飞机电气基础-直流电

航 空 器 电 源(AV-AV)目 录1.1 概述1.2 航空蓄电池1.3 飞机发电机传动与发电1.4 飞机电源系统的并联运行1.5 飞机发电机调压、控制与保护1.6 飞机二次电源与应急电源1.7 飞机地面电源1.1 概 述一、飞机电源系统的组成1、主电源指由发动机传动的发电系统供电对象：机上全部电气负载2、辅助电源和地面电源工作场合：辅助电源地面或空中（备用电源）地面电源地面辅助电源的种类：航空蓄电池和辅助动力装置传动 的发电机（即APUG）。3、应急电源飞行中主电源全部失效，给关键设 备供电应急电源种类：应急直流电源航空蓄电池 应急交流电源冲压空气涡轮发电 机、静变流器4、二次电源主电源经过变换形式后得到的电源 种类：ACDC：变压整流器（TRU）DCAC：旋转变流机、静止变流器二、飞机（主）电源系统的主要类型1、低压直流电源系统 主电源：发动机直接传动的直流发电机，调定电压 为28V。低压直流电源系统的特点：电压低，电流大，因此发电机及馈线重量大；高空性能差（速度、高度散热、磨损）；功率变换设备（DCAC）复杂，效率低；可以兼作起动发电机，减轻机载设备的重量。2、变速变频交流电源（VSVF）结构示意图：发动机变速器发电机特点：由同步发电机的公式f=pn/60 可知，此时交 流电的 频率是变化的适用场合：涡浆飞机3、恒速恒频交流电源（CSCF）结构示意图：发动机恒装发电机特点：有恒装，成本高；恒频。适用场合：喷气式飞机4、变速恒频交流电源（VSCF）结构示意图：发动机发电机变频器特点：无恒装，维护方便；过载能力差。适用场合：各式飞机 三、飞机电网的连接方式1、低压直流电源系统 单线制。直流发电机的负线接到机体上特点：减轻电网重量。2、交流电源系统有两种连接方式：以机体为中线的三相四线制（图1-2）优点：有两个电压可供选择；发生故障时，对机 上人员较安全。无中线的三相三线制（图1-3）特点：只有一个电压；故障时对机上人员更危险四、供电方式：1、低压直流电源系统都是并联供电：发电机-发电机或发电机-蓄电池并联图1-2 以机体为中线的三相四线制图1-3 无中线的三相三线制四、飞机电源系统的参数1、直流电源电压：285V2、交流电源：电压：115/200V或120/208V 考虑因素：a、功率及发电和配电系统的重量：U重量 b、馈线允许压降及强度：UI导线细线路 压降；同时导线强度 c、人员安全性：U安全性 频率：400Hz 依据：a、电磁设备的重量：对变压器/互感器：f重量 对旋转电机：在400Hz左右重量最小。b、对开关设备，400Hz时交流电弧易熄弧。相数：3相 优点：a、发电机：功率相同时，三相发电机更小；b、电动机：三相电动机性能优于单相电动机；c、可以提供两个电压：相电压和线电压；五、飞机交流电源的优点：电压高，电流小，发电及输电系统重量减小；无电刷，无磨损，可采用油冷，高空性能好；功率变换容易，效率高。1.2 航空蓄电池1.2.1 航空蓄电池的种类、构造和功能概念：化学能和电能相互转化1、种类：酸性蓄电池电解液为硫酸水溶液，如铅酸蓄电 池 碱性蓄电池电解液为氢氧化钾或氢氧化钠水溶 液，如镍镉蓄电池和银锌蓄电池2、构造：单体蓄电池（如图1-4示）正、负极板金属栅架，上涂参加化学反应的活 性物质，疏松多孔状。图1-4 蓄电池的构造 隔板绝缘材料，有孔，防止正、负极板短路 电解液硫酸或氢氧化钾水溶液 容器耐腐蚀材料制成参数：电动势Eb，取决于材料、电解液浓度等，单体 蓄电池的Eb较小；电压Ub，与放电程度有关 内阻Rb，与材料、极板间距离有关 三者关系：Ub=EbIbRb 容量电瓶充足电后所能放出的最大电量，Q=Iet，Ie额定电流，t放电时间，单位：安培小时（Ah）因素：极板大小及数量，即活性物质的多少；3、功能：用作辅助电源，起动发动机；用作应急电源，向关键设备供电1.2.2 蓄电池的工作特性一、蓄电池的放电特性1、铅蓄电池材料：正极板二氧化铅（PbO2）负极板铅（Pb）电解液硫酸+水（H2SO4+H2O）放电条件：接通负载化学反应方程式：PbO2+Pb+2H2SO42PbSO4+2H2O放电结果：正负极板生成硫酸铅，内阻增大，电压下降；消耗硫酸，生成水，电解液浓度减 小；2、镍镉蓄电池材料：正极板氢氧化镍（Ni（OH）3）负极板镉（Cd）电解液氢氧化钾+水（KOH+H2O）化学反应方程式：2Ni（OH）3+Cd+2KOH Cd（OH）2+2Ni（OH）2+2KOH放电结果：消耗的氢氧化钾=生成的氢氧化钾，电解液浓度不变；水未参加化学反应，高度不变；3、放电曲线及放电特性放电曲线如图1-5示：特性：铅蓄电池电压下降快，且与放电电流有关 镍镉蓄电池电压变化平稳，性能好；二、蓄电池的充电特性充电条件：外接直流电源，极性相同充电方程式：铅蓄电池：2PbSO4+2H2OPb+2H2SO4 +PbO2图1-5 放电特性 镍镉蓄电池：Cd（OH）2+2KOH+2Ni（OH）2 Cd+2KOH+2Ni（OH）3结论：充电和放电是逆反应充电方式：两种 恒流充电电瓶充电器充电，调整电压使电流保 持恒定，充电时间长，机上或车间 恒压充电直流发电机充电，充电时间短，适合 起动发电机，但不能充满电。1.2.3 航空蓄电池的故障及其维护1、铅蓄电池的故障 自放电严重。原因：有杂质，形成微电池；温度高，使正常自放 电加速；极柱间有灰尘、水汽，形成放电通 路。极板硬化。原因：充电不足，未彻底还原；液面低，在空气中 被氧化 活性物质脱落。原因：大电流充、放电；温度高；震动。存放方法：充足电后存放性能特点：成本低，体积大，重量重，寿命短2、镍镉蓄电池的故障 内部短路只出现在寿命后期。存放方法：充足电后存放性能特点：放电电压平稳，故障少，寿命长，成本高3、蓄电池使用注意事项 酸性和碱性蓄电池应互相隔离；以上两种蓄电池应充足电后存放，电解液 面高于极板；清洁、通风、防火；13 航空发电机传动与发电1.3.1 航空发电机传动传动方式有两种：直接传动和通过恒装传动一、直接传动：与发动机的种类和电源的类型有关 电源种类：直流电源、VSVF交流电源二、通过恒速传动装置（CSD）传动 发动机种类：涡喷发动机 电源种类：CSCF交流电源三、恒装的组成及工作原理 恒装由五大部分组成：差动游星齿轮系：直接传递发动机的转速，该转 速随发动机转速的变化而变化；液压泵-液压马达组件：补偿发动机转速的变化；滑油系统：润滑、散热作用外，是液压泵-马达组 件传递功率的介质。调速系统：敏感恒装输出轴的转速，自动调整液 压泵可变斜盘的倾角p。保护系统：当恒装故障时将其与发动机脱开，或使发电机与电网断开。1、差动游星齿轮系(图1-6)恒装输出转速n0与其输入转速ni、液压马达转速nm的关系为：n0=k1nik2nm结论：恒装的输出转速取决于恒装的输入转速和液压马达的输出转速。图1-6 差动游星齿轮系的传动关系2、恒速传动装置的三种工作状态 零差动（零补偿）工作方式制动点转速指恒装的输入轴转速条件：a、液压马达不转动即nm=0；b、恒装的输出转速为额定值；这时恒装的输入轴转速niz称为制动点转速，恒装的这种工作状态称为零差动（零补偿）工作方式。正差动（正补偿）工作方式 工作情况：a、恒装输入轴转速低于制动点转速；b、液压马达输出齿轮顺时针方向转动；c、恒装输出轴转速加快；负差动（负补偿）工作方式 工作情况：a、恒装输入轴转速高于制动点转速；b、液压马达输出齿轮逆时针方向转动；c、恒装输出齿轮转速下降；3、液压泵-液压马达组件：简单构造：圆柱形缸体、柱塞孔、柱塞、可动 斜盘、固定斜盘、分油盘工作原理：泵的打油量为 Qp=Cpnptgp结论：液压泵的构造一定时，泵的打油量与泵的转速和斜盘倾角有关；可调量：p液压马达：功能：液压能机械能结论：液压马达的转速nm的大小和方向受液压泵可变斜盘倾角p的控制4、转速调节器（图1-7）功能：敏感恒装输出轴的实际转速，自动调整 液压泵可变斜盘的倾角p。组成：两大部分：离心配重式调速器和伺服油 缸 输出过速时的调节 恒装状态：任意图1-7 恒装转速调节器分配活门：恒装的输出转速升高,离心力增大,离心 配重开角增大,拨杆使分配活门下移。伺服活塞：伺服油缸大腔与回油路相通,大腔油压 下 降，活塞受定压油和弹簧力的作用 向左移动。液压泵可变斜盘倾角p恒装的状态：正差动时，斜盘左倾（p 0），活塞左移使斜盘 倾角p减小，液压泵的打油量减小，液压马达顺向转速下降，恒装输出转速降低；负差动时，斜盘右倾（p 0），活塞左移使斜盘负倾角增大，液压马达打油量增加，液压马达的逆向转速升高，恒装输出转速下降。输出欠速时的调节恒装状态：任意分配活门：恒装输出转速下降时，离心配重的离心 力减小，开角减小，分配活门上移。伺服活塞：伺服油缸大腔与定压油路接通，大腔内 的油压上升，则伺服活塞右移。恒装状态液压泵可变斜盘倾角p：在正差动时，斜盘左倾（p 0），活塞右移使斜盘正倾角增大，液压马达顺向转速升高，恒装输出轴转速上升；负差动时，斜盘右倾（p 0），活塞右移使斜盘负倾角减小，则液压马达逆向转速下降，同样使恒装输出转速上升。电调线圈功能：精调转速或频率；发电机并联供电时均衡有功负载。作用原理：电磁铁与永磁铁相互作用，排斥时，活 门下移，转速下降；吸引时，活门上 移，转速上升。5、故障保护装置 种类：输出脱开装置、欠速保护、输入轴剪切径、滑油压力与温度警告系统等。输入脱开机构（图1-8）脱开原因：过速、滑油压力太低、滑油温度过高。装置构成：套齿离合器、蜗杆、蜗块、电磁铁和复 位手柄 图1-8 输入脱开装置脱开方式：空中人工脱开发动机旋转中脱开复位方式：地面人工复位发动机停车时复位 欠速保护：欠速位置：恒装输入/输出轴动作对象：发电机电路断路器GCB跳开1.3.2 交流发电机及其励磁方式一、无刷交流发电机对励磁系统的要求：起激可靠；发电机输出端短路时，有强激能力；尽量补偿电枢反应，以提高发电机外特性硬度，减轻调压器负担。实现无刷的关键部件：旋转整流器励磁方式:他励式和自励式。1、他励式(图1-10)“无刷”同步发电机组成：旋转磁极式主发电机、旋转电枢式交流励磁机、旋转整流器。简称：三级式无刷交流发电机各级发电机的名称及结构：第一级：永磁发电机副励磁机，旋转磁极式 第二级：交流励磁机，旋转电枢式 第三级：主发电机，旋转磁极式特点：起激可靠、外特性较硬、有强激能力.图1-10 三级式无刷交流发电机2、自励式（图1-9）励磁机电源：主发电机自身发出的电能简称：二级式存在问题：起激不可靠：可以通过在激磁机定子磁极中加装 永磁铁的方法解决。无强激能力：可以采用复激或相复激电路作为激 磁机的激磁电路，既解决了强激问 题，又使发电机有较硬的外特性,减轻了调压器负担。图1-9 二级式无刷交流发电机3、旋转整流器功能：将交流励磁机的三相电枢电压整流为直 流电，给主发电机励磁。结构：三相半波整流器、三相全波整流器整流电压波形（图1-12、1-13）三相半波整流器：3f0 脉动直流 三相全波整流器：6f0 脉动直流图1-11 旋转整流器结构图1-12、1-13 旋转整流器波形14 飞机电源系统的并联运行一、概述1、单独供电和并联供电 直流电源：都采用并联供电 交流电源：两种供电形式都有2、并联供电的优点：供电质量高；原因并联后电网容量大；供电可靠性高。原因各台发电机互为备用电源缺点：电源系统的调节、控制与保护设备复杂。3、并联供电的基本问题 并联供电的条件；投入并联的自动控制；发电机并联后，如何使各台发电机的负载均衡分配。二、直流电源的并联运行1、直流电源并联的条件（原理电路如图1-14 示）极性正确；发电机电压相等。图1-14 直流发电机并联原理图2、负载均衡分配的条件影响直流电源负载大小的因素有：发电机的空载电压大小U0 发电机输出端到电网馈线的正线电阻R+调压器的静差率k（或称坡率系数，表示调压器精度，图1-15）负载均衡分配的条件为：发电机的空载电压相等，即：U10=U20 正线电阻相等，即：R+1=R+2 调压器的静差率相等，即：k1=k2图1-15 带调压器的发电机外特性3、负载均衡措施：因为R+、k不可调，因此只能通过节发电机的 空载电压U0（即励磁电流）均衡负载均衡环节的位置：与调压器综合在一起，不同的调压器，具体的均衡 方法也不同。炭片调压器 在调压器工作铁心上附加均衡线圈，并在发电机负 极性端接入检测电阻R，称为负极电阻，如图1-16 示。图1-16 炭片调压器的均衡电路 均衡原理：负载不均衡时，线圈中有电流，电磁力改变，炭柱电阻变化，U0变化：承担负载多的发电机的U0下降，承担负载少的发电机的U0增大。晶体管调压器 在调压器的检测端串入电阻R24，同时在发电机的负极性端串入负极电阻R-，电路图如图1-17示。均衡原理：对承担负载多的发电机调压器，检测到的电压值也偏高，调压器使励磁电流减小，则负载也减小；承担负载少的发电机调压器，检测到的电压值偏低，调压器使励磁电流增大，负载也增大。图1-17 晶体管调压器的均衡电路三、交流电源的并联运行1、交流电源并联的条件飞机交流电源的参数有五个：电压波形、相序、频率、电压值、相位。电压波形相同要求：均应为良好的正弦波措施：采用同型号的发电机并联，其波形的畸变 系数接近相等，因此波形与理想正弦波接近 相序相同要求：并联电源的相序严格一致相序：a、取决于发电机的转向；b、输出馈线的连接顺序。措施：敷设发电机馈线时，注意各电源之间相序的 对应关系即可。频率相等一般不相等，能否投入并联要视具体情况 决定：a、由飞机发动机直接刚性传动的发电机电源:VSVF交流电源并联条件：频率完全相等或 PE PG结论：涡桨飞机上的VSVF交流电源不能并联供电b、通过恒装传动的交流发电机电源:CSCF交流电源并联条件：恒装的转速调节器有静差（图1-18）结论：频差较小时可以并联，但并联瞬间有冲击电 流和冲击功率，并联后有功负载不均衡。电压大小相等情况：由调压器满足结论：U0时可以并联，但压差不能太大；同时并联瞬间有冲击电流和冲击功率，并联后无功负载不均衡；U0高的发电机承担的无功负载大。电压相位相等并联条件：不能太大，一般要求900四、有功及无功负载的自动均衡1、有功及无功功率的概念 交流电源的功率有三种：有功功率：P=UIcos=UIP 含义：实际消耗的功率无功功率：Q=UIsin=UIQ 含义：与电源交换的功率视在功率：S=UI 含义：容量2、调节功率的方法有功功率：调节发电机的转速或频率原理：根据功率守恒原理，P=P，P=M，所以调节转速或频率时，P变化，则发电机输出的有功功率改变。无功功率：调节发电机的励磁电流原理：并联供电时，电网电压基本不变，则改变励磁电流时，发电机输出的无功电流随之改变，以 产生去磁或增磁的电枢反应，以保持气隙合成磁通不变。3、均衡线路工作原理 有功功率的自动均衡：典型均衡电路如图1-20示a、电路组成及特点：相敏整流式，整流电压的大小 与交流电压的大小和相位有关。b、工作原理：纯有功负载不均衡时，输出电压 Uab0 纯无功负载不均衡时，输出电压Uab=0 将Uab加到恒装的电调线圈上，使P大的发电机 的转速减小，使P小的发电机的转速增大，无功 不均衡时不起作用。图1-20 有功均衡线路原理图 无功功率的自动均衡：均衡电路如图1-19示a、电路组成：电流互感器、均衡变压器、检比 电桥b、均衡原理：检测，转化，叠加，调节。调节原则：使承担无功负载多的发电机的励磁 减小，承担无功负载少的发电机 的励磁增大；有功 不均衡时输出 不变。五、投入并联的自动控制电路功能：检测U、f、，图1-19 无功负载均衡原理图15 航空发电机的调压、控制和保护1.5.1 电压调节器电压变化的原因：发电机转速、负载电流大小及性质调压器的功能：自变量（n、I、）变化时，自动调节励磁电 流，以保持发电机电压不变。发电机输出端短路时，提供强激磁能力；发电机并联供电时，均衡无功负载。调压器的类型：磁放大器式、炭片式、晶体管式（IC式）一、炭片调压器励磁电路中串入可变电阻1、组成：炭柱电阻、电磁铁及工作线圈、衔铁 及弹簧组件（结构如图1-22示）2、调压原理：炭柱电阻Rc主要是炭片之间的接触电阻，由其上 所受力的大小控制：炭柱被拉伸时，Rc，Ij，U；炭柱被压缩时，Rc，Ij增大，U。3、炭片调压器特点：精度低、稳定性差、抗振动能力差，功耗大图1-22 炭片调压器原理图二、晶体管调压器励磁电路中串入可控开关1、类型：PWM式脉冲频率固定，脉宽可调 PFM式脉冲宽度固定，频率可调晶体管工作在开关状态的目的：减小管耗2、PWM式晶体管调压器组成及各环节作用 检比环节：检测U，与基准值比较；调制环节：将连续信号变为脉冲信号，以使功放 管工作在开关状态；整形放大：将梯形波变为矩形波，缩小放大区，以 减小功耗；图1-23 PWM式晶体管调压器方框图 功率放大：进行功率放大。3、调压原理：功率放大电路如图1-24示：电路连接特点：复合管，串联，续流二极管续流二极管作用：提供放电通路，减小感应电压，保护功放管平均励磁电流：Ijj=E/Rjj =t1/T，导通比，其 大小在0-1之间变化，通过改变的大小，即可调 节Ijj的平均值，则U可变。励磁电流的实际波形：脉动的直流（图1-25）图1-24、1-25 功率放大电路及励磁电流波形图1.5.2 飞机电源系统的控制与保护一、飞机电源系统的控制电源系统控制的内容：发电；输电；配电；控制对象：GCR、GCB、BTB、APB、EPC GCR发电机励磁继电器，控制发电机是否发电 GCB发电机电路断路器，控制发电机是否输出 BTB汇流条连接断路器，决定是否并联或交互供 电 单独供电的控制关系（图1-26）地面检修时由EP供电，此时EPC、BTB闭合 正常飞行时由主电源供电，左、右通道互相隔 离一台发电机失效时交互供电或起动APU.G两台发电机都失效时由应急电源给关键负载供 电图1-26 单独供电系统简化原理图 并联供电的控制关系（图1-27）正常时四台发电机并联供电，所有GCB、BTB 都闭合一台发电机失效时故障发电机与电网隔离，即 GCB断开负载汇流条短路时将故障点与电网隔开，即 GCB、BTB断开同步汇流条短路时所有BTB都断开，转为单独 供电图1-27 并联供电系统简化原理图二、交流电源的故障及保护故障类型：OV/UV（单独供电），OE/UE（并联 供电），OF/UF，DP，OP，US，PMG故障，旋转整流器短路等；延时方法：三种：立即动作DP 反延时OV、OE、SP 固定延时其余故障动作对象：USGCB 其余故障GCR、GCB或BTB1、OV/UV故障及其保护故障场合：单独供电故障原因：调压器故障、励磁电路故障故障现象：OV三相平均电压或最高相电压超过 额定值，如11Ue；UV三相平均电压或最低相电压低于 额定值，如09Ue；危害：OV损害负载、过速 UV负载不能正常工作OV/UV种类：瞬时OV/UV正常，不动作 持续OV/UV故障，动作延时目的：防止正常OV/UV时误动作延时方法：OV反延时：故障越严重，延时越短 UV固定延时，约8-10秒动作对象：GCRGCB2、OE/UE故障及其保护故障场合：并联供电故障现象：OE并联发电机的励磁电流太大，承担的无功负载 多 UE并联发电机的励磁电流太小，承担的无功负载 少注意：电网电压基本不变故障原因：无功均衡环节或调压器故障动作对象：首先断开BTB，退出并联，如仍有故障，表现为OV/UV，再断开GCR和GCB，即 OE/UE的延时比OV/UV的延时时间短。延时要求：OE反延时 UE固定延时3、发电机电枢绕组及输出馈线短路故障故障部位：主发电机电枢绕组及输出馈线故障原因：绝缘磨损、断线搭地故障现象及危害：短路电流很大，烧坏发电机，引 起火灾；发生严重的过电压。动作时间：立即动作，动作时间小于0.02-0.06s。保护方法：差动保护（DP）电路组成：两组电流互感器LH1、LH2，整流滤波 电路，鉴压电路，图1-28。保护原理：正常时，电路无信号输出 短路时，输出故障信号进行保护保护范围：两组电流互感器之间的部分动作对象：GCR和GCB图1-28 差动保护原理图1.6 二次电源和应急电源1.6.1 变压整流器功能:将115/200V的三相交流电变换为28V的直流电组成及各部分作用：变压器将高电压变为合适的低电压 整流器将交流电变为直流电 输入滤波器抑制电磁干扰 输出滤波器滤去脉动成分图1-29 Y/Y连接的变压器及整流波形1、变压器：接法：Y/Y、Y/、Y/Y接法不同：输出电压的相位差不同，则整流电压的脉动频率不同，对滤波器体积有影响：f体积2、整流器：三相全波或六相全波整流器波形：整流电压的脉动频率为f=6f0 或 f=12 f03、滤波器：LC滤波器结构：型、型（如图1-30示）图1-30 滤波电路的结构1.6.2 静变流器简介应急直流电源：航空蓄电池应急交流电源：静变流器（主电源为交流电）功能：将电瓶电压逆变为单相交流电图1-31 静变流器的组成方框图1.7 地面电源及其控制地面电源的种类:发电机组：由发动机带动三相交流发电机，可移动；中频电源：由大功率电子元器件构成的交交或交 直交变频器将工频交流电（220V/50Hz ）变为航空交流电（115V/400Hz）。地面电源作用：维修、货物操作、加油、充电等地面电源的监控：由BPCU（EPCU或GPCU）监控EP的质量监控参数：电压、频率、相序