第11章飞机电源系统2011

第11章飞机电源系统空管技术室朱承元2/1/20231空管技术室11.1飞机供电系统11.1.1飞机供电系统功用和构成11.1.2用电设备2/1/20232空管技术室11.1.1飞机供电系统的功用和构成1.电源系统的组成与功用2.飞机供电状态3.电源容量2/1/20233空管技术室1.飞机供电系统定义飞机供电系统定义飞机上电能的产生、调节、控制、变换和传输分配系统统称为飞机供电系统，包括从电能产生一直到用电设备端的部分。飞机供电系统又可分为飞机电源系统和飞机输配电系统两部分。2/1/20234空管技术室1.飞机供电系统定义飞机电源系统是指由飞机电源到电源汇流条间的部分。飞机输配电系统则是指由电源汇流条到用电设备端的部分。飞机输配电系统又称飞机电网，由电线、配电装置和保护元件等构成。2/1/20235空管技术室2.飞机电源系统定义与组成飞机电源系统定义飞机电源系统是飞机上电能产生、调节、控制和电能部分的总称。飞机电源系统组成通常由主电源、备用电源、应急电源、二次电源和地面电源及其连接与监控部分组成。2/1/20236空管技术室飞机电源系统组成示意图2/1/20237空管技术室飞机电源系统组成主电源构成主电源由航空发动机直接或间接传动的发电机及其变换调节、控制保护设备等构成。飞机正常飞行时，主电源向全机提供足够数量和一定质量的电能，满足用电设备的需要。备用电源备用电源是飞机发动机未工作或部分主电源发生故障时向飞机供电的电源。2/1/20238空管技术室飞机电源系统组成应急电源应急电源是主电源故障后向飞机飞行必需的用电设备供电的电源。由于应急电源容量小、储能有限，此时飞机必需在就近机场着陆。2/1/20239空管技术室飞机电源系统组成二次电源二次电源由电能变换器构成，用于将主电源产生的一种形式的电能转变为另一种或多种形式的电能，以适应不同用电设备的需要。飞机停于机场时，最好由机场的地面电源供电，地面电源通过电缆向机身的插头插座向飞机供电，以供在地面通电检查机上用电设备和启动发动机之用。2/1/202310空管技术室3.飞机输配电系统定义与分类飞机电源系统是指由飞机电源到电源汇流条间的部分。飞机输配电系统则是指由电源汇流条到用电设备端的部分。飞机输配电系统又称飞机电网，由电线、配电装置和保护元件等构成。2/1/202311空管技术室飞机输配电系统分类根据电压分类有低压和高压(60v以上)电网两种；根据电流类型来划分则有直流电网和交流电网。就交流电网来说，又有单相和三相电网之分。就电网的线制来划分，则有单线、双线、三线、四线等几种；根据电网的用途来划分，则有主电网(即供电网)、配电网、辅助电网和应急电网等。2/1/202312空管技术室4.飞机供电状态飞机正常供电状态在飞机的飞行准备、起飞爬升、着陆和停机等各个阶段，要对飞机进行操纵和完成执行飞行任务所需的工作，若此时供电系统能连续地完成其全部功能性工作，称为飞机正常供电状态。供电系统的非正常工作状态则是一种意外的短时失控状态，但它恢复到正常工作状态是一个可控制的动作。2/1/202313空管技术室4.飞机供电状态供电系统的应急工作若飞行中飞机主电源不能提供足够的或符合规定要求的电功率，要求使用应急电源的工作状态，称为供电系统的应急工作。应急电源有两种类型：应急蓄电池和应急发电机。应急蓄电池属于短期供电应急电源，一般规定应急供电时间为30min。应急发电机属于长期供电电源。2/1/202314空管技术室5.飞机电源系统容量飞机电源系统的容量是指主电源的容量，等于飞机上主发电系统的台数与单台发电系统额定容量的乘积。直流电源容量单位为千瓦(kW)；交流电源为千伏安(kvA)。发电系统的额定容量是在电源质量指标符合技术要求能长期连续工作时的最大容量。飞机低压直流发电机的额定容量有3、6、9、12、18kW等种。飞机交流电源的额定容量有15、20、30、40、60、90、120、150KVA等数种。2/1/202315空管技术室6.飞机上可用电源大型民用运输机的可用电源一般包括：1）发动机带动的发电机、2）APU发电机、3）电瓶、4）冲压涡轮。5）外部地面电源2/1/202316空管技术室1）发动机驱动的发电机飞机的主电源是由发动机驱动的发电机。如B737－300正常情况下，由两台发动机驱动的发电机供电。采用单独供电方式。发电机直接与发动机耦合，只要发动机工作，发电机就工作。2/1/202317空管技术室2）APU发电机在地面，APU发电机可提供主要的电源。飞行中，可作为任一发电机的备用电源。作为唯一的电源时，APU发电机可满足各种地面情况的电力要求和所有飞行所需的重要电源。2/1/202318空管技术室3）电瓶（蓄电池）电瓶是一种化学电源，是一个化学能和电能相互转化的装置。2/1/202319空管技术室4）冲压涡轮发电机正常时，冲压空气涡轮发电机收在飞机机体内，应急供电时，靠迎面气流驱动涡轮，带动发电机工作。由于电瓶和冲压涡轮发电机的容量较小，因此只能为飞机上的重要用电设备供电，作为飞机上的应急电源使用。2/1/202320空管技术室5）外部地面电源机身右下侧前轮舱附近的外部交流电源插座用以接通外部电源。地面人员可用插座附近的面板的状态指示灯判断是否正在使用外部电源。2/1/202321空管技术室11.1.2飞机用电设备分类广义地说，飞机电气系统是飞机供电系统和飞机用电设备的总称。狭义的飞机电气系统是指飞机供电系统、电气照明与灯光信号系统、电气防冰和加温系统、发动机起动和电点火系统、飞机电力传动系统的总和。2/1/202322空管技术室1.飞机用电设备按其重要性分类1）飞行关键设备如仪表、飞行控制系统、仪表着陆系统和通信电台等，2）任务关键设备

如民用飞机中的座舱增压和空调设备等。3）一般用电设备

如座舱照明和厨房炊具等，2/1/202323空管技术室1）飞行关键设备它们是确保飞机安全返航或就近降落(包括维持可操纵飞行)所必需的最低限度的用电设备。它们一旦供电中断，将威胁飞机和机上人员的安全，为此，必须将其配置在重要负载汇流条上。正常供电期间由主电源供电。当主电源失效需要转入应急供电时，应能自动或人工地转为由应急电源供电。2/1/202324空管技术室2）任务关键设备任务关键设备是完成飞行任务所必需的设备。在飞机应急供电时，为确保重要负载得到供电，将视故障的严重程度，切除部分乃至全部任务关键设备。2/1/202325空管技术室3）一般用电设备一般用电设备，它们正常工作与否并不危及飞行安全。故当主电源发生局部故障而提供的功率有限时，为确保对重要负载和主要负载的供电，根据故障的严重程度，将首先切除部分以至全部一般用电设备。2/1/202326空管技术室2.飞机用电设备按用途分类飞机上的用电设备按用途可以分为：(1)电动机构 电动机构主要用于飞机的操纵，如襟翼、舵面、起落架收放等，以及驱动油泵、阀门等的电动机，其功率约占总负荷的30％左右。(2)加热和防冰负荷加热和防冰负荷占总负荷的40％左右。2/1/202327空管技术室2.用电设备按用途分类(3)电子设备电子设备一般采用恒频交流电供电，对电源的质量要求高，约占总负荷的20％左右。(4)照明设备约占总负荷的8％左右。2/1/202328空管技术室11.2飞机电源系统11.2.1飞机供电系统类型11.2.2航空蓄电池11.2.3飞机直流发电机11.2.4飞机交流发电机11.2.6恒速恒频交流电源11.2.7变速恒频交流电源11.2.8飞机电能变换设备2/1/202329空管技术室11.2.1飞机电源类型飞机电源的类型取决于该飞机上主电源的类型。现代飞机电源有：一、低压直流电源；二、恒频交流电源；三、混合电源；四、高压直流电源；几种形式。2/1/202330空管技术室一、低压直流电源低压直流电源的主电源是航空发动机直接传动的直流发电机，配以调压器保持发电机输出电压恒定。低压直流发电机的额定电压为28.5v，在有些机型上采用14v。交流负载由旋转变流机或静止交流器得到单相或三相交流电。这种供电系统的供电示意图如图所示。2/1/202331空管技术室低压直流电源低压直流供电系统由于本身固有的缺陷，不能满足大容量供电系统的需要。2/1/202332空管技术室二、恒频交流电源交流电可提高供电电压，减轻系统质量；易于变换，即变压和整流容易实现；交流发电机工作可靠性高。因此大中型民航飞机上普遍采用交流供电系统。2/1/202333空管技术室二、恒频交流电源飞机交流电源系统有恒频交流电源和变频交流电源两种。恒频交流电源又有恒速恒频（CSCF)和变速恒频(VSVF)两种。飞机交流电源调节点额定电压为115/200v，恒频交流的额定频率为400HZ，变频交流的工作频率范围一般在400HZ上下变化。2/1/202334空管技术室(一)恒速恒频交流电源系统恒速恒频交流电源系统的交流发电机是通过恒速传动装置CSD由飞机发动机驱动的，因此交流发电机的转速是恒定的，它向汇流条输出恒频交流电，如图所示。2/1/202335空管技术室(二)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，变速恒频正在取而代之。目前变速恒频采用较多的是交—直—交系统，即由发动机带动交流发电机发出变频交流电，经过整流变成直流电，再逆变为所需频率和电压的交流电。2/1/202336空管技术室三、混合电源混合供电系统指两种不同形式的发电机由飞机发动机传动向飞机供电网路提供电能。目前采用较多的混合电源形式为直流发电机提供低压直流电，交流发电机提供变频交流电。在混合供电系统中，交流发电机和直流发电机是由发动机通过减速器直接传动的，2/1/202337空管技术室11.2.2飞机蓄电池飞机蓄电池是目前飞机上天的必须安装设备之一，用作飞机上的应急电源和辅助电源。当飞机发电机不能供电时，飞机蓄电池向维持飞行所必需的飞行关键设备供电，必要时也可作为启动飞机发动机的起动电源。2/1/202338空管技术室11.2.3飞机直流发电机直流发电机功用：发动机带动直流发电机的转子，在磁场中切割磁力线产生电势。通过换向变成直流电势，带动直流负载产生直流电。2/1/202339空管技术室2/1/202340空管技术室2/1/202341空管技术室低压直流发电机电压和功率飞机低压直流发电机标称电压为28v，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。2/1/202342空管技术室11.2.4飞机交流发电机交流发电机是交流电能的产生者。现代大型飞机上广泛应用三级式无刷交流发电机。2/1/202343空管技术室1.三级式无刷交流发电机原理三级式无刷交流发电机由副励磁机、主励磁机、主发电机组成发电机组，如图。B747、757、767、MD—82、A320等飞机均采用三级式无刷交流发电机。2/1/202344空管技术室2/1/202345空管技术室交流电源的主要参数交流供电质量的指标有两个：电压和频率。2/1/202346空管技术室交流电源要求空载到额定负载：115±1.0V100%到125％额定负载：115±1.5V125％到150%额定负载：115±2.0V非正常稳态电压极限：105V~130V频率：400±4Hz2/1/202347空管技术室11.2.5恒速恒频交流电源恒速恒频(简称CSCF)供电系统利用恒速传动装置CSD使发电机恒速运行，从而产生恒频交流电。恒速传动装置简称恒装或CSD，它将发动机的能量传递给发电机，它在涡轮风扇发动机上的安装位置如图所示。2/1/202348空管技术室1.恒速传动装置CSD2/1/202349空管技术室恒速传动装置CSD的输出转速一般有:6000r/min,8000r/min,12000r/min等。使用得最为广泛的是机械液压式恒速传动装置。2/1/202350空管技术室液压机械式恒速传动装置主要组成液压机械式恒速传动装置CSD的主要组成包括：传动系统、滑油系统、调速系统和保护系统四大部分。传动系统包括液压泵-液压马达和差动齿轮系两大部分。2/1/202351空管技术室恒速传动装置工作原理在恒装中，液压泵—液压马达系统对发动机转速的变化起着转速补偿作用，以保证发电机的转速不变。2/1/202352空管技术室2.组合传动发电机(IDG)组合传动发电机(IDG)是恒速传动装置与交流发电机组合成一个整体的装置。目前常用的是机械液压差动式恒装与喷油冷却发电机的组合，如图所示。组合传动发电机是一种比较先进的结构形式，适用于各种超音速和大型飞机。2/1/202353空管技术室组合传动发电机2/1/202354空管技术室11.2.6变速恒频交流电源变速恒频(简称VSCF)供电系统是新型飞机电源系统，有取代传统恒速恒频电源系统的趋势。变速恒频VSCF发电系统利用电子变换器，把飞机发动机直接驱动的变频发电机产生的变频交流，变换成115／200v400Hz三相交流电。下图是VSCF电源的构成方框图。2/1/202355空管技术室1.变速恒频VSCF电源框图2/1/202356空管技术室2.变速恒频VSCF电源原理交-交型变换器是将发电机发出的多高频交流电直接变换成400Hz交流电输出。交-直-交型变换器先将发电机发出的变频交流电转换成直流电，再逆变成400Hz交流电输出。2/1/202357空管技术室3.波音737飞机变速恒频电源系统B737—300它的主电源可以选装恒速恒频或变速恒频交流电源，辅助电源为APU（辅助动力装置）驱动的发电机，输出115／200V400Hz三相交流电。B737飞机的VSCF电源采用交-直-交变换方案。采用三级式无刷交流发电机。如图。2/1/202358空管技术室B737飞机VSCF电源原理框图2/1/202359空管技术室11.2.7飞机电能变换设备在现代民航运输机上，不仅需要改变电源形式的设备，还需要将同一种电源的参数值加以改变的设备。飞机电能变换设备就是用来将飞机上主电源的电能变换为另一形式的电能，以满足不同用电设备的需要。2/1/202360空管技术室1.飞机电能变换设备分类有旋转型和静止型两种。老式飞机上，常用旋转变流机，属旋转型。现代飞机上，常用变压器、变压整流器、静止变流器等，属静止型。2/1/202361空管技术室一、旋转变流机旋转变流机是将直流电变换为交流电的电动机-发电机组，用于低压直流电源系统中作为二次电源，给交流用电设备供电。分单相变流机和三相变流机两大类。单相变流机可将低压直流电转变为115V400Hz单相交流电，给无线电和雷达等设备供电。三相变流机可将低压直流电转变为36V400Hz单相交流电，给陀螺仪表、雷达、自动驾驶仪等设备供电。2/1/202362空管技术室二、静止变流器静止变流器将飞机上的直流电转变为400Hz或其它频率的单相或三相交流电，常用于现代飞机。静止变流器外形及原理框图，如下图。2/1/202363空管技术室静止变流器外形2/1/202364空管技术室三、变压整流器变压整流器将主电源的电压较高的交流电转换成电压较低的直流电。这种经过变换的电源称为二次电源。2/1/202365空管技术室11.3飞机输配电系统11.3.1电网的构造形式11.3.2飞机供电方式2/1/202366空管技术室11.3.1电网的构造形式一、直流电网直流电能的供应通常采用单线制或双线制。对于全金属结构的飞机，多用单线制，利用飞机机体作为负回路；在采用复合材料的飞机中，则采用双线制。2/1/202367空管技术室11.3.1电网的构造形式二、交流电网在交流电源系统中，有单相交流电源系统和三相交流电源系统。单相交流电源它以一根馈线将电源连到汇流条，另一根线则利用飞机机体形成回路。由于单相供电对发电机的利用率较低，较少采用，交流电源系统广泛采用三相供电系统。2/1/202368空管技术室11.3.2飞机供电方式多电源直流供电系统一般都是采用并联供电方式，对于多电源的恒频交流电源系统采用并联或单独供电。2/1/202369空管技术室（1）单独供电大部分机型都采用这种单独供电方式，如B737、B767、A320、MD82等。正常供电时，由各台发电机分别向各自的汇流条供电；故障时断开故障一侧发电机，由正常发电机向汇流条供电。其特点是控制简单，但当故障时，在供电转换瞬间存在供电瞬间中断问题。2/1/202370空管技术室（2）并联供电将多台同频率的交流发电机并联起来，共同向负荷供电。优点是供电可靠性高，只有全部发电机故障时才会出现停电问题。缺点是电源控制及保护设备复杂。2/1/202371空管技术室11.4飞机电源系统参数指示1.电压表2.电流表3.频率表2/1/202372空管技术室1.电压表在某些电压表上按电压大小的不同画有不同的彩色区域，正常时为绿色，需要引起注意时为黄色，发生故障时为红色，如图(c)所示。2/1/202373空管技术室2.电流表2/1/202374空管技术室3.频率表2/1/202375空管技术室集中方式显示现代大型客机上，采用集中方式显示电源系统概略图和电源参数。B757和767飞机上有发动机和机组警戒系统（EICAS）的电气页面显示；A320上在电子集中监视系统（ECAM）电气页面上显示。2/1/202376空管技术室A320（ECAM）电气页面2/1/202377空管技术室11.5飞机电源系统控制面板飞机电源系统通过电气系统的控制面板控制。电气系统的控制面板有电气面板和应急电源面板。图11-11显示了电气面板和应急电源面板与ECAM电气页面上部件的关系。2/1/202378空管技术室电气面板应急电源面板2/1/202379空管技术室11.6B737-300交直电源系统B737-300交流电源系统功能组件包括发电机、发电机驱动组件、电压调压器、汇流条等。2/1/202380空管技术室2/1/202381空管技术室汇流条飞行中，通常由每台发动机发电机向各自的发电机汇流条供电。1号转换汇流条向备用交流汇流条供电。转换汇流条负责机上重要用电。主汇流条负责机上次要用电。2/1/202382空管技术室汇流条飞机在地面且两个发电机控制电门关，或双发关车时，接通地面电源电门可将外部电源与两个发电机汇流条连接。APU工作时，接通APU发电机任一电门可连接APU电源与相应的发电机汇流条。APU可向一个发电机汇流条供电而外部电源可向另一个发电机汇流条供电。2/1/202383空管技术室B737-300直流电源系统B737－300的28伏直流电源系统由三个变压整流器组件供电，变压整流器由交流转换汇流条和2号主汇流条供电，如图5－5。当其它电源不可用时，电瓶向所需负载提供28伏直流电。

2/1/202384空管技