第四章飞机交流电源系统飞机电源：作用是产生和传输电能以供机上各种用电设备用电。现代飞机电源系统一般由主电源、二次电源、应急电源和辅助电源组成。主电源系统：是飞机上全部电器负载的能源二次电源：用来变换主电源的电压、电流或频率的电源设备；应急电源：作为一个独立的电源系统，当主电源系统失效时由应急电源向机上重要用电设备供电。辅助电源系统：航空发动机不运转时，由辅助动力装置驱动而发电。常用于地面检查，在空中也可用于给机上用电设备供电。一、飞机电源系统的发展概况（一）飞机电源系统安装容量的增长 早期的中小型飞机的机载电源是以直流为主的。中型涡轮螺旋桨飞机上，出现了交、直流发电机共有的情况。大型飞机以交流电源为主。(二)飞机电源发展的几个阶段 按照飞机动力装置的发展情况，可分为以下几类： 1、活塞式飞机的电源概况采用28V的低压直流电源系统，电源容量只有几kW至十几kW，以蓄电池作为应急电源，少量负载用的交流电源则由旋转变流机提供。2、涡轮螺旋桨飞机的电源概况自50年代以来，在一些飞机上逐渐发展和采用了交流电源系统，交流与直流电源并重3、喷气式飞机的电源概况喷气式飞机的电源系统均以交流电作为主电源。二、交流电源系统的主要优缺点（一）为什么要用交流电源作为主电源1、电源容量的增加，要求提高电压以减轻重量2、飞机电源工作环境条件的变化，迫使采用交流电源。3、电压和功率变换的要求（二）交流电源系统的主要优缺点1、主要优点：（1）交流发电机工作可靠性大大提高。（2）电源电压的提高，使交流发电机和电网设备重量大大减轻。（3）交流电能易于变换，即易于变压和整流。2、主要缺点：（1）恒速传动装置结构复杂，造价高、故障多，维护困难。（2）交流电源系统的控制保护设备比较复杂，特别是并联运行时的控制保护更为复杂。第二节飞机交流电源系统的基本形式及主要参数（一）变速变频交流电源系统在变速变频交流电源系统中，交流发电机是由发动机通过减速器直接传动的，它输出交流电的频率是随发动机转速的变化而变化的。（二）恒速恒频交流电源系统优点:1、对飞机上的各类负载都适用2、恒频交流发电机可单台运行，也可以并联运行，而且电气性能好，供电质量高。（三）变速恒频交流电源系统恒速传动装置结构复杂，成本高，可靠性低，维护比较困难。出现了变速恒频系统。二、飞机交流电源系统供电方式的分类（一）并联供电将多台频率相同的交流发电机并联起来，同时向机上所有汇流条供电，称为并联供电。优点是发电机利用率高，系统工作可靠。（二）单独供电在正常状态时，每台发电机单独向各自的汇流条供电，只在故障时实行转换，这种方式称为单独供电。三、交流电网供电馈线的连接方式（一）以机体为中线的三相三线制实际上相当于三相四线制，只是以机体作中线而省去一根导线。这种供电系统重量轻，单相负载的通、断及保护装置都比较简单，对机上人员来说比较安全。（二）中点不接地的三相三线制单相负载的电压为线电压，缺点是单相负载的电压只有单一的一种线电压。（三）以单相为主而兼有三相的供电系统它的交流电源是借助一台三角形联接的三相有刷交流同步发电机发电的，但它只主用其中的 相以提供单相交流电源。第三节恒速传动装置一、概述（一）恒速传动装置的位置（二）轴向齿轮差动液压机械式恒速传动装置的基本组成液压机械式恒速传动装置的主要组成包括传动系统、滑油系统、调速系统和保护系统。恒速传动装置输出轴的转速是由两部分合成的，一是发动机输入轴的转速经过差动游星齿轮系直接传输的转速，它随发动机转速的变化而变化。两者合成使恒速传动装置输出轴转速保持恒定。（一）传动关系和传动比1、传动关系任何两个外接齿轮转动方向总是相反的，而内接齿轮的转向总是相同的。输入齿轮反时针旋转游星齿轮架顺时针旋转带动装在齿轮架上的两组游星齿轮旋转1、液压马达不转时，第一组游星齿轮反时针第二组游星齿轮顺时针输出环形齿轮顺时针输出齿轮反时针2、液压马达顺时针转动输入环形齿轮反时针转动第一组游星齿轮反时针与前述相同输出齿轮转得更快3、液压马达反时针转动输出齿轮顺时针方向转动输出齿轮反时针方向的转速降低。2、传动比假定游星齿轮架 的转速 输入环形齿轮 （或 ）的转速 （或 ）输出环形齿轮 （或 ）的转速 ，规定顺时针转动为正方向。输入环形齿轮与输出环形齿轮之间的传动比为：由式4-1可以求得输出转速（二）恒速传动的三种情况1、恒装输入轴转速为制动点转速时液压马达不转动时，（ ）发动机通过差动齿轮系驱动发电机，正好保持发电机转速为额定值所需要的输入轴转速 称为制动点转速。可由（4-6）令 而求得：输入转速等于制动点转速下的工作方式称为零差动工作方式。2、恒装输入轴转速低于制动点转速时在这种情况下，单靠机械传动，发电机的转速低于额定转速，为了保持发电机恒速，必须由液压马达的转动补偿。正差动工作方式3、恒装输入轴转速高于制动点转速时此时，单靠机械传动，发电机转速将高于额定转速，液压马达输出齿轮反时针方向转动。二、差动游星齿轮系的工作原理恒装输出齿轮的转速由恒装输入齿轮的转速（决定于发动机）和输入环形齿轮的转速（决定于液压马达输出齿轮转速）共同决定。恒速传动装置的基本工作原理：液压马达输出齿轮的转速是自动调节的，恒装输入转速随发动机变化时，相应改变液压马达输出齿轮的转速，就可以保持恒装输出转速恒定。四、正差动状态和负差动状态时的工作情况（一）正差动工作方式（二）负差动工作方式输入脱开装置 恒装一般设有输入脱开装置、输出防飞离合器、欠速保护、超速保护、恒装输入轴剪切颈、恒装滑油压力警告装置、滑油温度警告装置等故障保护措施。 当恒装出现故障时，例如输出转速过高、滑油压力过低、滑油温度过高或其他故障时，应将恒装的输入端与发动机脱开，以免故障扩大，这可由输入脱开装置完成。输入脱开装置由套齿离合器、蜗杆、蜗块电磁铁和复位手柄等组成。 工作原理 恒装工作正常时，电磁铁的鼻销卡入蜗块凹槽把蜗块锁住，蜗块与蜗杆不接触、因此套齿离合器齿合，输入花键轴通过套齿离合器输入转速。 发生故障需要脱开恒装时，飞行员在驾驶舱接通恒装脱开电门（一般在电源配电板上），电磁铁线圈电路通电，鼻销被吸入电磁铁，在弹簧作用下蜗块向上与蜗杆齿合，由于蜗块不能移动也不能旋转，而蜗杆仍在转动，于是迫使蜗杆左移，使套齿离合器分离，从而使输入齿轮和输入花键轴脱开，恒装停止工作，该发电机便停止发电。 第四节飞机交流发电机的结构形式和励磁方式一、励磁的形式： 1、有刷励磁他励式、自励式 2、无刷励磁他励式、自励式 一、有刷交流发电机一、他励式： 由飞机直流电网向交流发电机提供励磁电流的形式叫他励。 （1）直流电网励磁 （2）直流励磁机励磁 激磁线圈直流电网励磁二、自励式 1、自励式基本电路： 1）由发电机三相输出经变压整流后输出一个直流到励磁线圈上。 2）发电机起励也是靠剩磁，为了使起励更加可靠，在磁路中加上了永久磁铁。 2、缺点： 没有强励能力。一般不用。二、无刷交流发电机一、无刷交流发电机的基本形式： 1、两级式： 交流励磁极和主发电机组成自激式发电机为保证可靠自激在励磁机定子磁极上装有永久磁铁 2、三级式： 由副励磁极机、交流励磁极机和交流发电机组成。 优点： 1）起始自激可靠不受发电机输出电压 2）永磁交流发电机它的输出也可以用于相控制和保护设备供电，工作 可靠。 三、交流发电机的相复励 相复励 励磁电流除了能反应发电机电压的高低、负 载电流的大小、此外还能反应负载的性质和 功率因数。 相复励电路有三种形式： 1、电压相加型相复励。 2、电流相加型相复励。 3、磁势相加型相复励。第五节交流发电机电压的自动调节一、影响电压调节的因素与调压系统的作用: 由同步发电机工作原理知道,当交流发电机负载大小与功率因数改变时,其电枢反应和内阻抗压降改变,使发电机的输出电压改变;另外,在不带恒速传动装置的涡轮螺旋桨之类的飞机上,交流发电机的电压还随发动机的转速变化而变化。所以，在交流电源系统中，发电机的输出电压是受发电机转速、负载大小和功率因数三因素的影响。交流电压调节器的主要类型磁炭式电压调节器磁放大器式电压调节器晶体管调压器 晶体管电压调节器的优点： 重量轻、体积小、调压精度高，误差只有0.05%；而且无活动接触点，寿命长、维护方便。电压调节器的组成 不论哪种形式的电压调节器，通常由四个基本环节组成： 即检测环节、比较环节、放大环节和执行环节。被调节 量是发电机电压（UF）。当（UF）偏离调定的额定值时，检测环节敏感到这个变化，并送到比较环节与调定的基准值进行比较得出偏差信号，偏差信号进放大环节放大后推动执行环节改变发电机的励磁电流从而使发电机电压（UF）变化，以减少或消除电压偏差。比较环节放大环节执行环节调节对象检测环节自动调压系统方块图基准值检测哪种电压 常用的有下列四种：固定相调节，三相平均电压调节，最高相电压调节，正序电压调节。1、固定相调节 检测某一固定的相电压或某一固定相调节。保持发电机线电压UAC为调定值，而不管UAB、UAC如何变化，只要UAC为调定值，检比电桥达到平衡，调压器就不再改变发电机的励磁电流。 这种线路比较简单，但在三相或三线负载不平衡时，各相或线之间的电压也是不对称的，尤其是当所检测的相或线有故障而使电压降低时，调压器的作用是将电压调高，这时正常相或线的电压会大大升高，将会引起用电设备的损坏，因而这种方式应用较少。最高相电压调节 按照高相电压调节仍只能调一个相的电压，但不是固定的某一相电压，而是使最高相电压为调定值。由于飞机用电负载的变动，三相电压中究竟哪一相电压最高，并不是固定不变的，但在不对称运动时，总有一个相的电压比其他两相高，调压器就敏感这个最高相电压，使它保持为调定值，至于其他相电压比额定值低多少，它是不能反映的。这种方式是前一种线路的改进。三相平均电压调节 这是最广泛应用的一种调压检测方式。 比较电桥的直流电压由三相变压经全波整流取得。这个电压的大小并不单纯地决定于任何一相的电压，而是三相电压的平均值。当一相电压升高时，如另一相或另两相电压的降低同时出现，则整流电压仍有可能不变。晶体管式电压调节器 目前飞机交流发电机晶体管电压调节器控制励磁电流的方式，是将大功率晶体管串联在励磁机的励磁绕组Wjj电路中，用以控制励磁机的励磁电流。 图4-40为晶体管作为开关元件调压的示意图，图中Wjj为励磁机的励磁绕组，D为续流二极管，E为励磁机励磁电路的电源电压，Rjj为励磁机励磁绕组的电阻。EGDEJWjjRJJIjjDWjjRjj+cbeebc+G_IJJG J 饱和截止脉冲调宽式晶体调压器 晶体调压器用脉冲法调节励磁电流的形式有两种，一种是保持脉冲（开关）宽度不变，调节脉冲的频率，叫脉冲调频式，另一种是脉冲频率即开关次数不变，而脉冲的宽度随电压 偏差的不同而改变，叫脉冲调宽式。 脉冲调宽式晶体管电压调节器主要由检比电路，调制电路、整形放大电路和功率放大器四部分组成。 检比电路的输出电压uab与发电机电压uF对其额定值uFN的偏差成正比，这个偏差信号由调制电路转变成脉冲，调制电路的输出脉冲经整形放大得到前后沿比较陡峭的矩形波，最后经过功率放大去控制励磁机的励磁电流。脉冲调宽式晶体调压器的组成方块图检比电路功率放大整形放大调制电路GuFNuFWjja(uFUFN)f=常数t1uabuabuttt 1Tt2t2t1晶体管电压调节器的工作原理1、检比电路 检比电路由降压变压器、二极管、D1-3滤波电容C1调节电位计RW及由稳压管DW1-4与R1,R2组成的比较电桥构成。 图中是三相半波整流、检测的是三相平均电压整流后的电压波形如图4-43的曲线1所示，经电容C1滤波后，电压波形将平滑一些，接近于三角形波，如图中曲线2所示。三相整流滤波波形2uMuabDt 1uabt 2ut t 调制电路 常用的调制电路是利用检比电路输出电压中的三角波进行调制的。调制电路由晶体管T1及有关电阻组成，它的工作原理与输出波形见图4-44。 检比电路的输出电压经过电阻加在晶体管T1的基极与发射极之间。T1的输入特性Uebl=(Ib1)如曲线1，其中ub0为T1的截止电压；直线2为R3的电阻线；曲线3为调制电路的输入特性，它为曲线1、2的合成，即Uab=Uebl+Ib1R32t2uMuce113uabueb1Ib1uabDeub0tttdcbaIc1EcIb1 调制电路的工作原理 由于输入电压uab按三角波脉动,当uabubo时，Ib1为零，T1截止Ic1=0,uce1=Ec当Ib1足够大时，T1饱和，Ic1=Ic1s uce1=0;在两者的中间为放大区。调制电路的输出电压uce1是一个梯形波。 当交流发电机的输出电压增加时，检比电路输出的直流分量uabD增加，图4-44(b)中的波形将往右移，使晶体管T1的截止时间减小，饱和时间增加，输出电压脉冲宽度则减小。显然，当uabD大到一定值时，T1将在整个周期中全饱和。相反，当uabD减小时，则输出脉冲宽度增加，当uabD小到某一数值时，T1将全截止。这样，调制电路输出脉冲的宽度则反映了发电机电压的高低。3、整形放大电路 整形放大电路的作用是将调制电路输出的梯形波信号整形为比较标准的矩形波，并加以放大，去推动大功率晶体管工作。图中第一级为调制级，T1集电极电压Uc1是梯形波，第二、第三两极T2、T3是整形放大级。T 1-R 6R 5R 4uc 3T 2T 3uc 1uc 2+同步发电机的并联供电一.概述: 1.并联供电的优缺点: 1)优点: (1)供电的质量提高. (2)供电的可靠性提高. (3)可减少备份电源的容量. 2)缺点: (1)控制设备复杂. (2)电源的工作稳定性差.二.并联供电的条件: 1.电压的波形要相同.(用同型号的发电机,电压均为正弦波) 2.三相电压的相序要相同. 3.电压的频率要相同. 4.电压的大小要相等. 5.投入并联瞬间电压的相位要相同.第七节飞机交流电源的控制关系一.交流电源的控制: (一)控制的对象与功用: GCR-发电机激励接触器,用来控制发电机的激励电流. GCB-用来控制发电机的输出. BTB-决定发电机是否并联供电或发电机汇流条间是否交互供电。 EPC-外电源接触器 APC-辅助电源接触器. 单独供电控制关系图外电源BUS1GCN 1APU GCNGCN 2APCGCBGCBEPC转换继电器BTB1BTB2BUS2转换继电器1转换汇流条 1转换汇流条 22EPC GCN 1GCN 4GCN 2GCN 3GCB 4GCB 3GCB 2GCB 1BTB 4BTB 3BTB 2BTB 1并联供电的要求： 1、电压波形相同。 2、相序相同。 3、频率相等。 4、电压大小相等。 5、投入并联瞬间电压的相位相同。同步汇流条负载汇流条基本逻辑关系 (一)GCR的接通条件: 该电门是一个瞬间电门接入电门为接通位置,松出电门后电门在断开位置. 1.GCR的跳开条件: 1)超压和短路故障立即跳开. 2)电压不稳定 3)发动机火警. 4)欠压 5)激励太高 G C R通 断GCR.S接通位(二)GCB 接通与断开的条件: 1.GCB接通的条件: (1)GCB电门在接通位 (2)外电源EPC在断开位 (3)符合供电条件 (4)不欠速 (5)GCR电门在接通位 2.GCB断开的条件: (1)GCB 电门在断开位 (2)外电源电门EPC在接通位 (3)GCR 断开 (4)恒装脱开位 (5)发电机欠速跳开G C B通 断与或断开接通三、BTB接通与断开条件 一）接通条件： 1、空中： 1）只要有一台发电机故障GCB跳开。 2）二台发电机或者GCR跳开由APU供电时。 2、地面： 1）APU工作后只要APB接通。 2）当地面电源车接上而且可用EPC电门在接通位置 二）断开的条件： 当发动机起动完成转速达到56%自动跳开。BTB通 断辅助断开继电器动作BTB电门在断开位BTB.S通HH四、外电源接触器EPC接通与断开条件 一）接通的条件： 1、所有的GCB在跳开位。 2、外电源电门在接通位。 3、外电源的相序正确而且无超压。 二）断开条件： 1、外电源电门在断开位。 2、任一个GCB在接通位。 3、外电源超压。E PC 通 断所有GB断开外电源相序正确 EP.S接通任一GCB接通外电源超压外电源电门断开Y第八节飞机交流电源的保护 一、交流电源系统的故障及保护中的一般问题 (一)故障类型与保护项目 在飞机交流电源系统运行过程中,可能出现故障的地方很多,有的是恒速传动装置故障,有的是供电系统部件(如发电机,调压器)本身的故障,有的是系统中的线路故障;在并联供电的系统中,还可能是均衡分配环路中的线路故障等等.故障的表现形式多种多样,有过压、低压、短路、负载分配严重不均、过频,低频和电压不稳定等. 应该根据每一种故障对用电设备造成的具体影响而采取相应的保护措施,有时应该断开BTB,有时应该断开GBR并同时断开GB,有的则只要断开GB;其中有的应该立即动作,有的应该延时动作. （二）对保护电路的基本要求 1、正确判断和隔离故障,尽量缩小切除部位,保证系统的生命力.例如,过 励与欠励故障,可能是无功或有功均衡环路故障,也可能是调压器故障, 所以应该先断开BTB,让该发电机单独供电,如果是均衡环路故障则故障 消失;如果是调压器故障,则对单台发电机表现为过压或低压故障,这时 再断开GCR和GB。 2、尽量不中断或少中断对用电设备的供电,即要求保护动作准确及时。 3、保护装置既不应该误动作也不应该拒动作.在不应该动作是动作,称为 误动作;在应该动作时不动作称为拒动作.另外,有些保护应立即动作, 如过电压和短路故障,因为它们是最危险的,有些保护则应延时,有些应 有所谓反延时的要求,如过压值越高其延时应该越短,而过压值不太高 则延时长些.二 短路故障与差动保护 一、短路故障的产生、危害及保护要求 所谓差动保护是在当发电机内部短路,或发电机输出端点 到GB(在并联供电系统中是BTB)之间的馈线相与相,相与 地之间短路时所作的一种保护。 产生短路故障的原因可能是发电机或馈线磨损造成绝缘损 坏,由于振动断线而搭地,或由于其他偶然事故而造成。 短路是一 种危险故障.短路相中流过很大的电流可能引起火 灾;短路相的电压将大大降低;如果调压器检测的是发电机的三相 平均电压,那么在发生单相接地短路故障时,调压器将使非故障相 的电压大大升高,导致这些相上的负载过压损坏;在并联供电系统 中,还可能使发电机失去同步而脱开。 （差动保护线路的工作原理 该线路的检测电路由六个相同的电流互感器,电阻及整流二极管组成.电流互感器分成两组,LH1置于发电机接地端，LH2置于发电机电路断路器GB之后(在并联供电系统中则置于BTB之后. 在这两组电流互感器之间的范围称为差动保护区,只有在此区域出现短路故障时,差动保护线路立即输出信号至GCR故障信号放大器.从而断开GCR,同时断开GB.若在两组电流互感器之外出现短路故障,差动保护电路是不起作用的.LH 2LH 1电源输出ZGCBCBDWR9R2R1R1R1R2R2R7R8YAX至GCR故障信号放大 为简明起见,取出其一相电路如图所示.设LH1,LH2原边电流为I1 ,I2 ,副边电流I1 ,I2则流过R1 ,R2支路的电流为两副边电流之差,即I=(I1I2)/K,其中K为互感器的变化. 在正常情况下,I1=I2电流差I=0,电阻R1 ,R2上无信号,保护电路不动作。 若在差动保护区内任一点a处发生短路,设短路电流为IK于是产生电流差I=(I1I2)K=IKK.即流过电阻R1 ,R2中的电流与短路电流成正比,当短路电流达到一定数值时,在电阻R2的压降经过二极管整流,电容C滤波,发出差动保护故障信号,经过GCR故障信号放大器去断开GCR然后断开GB,从而将故障发电机与电网分开.I2GR 1LH1R 8R 7R 2R 9CLH2I1I1I2Iabc负载输出d 三、励磁故障及保护 1、励磁故障产生的原因及现象： 产生励磁故障的主要原因有:发电机励磁电路的短路,及励磁机定子 绕组或旋转整流器的故障;调压器本身故障;并联运行时,有功负载分配 环或无功负载分配环的故障. 当发电机产生励磁故障时,其结果不是过励磁就是欠励磁 同为过励或欠励,在单独供电与并联供电系统中的表现形式是不同 的.当发电机单独供电时,过励磁将引起发电机端电压升高,表现为过压; 欠励磁将使发电机端电压降低,表现为欠压. 当发电机并联时,情况则不同,一台发电机的励磁故障会影响到其他 正常发电机的工作.例如一台发电机过励,由于调压器的作用,将迫使正 常发电机的励磁下降,即欠励磁,而其电网电压基本不变,这将引起发电 机之间无功负载分配严重不均衡. 励磁保护的延时要求 对BTB, GCR, GB的断开,必须考虑两方面的因素.一方面是产 生过压故障时,由于过压对电子设备,灯光照设备极易损坏,并且过压 愈高,损坏越快,因此保护装置必须在用电设备损坏之前动作; 另一 方面,当飞机上某些大功率感性负载断开时,电压也会突然升高,后者 这种电压的短时波动称为瞬时过电压,这是应该允许的正常情况,保护 装置在种情况下不应动作. 考虑到允许的正常瞬时过电压和设备允许的较高工作电压,并留有 一定余量时,可以确保过压保护延时要求的下限,如图曲线a所示,过压 保护装置在此曲线以下不应动作,否则就是误动作.在用电设备损坏之 前动作,即在曲线b以下动作,否则就是拒动作.U(V)两条线之间动作区140V危险曲线126.5140 （ 过压保护线路 它由检测电路(变压,整流,滤波,分压组成),鉴压电路(DW1 ,R3 ), 延时电路三部分组成,经过DW2向GCR故障信号放大器输出。输出 在正常情况下,电压uA低于鉴压电路DW1 的击穿电压,电路无信号输出。当发生过压时,稳压管DW1被击穿, 经R4向C2充电.这个延时电路具有反延时特性,过压越高,C2充电越快,达到动作电压的延时越短.当充电电压达到DW2 的击穿电压时,DW2击穿而输出故障信号到GCR控制电路,使GCR断开,同时断开GB,这就是过压时的一般工作情况.DW1DW2D 4R 4R 3R 2R 1C 2C 1U dU A第九节 变压整流器一.概述: (一)二次电源的概念 发电机发出的电源是交流或者直流称为一次电源. 如果把一次电源逆变成交流或者直流称为二次电源. (二)对变压器的要求 1.电压波形要好. 2.变压器的效率要高. 3.电压调整率: Ud0-UdeUde-额定负载Ide时整流器输出电压Ud0-整流器空载直流电压UdeU=