新型民用飞机短舱防冰、反推及飞控综合供电方法浅析

孙善民

【摘 要】本文提出了设计一套由发动机驱动，并独立于飞机原有供电电网的发电系统和飞机原有电网，向飞机短舱防冰系统、飞控系统和发动机反推力系统综合供电方法，并给出供电方案和权衡分析。

【关键词】供电系统；变频交流发电机；永磁发电机；电防冰；试航取证

【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

适航条例CCAR/FAR/CS25部第1093 和1419 条款对短舱防冰提出了要求，发动机短舱可以采用电热或者热气的方式进行防冰，从而保证飞机安全飞行和着陆的要求，其中大型喷气式民用客机基本上都采用了热气防冰设计，技术成熟。而现役的大型民用飞机的短舱均没有采用电防冰系统进行除冰，电防冰系统具有构型简单，热效率高等特点，随着多电飞机的发展，短舱电防冰是发展趋势。

适航条例CCAR/FAR/CS25部第1351条款专用条件对飞控操纵提出了要求，考虑到飞控系统的供电安全性需求，可能需要提供独立于飞机原有电源系统的备份供电系统。

适航条例CCAR/FAR/CS25部第933条款对飞机反推力系统提出了要求，目前，发动机反推力系统可以采用液压或者电源供电的方式提供动力，从而保证飞机安全飞行和着陆的要求。考虑到飞机供电系统有多套供电电源，具有可冗余供电，通道隔离，可靠性较高等特点，并且是飞机的二次能源，环保性好，故电源系统取代液压能源向反推供电是发展趋势。

综上所述，本文将提出设计一套由发动机驱动，并独立于飞机原有供电电网的发电系统和飞机原有电网，向飞机短舱防冰系统、飞控系统和发动机反推力系统综合供电方法。

1 短舱防冰、反推、飞控综合供电方案设计

本文对发动机短舱电防冰（ENAI）、电反推（ETRAS）及飞控（FCS）用电设备的综合供电进行了如下方案设计和权衡分析。

1.1 综合供电系统方案设计及分析

供电电源主要包括变频交流发电机（VFG，飞机电源）和发动机驱动的专用永磁发电机（PMG），表1提供了3种综合供电构型。

表1 综合供电构型

1.1.1 构型1供电方案

ENAI由专用永磁发电机PMG1供电，ETRAS由飞机电网（VFG）供电，飞控系统由专用永磁发电机PMG2供电，三者的供电电源相互独立，供电架构如图1所示。

图1 构型1供电架构

分别从用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标对供电方案进行分析，详见表2。

表2 构型1供电方案分析

1.1.2 构型2供电方案分析

ENAI由专用永磁发电机PMG1供电，同时由飞机电网提供备份电源，ETRAS由飞机电网（VFG）供电，飞控系统由专用永磁发电机PMG2供电，三者的供电电源相互独立，供电架构如图2所示。

图 2 构型2供电架构

分别从用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标对供电方案进行分析，详见表3。

表3 构型2供电方案分析

1.1.3 构型3供电方案分析

ENAI和ETRAS由飞机电网供电，飞控系统由专用永磁发电机PMG供电，飞机电网和PMG供电电源相互独立，供电架构如图3所示。

分别从用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标对供电方案进行分析，详见表4。

针对上述3种供电方案的分析，实际机型的供电设计需要综合考虑用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标进行权衡与选择。

2 基于Saber模型的电防冰供电仿真分析

考虑到短舱电防冰脉冲负载可以影响飞机电网的电源品质，下面将对构型2供电方案中短舱电防冰供电进行saber仿真和分析。

2.1 saber仿真模型搭建

图4 电防冰仿真试验模型

该仿真试验采用120kVA变频发电机（VFG）、发电机接触器（GC），短舱电防冰Saber模型，120kVA变频发电机输出端接有80kVA、功率因数为0.9（滞后）的三相负载和电防冰负载，该仿真模型也考虑了发电机主馈线电阻和电感影响因素。仿真模型原理框图如图4所示。

2.2 仿真结果及分析

设置发电机仿真频率点分别为380Hz，400Hz和700Hz，对VFG输出电压进行仿真，图5至图7给出了短舱电防冰从飞机电网取电时，变频供电系统调压点处的电压波形。

图5 380Hz时的调压点A相稳态电压波形

图6 400Hz时的调压点A相稳态电压波形

根据表5和表6中短舱防冰从飞机电网取电时所反映出的电能品质参数特性，表明飞机电网的电能品质参数超标较为严重，影响了飞机电网的电能品质。

图7 700Hz时的调压点A相稳态电压波形

表5 短舱防冰从飞机电网取电仿真直流分量分析

表6 短舱防冰从飞机电网取电仿真谐波分析

3 结语

目前，随着多电飞机的发展，作为飞机二次能源的电源系统的供电技术比较成熟，可靠，表明飞机短舱防冰、反推及飞控系统集成供电将具有可行性。

【参考文献】

[1]MIL-STD-704E.Aircraft Electric Power Characteristics[S].

[责任编辑：杨玉洁]

【摘 要】本文提出了设计一套由发动机驱动，并独立于飞机原有供电电网的发电系统和飞机原有电网，向飞机短舱防冰系统、飞控系统和发动机反推力系统综合供电方法，并给出供电方案和权衡分析。

【关键词】供电系统；变频交流发电机；永磁发电机；电防冰；试航取证

【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

适航条例CCAR/FAR/CS25部第1093 和1419 条款对短舱防冰提出了要求，发动机短舱可以采用电热或者热气的方式进行防冰，从而保证飞机安全飞行和着陆的要求，其中大型喷气式民用客机基本上都采用了热气防冰设计，技术成熟。而现役的大型民用飞机的短舱均没有采用电防冰系统进行除冰，电防冰系统具有构型简单，热效率高等特点，随着多电飞机的发展，短舱电防冰是发展趋势。

适航条例CCAR/FAR/CS25部第1351条款专用条件对飞控操纵提出了要求，考虑到飞控系统的供电安全性需求，可能需要提供独立于飞机原有电源系统的备份供电系统。

适航条例CCAR/FAR/CS25部第933条款对飞机反推力系统提出了要求，目前，发动机反推力系统可以采用液压或者电源供电的方式提供动力，从而保证飞机安全飞行和着陆的要求。考虑到飞机供电系统有多套供电电源，具有可冗余供电，通道隔离，可靠性较高等特点，并且是飞机的二次能源，环保性好，故电源系统取代液压能源向反推供电是发展趋势。

综上所述，本文将提出设计一套由发动机驱动，并独立于飞机原有供电电网的发电系统和飞机原有电网，向飞机短舱防冰系统、飞控系统和发动机反推力系统综合供电方法。

1 短舱防冰、反推、飞控综合供电方案设计

本文对发动机短舱电防冰（ENAI）、电反推（ETRAS）及飞控（FCS）用电设备的综合供电进行了如下方案设计和权衡分析。

1.1 综合供电系统方案设计及分析

供电电源主要包括变频交流发电机（VFG，飞机电源）和发动机驱动的专用永磁发电机（PMG），表1提供了3种综合供电构型。

表1 综合供电构型

1.1.1 构型1供电方案

ENAI由专用永磁发电机PMG1供电，ETRAS由飞机电网（VFG）供电，飞控系统由专用永磁发电机PMG2供电，三者的供电电源相互独立，供电架构如图1所示。

图1 构型1供电架构

分别从用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标对供电方案进行分析，详见表2。

表2 构型1供电方案分析

1.1.2 构型2供电方案分析

ENAI由专用永磁发电机PMG1供电，同时由飞机电网提供备份电源，ETRAS由飞机电网（VFG）供电，飞控系统由专用永磁发电机PMG2供电，三者的供电电源相互独立，供电架构如图2所示。

图 2 构型2供电架构

分别从用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标对供电方案进行分析，详见表3。

表3 构型2供电方案分析

1.1.3 构型3供电方案分析

ENAI和ETRAS由飞机电网供电，飞控系统由专用永磁发电机PMG供电，飞机电网和PMG供电电源相互独立，供电架构如图3所示。

分别从用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标对供电方案进行分析，详见表4。

针对上述3种供电方案的分析，实际机型的供电设计需要综合考虑用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标进行权衡与选择。

2 基于Saber模型的电防冰供电仿真分析

考虑到短舱电防冰脉冲负载可以影响飞机电网的电源品质，下面将对构型2供电方案中短舱电防冰供电进行saber仿真和分析。

2.1 saber仿真模型搭建

图4 电防冰仿真试验模型

该仿真试验采用120kVA变频发电机（VFG）、发电机接触器（GC），短舱电防冰Saber模型，120kVA变频发电机输出端接有80kVA、功率因数为0.9（滞后）的三相负载和电防冰负载，该仿真模型也考虑了发电机主馈线电阻和电感影响因素。仿真模型原理框图如图4所示。

2.2 仿真结果及分析

设置发电机仿真频率点分别为380Hz，400Hz和700Hz，对VFG输出电压进行仿真，图5至图7给出了短舱电防冰从飞机电网取电时，变频供电系统调压点处的电压波形。

图5 380Hz时的调压点A相稳态电压波形

图6 400Hz时的调压点A相稳态电压波形

根据表5和表6中短舱防冰从飞机电网取电时所反映出的电能品质参数特性，表明飞机电网的电能品质参数超标较为严重，影响了飞机电网的电能品质。

图7 700Hz时的调压点A相稳态电压波形

表5 短舱防冰从飞机电网取电仿真直流分量分析

表6 短舱防冰从飞机电网取电仿真谐波分析

3 结语

目前，随着多电飞机的发展，作为飞机二次能源的电源系统的供电技术比较成熟，可靠，表明飞机短舱防冰、反推及飞控系统集成供电将具有可行性。

【参考文献】

[1]MIL-STD-704E.Aircraft Electric Power Characteristics[S].

[责任编辑：杨玉洁]

【摘 要】本文提出了设计一套由发动机驱动，并独立于飞机原有供电电网的发电系统和飞机原有电网，向飞机短舱防冰系统、飞控系统和发动机反推力系统综合供电方法，并给出供电方案和权衡分析。

【关键词】供电系统；变频交流发电机；永磁发电机；电防冰；试航取证

【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

适航条例CCAR/FAR/CS25部第1093 和1419 条款对短舱防冰提出了要求，发动机短舱可以采用电热或者热气的方式进行防冰，从而保证飞机安全飞行和着陆的要求，其中大型喷气式民用客机基本上都采用了热气防冰设计，技术成熟。而现役的大型民用飞机的短舱均没有采用电防冰系统进行除冰，电防冰系统具有构型简单，热效率高等特点，随着多电飞机的发展，短舱电防冰是发展趋势。

适航条例CCAR/FAR/CS25部第1351条款专用条件对飞控操纵提出了要求，考虑到飞控系统的供电安全性需求，可能需要提供独立于飞机原有电源系统的备份供电系统。

适航条例CCAR/FAR/CS25部第933条款对飞机反推力系统提出了要求，目前，发动机反推力系统可以采用液压或者电源供电的方式提供动力，从而保证飞机安全飞行和着陆的要求。考虑到飞机供电系统有多套供电电源，具有可冗余供电，通道隔离，可靠性较高等特点，并且是飞机的二次能源，环保性好，故电源系统取代液压能源向反推供电是发展趋势。

综上所述，本文将提出设计一套由发动机驱动，并独立于飞机原有供电电网的发电系统和飞机原有电网，向飞机短舱防冰系统、飞控系统和发动机反推力系统综合供电方法。

1 短舱防冰、反推、飞控综合供电方案设计

本文对发动机短舱电防冰（ENAI）、电反推（ETRAS）及飞控（FCS）用电设备的综合供电进行了如下方案设计和权衡分析。

1.1 综合供电系统方案设计及分析

供电电源主要包括变频交流发电机（VFG，飞机电源）和发动机驱动的专用永磁发电机（PMG），表1提供了3种综合供电构型。

表1 综合供电构型

1.1.1 构型1供电方案

ENAI由专用永磁发电机PMG1供电，ETRAS由飞机电网（VFG）供电，飞控系统由专用永磁发电机PMG2供电，三者的供电电源相互独立，供电架构如图1所示。

图1 构型1供电架构

分别从用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标对供电方案进行分析，详见表2。

表2 构型1供电方案分析

1.1.2 构型2供电方案分析

ENAI由专用永磁发电机PMG1供电，同时由飞机电网提供备份电源，ETRAS由飞机电网（VFG）供电，飞控系统由专用永磁发电机PMG2供电，三者的供电电源相互独立，供电架构如图2所示。

图 2 构型2供电架构

分别从用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标对供电方案进行分析，详见表3。

表3 构型2供电方案分析

1.1.3 构型3供电方案分析

ENAI和ETRAS由飞机电网供电，飞控系统由专用永磁发电机PMG供电，飞机电网和PMG供电电源相互独立，供电架构如图3所示。

分别从用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标对供电方案进行分析，详见表4。

针对上述3种供电方案的分析，实际机型的供电设计需要综合考虑用电需求、电能品质、安装、重量、可靠性和试航取证风险等指标进行权衡与选择。

2 基于Saber模型的电防冰供电仿真分析

考虑到短舱电防冰脉冲负载可以影响飞机电网的电源品质，下面将对构型2供电方案中短舱电防冰供电进行saber仿真和分析。

2.1 saber仿真模型搭建

图4 电防冰仿真试验模型

该仿真试验采用120kVA变频发电机（VFG）、发电机接触器（GC），短舱电防冰Saber模型，120kVA变频发电机输出端接有80kVA、功率因数为0.9（滞后）的三相负载和电防冰负载，该仿真模型也考虑了发电机主馈线电阻和电感影响因素。仿真模型原理框图如图4所示。

2.2 仿真结果及分析

设置发电机仿真频率点分别为380Hz，400Hz和700Hz，对VFG输出电压进行仿真，图5至图7给出了短舱电防冰从飞机电网取电时，变频供电系统调压点处的电压波形。

图5 380Hz时的调压点A相稳态电压波形

图6 400Hz时的调压点A相稳态电压波形

根据表5和表6中短舱防冰从飞机电网取电时所反映出的电能品质参数特性，表明飞机电网的电能品质参数超标较为严重，影响了飞机电网的电能品质。

图7 700Hz时的调压点A相稳态电压波形

表5 短舱防冰从飞机电网取电仿真直流分量分析

表6 短舱防冰从飞机电网取电仿真谐波分析

3 结语

目前，随着多电飞机的发展，作为飞机二次能源的电源系统的供电技术比较成熟，可靠，表明飞机短舱防冰、反推及飞控系统集成供电将具有可行性。

【参考文献】

[1]MIL-STD-704E.Aircraft Electric Power Characteristics[S].

[责任编辑：杨玉洁]