本书介绍了多电飞机电气系统的结构,从发电、电能变换、配电、负载特性等方面较为全面地给出了多电飞机电气系统的概貌;简述了低压直流电气系统,详细阐述了恒频和宽变频的交流电气系统以及高压直流电气系统;讨论了对多电飞机来说至关重要的电力传动装置,包括直流电动机及其作动系统、液压作动系统、机电作动系统、电液作动系统、调速系统、电动环境控制系统;阐述了基于新型碳化硅器件的高性能电力电子变换器的工作性能.
本书可作为高等院校电气工程学科硕士生、博士生和教师的参考书,也可供从事飞机电气系统、船舶和电动汽车电气系统研究开发的工程技术人员参考.
第1章 多电飞机的诞生………………………………………………………………………… 1
1．1 三种典型的多电飞机…………………………………………………………………… 1
1．2 多电发动机……………………………………………………………………………… 2
1．2．1 燃气涡轮发动机…………………………………………………………………… 2
1．2．2 常规燃气涡轮发动机和多电发动机……………………………………………… 3
1．2．3 燃气涡轮发动机的引气…………………………………………………………… 4
1．3 多电飞机的特点………………………………………………………………………… 7
1．4 飞机的二次能源………………………………………………………………………… 7
1．4．1 飞机和发动机设备………………………………………………………………… 7
1．4．2 二次能源…………………………………………………………………………… 8
1．4．3 飞机二次能源的统一……………………………………………………………… 9
1．5 飞机气压系统…………………………………………………………………………… 9
1．5．1 飞机的气压能源…………………………………………………………………… 9
1．5．2 气压能源的应用…………………………………………………………………… 9
1．5．3 飞机环境控制系统………………………………………………………………… 11
1．5．4 气压作动系统……………………………………………………………………… 20
1．5．5 节能发动机………………………………………………………………………… 22
1．6 飞机液压系统…………………………………………………………………………… 22
1．6．1 飞机液压能的产生………………………………………………………………… 22
1．6．2 液压作动机构……………………………………………………………………… 24
1．6．3 液压系统…………………………………………………………………………… 26
1．6．4 集中式液压能源的缺陷…………………………………………………………… 31
1．7 飞机电气系统…………………………………………………………………………… 32
1．7．1 飞机电气系统的构成……………………………………………………………… 32
1．7．2 28V 直流电源…………………………………………………………………… 33
1．7．3 恒频交流电源……………………………………………………………………… 40
1．7．4 变频交流电源……………………………………………………………………… 43
1．7．5 高压直流电源……………………………………………………………………… 44
1．7．6 多电飞机的电源…………………………………………………………………… 47
1．7．7 飞机配电系统……………………………………………………………………… 48
1．7．8 飞机用电设备……………………………………………………………………… 50
1．8 多电飞机的发展与电工科技…………………………………………………………… 59
1．8．1 电工科技的发展…………………………………………………………………… 59
1．8．2 新型飞机电气设备………………………………………………………………… 60
1．8．3 多电飞机对电工科技提出的新要求……………………………………………… 61
1．9 飞机电气设备的工作条件和使用要求………………………………………………… 62
1．9．1 飞机电气设备的工作条件………………………………………………………… 62
1．9．2 飞机电气设备的使用要求………………………………………………………… 63
1．10 小 结………………………………………………………………………………… 66
第2章 交流电气系统………………………………………………………………………… 68
2．1 交流电气系统概述……………………………………………………………………… 68
2．2 飞机交流发电机………………………………………………………………………… 70
2．2．1 恒频交流发电机…………………………………………………………………… 70
2．2．2 变频交流发电机………………………………………………………………… 107
2．2．3 无刷直流发电机………………………………………………………………… 113
2．2．4 交流起动/发电机………………………………………………………………… 125
2．2．5 无刷交流发电机的发展………………………………………………………… 133
2．3 交流发电机的电压调节……………………………………………………………… 133
2．3．1 电压调节器的功能……………………………………………………………… 133
2．3．2 交流电压调节器的构成和工作原理…………………………………………… 134
2．3．3 加快励磁电流变化速度的方法………………………………………………… 139
2．3．4 励磁机励磁电压与励磁电流软反馈…………………………………………… 142
2．3．5 交流电机的励磁控制…………………………………………………………… 146
2．4 齿轮差动式液压恒速传动装置……………………………………………………… 146
2．4．1 差动游星齿轮的工作原理……………………………………………………… 146
2．4．2 液压马达与液压泵……………………………………………………………… 148
2．4．3 齿轮差动式液压恒速传动装置工作原理……………………………………… 151
2．4．4 齿轮差动式液压恒速传动装置的调速系统…………………………………… 153
2．4．5 恒速装置的滑油系统…………………………………………………………… 156
2．4．6 齿轮差动式恒速传动装置的故障及其保护…………………………………… 156
2．4．7 恒速传动装置的基本技术数据………………………………………………… 158
2．4．8 组合传动发电机………………………………………………………………… 158
2．5 变速恒频电源………………………………………………………………………… 159
2．5．1 变速恒频电源概述……………………………………………………………… 159
2．5．2 AC/ACVSCF电源…………………………………………………………… 160
2．5．3 阶梯波合成变速恒频电源……………………………………………………… 164
2．5．4 脉宽调制型逆变器构成的VSCF电源………………………………………… 174
2．5．5 VSCF电源的特点……………………………………………………………… 192
2．6 交流电源系统中的二次电源………………………………………………………… 192
2．6．1 变压器和自耦变压器…………………………………………………………… 193
2．6．2 变压整流器……………………………………………………………………… 195
2．6．3 12脉冲型自耦变压整流器……………………………………………………… 200
2．6．4 18脉冲D型自耦变压整流器…………………………………………………… 206
2．6．5 变压整流器输出电压的稳定方法……………………………………………… 212
2．7 单发电机飞机交流电源的控制与保护……………………………………………… 213
2．7．1 飞机发电系统的控制…………………………………………………………… 213
2．7．2 恒频交流电源的故障及保护…………………………………………………… 216
2．8 飞机并联交流电源的控制与保护…………………………………………………… 219
2．8．1 飞机并联交流电源中发电机投入电网的控制………………………………… 219
2．8．2 并联电源的功率分配…………………………………………………………… 222
2．8．3 不并联交流电源的不中断转换………………………………………………… 222
2．8．4 无功功率检测原理……………………………………………………………… 223
2．8．5 有功电流检测原理……………………………………………………………… 225
2．8．6 飞机并联交流电源的故障及保护……………………………………………… 226
2．8．7 发电机控制器GCU 的结构…………………………………………………… 232
2．9 变频交流电源的控制与保护………………………………………………………… 233
2．10 飞机交流电源的主电路结构………………………………………………………… 234
2．10．1 单发动机轻型战斗机的电源…………………………………………………… 234
2．10．2 双发动机重型战斗机的电源…………………………………………………… 236
2．10．3 B777的电源…………………………………………………………………… 238
2．10．4 轰炸机的电源…………………………………………………………………… 240
2．10．5 MD 11远程宽机身运输机电源……………………………………………… 241
2．10．6 B747飞机电源………………………………………………………………… 241
2．10．7 军用运输机的电源……………………………………………………………… 245
2．10．8 多用途直升机电源……………………………………………………………… 246
2．10．9 A380飞机电源系统…………………………………………………………… 247
2．10．10 B787飞机电源系统…………………………………………………………… 249
2．11 小 结………………………………………………………………………………… 263
第3章 高压直流电气系统…………………………………………………………………… 266
3．1 高压直流电气系统概述……………………………………………………………… 266
3．2 旋转整流器式无刷直流发电机……………………………………………………… 267
3．3 永磁式直流电机……………………………………………………………………… 268
3．3．1 稀土永磁材料和永磁电机……………………………………………………… 268
3．3．2 永磁式高压直流发电机………………………………………………………… 268
3．3．3 飞控专用永磁发电机的诞生…………………………………………………… 271
3．3．4 永磁电机在飞机主电源应用的可行性………………………………………… 274
3．3．5 稀土永磁电机的发展…………………………………………………………… 286
3．4 开关磁阻电机………………………………………………………………………… 286
3．4．1 开关磁阻电动机的工作原理…………………………………………………… 288
3．4．2 开关磁阻电机的发电工作……………………………………………………… 294
3．4．3 250kW 开关磁阻起动/发电机………………………………………………… 297
3．4．4 开关磁阻起动/发电机的电机转子位置传感原理……………………………… 301
3．4．5 发动机内装发电机……………………………………………………………… 302
3．4．6 开关磁阻电机的发展…………………………………………………………… 306
3．5 电励磁双凸极发电机………………………………………………………………… 307
3．5．1 双凸极电机的结构……………………………………………………………… 307
3．5．2 电励磁双凸极电机发电工作…………………………………………………… 309
3．5．3 双凸极电机的电动工作………………………………………………………… 314
3．5．4 电励磁双凸极电机的发展……………………………………………………… 323
3．6 HVDC发电系统……………………………………………………………………… 323
3．6．1 HVDC发电系统的构成………………………………………………………… 323
3．6．2 单发电系统的保护……………………………………………………………… 324
3．6．3 直流发电机的并联……………………………………………………………… 324
3．7 二次电源和电能变换器……………………………………………………………… 325
3．7．1 270V/28V 直流变换器………………………………………………………… 325
3．7．2 模块电源和电子电源…………………………………………………………… 330
3．7．3 灯电源…………………………………………………………………………… 331
3．7．4 飞行控制和发动机控制专用电源的电能变换器……………………………… 331
3．7．5 静止变流器……………………………………………………………………… 332
3．7．6 电动机驱动用三相DC/AC变换器…………………………………………… 333
3．7．7 多相容错电动机的DC/AC电能变换器……………………………………… 334
3．7．8 起动/发电机的起动功率变换…………………………………………………… 334
3．7．9 电子设备的内部电源…………………………………………………………… 335
3．7．10 直接能量武器的电源…………………………………………………………… 335
3．7．11 飞机二次电源和电能变换器的关键技术……………………………………… 335
3．8 级联直流变换器的相互作用………………………………………………………… 336
3．8．1 直流变换器的小信号模型……………………………………………………… 337
3．8．2 级联电源的小信号模型………………………………………………………… 339
3．8．3 输入滤波器的传递函数………………………………………………………… 340
3．8．4 级联变换器的稳定性判据……………………………………………………… 341
3．8．5 具有恒功率负载的变换器……………………………………………………… 343
3．9 飞机高压直流配电系统……………………………………………………………… 350
3．9．1 单线制和双线制………………………………………………………………… 350
3．9．2 供电网和配电网………………………………………………………………… 350
3．9．3 汇流条功率控制器……………………………………………………………… 353
3．9．4 高压直流配电元件……………………………………………………………… 353
3．9．5 远距配电中心…………………………………………………………………… 358
3．10 辅助动力装置和组合动力装置……………………………………………………… 360
3．10．1 辅助动力装置在飞机上的应用………………………………………………… 360
3．10．2 辅助动力装置的类型和构成…………………………………………………… 361
3．10．3 APU 的高空工作特性………………………………………………………… 362
3．10．4 组合动力装置…………………………………………………………………… 362
3．10．5 具有致冷功能的组合动力装置………………………………………………… 363
3．10．6 IPCU 功能的进一步拓展……………………………………………………… 364
3．10．7 多电飞机的组合动力装置……………………………………………………… 364
3．11 多电飞机的能量管理和热管理……………………………………………………… 365
3．11．1 多电飞机用电设备的特点……………………………………………………… 365
3．11．2 电能的产生和存储……………………………………………………………… 366
3．11．3 作动机构再生能量的吸收……………………………………………………… 367
3．11．4 交流系统和直流系统…………………………………………………………… 369
3．11．5 多电飞机的电能管理…………………………………………………………… 369
3．11．6 多电飞机的热管理……………………………………………………………… 370
3．11．7 能量优化飞机(OEA) ………………………………………………………… 372
3．12 多电飞机的发展……………………………………………………………………… 374
3．12．1 从低压直流电源到高压直流电源……………………………………………… 374
3．12．2 VFAC和HVDC系统的比较………………………………………………… 375
3．12．3 高压直流电气系统的关键设备………………………………………………… 375
3．13 小 结………………………………………………………………………………… 376
第4章 电力作动机构和电动环境控制系统………………………………………………… 379
第5章 高性能电力电子变换器……………………………………………………………… 492
附录A 应用不同电源系统的飞机实例……………………………………………………… 562
附录B 缩略语………………………………………………………………………………… 566
参考文献………………………………………………………………………………………… 575
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