第三章 飞机直流电源系统

1、西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统第三章 飞机直流电源系统 3.1 概 述 3.2 飞机直流发电机 3.3 飞机直流发电机的电压调节 3.4 直流电源的并联运行 3.5 飞机直流电源的控制与保护 3.6 起动发电系统 3.7 高压直流供电系统西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.1 概概 述述 主电源以直流电形式的飞机电源系统。 两种类型：28V低压直流电源；270V高压直流电源。 由主电源、辅助电源、应急电源和二次电源等构成。主电源的发电装置通常是航空发动机直接传动的直流发电机； 辅助电源多数采用航空蓄电池，也有采用辅助动力装置带动发电机的方案； 应急电源大多数为航空

2、蓄电池，但也有采用应急发电机的个例； 飞机直流电源系统中的二次电源，早期大多是旋转变流机，现在逐步被静止变流器所替代。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.2 飞机直流发电机飞机直流发电机 标称电压为30V，额定电流有100，200、300、400和600A多种，相应的额定容量为3、6，9、12和18kW。表3.2.1飞机直流发电机的重量功率比型 号ZF-9ZF-12ZF-18QF-6QF-12额定功率（kW）91218612重 量（kg）2428.641.52331单位功率重量（kg/Kw）2.672.342.233.382.58西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统eE

3、 = C n发电机特性发电机特性空载特性：西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统外特性：外特性： 电流增加，电枢回路的电阻电压降上升，使端电压下降 感应电势正比于每极磁通，电流增加，电枢反应的去磁作用会使每极磁通减少，使感应电势下降，端电压进一步下降。 对于 并励发电机，励磁绕组和电枢绕组并联，端电压的下降使励磁电流成正比的减少，每极磁通降低，感应电势和端电压进一步降低。外特性西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统有调压器的外特性有调压器的外特性 发电机负载电流超过一定值时，励磁电路的外接电阻即调压器的等效电阻已达到最小，负载再增加励磁电流不能再增加，发电机的电压不能继续维持在

4、额定值，而按自然外特性变化。有调压器的外特性西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.2.3 飞机直流发电机的种类飞机直流发电机的种类 有刷：换向存在电刷磨损和电刷火花等问题，制约了电机功率的增大。 无刷：简化了电机的机械结构，提高了电机的高空性能和可靠性，有电磁式和永磁式两种。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统1永磁式无刷直流发电机转子：永磁材料，永磁电机不能用灭磁的方法实现电机内部短路保护，通常用脱扣机构在内部短路时将发电机与原动机脱开。定子部分： 电枢绕组：双Y绕组 三相晶闸管整流桥：两套整流电路，减少发电机输出直流电压的脉动，减轻滤波电路的体积和重量。 平衡电抗器和

5、滤波电容： 图3.2.2 永磁无刷直流发电机主电路1发电机永磁转子；2双Y电枢绕组；3-晶闸管整流桥；4平衡电抗器；5-滤波电容器西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统2. 电磁式无刷直流发电机 电磁式无刷直流发电机的一种方案是由三级电磁式无刷交流同步发电机和二极管整流桥构成。电磁式无刷交流发电机由永磁副励磁机、交流励磁机、旋转整流器和主发电机构成。交流励磁机的电枢在转子上，产生的三相交流电经旋转整流器整流后供给主发电机的励磁绕组，从而可不采用电刷和滑环。 电磁式无刷直流发电机输出电压通过调节励磁机励磁绕组的电流来实现。 主发电机的电枢采用六相双Y绕组，可减小输出电压脉动和降低电机损耗

6、。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.2.4 飞机直流发电机的冷却飞机直流发电机的冷却 通常采用强迫吹风 西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统发电机所需冷却空气流量由发电机的损耗、允许工作温度、导热性、电机内空气分配合理性、冷却空气的温度和密度等因素确定。发电机额定功率相同，损耗大效率低的需要冷却的空气量大。电机内部空气分布合理，发热均匀，则流量可小些。电机各部分导热性好，热量易传出，绝缘材料允许工作温度高，则冷却空气流量也可较小。飞行速度2160km/h，1020km高度，迎面冷却气流温度达到180。西北工业大学自动化学院

7、电气工程系-飞机电力系统3.3 飞机直流发电机的电压调节飞机直流发电机的电压调节 电压调节器：改变串接于发电机 励磁回路的电阻来改变励磁电流 维持电压恒定。 振动式电压调节器与炭片式电压调节器 eaaU = C-I Rn西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统 炭片式电压调节器，它可用于大中功率飞机发电机，可调节的励磁电流容量达1015A。组成：组成：它是由电磁铁、反作用弹簧和碳柱等组成。原理：炭片式电压调节器力平衡公式：Fc+Fe+Fs0其中:Fe表示电磁吸力，由电磁铁We产生，Fc为弹簧反作用力，Fs为炭柱反作用力。1炭柱；2衔铁；3-反作用弹簧；4电磁铁； 5-调节螺钉；6气隙 当

8、n或IfUfIeFeReIjUf缺点：缺点：是炭柱损耗大，炭片易磨损，抗冲击和振动的能力差，调压精度低，动态响应慢。发热量大。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统调压器的控制结构组成电压调节器通常由检测比较、放大和执行等环节构成。电压调节器通常由检测比较、放大和执行等环节构成。 例如振动式电压调节器检测环节是电磁铁的工作线圈，它并接于发电机输出端，检测发电机输出电压，发电机电压高，工作线圈电流大，电磁吸力也大。反作用弹簧是基准元件，其弹性不受电压大小和工作温度的影响。电磁铁与弹簧的组合实现电压比较，电压高，线圈电流增大，导致电磁吸力大于弹簧反作用力，触点断开，电阻Rg串入励磁绕组电路

9、中，使励磁电流减小，发电机电压降低。随后，电磁铁工作线圈电流减小，吸力减小，当小于弹簧反作用力，则触点闭合，Rg短接，励磁电流增加，发电机电压也随之增加。因此触点与附加电阻就是执行环节，用于控制励磁电流。炭片式电压调节器中的组成环节，也有相类同的功能划分。 电压调节器往往还有一些附加环节，以提高调节器工作性能或完成其他任务，如发电机并联运行时，调节电机间负载的均衡等。 西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.3.2晶体管式电压调节器晶体管式电压调节器晶体管电压调节器的末级晶体管工作于开关状态，通过改变导通比来调节发电机励磁电流，调压器损耗较小。1.励磁电流脉宽调节控制晶体管工作 损耗

10、：放大（线性）损耗大开关损耗小末级晶体管工作方式西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统在导通期，电流增长，励磁电流用ij1表示，励磁回路电压方程式 在末级管截止期间，电流衰减，励磁电流用ij2表示，励磁回路电压方程式 c1 jjj1 jEdtdiLrijjM1 jtAeIijcjMrEIjjjrL02jjj2jdtdiLrijon/2jttBeiA和B是积分常数，分别由导通和截止的初始条件确定。 2励磁电流平均值西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统 设t0时，ij1Ij0，则： tton时，jMj0AIIj/j1jMjMj0()tiIIIeonj/j1jMjMj0()tiII

11、Iej2iB此时，ij1ij2 onj/jMjMj0()tBIIIeonjonj/j2jMjMj0()tt tiIIIee 西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统 当tT，ij2 =Ij0 jM/0jJjjoff1IeeeITTt令 jjof/111TteeCfjjon/211TteeCjM1ICAjM2ICB j/1jM1(1)tjiIC eonj/j2jM2t tiIC e/()/onC12jMC0j11onjonjontTtt tjjMttEIICedtC edtIDTTr TtDonCCjjMjEIIr励磁电源电压EC和电机励磁电阻rj不变时，平均励磁电流Ij仅与导通比DC成正

12、比。DC0，Ij0；DC1，。 励磁电流平均值西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统 3.励磁电流的脉动和脉动率 励磁电流的脉动会导致发电机输出电压的脉动，必须减小脉动量。通常用脉动率来判断脉动程度，脉动率是脉动电流峰峰值和电流平均值之比的百分数。 励磁电流脉动峰峰值 是t=ton时的 jMI jMj0j0III0jI1 jijM/0jjjon11IeeITtjM/jMjjjoffjon11IeeeeITTttjM/0jJjjoff1IeeeITTt西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统 4晶体管式电压调节器实例西北工业大学自动化学

13、院电气工程系-飞机电力系统3.4 直流电源的并联运行直流电源的并联运行 直流电源与电网并联条件：电源极性和电网相同，电直流电源与电网并联条件：电源极性和电网相同，电源电压和电网电压相同。源电压和电网电压相同。图3.4.1 两台直流发电机并联原理图nURIU111nURIU22212III若调节器有调节误差又称静差，则调节点电压和调压器调定电压U01、U02间的关系为 U1=U01K1I1 U2=U02K2I2 222111IUKIUK西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统IKKRRKRKKRRUUI212122212102011IKKRRKRKKRRUUI212111212101022

14、21III010221211212121212122()UURRKKIIRRKKRRKKRRKK 为使两电源承担相同负载，必须：调定电压U01U02；正接线电阻R+1R+2；调压器静差K1=K2。飞机上直流电源系统中的各发电机和调压器型号一般均相同，但即使这样，两电源之间也不易精确满足上述条件，因而各发电机负载不相同。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.4.2 自动均衡电路 负载均衡分配是提高并联电源容量利用率的基本条件，为此必须采用自动均衡电路。 若下级电路输入阻抗为无穷大，则P324f123P241020a1f110B1a2f220B21212f11eq24B1f22eq24

15、B2RRRKRRR +RR,U UUK UUUK UU,II ,UU ,K Ui RUK U -i RU当均衡电路断开时 发电机空载 端电压当均衡电路接通后 发电机输出电流发电机输出电压为和且Rjd2F1F1R+1R+2I1I2I1RRjd1Req1Req2IeqKAB西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统f110f11eq24B1f220f22eq24B22424110eq220eqf1f224241eq1 eq2eq2 eqf1f21101101 eq2202202 eqf1f212K UK Ui RUK UK U -i RURRUUi ,UUiKKRRUii , UiiKKUUU

16、Ui ,UUUUiKK ,所以则则通常故均衡灵敏系数西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统jd1 1jd2 21212jd1jd2eqjd1112jd1jd2eqjd2212jd1jd2eq1 12 212RIRIU= UU()RRRR()RRRR()RRRU= IIU=I令则通常西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统两台发电机并联的电源系统，当有均衡电路后，两发电机的负载电流分别为：IKKRRKRKKRRUUI21212122221212102011IKKRRKRKKRRUUI2121211112121210102201022121211212121212122()()()(

17、)UURRKKIIRRKKRRKK 若线路结构及相关的调节均衡参数相同，即有R+1R+2 ，K1=K2，1=2,则两发电机电流差将与负载电流I无关，仅与调节器调定电压有关，且由此引起的电流差比无均衡电路时小。 I西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统 3.4.3 发电机与蓄电池的并联运行 图3.4.4 发电机与蓄电池并联运行bbbbibU = EIR +R 西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统 （1）若负载电流为零，发电机向蓄电池充电，充电电流等于发电机输出电流，IF=Ib=Ib0，汇流条电压为Un0。 （2）负载电流为In1 ，发电机除向设备供电外还向蓄电池充电，输出电流为

18、IF1,汇流条电压下降为Un1，蓄电池充电电流降为Ib1 ,In1=IF1-Ib1。（3）当负载电流增加到一定值时，汇流条电压降为Un2, Un2等于蓄电池电动势Eb，电池充电电流为零，负载电流In2完全由发电机供给, In2=IF 。（4）负载电流超过In2后，负载电流由发电机与蓄电池共同负担，汇流条电压进一步降低。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统图3.4.8 未充足电的蓄电池(曲线5)不宜与发电机并联运行（5）曲线5是未充足电的蓄电池外特性，未充足电的蓄电池在飞机上不仅不能发挥应急电源的作用，而且在与发电机并联时充电电流很大，一方面会降低蓄电池寿命，另一方面在较小负载情况下就

19、使发电机过载。因此，不允许将未充足电的蓄电池装到飞机上使用。 西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.5 飞机直流电源的控制与保护 低压直流电源系统的保护是指发电机的反流保护、过电压与过励磁保护、反极性保护、过载保护和短路保护等。 保证发电机与汇流条可靠的接通、断开或转换；保证故障部分与电网可靠分离。3.5.1 飞机直流发电机的控制与反流保护控制功能：发电机接触器，接通或断开发电机输出回路。人为或自动接通或断开。反流保护：发电机电压低于电网电压，电网上其它电源向发电机输出电流。应断开发电机接触器。接通条件：发电机开关接通、地面电源开关断开、发电机电压大于电网电压0.30.7V，发电机

20、极性正确 相与相与断开条件：发电机开关断开、地面电源开关接通、发电机反流（1535A） ，发电机反极性 相或相或西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统反流割断器：CJ400与CJ600核心：DR，差动极化继电器，是接通电压差值和断开反流值的检测元件。若电网上没其他电源，电网上需接1W以上的负载西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.5.2 飞机直流发电机的过电压保护 过电压的产生：励磁电路或调压器故障。发电机减磁或灭磁，发电机脱离电网。 并联系统：过电压得电机带更多的负载，导致其电压不一定超出极限范围，不能通过检测调压点电压来判断发电机过压故障。 一般通过检测发电机励磁绕组电

21、压来判断。 过压保护对持续性过电压按反延时特性动作，对瞬态电压不应动作。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统过压保护器：BJD-1A西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.5.3 飞机直流发电机的短路保护 飞机直流电网可能由于导线绝缘损坏、接线联接不当、战斗损伤等原因会引起短路， 短路有两种情况：金属熔接性短路，有短路电阻小、电流大、短路时间长等特点，间歇性短路，短路点由金属飞溅或由振动引起金属导体断续相碰而造成。短路使电源不能正常供电，甚至导致火灾。 目前低压直流电源的短路保护主要由反流保护器和熔断器来实现。所用熔断器常为难熔熔断器，当其通过发电机额定工作电流时，可长期工

22、作；通过电流超过额定电流较大时才会熔断，且电流越大，熔断越快。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.6 起动发电系统 3.6.1 航空发动机的起动特性及其起动要求 活塞式和燃气涡轮式都不能自行起动工作，必须靠外力使它们达到一定转速后才能自行工作。将发动机从转速为零带到能自行工作的转速过程叫做发动机起动。 活塞式航空发动机达到5060rmin，喷油点火后就能自行工作。这个转速不高，但因活塞在气缸内运动时摩擦很大，压缩气缸内的空气也要相当大的力才能运动，所以需要很大的外力矩才能转动这种发动机。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统 燃气涡轮发动机常称喷气发动机，由压气机、燃烧室

23、、涡轮与尾喷管等组成，它没有滑动摩擦，故静阻力矩不大，但这种发动机能自行工作的转速较高。通常发动机转速要达到最高工作转速的13左右，由它传动的油泵转速才达到足以使喷入燃烧室的燃油雾化，发动机才能点火，使油气混合气燃烧。点火后，涡轮由吸收功率转为输出功率，且它的输出功率随转速的升高而加大，可反过来带动压气机旋转。为了防止发动机过热，发动机转子必须尽快加速，以便压气机进入更多的冷空气来冷却发动机。因此起动机需继续带动发动机旋转，转速大约达发动机最高工作转速的35时发动机才能自行工作，此转速叫自持转速。仅在此之后，起动机才可停止工作。喷气发动机的最高工作转速达1000020000rmin，自持转速约