航空器电源.docx

1、航空器电源航 空 器 开关电源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

2、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；

3、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：285V 2、交流电源： 电压：115/200V或120/208V

4、 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

5、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=EbIbR 容量电瓶充足电后所能放出的最大电量， Q = Ie

6、t，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+

7、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）2Cd + 2KOH + 2Ni

8、（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

9、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

10、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n

11、iz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

12、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

13、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：

14、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；

15、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：开关电源 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

16、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

17、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=U

18、20 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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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：

27、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BTB 1、OV/UV故障及其保护 故开关电源障场合：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

28、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：GCRGCB 2、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