第11章飛機電源系統(tǒng)2011

第11章飛機電源系統(tǒng)空管技術室朱承元1/4/20241空管技術室11.1飛機供電系統(tǒng)飛機供電系統(tǒng)功用和構成用電設備1/4/20242空管技術室飛機供電系統(tǒng)的功用和構成1.電源系統(tǒng)的組成與功用2.飛機供電狀態(tài)3.電源容量1/4/20243空管技術室1.飛機供電系統(tǒng)定義飛機供電系統(tǒng)定義飛機上電能的產(chǎn)生、調節(jié)、控制、變換和傳輸分配系統(tǒng)統(tǒng)稱為飛機供電系統(tǒng)，包括從電能產(chǎn)生一直到用電設備端的局部。飛機供電系統(tǒng)又可分為飛機電源系統(tǒng)和飛機輸配電系統(tǒng)兩局部。1/4/20244空管技術室1.飛機供電系統(tǒng)定義飛機電源系統(tǒng)是指由飛機電源到電源匯流條間的局部。飛機輸配電系統(tǒng)那么是指由電源匯流條到用電設備端的局部。飛機輸配電系統(tǒng)又稱飛機電網(wǎng)，由電線、配電裝置和保護元件等構成。1/4/20245空管技術室2.飛機電源系統(tǒng)定義與組成飛機電源系統(tǒng)定義飛機電源系統(tǒng)是飛機上電能產(chǎn)生、調節(jié)、控制和電能局部的總稱。飛機電源系統(tǒng)組成通常由主電源、備用電源、應急電源、二次電源和地面電源及其連接與監(jiān)控局部組成。1/4/20246空管技術室飛機電源系統(tǒng)組成示意圖1/4/20247空管技術室飛機電源系統(tǒng)組成主電源構成主電源由航空發(fā)動機直接或間接傳動的發(fā)電機及其變換調節(jié)、控制保護設備等構成。飛機正常飛行時，主電源向全機提供足夠數(shù)量和一定質量的電能，滿足用電設備的需要。備用電源備用電源是飛機發(fā)動機未工作或局部主電源發(fā)生故障時向飛機供電的電源。1/4/20248空管技術室飛機電源系統(tǒng)組成應急電源應急電源是主電源故障后向飛機飛行必需的用電設備供電的電源。由于應急電源容量小、儲能有限，此時飛機必需在就近機場著陸。1/4/20249空管技術室飛機電源系統(tǒng)組成二次電源二次電源由電能變換器構成，用于將主電源產(chǎn)生的一種形式的電能轉變?yōu)榱硪环N或多種形式的電能，以適應不同用電設備的需要。飛機停于機場時，最好由機場的地面電源供電，地面電源通過電纜向機身的插頭插座向飛機供電，以供在地面通電檢查機上用電設備和啟動發(fā)動機之用。1/4/202410空管技術室3.飛機輸配電系統(tǒng)定義與分類飛機電源系統(tǒng)是指由飛機電源到電源匯流條間的局部。飛機輸配電系統(tǒng)那么是指由電源匯流條到用電設備端的局部。飛機輸配電系統(tǒng)又稱飛機電網(wǎng)，由電線、配電裝置和保護元件等構成。1/4/202411空管技術室飛機輸配電系統(tǒng)分類根據(jù)電壓分類有低壓和高壓(60v以上)電網(wǎng)兩種；根據(jù)電流類型來劃分那么有直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)。就交流電網(wǎng)來說，又有單相和三相電網(wǎng)之分。就電網(wǎng)的線制來劃分，那么有單線、雙線、三線、四線等幾種；根據(jù)電網(wǎng)的用途來劃分，那么有主電網(wǎng)(即供電網(wǎng))、配電網(wǎng)、輔助電網(wǎng)和應急電網(wǎng)等。1/4/202412空管技術室4.飛機供電狀態(tài)飛機正常供電狀態(tài)在飛機的飛行準備、起飛爬升、著陸和停機等各個階段，要對飛機進行操縱和完成執(zhí)行飛行任務所需的工作，假設此時供電系統(tǒng)能連續(xù)地完成其全部功能性工作，稱為飛機正常供電狀態(tài)。供電系統(tǒng)的非正常工作狀態(tài)那么是一種意外的短時失控狀態(tài)，但它恢復到正常工作狀態(tài)是一個可控制的動作。1/4/202413空管技術室4.飛機供電狀態(tài)供電系統(tǒng)的應急工作假設飛行中飛機主電源不能提供足夠的或符合規(guī)定要求的電功率，要求使用應急電源的工作狀態(tài)，稱為供電系統(tǒng)的應急工作。應急電源有兩種類型：應急蓄電池和應急發(fā)電機。應急蓄電池屬于短期供電應急電源，一般規(guī)定應急供電時間為30min。應急發(fā)電機屬于長期供電電源。1/4/202414空管技術室5.飛機電源系統(tǒng)容量飛機電源系統(tǒng)的容量是指主電源的容量，等于飛機上主發(fā)電系統(tǒng)的臺數(shù)與單臺發(fā)電系統(tǒng)額定容量的乘積。直流電源容量單位為千瓦(kW)；交流電源為千伏安(kvA)。發(fā)電系統(tǒng)的額定容量是在電源質量指標符合技術要求能長期連續(xù)工作時的最大容量。飛機低壓直流發(fā)電機的額定容量有3、6、9、12、18kW等種。飛機交流電源的額定容量有15、20、30、40、60、90、120、150KVA等數(shù)種。1/4/202415空管技術室6.飛機上可用電源大型民用運輸機的可用電源一般包括：1〕發(fā)動機帶動的發(fā)電機、2〕APU發(fā)電機、3〕電瓶、4〕沖壓渦輪。5〕外部地面電源1/4/202416空管技術室1〕發(fā)動機驅動的發(fā)電機飛機的主電源是由發(fā)動機驅動的發(fā)電機。如B737－300正常情況下，由兩臺發(fā)動機驅動的發(fā)電機供電。采用單獨供電方式。發(fā)電機直接與發(fā)動機耦合，只要發(fā)動機工作，發(fā)電機就工作。1/4/202417空管技術室2〕APU發(fā)電機在地面，APU發(fā)電機可提供主要的電源。飛行中，可作為任一發(fā)電機的備用電源。作為唯一的電源時，APU發(fā)電機可滿足各種地面情況的電力要求和所有飛行所需的重要電源。1/4/202418空管技術室3〕電瓶〔蓄電池〕電瓶是一種化學電源，是一個化學能和電能相互轉化的裝置。1/4/202419空管技術室4〕沖壓渦輪發(fā)電機正常時，沖壓空氣渦輪發(fā)電機收在飛機機體內，應急供電時，靠迎面氣流驅動渦輪，帶動發(fā)電機工作。由于電瓶和沖壓渦輪發(fā)電機的容量較小，因此只能為飛機上的重要用電設備供電，作為飛機上的應急電源使用。1/4/202420空管技術室5〕外部地面電源機身右下側前輪艙附近的外部交流電源插座用以接通外部電源。地面人員可用插座附近的面板的狀態(tài)指示燈判斷是否正在使用外部電源。1/4/202421空管技術室11.1.2飛機用電設備分類廣義地說，飛機電氣系統(tǒng)是飛機供電系統(tǒng)和飛機用電設備的總稱。狹義的飛機電氣系統(tǒng)是指飛機供電系統(tǒng)、電氣照明與燈光信號系統(tǒng)、電氣防冰和加溫系統(tǒng)、發(fā)動機起動和電點火系統(tǒng)、飛機電力傳動系統(tǒng)的總和。1/4/202422空管技術室1.飛機用電設備按其重要性分類1〕飛行關鍵設備如儀表、飛行控制系統(tǒng)、儀表著陸系統(tǒng)和通信電臺等，2〕任務關鍵設備如民用飛機中的座艙增壓和空調設備等。3〕一般用電設備如座艙照明和廚房炊具等，1/4/202423空管技術室1〕飛行關鍵設備它們是確保飛機平安返航或就近降落(包括維持可操縱飛行)所必需的最低限度的用電設備。它們一旦供電中斷，將威脅飛機和機上人員的平安，為此，必須將其配置在重要負載匯流條上。正常供電期間由主電源供電。當主電源失效需要轉入應急供電時，應能自動或人工地轉為由應急電源供電。1/4/202424空管技術室2〕任務關鍵設備任務關鍵設備是完成飛行任務所必需的設備。在飛機應急供電時，為確保重要負載得到供電，將視故障的嚴重程度，切除局部乃至全部任務關鍵設備。1/4/202425空管技術室3〕一般用電設備一般用電設備，它們正常工作與否并不危及飛行平安。故當主電源發(fā)生局部故障而提供的功率有限時，為確保對重要負載和主要負載的供電，根據(jù)故障的嚴重程度，將首先切除局部以至全部一般用電設備。1/4/202426空管技術室2.飛機用電設備按用途分類飛機上的用電設備按用途可以分為：(1)電動機構 電動機構主要用于飛機的操縱，如襟翼、舵面、起落架收放等，以及驅動油泵、閥門等的電動機，其功率約占總負荷的30％左右。(2)加熱和防冰負荷加熱和防冰負荷占總負荷的40％左右。1/4/202427空管技術室2.用電設備按用途分類(3)電子設備電子設備一般采用恒頻交流電供電，對電源的質量要求高，約占總負荷的20％左右。(4)照明設備約占總負荷的8％左右。1/4/202428空管技術室11.2飛機電源系統(tǒng)飛機供電系統(tǒng)類型航空蓄電池飛機直流發(fā)電機飛機交流發(fā)電機恒速恒頻交流電源變速恒頻交流電源飛機電能變換設備1/4/202429空管技術室飛機電源類型飛機電源的類型取決于該飛機上主電源的類型?，F(xiàn)代飛機電源有：一、低壓直流電源；二、恒頻交流電源；三、混合電源；四、高壓直流電源；幾種形式。1/4/202430空管技術室一、低壓直流電源低壓直流電源的主電源是航空發(fā)動機直接傳動的直流發(fā)電機，配以調壓器保持發(fā)電機輸出電壓恒定。低壓直流發(fā)電機的額定電壓為28.5v，在有些機型上采用14v。交流負載由旋轉變流機或靜止交流器得到單相或三相交流電。這種供電系統(tǒng)的供電示意圖如下圖。1/4/202431空管技術室低壓直流電源低壓直流供電系統(tǒng)由于本身固有的缺陷，不能滿足大容量供電系統(tǒng)的需要。1/4/202432空管技術室二、恒頻交流電源交流電可提高供電電壓，減輕系統(tǒng)質量；易于變換，即變壓和整流容易實現(xiàn)；交流發(fā)電機工作可靠性高。因此大中型民航飛機上普遍采用交流供電系統(tǒng)。1/4/202433空管技術室二、恒頻交流電源飛機交流電源系統(tǒng)有恒頻交流電源和變頻交流電源兩種。恒頻交流電源又有恒速恒頻〔CSCF)和變速恒頻(VSVF)兩種。飛機交流電源調節(jié)點額定電壓為115/200v，恒頻交流的額定頻率為400HZ，變頻交流的工作頻率范圍一般在400HZ上下變化。1/4/202434空管技術室(一)恒速恒頻交流電源系統(tǒng)恒速恒頻交流電源系統(tǒng)的交流發(fā)電機是通過恒速傳動裝置CSD由飛機發(fā)動機驅動的，因此交流發(fā)電機的轉速是恒定的，它向匯流條輸出恒頻交流電，如下圖。1/4/202435空管技術室(二)變速恒頻交流電源系統(tǒng)恒速傳動裝置結構復雜，本錢高，可靠性低，維護比較困難，變速恒頻正在取而代之。目前變速恒頻采用較多的是交—直—交系統(tǒng)，即由發(fā)動機帶動交流發(fā)電機發(fā)出變頻交流電，經(jīng)過整流變成直流電，再逆變?yōu)樗桀l率和電壓的交流電。1/4/202436空管技術室三、混合電源混合供電系統(tǒng)指兩種不同形式的發(fā)電機由飛機發(fā)動機傳動向飛機供電網(wǎng)路提供電能。目前采用較多的混合電源形式為直流發(fā)電機提供低壓直流電，交流發(fā)電機提供變頻交流電。在混合供電系統(tǒng)中，交流發(fā)電機和直流發(fā)電機是由發(fā)動機通過減速器直接傳動的，1/4/202437空管技術室飛機蓄電池飛機蓄電池是目前飛機上天的必須安裝設備之一，用作飛機上的應急電源和輔助電源。當飛機發(fā)電機不能供電時，飛機蓄電池向維持飛行所必需的飛行關鍵設備供電，必要時也可作為啟動飛機發(fā)動機的起動電源。1/4/202438空管技術室飛機直流發(fā)電機直流發(fā)電機功用：發(fā)動機帶動直流發(fā)電機的轉子，在磁場中切割磁力線產(chǎn)生電勢。通過換向變成直流電勢，帶動直流負載產(chǎn)生直流電。1/4/202439空管技術室1/4/202440空管技術室1/4/202441空管技術室低壓直流發(fā)電機電壓和功率飛機低壓直流發(fā)電機標稱電壓為28v，額定電流有100、200、300、400和600A多種。相應的額定容量為3、6、9、12和18kW。1/4/202442空管技術室飛機交流發(fā)電機交流發(fā)電機是交流電能的產(chǎn)生者?，F(xiàn)代大型飛機上廣泛應用三級式無刷交流發(fā)電機。1/4/202443空管技術室1.三級式無刷交流發(fā)電機原理三級式無刷交流發(fā)電機由副勵磁機、主勵磁機、主發(fā)電機組成發(fā)電機組，如圖。B747、757、767、MD—82、A320等飛機均采用三級式無刷交流發(fā)電機。1/4/202444空管技術室1/4/202445空管技術室交流電源的主要參數(shù)交流供電質量的指標有兩個：電壓和頻率。1/4/202446空管技術室交流電源要求空載到額定負載：115±1.0V100%到125％額定負載：115±1.5V125％到150%額定負載：115±2.0V非正常穩(wěn)態(tài)電壓極限：105V~130V頻率：400±4Hz1/4/202447空管技術室恒速恒頻交流電源恒速恒頻(簡稱CSCF)供電系統(tǒng)利用恒速傳動裝置CSD使發(fā)電機恒速運行，從而產(chǎn)生恒頻交流電。恒速傳動裝置簡稱恒裝或CSD，它將發(fā)動機的能量傳遞給發(fā)電機，它在渦輪風扇發(fā)動機上的安裝位置如下圖。1/4/202448空管技術室1.恒速傳動裝置CSD1/4/202449空管技術室恒速傳動裝置CSD的輸出轉速一般有:6000r/min,8000r/min,12000r/min等。使用得最為廣泛的是機械液壓式恒速傳動裝置。1/4/202450空管技術室液壓機械式恒速傳動裝置主要組成液壓機械式恒速傳動裝置CSD的主要組成包括：傳動系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、調速系統(tǒng)和保護系統(tǒng)四大局部。傳動系統(tǒng)包括液壓泵-液壓馬達和差動齒輪系兩大局部。1/4/202451空管技術室恒速傳動裝置工作原理在恒裝中，液壓泵—液壓馬達系統(tǒng)對發(fā)動機轉速的變化起著轉速補償作用，以保證發(fā)電機的轉速不變。1/4/202452空管技術室2.組合傳動發(fā)電機(IDG)組合傳動發(fā)電機(IDG)是恒速傳動裝置與交流發(fā)電機組合成一個整體的裝置。目前常用的是機械液壓差動式恒裝與噴油冷卻發(fā)電機的組合，如下圖。組合傳動發(fā)電機是一種比較先進的結構形式，適用于各種超音速和大型飛機。1/4/202453空管技術室組合傳動發(fā)電機1/4/202454空管技術室變速恒頻交流電源變速恒頻(簡稱VSCF)供電系統(tǒng)是新型飛機電源系統(tǒng)，有取代傳統(tǒng)恒速恒頻電源系統(tǒng)的趨勢。變速恒頻VSCF發(fā)電系統(tǒng)利用電子變換器，把飛機發(fā)動機直接驅動的變頻發(fā)電機產(chǎn)生的變頻交流，變換成115／200v400Hz三相交流電。以下圖是VSCF電源的構成方框圖。1/4/202455空管技術室1.變速恒頻VSCF電源框圖1/4/202456空管技術室2.變速恒頻VSCF電源原理交-交型變換器是將發(fā)電機發(fā)出的多高頻交流電直接變換成400Hz交流電輸出。交-直-交型變換器先將發(fā)電機發(fā)出的變頻交流電轉換成直流電，再逆變成400Hz交流電輸出。1/4/202457空管技術室3.波音737飛機變速恒頻電源系統(tǒng)B737—300它的主電源可以選裝恒速恒頻或變速恒頻交流電源，輔助電源為APU〔輔助動力裝置〕驅動的發(fā)電機，輸出115／200V400Hz三相交流電。B737飛機的VSCF電源采用交-直-交變換方案。采用三級式無刷交流發(fā)電機。如圖。1/4/202458空管技術室B737飛機VSCF電源原理框圖1/4/202459空管技術室飛機電能變換設備在現(xiàn)代民航運輸機上，不僅需要改變電源形式的設備，還需要將同一種電源的參數(shù)值加以改變的設備。飛機電能變換設備就是用來將飛機上主電源的電能變換為另一形式的電能，以滿足不同用電設備的需要。1/4/202460空管技術室1.飛機電能變換設備分類有旋轉型和靜止型兩種。老式飛機上，常用旋轉變流機，屬旋轉型?，F(xiàn)代飛機上，常用變壓器、變壓整流器、靜止變流器等，屬靜止型。1/4/202461空管技術室一、旋轉變流機旋轉變流機是將直流電變換為交流電的電動機-發(fā)電機組，用于低壓直流電源系統(tǒng)中作為二次電源，給交流用電設備供電。分單相變流機和三相變流機兩大類。單相變流機可將低壓直流電轉變?yōu)?15V400Hz單相交流電，給無線電和雷達等設備供電。三相變流機可將低壓直流電轉變?yōu)?6V400Hz單相交流電，給陀螺儀表、雷達、自動駕駛儀等設備供電。1/4/202462空管技術室二、靜止變流器靜止變流器將飛機上的直流電轉變?yōu)?00Hz或其它頻率的單相或三相交流電，常用于現(xiàn)代飛機。靜止變流器外形及原理框圖，如以下圖。1/4/202463空管技術室靜止變流器外形1/4/202464空管技術室三、變壓整流器變壓整流器將主電源的電壓較高的交流電轉換成電壓較低的直流電。這種經(jīng)過變換的電源稱為二次電源。1/4/202465空管技術室11.3飛機輸配電系統(tǒng)電網(wǎng)的構造形式飛機供電方式1/4/202466空管技術室電網(wǎng)的構造形式一、直流電網(wǎng)直流電能的供給通常采用單線制或雙線制。對于全金屬結構的飛機，多用單線制，利用飛機機體作為負回路；在采用復合材料的飛機中，那么采用雙線制。1/4/202467空管技術室電網(wǎng)的構造形式二、交流電網(wǎng)在交流電源系統(tǒng)中，有單相交流電源系統(tǒng)和三相交流電源系統(tǒng)。單相交流電源它以一根饋線將電源連到匯流條，另一根線那么利用飛機機體形成回路。由于單相供電對發(fā)電機的利用率較低，較少采用，交流電源系統(tǒng)廣泛采用三相供電系統(tǒng)。1/4/202468空管技術室11.3.2飛機供電方式多電源直流供電系統(tǒng)一般都是采用并聯(lián)供電方式，對于多電源的恒頻交流電源系統(tǒng)采用并聯(lián)或單獨供電。1/4/202469空管技術室〔1〕單獨供電大局部機型都采用這種單獨供電方式，如B737、B767、A320、MD82等。正常供電時，由各臺發(fā)電機分別向各自的匯流條供電；故障時斷開故障一側發(fā)電機，由正常發(fā)電機向匯流條供電。其特點是控制簡單，但當故障時，在供電轉換瞬間存在供電瞬間中斷問題。1/4/202470空管技術室〔2〕并聯(lián)供電將多臺同頻率的交流發(fā)電機并聯(lián)起來，共同向負荷供電。優(yōu)點是供電可靠性高，只有全部發(fā)電機故障時才會出現(xiàn)停電問題。缺點是電源控制及保護設備復雜。1/4/202471空管技術室11.4飛機電源系統(tǒng)參數(shù)指示1.電壓表2.電流表3.頻率表1/4/202472空管技術室1.電壓表在某些電壓表上按電壓大小的不同畫有不同的彩色區(qū)域，正常時為綠色，需要引起注意時為黃色，發(fā)生故障時為紅色，如圖(c)所示。1/4/202473空管技術室2.電流表1/4/202474空管技術室3.頻率表1/4/202475空管技術室集中方式顯示現(xiàn)代大型客機上，采用集中方式顯示電源系統(tǒng)概略圖和電源參數(shù)。B757和767飛機上有發(fā)動機和機組警戒系統(tǒng)〔EICAS〕的電氣頁面顯示；A320上在電子集中監(jiān)視系統(tǒng)〔ECAM〕電氣頁面上顯示。1/4/202476空管技術室A320〔ECAM〕電氣頁面1/4/202477空管技術室11.5飛機電源系統(tǒng)控制面板飛機電源系統(tǒng)通過電氣系統(tǒng)的控制面板控制。電氣系統(tǒng)的控制面板有電氣面板和應急電源面板。圖11-11顯示了電氣面板和應急電源面板與ECAM電氣頁面上部件的關系。1/4/202478空管技術室電氣面板應急電源面板1/4/202479空管技術室11.6B737-300交直電源系統(tǒng)B737-300交流電源系統(tǒng)功能組件包括發(fā)電機、發(fā)電機驅動組件、電壓調壓器、匯流條等。1/4/202480空管技術室1/4/202481空管技術室匯流條飛行中，通常由每臺發(fā)動機發(fā)電機向各自的發(fā)電機匯流條供電。1號轉換匯流條向備用交流匯流條供電。轉換匯流條負責機上重要用電。主匯流條負責機上次要用電。1/4/202482空管技術室匯流條飛機在地面且兩個發(fā)電機控制電門關，或雙發(fā)關車時，接通地面電源電門可將外部電源與兩個發(fā)電機匯流條連接。APU工作時，接通APU發(fā)電機任一電門可連接APU電源與相應的發(fā)電機匯流條。APU可向一個發(fā)電機匯流條供電而外部電源可向另一個發(fā)電機匯流條供電。1/4/202483空管技術室B737-300直流電源系統(tǒng)B737－300的28伏直流電源系統(tǒng)由三個變壓整流器組件供電，變壓整流器由交流轉換匯流條和2號主匯流條供電，如圖5－5。當其它電源不可用時，電瓶向所需負載提供28伏直流電。

1/4/202484空管技術室如圖5－51/4/202485空管技術室B737－