2.2、交流电源系统

飞机交流电源系统主要包括恒频交流电源系统和变速变频交流电源系统。主要表现为电压等级（115V）和电源容量的提高，相较于低压直流电源系统，提高了电源系统的功率，减轻了电网的重量，电能质量和密度得到了极大提高。

2.2.1 恒频交流电源系统

恒频交流电源系统主要包括两个阶段的发展。最初为恒速恒频（CSCF）交流电源，恒速恒频交流电源系统是通过各种恒速传动装置（简称恒装）使发电机恒速运行以产生恒频交流电的系统，是目前应用最为广泛的一种飞机电源系统[2]。1946年美国发明了机械液压恒速传动装置，将发动机变化的转速转变为恒定的转速后传动交流发电机，可发出400Hz 115/200V交流电。20世纪70年代，出现恒速传动装置与发电机组合在同一壳体内，共用油源、油槽和散热器，称为组合传动装置（IDG）。

由于系统中的恒速传动装置为精密液压机械，生产制造苦难，使用维护也不方便。后随着电力电子器件的发展，变为变速恒频交流电源，变速恒频电源系统中交流发电机由飞机发动机直接驱动，发电机所输出的交流电的频率随发动机转速的变化而变化，通过功率变换器将变频交流电变换为400Hｚ恒频交流电。

2.2.2 变频交流电源系统

变频交流电源系统是一种频率为360-800Hz、电压为115V 的电源系统，具有结构简单、能量转换效率高、功率密度高等优点。

变频交流电源系统只有一次频率变换过程， 变频发电机（Variable Frequency Generator，VFG）直接由发动机附件传动机匣驱动，没有恒速传动装置（恒速恒频系统采用）和二次变换装置（变速恒频系统采用），显著简化了飞机主电源系统，使主电源的效率提高到90%左右[3]。主电源系统由变频发电机（VFG）和发电机控制器（GCU）两个主要部分组成 ，GCU实现VFG电压调节和过压保护功能。

不足之处由于其输出频率取决于发动机减速器输出转速，尤其是多数飞机均采用涡喷发动机或涡扇发动机，发动机转速变化范围大，它具有频率变化大的缺点，难以满足机载电子设备对供电品质的要求，其次变频交流供电系统的配电系统复杂，不能像直流电源系统那样实现并联运行，不间断供电。其发展曾一度受到了限制。但随着电力电子技术的发展和在飞机上的应用，变频交流电源系统更易于构成变频交流起动发电系统，因此，在最新研制的大型民用飞机上也得到了很好的应用，如Boeing787 飞机和 A380 飞机。

2.3、高压直流电源HVDC

随着飞机功能和技术的发展，飞机负载从线性负载变为非线性负载，同时飞机部分关键系统对电源系统的供电要求变为不中断供电，在此背景下，270V高压直流电源系统因易于实现余度供电及能够适应多种非线性负载等特点逐渐成飞机的为主电源。

270V高压直流电源的额定电压为 270V，是由270V直流供电系统和无刷直流电动机等用电设备构成。其中供电系统由270V直流电源系统和固态配电系统组成。高压直流电源系统的二次电源主要有两类：一类是直流变换器，实现 270V 直流电和 28V直流电的单向变换；另一类是直交变换器，将 270V 直流电转变为 400Hz、115V 单相或三相交流电。

270V高压直流电源系统主要特点：1）高压直流发电机结构简单、并联方便、功率密度高、转换效率高，如恒频恒速的电源效率一般在68%左右，高压直流电源效率高达85%或者以上；2）能够实现不间断供电；3） 电缆设计重量轻，整体电网质量轻；4） 能够满足大功率用电设备用电需求；5） 能够适应多种非线性负载。

美国第四代战斗机F-22是第一架装备了270V高压直流电源系统的飞机，主电源为两台65KW、270V的直流发电机。F－35 战斗机采用了 2×80kW 的 270VHVDC电源系统，如下图1所示.F-35搭载了一台两路独立输出的高压直流起动发电机，每路输出为80KW，应急电源为80 KW高压直流应急电源，二次电源部分则包含了两台4.5KVA容量的270V-28V DC/DC变换器和一台5.4KVA的270V DC-115V AC逆变器。机载设备多采270V高压直流直接驱动，还采用了电液作动器系统等典型的多电负载。

2.4 230V交流电源系统

230V交流电源系统的额定电压为变频230V交流电，变频电源具有与恒频电源相同的供电质量，体积重量有很大程度上的减小。并且，交流变频供电的效率得到很大程度的提升，最高可达到90%。

波音公司B787飞机其电源系统采用230V交流电源系统，额定功率为225KVA，四台发电机共计900KVA，其电网结构简图如下图 2 所示。B787主要由四台机载发电机提供电能，并且有 2 台辅助动力发电机，当出现紧急情况时，由辅助动力发电机进行供电。由主发电机产生的 230V 交流电接入 230V 交流汇流条，交流汇流条输出的 230V 交流电直接用来驱动油泵（PP）、机翼除冰装置（WIC）等 40 个负载。通过自耦变压整流单元 ATRU 将 230AC 转换成±270V 直流电，并将其接入±270 直流电汇流条，主要驱动电机控制类负载，大概有 12 个。同时，通过自动变压单元将 230V 交流电转换成 115V交流电，并接入 115V 交流汇流条，用来驱动负载电流大于 10A 的负载，大概数量为10个。115V交流汇流条还用来驱动远程电源管理系统。除此之外，230V 交流电还通过变压整流装置转变成28V 直流电用来驱动直流负载，如 DCFP、BPCU 和 GCU 等，约 150 个负载。

三、 配电系统

飞机配电系统是飞机供电系统的一个重要组成部分，由电网、配电装置和电网保护装置组成，其功能是实现电能的传输、分配和管理。按照控制方式划分主要常规式配电、遥控式配电和自动配电。

3.1 常规式配电

常规式配电系统是由机电式的接触器、继电器、断路器等配电设备，配电线缆需要从发电机铺设到驾驶舱，通过驾驶舱的控制、保护开关，再传输到各机载用电设备。因此其主馈电线长而且重，需要大量的断路器开关和指示灯，使得飞机驾驶舱内十分拥挤，给维护和检修工作带来很大困难。

在早期飞机和小飞机上，由于机载负载较少，常规式配电能够满足使用需求。有研究表明，驾驶舱的用电量通常仅占飞机总用电量的25%左右[6]，因此该种配电分布方式极不合理，会导致飞机供配电电缆重量较大，利用效率较低。

3.2 遥控式配电

遥控配电系统采用对不用于座舱部分的电力进行遥控的方法，配电中心位于机身中部，采用远程控制断路器（RCCB）来转换负载和配电线，通过两根信号线与驾驶舱控制面板上的指示、控制装置连接，无需将远端负载的配电线再连接至驾驶舱。由于大部分电力线缆不需要敷设到驾驶舱，因而可大大减轻电网重量[7]。

遥控配电系统是一种集中式的结构，所需的信号线数量和长度大大增加，同时系统大多仅具有负载的远程控制功能，不具有电气负载的自动管理功能，仍需由飞行员手动操纵各电气负载的工作，配电效率比较低，整个配电系统仍需要大量的断路器，断路器的机械特征限制了该种配电系统在更加复杂系统中的应用。

3.3 自动配电（B787）

自动配电系统采取分布式自动配电和负载自动管理的技术，利用计算机、数据总线和固态控制技术，根据飞机的飞行阶段和电源系统的供电状态，对飞机电气负载进行自动管理，能够根据飞机发电容量的大小，供电系统的完好程度以及飞机不同飞行阶段自动地断开和接通用电设备，使系统具有重构的能力，从而保证飞行和任务关键负载的可靠供电。

自动配电系统中电气负载不用直接连接在汇流条上，而是连接至负载管理中心，由负载管理中心的固态功率控制器根据接收的数据总线指令，控制各电气负载的通、断以及过载保护，由于采用了分布式配电设计，配电线缆的数量和重量显著减少，配电系统的信号传输通道由数据总线网络代替了远程配电系统中的独立控制信号线，其效率、可靠性和信息集成度大大的提高了。不足之处在于系统出现故障时，应采取措施明确故障现象的一致性，防止出现误告警或虚告警。

四、总结及展望

通过对飞机电源系统发展情况的梳理，供电系统所呈现的是随着技术的发展交流主电源系统和直流主电源系统交替作为主要供电体制，电压等级随着技术发展不断提高，从直流28V、到交流115V，再到直流270V、交流230V到等，电源系统总体的电源容量也逐步增加；其次飞机配电系统经过常规配电、遥控式配电及自动配电等阶段的发展，不断朝着控制智能化、数据总线化的发展特征。

参考文献

1、于新红.飞机电源系统建模仿真及实验平台研制.[D].南昌航空大学.2015

2、程国华.大型民用飞机电源系统的现状与发展.[J]. 民用飞机设计与研究.2008.04

3、万伟悦、严仰光.现代飞机电源系统及其发展.[J]. 黑龙江科技信息.2011.03

4、张卓然、许彦武、于立等.多电飞机高压直流并联供电系统发展现状与关键技术[J]，航空学报，2021.42（6）

5、吴雄林，多电飞机供电控制系统仿真研究，南京航空航天大学，2015.03

6、冯建朝，民用飞机配电系统的研究（J）测控技术.2012.12

7、姜忠山.分布式环形飞机配电系统设计 （J）电子设计工程.2010.09