民用飞机电气负载及电源容量分析和考虑

摘要：本文针对中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准（CCAR 25）[1]中提出的电源容量设计要求，基于电气负载和电源容量分析的一般设计要求及流程，给出了一种较具体的具有可操作性的民用飞机设计的电气负载和电源容量分析方法。

关键词：电气负载 电源容量

CCAR25.1351（a）条规定飞机所需的发电容量、电源数目和种类必须由负载分析确定，故飞机电气负载和电源容量分析是飞机电源系统设计的基础，是必不可少的一个环节。目前负载分析可参考的标准都是一些通用标准，如MIL-E-7016F[2]，没有一个比较具体的更易于用于型号设计的设计指南。

1、负载统计

电气负载分析的前提是先要进行负载统计工作，负载统计时，一般会分为交流负载和质量负载来分别统计，需包含的负载信息如下：（1）交流负载：连接的汇流条、相数、设备数量、视在功率、功率因数、工作阶段、工作时间、起动功率、起动时间、起动功率因数和断路器类型（热断路器或固态功率控制器）；（2）直流负载：连接的汇流条、设备数量、额定电流、工作阶段、工作时间、起动电流、起动时间、是否需要蓄电池供电、断路器类型（热断路器或固态功率控制器）。

连接的汇流条用于表示交负载与电源系统中汇流条的连接，在系统初步设计阶段该连接关系尚未确定时，不要求填入该状态信息。

相数仅适用于交流负载，用于表示负载是三相负载还是单相负载，对于单相负载，在配电设计确定后，还需明确是与交流汇流条的哪一相连接（A相、B相或C相）。

设备数量表示每个负载的数量，在负载与汇流条的连接确定后，需根据负载统计表格的设计决定是填入全机的某一负载的数量信息，还是仅填入与某一汇流条连接的某一负载的数量信息。

视在功率主要是指交流负载在相应工作阶段的额定视在功率，用VA表示。

功率因数是交流负载的功率因数，用于计算交流负载有功功率和无功功率。

工作阶段是指根据飞机工作阶段的不同，交直流负载的工作和用电状态会发生变化，因此，将一次飞行任务划分为若干工作阶段进行电气负载统计和分析，图1为工作阶段示意图。

对图1中各工作阶段的定义见表1。

工作时间是指负载在每个工作阶段的实际工作时间。工作时间小于或等于0.005min者，按照工作时间为0进行处理，视为瞬时负载；工作时间大于0.005min而小于或等于5min者，应按精确到0.01min的时间填写，视为短时负载；工作时间大于5min者，视为连续负载。起动功率是指交流负载起动过程中消耗的视在功率，负载的起动功率通常超过其稳态功率。起动时间是指交直流负载起动过程的持续时间。起动功率因数交流负载起动过程中的功率因数。起动电流是指直流负载起动过程中所需电流，负载的起动电流通常超过其额定电流。断路器类型指在民用飞机电源系统中，出现了采用固态功率控制器代替热断路器实现汇流条与负载连接的发展趋势，通过确定这一信息，可帮助电源系统确定热断路器和固态功率控制器的数量，便于配电网络设计。蓄电池供电指直流负载是否需要在正常电源不可用时，由蓄电池进行供电。一般负载统计时都会采用负载统计表来进行统计，根据不同型号的要求，表格可以自行确定格式。

2、负载分析通用要求

负载分析阶段是对负载统计阶段收集的负载信息进行综合分析，计算得出全机交直流负载总功率需求，以及相应的功率因数、相不平衡度等。

根据飞机设计阶段的不同，负载分析的内容存在一定的差异：（1）在初步设计阶段，电源容量尚未确定时，负载分析用于确定全机交直流负载总功率需求，作为机载电源（包括一次电源、二次电源、蓄电池等）容量确定的依据；（2）在电源容量和配电网络设计初步确定后，则按照“负载-汇流条-电源”这一层级结构，计算电源系统每个工作构型下的交直流负载总功率需求、功率因数和相不平衡度等参数，分析负载与电源的匹配情况，并对电源系统设计进行相应调整（如必要），直至电源容量和配电网络设计最终确定（这是一个迭代的设计过程）；（3）在电源容量和配电网络最终确定后，进行负载分析，计算交直流负载功率需求、功率因数和相不平衡度等参数，并分析与电源容量的匹配情况，形成计算分析报告，作为飞机符合性验证工作的一部分，支持飞机适航取证，表明对相关适航条款的符合性。

3、交流负载分析

交流负载分析需计算负载的有功功率和无功功率、相功率（有功功率、无功功率、视在功率和功率因数）、相不平衡度和总功率（有功功率、无功功率、视在功率和功率因数）等参数。

3.1交流负载的有功功率和无功功率

负载的有功功率根据视在功率和功率因数计算得出，见公式（1）：

…………………………（1）

式中：

P-交流负载有功功率，单位为W；

S-交流负载视在功率，单位为VA；

-交流负载功率因数。

式（1）中所示的负载有功功率，在负载分析中还需要考虑负载在各个工作阶段的工作时间，进行折算分析，结合本文的工作时间规定，折算分析后的负载有功功率如式（2）和式（3）所示：

…………………………（2）

………………………（3）

式中：-交流负载5s有功功率，单位为W；-负载5s工作时间，单位为s，若工作时间小于0.3s （0.005min），此处按0处理，若工作时间大于5s，此处按5处理；-交流负载5min有功功率，单位为W；-负载5min工作时间，单位为min，若工作时间小于5s，此处按0处理，若工作时间大于5min，此处按5处理。若负载的工作时间大于5min，则为连续负载。交流负载的连续有功功率按式（1）中的P进行计算分析。

负载的无功功率根据视在功率和有功功率计算得出，如公式（4）所示：

…………………………………（4）

式中：Q-交流负载无功功率，单位为var；S-交流负载视在功率，单位为VA；P-交流负载有功功率，单位为W。

式（4）中所示的负载无功功率，在负载分析中还需要考虑负载在各个工作阶段的工作时间，进行折算分析，结合本文的工作时间规定，折算分析后的负载无功功率如式（5）和式（6）所示：

…………………………………（5）

…………………………………（6）

式中：——交流负载5s无功功率，单位为var；——交流负载5min无功功率，单位为var；若负载的工作时间大于5min，则为连续负载。交流负载的连续无功功率按式（4）计算分析。

3.2 相功率（有功功率、无功功率、视在功率和功率因数）

相有功功率指接在该相上的各交流负载有功功率的代数和。负载分析中，主要在单个交流电源层级计算相有功功率。

需按5s、5min和连续三个工作时间区间进行相有功功率的分别计算。

相无功功率指该相各交流负载无功功率的代数和。负载分析中，主要在单个交流电源层级计算相无功功率。

需按5s、5min和连续三个工作时间区间进行相无功功率的分别计算。

相视在功率为该相有功功率与无功功率之向量和。

相功率因数为该相有功功率与视在功率之比，应与电源的供电能力相适应。

负载分析中，主要在单个电源层级计算相视在功率和功率因数。

公式（7）～（12）为以A相为例的相视在功率和功率因数的计算公式。

…………………………………（7）

…………………………………（8）

………………………………（9）

…………………………………（10）

…………………………………（11）

…………………………………（12）

式中：-A相连续视在功率，单位为VA；-A相连续有功功率，单位为W；-A相连续无功功率，单位为var；-A相连续功率因数；-A相5min视在功率，单位为VA；-A相5min有功功率，单位为W；-A相5min无功功率，单位为var；-A相5min功率因数；-A相5s视在功率，单位为VA；-A相5s有功功率，单位为W；-A相5s无功功率，单位为var；-A相5s功率因数。

3.3 相不平衡度

相不平衡度为单个电源所接负载视在功率最大相的伏安值与最小相的伏安值之差与电源的单相修正容量的百分比。

相不平衡度的计算方法见公式（13）。

…………………………………（13）

式中：

-相不平衡度；-时间折算后视在功率最大相的伏安数，单位为VA；-时间折算后视在功率最小相的伏安数，单位为VA；-时间折算后电源的单相修正容量，单位为VA。

根据时间折算的区间不同（5s、5min或连续），式（13）同时适用于5s、5min和连续这三个工作时间区间的相不平衡度分析。

3.4 总功率（有功功率、无功功率、视在功率和功率因数）

在初步设计阶段，总功率的计算用于支持机载电源容量的确定，总功率为交流负载视在功率的代数和。

在电源容量和配电设计初步确定后，总功率通常指的是单个电源所接交流负载的总功率需求。

总有功功率为各相有功功率的代数和，见公式（14）～（16）：

…………………………………（14）

…………………………………（15）

…………………………………（16）

式中：

-总连续有功功率，单位为W；-B相连续有功功率，单位为W；-C相连续有功功率，单位为W；-总5min有功功率，单位为W；-B相5min有功功率，单位为W；-C相5min有功功率，单位为W；-总5s有功功率，单位为W；-B相5s有功功率，单位为W；-C相5s有功功率，单位为W；

总无功功率为各相无功功率的代数和，见公式（17）～（19）：

…………………………………（17）

…………………………………（18）

…………………………………（19）

式中：-总连续无功功率，单位为var；-B相连续无功功率，单位为var；-C相连续无功功率，单位为var；-总5min无功功率，单位为var；-B相5min无功功率，单位为var；-C相5min无功功率，单位为var；-总5s无功功率，单位为var；-B相5s无功功率，单位为var；-C相5s无功功率，单位为var。

总视在功率为总有功功率与总无功功率的向量和，见公式（20）～（22）：

…………………………………（20）

…………………………………（21）

…………………………………（22）

式中：-总连续视在功率，单位为VA；-总5min视在功率，单位为VA；-总5s视在功率，单位为VA。

总功率因数是指电源所接全部交流负载的功率因数，计算方法见公式（23）～（25）。

…………………………………（23）

…………………………………（24）

…………………………………（25）

式中：-连续负载功率因数；-5min负载功率因数；-5s负载功率因数。

4、直流负载分析

直流负载计算较交流负载简单，主要包括工作时间折算及总负载电流计算。

直流负载分析中，需根据负载工作时间，在5s、5min和连续三个工作区间进行负载电流折算，如公式（26）～（28）所示。

…………………………………………（26）

……………………………………（27）

……………………………………（28）

式中：-直流负载额定电流，单位为A；-直流负载的连续负载电流（负载工作时间需大于5min），单位为A；-直流负载的5min负载电流，单位为A；-直流负载的5s负载电流，单位为A。

在各工作时间区间内，总负载电流为对应直流负载在各工作时间区间负载电流的代数和。

5、电源容量分析通用要求

飞机初步设计阶段，需通过负载分析确定电源容量需求，其中包括主电源、辅助电源、二次电源、地面电源、应急电源以及蓄电池等。

电源容量的确定应考虑负载增长引起的附加容量需求，以免因无法满足负载需求而不得不更换电源，带来飞机设计的重大更改。飞机电源容量确定过程中，应符合下列要求：（1）飞机主电源容量应能满足全部负载的功率需求，在设有多台主电源的飞机上，在单台主电源失效的情况下，剩余主电源容量应能满足全部重要负载的功率需求；（2）在飞机主电源的供电类型不能满足全部负载的需求时，需设立二次电源，现代民用飞机主要的二次电源包括变压整流器和静止变流器。二次电源的容量应能满足全部相应负载的功率需求。对那种设有冗余备份的二次电源系统，在单台二次电源失效的情况下，剩余二次电源容量应能满足相应重要负载的功率需求；（3）辅助电源通常用于地面维护，以及代替失效的主电源进行供电。因此，一般辅助电源的容量与主电源相同；（4）地面电源用于地面维护，其容量需根据飞机地面维护所需负载的功率需求确定；（5）应急电源用于主电源和辅助电源均失效的应急供电状态下的供电，其容量应根据应急供电状态下仍需用电的飞行关键负载确定；（6）飞机在地面时，可能会出现仅由蓄电池供电的状态（如装载和准备阶段，主电源和辅助电源起激前），应根据这一状态的持续时间和负载需求，确定蓄电池容量。蓄电池同时也是应急电源的一部分，在仅有蓄电池作为应急电源的飞机上，蓄电池容量应能满足应急直流负载至少5min的供电要求（并且这一供电时间宜为30min）。在设有其余无时间限制应急交流电源（如冲压空气涡轮发电机）的飞机上，蓄电池容量应能满足应急供电状态下某些特定阶段的负载需求，如冲压空气涡轮的释放转换期间的应急负载需求，以及飞机进场着陆时，冲压空气涡轮因输出功率下降而不得不卸载应急直流负载时的应急直流负载功率需求；（7）现代民用飞机的多个主蓄电池中，通常有一个会用于辅助动力装置（APU）起动，在根据上述原则确定蓄电池容量时，需考虑蓄电池在空中连续三次起动APU带来的容量消耗；（8）机载专用电源，如飞控蓄电池和应急照明蓄电池，其容量应根据相应负载的专用需求确定。

6、电源与负载的匹配

电源与负载的匹配，主要分析电源容量是否可以在规定的各种工作构型下满足相连负载的功率需求，并计算相应的容量裕度。对于交流电源，还需分析负载功率因数和相不平衡度是否在电源的承受范围内。

电源与负载的匹配分析，需在5s、5min和连续三个工作区间分别进行，除蓄电池外，其余电源的容量裕度分析见公式（29）。

……………………………………（29）

式中：

H-电源容量裕度，用百分比表示；J-电源修正容量，单位为VA或A；L-时间折算后（5s、5min或连续）负载功率需求，单位为VA或A。

飞机各个电源的容量裕度要求需在项目专用文件中进行规定。

6.1 变压整流器

变压整流器是现代民用飞机中主要应用的直流二次电源，用于将交流输入转换为直流输出，因此在交流负载分析中，需将变压整流器作为交流负载进行分析，计算公式如式（30）所示。

…………………………………（30）

式中：-TRU折算到交流侧的负载值，单位为VA；-变压整流器输出端的直流电压，单位为V；-变压整流器输出端的直流电流，单位为A；-变压整流器的效率；-变压整流器的功率因数。

6.2 静止变流器

静止变流器主要用于应急情况下单相交流用电设备的供电，将直流输入转换为交流输出，因此在直流负载分析中，需将静止变流器作为直流负载进行分析，计算公式如式（31）所示。

…………………………………（31）

式中：-静止变流器的直流输入电流，单位为A；-静止变流器的额定输出视在功率，单位为VA；-静止变流器的实际输出视在功率，单位为VA；-静止变流器的直流输入电压，单位为V；-静止变流器的效率。

6.3 蓄电池

与其余电源不同，在判断蓄电池容量是否可以满足负载需求时，主要通过计算蓄电池放电时间来进行判定。

对于要求放电时间长于5min的蓄电池，其放电时间计算公式如式（32）所示。

……………………（32）

式中：-蓄电池放电时间，单位为min；-蓄电池修正容量，单位为Ah，蓄电池修正容量需在蓄电池标称容量的基础上，考虑蓄电池的充电状态确定，对于用于APU起动的蓄电池，还需要考虑APU起动带来的蓄电池容量损耗；-蓄电池5s工作区间放电电流，单位为A；-蓄电池5min工作区间放电电流，单位为A；-蓄电池连续放电电流，单位为A。

对于要求放电时间不大于5min的蓄电池，其放电时间计算公式如式（33）所示。

……………………………………（33）

式中：——蓄电池放电时间，单位为min。

7、结语

本文从电气负载和电源容量分析的流程为基础，从通用要求到实际的计算分析方法，结合民用飞机设计现状，有针对性地展示了一种能直接用于民用飞机电气负载和电源容量分析的方法，对民用飞机设计有重要的指导意义。

参考文献

[1]中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准，2011.

[2]MIL-E-7016F Electric Load and Power Source Capacity， Aircraft， Analysis of.