MEA总复习

MEA总复习

多电飞机

传统飞机包括几种能源：

  • 电力：航电系统（avionics），乘员（灯光，厨房 galley，娱乐 entertainment等），航行灯、风扇、泵
  • 气动 pneumatic：舱室加压，空调，防冰
  • 液压 hydraulic：飞行控制面作动，起落架收放、操纵，刹车，门
  • 机械：发动机燃油泵

其劣势包括：系统复杂度高，重量大，维护和运营成本高；

从发动机引气（发动机产生的高温、高压的压缩空气，给上述气动系统），效率低、浪费功率（减少产生推力的核心气流量），需要增加燃油流量、导致温度上升（为维持推力，需要燃烧更多燃油，且燃烧室、发动机整体工作温度因为额外做功，有所上升）；

为发电、液压泵等提取轴功率时，需要涡轮在给定转速下做额外的功（对轴产生负载），这要求提高涡轮进口温度（让驱动涡轮的燃气拥有更高的能量）。

多电飞机的目的是“消灭”（eradicate）气动、液压、机械能源，即把所有非推进用的能源全部用电力。

image​

image

飞机采用更多电力的好处：

  • 减重：不用液压油，因此比液压系统轻
  • 易维护：电气系统比气动、液压、机械系统，能更快且更方便地更换，因而大大缩短了航班延误时间
  • 提高发动机效率：不用从发动机引气，采用电力防冰措施
    不过，虽然电力防冰措施（在发动机、机翼的外表面安装电加热垫）能直接提高发动机效率，但这导致机载用电需求大幅增加，一定程度上加重发动机负荷。
  • 减少在地面使用发动机：传统飞机地面滑行的时候需要使用主引擎，由于气流速度低、功率需求远低于巡航设计点，其效率很低；
    绿色滑行技术使用连接到起落架的电机，在地面驱动飞机，降低了地面噪音、燃油消耗、CO2排放。
  • 可控性：电气系统对电力需求变化的响应速度，远快于气动、液压、机械系统。
  • 可重构性：系统故障时，电力系统可通过自动重构保持功能，提升了可靠性、安全性和系统可用性。
  • 先进诊断和预测（diagnostics and prognotics）：电气系统可以在运行期间持续监控系统表现，从而实施智能管理，以预防或减轻未来故障。
  • 概述：减少运营花费、燃油消耗、环境影响。

电力系统架构：

image

架构说明：

  1. 对称布局，基于左右两台发动机，采用相同的架构设计
  2. 主动力源为两台发动机，备用电源为蓄电池、APU、冲压空气涡轮（ram air turbine）
  3. 每台发动机驱动两台作为发电机的磁场控制同步电机，并由独立的发电机控制但愿调控，以维持所需电压
  4. 电能通过4条高压、交流配电母线传输，母线通过互联系接触器实现冗余连接
  5. 设两类配电中心，主电力配电中心向防冰、环控、备用电池、其他交/直流负载供电，核心电力配电中心向保障异常/紧急飞行状态下，控制飞机所需的核心电力负载，以高可用性标准供电

发动机

多电发动机把发动机的控制元件，从机械驱动转换为电力驱动。

这些元件主要包括：燃油泵、滑油泵、作动系统、发动机启动、引气、防冰。

启动传统飞机发动机的方法有两种：

  • 液压：使用地面供应提供液压压力，传输到辅助齿轮箱内的液压泵，液压压力差带动泵旋转，进而通过齿轮箱带动发动机运转，当发动机达到规定转速时断开。适用于小型航空器。
  • 气动：利用APU/另一台已经启动的发动机/地面装置引气。

启动多电发动机的方式：使用直流电动机，从飞机的直流电源系统/地面电源获取电力；随着起动机转速的提升，逐渐增加供给电压，平稳增加发动机转速；发动机启动后，起动机以发电机形式工作，为飞机输送电力。

发电机

基本原理：电磁感应，变化的磁场产生电动势，电路中的感应电动势，与通过该闭合回路围成曲面的磁通量变化率成正比。

感应电动势：

$$\begin{equation}\epsilon=-N\frac{d\phi}{dt}\end{equation}$$

单根导体切割磁感线的感应电动势：

image​

$$\begin{equation} e=Bl\nu\sin\theta \end{equation}$$

基尔霍夫电压定律：在任一闭合回路中，沿环路各段电压的代数和恒等于0.

image​

电机原理：线圈和磁场发生相对运动（线圈切割磁感线、磁感线切割线圈），则线圈中会产生电动势。

发电机中，产生磁场的部分称为励磁系统（field），感应出电压的部分称为电枢（armature）。

发电机包含两个机械部件，转子（旋转部件）和定子（静止部件）。

在直流发电机中，电枢是转子；在交流发电机中，电枢可以是转子或定子。

同步电机的工作原理：在电机转子上建立磁场——施加外部驱动力——转子旋转，定子线圈绕组中感应出电压——感应电压频率和转子转速同步：

$$\begin{equation} n_s=\frac{120f_e}{p} \end{equation}$$

$n_s$是转速，$f_e$是感应电动势频率，p是磁极数量。

交流发电机（alternator）的分类：旋转电枢发电机，磁场静止、电枢旋转，交流电通过滑环和电刷直接传输到负载，在高压下绝缘难度大；

旋转磁场发电机，电枢固定、磁场旋转，适用于高压工况。

电机组件：

  • 励磁机（exciter）：较小的直流发电机，提供维持交流发电机磁场所需的直流电。
  • 原动机（prime mover）：驱动转子旋转的机械动力源。
  • 转子：涡轮驱动（turbine driven，适用于高速旋转）、凸极转子（salient-pole）.

image​

image​

励磁过程：

  1. 励磁机内的励磁绕组2，建立强磁场
  2. 通过原动机，让励磁机内的电枢3旋转，使得该电枢上感应出电压
  3. 励磁机的电压输出4，通过滑环和电刷5，连接到主交流发电机的励磁机绕组6
  4. 主交流发电机内的原动机，驱动励磁绕组6旋转，这样其产生的磁通量穿过并切割主交流发电机的电枢绕组7

交流电压控制原理：交流发电机的感应电压，取决于每绕组串联的导体数量、磁场切割绕组的转速、磁场强度。

为控制电压，需改变励磁机的磁场强度。

image​

三级磁场控制同步电机的工作原理：

  1. 永磁发电机产生供电控制单元所需电力。
  2. 使用供电控制单元，调节主励磁机的定子绕组电流，进而改变主励磁机的转子绕组中产生的感应电流。
  3. 主励磁机产生的感应电流，经整流后，进入主发电机的转子绕组，然后通过测定的主发电机输出电压，对主励磁机的定子电流进行反馈控制，使得主发电机的定子输出电压维持在恒定值。

采用这种电机设计的好处：

  • 经过验证的可靠性和安全性；
  • 通过GCU调节励磁电流，可以轻松、精准地控制输出电压。

使用dq模型描述同步电机的好处：

  • 计算更简便；
  • 可以独立控制电流、电压的有功分量（d轴）和无功分量（q轴）；
  • 在dq坐标系中，由于互感为恒定值，系统操作员能实现预期输出；
  • 涉及直流量时，使用各类反馈控制器，能提供高效可靠的控制解决方案。

发电机控制单元（generator control unit）结构：

image

电机

交流电机分成两种：同步电机和感应电机。

同步电机：电机转速等于磁场的旋转速度，和供电频率同步。

同步电机中三相旋转磁场的产生：

image​

  • 在电机定子上，有三套独立的、成120度安装的绕组线圈，A-A‘，B-B'，C-C'；
  • 当向这三套绕组通入三相交流电时，每一套绕组会分别产生一个大小、方向岁时间正线变化的脉动磁场；
  • 三个磁场叠加在一起时，它们合成的总磁场，是一个以恒定幅值、转速，在空间中旋转的旋转磁场。

感应电机/异步电机：

image​

  • 三相感应电机的定子结构和同步电机相同，但转子结构不同，最常见于感应电机的是鼠笼式（squirrel-cage）绕组。

  • 原理：定子中产生的旋转磁场，在转子中感应出磁场；
    旋转的磁场和转子相互作用，驱动转子转动；
    由于感应电动势会试图阻碍引起它的磁场变化，感应电动势和合成磁场会对转子施加作用力，抵消转子和定子磁场间的相对运动，从而使得转子沿着定子旋转磁场的方向转动。
    【异步电机原理！】https://www.bilibili.com/video/BV1jP4y1R7bD?vd_source=7e5e34f8276fd18e94d3486b7516c07f

  • 滑差（slip）：旋转定子磁场速度和转子速度之间的差异。

    $$\begin{equation} \text{Per-unit slip}=\frac{(\text{synchronous speed})-(\text{rotor speed})}{\text{synchronous speed}} \end{equation}$$

  • 开关磁阻电机（switched reluctance motor）：
    ​image
    转子始终试图沿着磁阻最低的路径对齐；
    由于磁通量穿过最小的磁阻路径，电机转子会和通电的定子磁极对齐；
    当对角相对的磁极通电时，转子实现对齐；
    开关磁阻电机的定子上有绕组，但转子上没有绕组，因此相对更节省材料。
    （比如A通电，转子对齐A；下一步，A断电、B通电，转子对齐B；接着，B断电、C通电，转子对齐C... 一个步进电机。）
    【动画详解磁阻电机工作原理】https://www.bilibili.com/video/BV1yG411B79T?vd_source=7e5e34f8276fd18e94d3486b7516c07f

直流电机：

  • 当一个载流导体放置在磁场中时，这个导体将受到一个力（安培力）的作用，这个力驱动电机转动。
$$\begin{equation} F=BIL \end{equation}$$

  • 使用左手定则判断载流导体在磁场中所受力的方向：食指从磁场N极指向S极，中指指向电流方向，拇指指向导体受力方向。

  • 直流电机转矩：

    $$\begin{equation} T_a=K\Phi I_a \end{equation}$$

    其中，$T_a$是电枢产生的电磁转矩，$K=\frac{PZ}{2\pi a}$（P是电机磁极数，Z是电枢导体总数，a是电枢绕组中的并联支路数）是电机结构参数，$\Phi$是每极磁通量，$I_a$是电枢电流。

  • 反电动势：当直流电机转子在磁场中旋转时，由于导体切割磁感线，会产生一个感应电动势，和外加的电源电压V方向相反：

    $$\begin{equation} E=V-I_aR_a \end{equation}$$

    对于发电机，产生的感应电动势大于输出的端电压，由于内部电压降的影响；
    对于电动机，产生的反电动势应小于输入的电源电压，因为电源电压需要克服反电动势、电机内部电压降影响。
    另一个反电动势的计算公式为：

    $$\begin{equation} E=K\Phi\omega \end{equation}$$

    其中$\omega=\frac{2\pi N}{60}$是电机旋转的角速度，单位rad/s。

  • 直流电机等效电路图：
    ​image​

永磁直流电机：

  • 使用永磁体产生电机运行所需的磁场。

  • 通过改变施加到转子绕组上的电压，磁场保持不变，是PMDC电机常用的调速方法。

    1. 升高电枢电压，当反电动势E还没有马上改变时，电枢电流增大。
    2. 根据电磁转矩公式，电枢电流增大，电磁转矩随之增大。
    3. 当电磁转矩大于负载转矩时，一个净正向加速转矩形成，电机转速开始上升。
    4. 根据反电动势公式8，电机转速上升，反电动势随之增大。
    5. 根据公式7，反电动势增大，电枢电流逐渐减小。
    6. 电枢电流减小，电磁转矩减小，直到电磁转矩和负载转矩相等，此时电机达到稳定运行转速。

  • 优点：体积更小、功率密度更高，因为取消了电刷、换向器，而且永磁体的磁能积更高；
    更便宜，因为使用永磁体替代了励磁绕组和铁芯，简化了制造过程，并降低了成本；
    电机整体效率提高，因为没有励磁电路的铜损。

  • 数学模型/传递函数：
    ​image​

    • 电压方程：

      $$\begin{equation} \mathrm{V}=R_aI_a+L_a\frac{dI_a}{dt}+E \end{equation}$$

      反电动势方程：

      $$\begin{equation} E=K_v\omega \end{equation}$$

      这里$K_v$是速度常数（或反电动势常数）。

    • 机械方程：

      $$\begin{equation} K_tI_a=J_m\frac{d\omega}{dt}+B_m\omega \end{equation}$$

      这里$K_t$是转矩常数，$J_m$是转子和所连接的等效机械负载的总转动惯量，$B_m$是和电机机械旋转系统相关的阻尼系数。
      电流-转矩方程：

      $$\begin{equation} T(t)=K_tI_a \end{equation}$$

电驱动作动器

image​

传统作动器——液压伺服作动器（hydraulic servo actuator, HSA），通过集中式动力网络，以恒定的液压压力供能。

其动力控制方式为，通过计量阀（metering valve）节流，把驱动负载所需压力以外的全部供压，作为余压浪费掉。

虽然这种控制方式效率较低，但动态响应性能很好。

电静液作动器（electro hydrostatic actiator, EHA）使用电机控制电子装置（motor control electronics, MCE），精确调节从飞机电网传输到电动机的功率。

它使用电动机驱动柱塞泵（positive displacement pump），和作动筒形成闭式静压回路。

机电作动器（electro-mechanical actuator, EMA）彻底取消了液压油传动，由无刷直流电机、齿轮箱/减速器、滚珠丝杠（ballscrew actuator）作动机构组成。

使用机电作动器的好处：

  • 减轻重量（相比液压），降低维护、生产成本；
  • 对系统需求变化的响应比液压更快；
  • 比液压作动器可靠性更高，且支持自动重新配置以维持功能。

电力电子变换器

变压器整流装置（transformer rectifier unit）：集成变压器和整流器的功能，用于把发动机/APU/地面电源单元（ground power unit, GPU）提供的交流电，转为28V直流电，其输出的电流可用于直流汇流条供电。

多电飞机电力系统架构图当中，“蓄电池充电整流装置”（battery charge rectifier unit）是自耦变压器整流装置（autotransformer rectifier unit，ATRU）。

逆变器（inverter）用于把直流电转为交流电，电池输入，输出低电压（26V，用于仪器）或高电压（115V，单相/三相，驱动泵等负载）。

逆变器分为旋转逆变器和静态逆变器（rotary/static）。

典型旋转逆变器采用四级、复励磁、直流电动机，驱动星形绕组交流发电机。

image​

自耦变压器整流装置：把三相115V/230V交流电，转为20V/540V直流电；

用于为变频电子转换器供电，控制执行机构电机，如A380的电动反推作动系统（electrical thrust reverser actuation system）。

自耦变压器单元（autotransformer unit）：变压器是通过电感耦合导体，把电能从一个电路转换到另一个电路的装置。

作为电源使用的变压器，可视为具有输入端（初级导体/绕组）和输出端（次级导体/绕组）。

初级绕组中，变化的电流产生变化的磁场，该磁场在次级绕组中，感应出变化的电压；通过在次级绕组上串联负载，电流就能在变压器中流动。

降压-升压转换器（buck boost converter）：直流到直流转换器，其输出电压可以低于或高于输入电压，输出电压幅值取决于占空比（duty cycle）。

该转换器由MOSFET、二极管、电感和电容构成，向MOSFET提供PWM信号，使得其像开关一样工作。

配电系统

配电系统包含如下组件：母线排（busbar），保护装置，控制系统，线缆网络，用电负载。

  • CEPDS（centralized electrical power distribution system, 集中式电力分配系统）是一个点对点的径向配电系统，它只有一个配电中心。
    发电机为这个配送中心供电。
    电能被处理并提供给不同的电负载。
    配电中心通常位于航电箱中。在本系统中，每个负载由配电中心单独供电。

  • 半分布式电力分配系统（semi-distributed electrical power distribution system, SDEPDS）拥有更多数量的配电中心，围绕飞行器分布式布局，靠近负载中心，优化了系统体积、重量和可靠性。

  • 先进电力分配系统（advanced electrical distribution system）：由冗余微处理器系统控制的灵活、容错系统。
    ​image
    该系统具备高度防护特性（highly protected）：

    • 输入：主发电机、APU、蓄电池、地面电源的电力
    • 处理：主配电中心，配置有接触器控制单元（contactor control unit）和大功率接触器；
      整个系统由两套冗余电力负载管理单元（redundant electrical loal management units）中的任意一个控制，它通过4重冗余数据总线，和远程终端（remote terminal, RT）进行交互，并交换数据和控制策略
    • 输出：飞机负载通过继电器切换单元（relay switching units，RSU）供电，每个RSU由远程终端进行控制和监测。

  • 容错电力分配系统（fault tolerant electrical power distribution system, FTEPDS）：由两个开关矩阵、6台多用途变流器、6台发电机和不同负载组成；
    电源和负载开关矩阵可采用机械或固态开关，固态开关具有可控性强、响应速度快、效率高等优势。

建模技术

image​

在为电动动力系统（electric power system, EPS）建模时，仿真所需的高计算需求是一个挑战，特别是模拟大型系统或高度复杂模型时。

提出了4级建模范式（paradigm），以提供灵活、适应性强的电动动力系统仿真方法。

这些层级可以在系统/子系统内部混合使用，从而在重点关注区域，实现更精细的建模细节。

或者说，在我们关心的关键部分，使用非常精细的模型，而在其他次要部分使用相对简化的模型。

  1. 组件（component）/器件物理（device physics）级别：体现EPS组件最详尽的属性特征，验证单一组件（如一个晶体管、一个电容器）中的物理现象；
    可以整合多个物理域特性，包括电能的质量、热力学行为、机械特性、电磁兼容性（electromagnetic compatibility, EMC）表现。

  2. 行为（behavior）层级：处理系统和组件在千赫兹量级的动态特性，例如电路板上的一个电源模块；
    包含功率电子变换器（power electronic converter）开关，用于研究谐波和传导电磁兼容性的影响，这些变换器（如逆变器、DC-DC转换器）中含有半导体开关（如MOSFET、IGBT），谐波是对理想正弦波的干扰，传导电磁干扰是通过导线传播的干扰；
    完整的电力系统模型可建模为边界变量组（代表电压）、电流源和/或代表阻抗，以实现高效时序仿真，例如把一个电源模块，等效成一个理想电压源串联一个输出阻抗。

  3. 功能（function）层级：处理低频、瞬态行为，如几赫兹到几百赫兹，描述系统在某个工作点附近的动态行为。
    该级别的主要目的包括基于仿真的EPS动力学和稳定性，对负载冲击和脱落的响应（用电设备突然增加或减少），以及低频电能质量（电压骤降/升，频率偏差）的研究。
    为了进行经典的小信号分析，在这个水平上建立的模型适合进行线性化，如传递函数、根轨迹法，评估系统稳定性和动态性能。

  4. 架构（architecture）层级：考虑稳态下的全局电力推进系统，其长期的、平均的能量流和功能实现，可有条件地划分为两个子层面：

    • 逻辑子层面，研究电力推进系统架构的功能完整性，如电源是否能满足所有负载的需求，保护系统是否能正确隔离故障；
    • 需求子层面，针对电力推进系统组件的规格设计，以满足给定的负载需求，如根据航电设备需要什么电压等级的电能，确定变换器的具体参数。

发电方式的拓扑结构

  1. 恒频（constant frequency）拓扑：
    ​image
    飞机发动机提供旋转动力；
    恒速度驱动装置（constant speed drive，是一个机械装置）接收发动机的轴速度输入，并转换为恒定速度的输出轴；
    发电机接收恒速度旋转动力，产生恒定频率的交流电。
  2. 变速恒频（variable speed constant frequency, VSCF）拓扑，用电力转换器调节输出功率，比机械装置效率更高：
    ​image
    飞机发动机提供变速的旋转动力；
    发电机从发动机接收旋转动力，产生频率可变的交流电；
    二极管整流器把发电机输出的交流电转化为直流电；
    功率逆变器把直流电转换回固定频率的交流电，并供应给主汇流条。
  3. 交流-交流变频器（cycloconverter）拓扑，没有中间直流转换步骤：
    ​image
    飞机发动机提供变速的旋转动力；
    发电机从发动机接收旋转动力，产生频率可变的交流电；
    交-交变频器直接把发电机输出的可变频率交流电，转化为目标固定频率的交流电。

总结：电气电源系统模型

一个典型的EPS可以包括：

  • 励磁控制同步发电机；
  • 发电机控制单元；
  • dq0到abc模型转换，把三相交流电转换到dq坐标系下的直流量；
  • 变压整流单元，获得28V直流电压；
  • 连接在变压整流单元输出端的直流负载；
  • 连接在变压器输出端的交流负载。

‍

posted @ 2025-05-20 21:43  灰鲤  阅读(426)  评论(0)    收藏  举报