1、西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)第三章 飛機直流電源系統(tǒng) 3.1 概 述 3.2 飛機直流發(fā)電機 3.3 飛機直流發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié) 3.4 直流電源的并聯(lián)運行 3.5 飛機直流電源的控制與保護 3.6 起動發(fā)電系統(tǒng) 3.7 高壓直流供電系統(tǒng)西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.1 概概 述述 主電源以直流電形式的飛機電源系統(tǒng)。 兩種類型：28V低壓直流電源；270V高壓直流電源。 由主電源、輔助電源、應急電源和二次電源等構(gòu)成。主電源的發(fā)電裝置通常是航空發(fā)動機直接傳動的直流發(fā)電機； 輔助電源多數(shù)采用航空蓄電池，也有采用輔助動力裝置帶動發(fā)電機的方案； 應急電源大多數(shù)為航空

2、蓄電池，但也有采用應急發(fā)電機的個例； 飛機直流電源系統(tǒng)中的二次電源，早期大多是旋轉(zhuǎn)變流機，現(xiàn)在逐步被靜止變流器所替代。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.2 飛機直流發(fā)電機飛機直流發(fā)電機 標稱電壓為30V，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。表3.2.1飛機直流發(fā)電機的重量功率比型 號ZF-9ZF-12ZF-18QF-6QF-12額定功率（kW）91218612重 量（kg）2428.641.52331單位功率重量（kg/Kw）2.672.342.233.382.58西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)eE

3、 = C n發(fā)電機特性發(fā)電機特性空載特性：西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)外特性：外特性： 電流增加，電樞回路的電阻電壓降上升，使端電壓下降 感應電勢正比于每極磁通，電流增加，電樞反應的去磁作用會使每極磁通減少，使感應電勢下降，端電壓進一步下降。 對于 并勵發(fā)電機，勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，端電壓的下降使勵磁電流成正比的減少，每極磁通降低，感應電勢和端電壓進一步降低。外特性西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)有調(diào)壓器的外特性有調(diào)壓器的外特性 發(fā)電機負載電流超過一定值時，勵磁電路的外接電阻即調(diào)壓器的等效電阻已達到最小，負載再增加勵磁電流不能再增加，發(fā)電機的電壓不能繼續(xù)維持在

4、額定值，而按自然外特性變化。有調(diào)壓器的外特性西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.2.3 飛機直流發(fā)電機的種類飛機直流發(fā)電機的種類 有刷：換向存在電刷磨損和電刷火花等問題，制約了電機功率的增大。 無刷：簡化了電機的機械結(jié)構(gòu)，提高了電機的高空性能和可靠性，有電磁式和永磁式兩種。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)1永磁式無刷直流發(fā)電機轉(zhuǎn)子：永磁材料，永磁電機不能用滅磁的方法實現(xiàn)電機內(nèi)部短路保護，通常用脫扣機構(gòu)在內(nèi)部短路時將發(fā)電機與原動機脫開。定子部分： 電樞繞組：雙Y繞組 三相晶閘管整流橋：兩套整流電路，減少發(fā)電機輸出直流電壓的脈動，減輕濾波電路的體積和重量。 平衡電抗器和

5、濾波電容： 圖3.2.2 永磁無刷直流發(fā)電機主電路1發(fā)電機永磁轉(zhuǎn)子；2雙Y電樞繞組；3-晶閘管整流橋；4平衡電抗器；5-濾波電容器西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)2. 電磁式無刷直流發(fā)電機 電磁式無刷直流發(fā)電機的一種方案是由三級電磁式無刷交流同步發(fā)電機和二極管整流橋構(gòu)成。電磁式無刷交流發(fā)電機由永磁副勵磁機、交流勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器和主發(fā)電機構(gòu)成。交流勵磁機的電樞在轉(zhuǎn)子上，產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后供給主發(fā)電機的勵磁繞組，從而可不采用電刷和滑環(huán)。 電磁式無刷直流發(fā)電機輸出電壓通過調(diào)節(jié)勵磁機勵磁繞組的電流來實現(xiàn)。 主發(fā)電機的電樞采用六相雙Y繞組，可減小輸出電壓脈動和降低電機損耗

6、。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.2.4 飛機直流發(fā)電機的冷卻飛機直流發(fā)電機的冷卻 通常采用強迫吹風 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)發(fā)電機所需冷卻空氣流量由發(fā)電機的損耗、允許工作溫度、導熱性、電機內(nèi)空氣分配合理性、冷卻空氣的溫度和密度等因素確定。發(fā)電機額定功率相同，損耗大效率低的需要冷卻的空氣量大。電機內(nèi)部空氣分布合理，發(fā)熱均勻，則流量可小些。電機各部分導熱性好，熱量易傳出，絕緣材料允許工作溫度高，則冷卻空氣流量也可較小。飛行速度2160km/h，1020km高度，迎面冷卻氣流溫度達到180。西北工業(yè)大學自動化學院

7、電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.3 飛機直流發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)飛機直流發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié) 電壓調(diào)節(jié)器：改變串接于發(fā)電機 勵磁回路的電阻來改變勵磁電流 維持電壓恒定。 振動式電壓調(diào)節(jié)器與炭片式電壓調(diào)節(jié)器 eaaU = C-I Rn西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng) 炭片式電壓調(diào)節(jié)器，它可用于大中功率飛機發(fā)電機，可調(diào)節(jié)的勵磁電流容量達1015A。組成：組成：它是由電磁鐵、反作用彈簧和碳柱等組成。原理：炭片式電壓調(diào)節(jié)器力平衡公式：Fc+Fe+Fs0其中:Fe表示電磁吸力，由電磁鐵We產(chǎn)生，F(xiàn)c為彈簧反作用力，F(xiàn)s為炭柱反作用力。1炭柱；2銜鐵；3-反作用彈簧；4電磁鐵； 5-調(diào)節(jié)螺釘；6氣隙 當

8、n或IfUfIeFeReIjUf缺點：缺點：是炭柱損耗大，炭片易磨損，抗沖擊和振動的能力差，調(diào)壓精度低，動態(tài)響應慢。發(fā)熱量大。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)調(diào)壓器的控制結(jié)構(gòu)組成電壓調(diào)節(jié)器通常由檢測比較、放大和執(zhí)行等環(huán)節(jié)構(gòu)成。電壓調(diào)節(jié)器通常由檢測比較、放大和執(zhí)行等環(huán)節(jié)構(gòu)成。 例如振動式電壓調(diào)節(jié)器檢測環(huán)節(jié)是電磁鐵的工作線圈，它并接于發(fā)電機輸出端，檢測發(fā)電機輸出電壓，發(fā)電機電壓高，工作線圈電流大，電磁吸力也大。反作用彈簧是基準元件，其彈性不受電壓大小和工作溫度的影響。電磁鐵與彈簧的組合實現(xiàn)電壓比較，電壓高，線圈電流增大，導致電磁吸力大于彈簧反作用力，觸點斷開，電阻Rg串入勵磁繞組電路

9、中，使勵磁電流減小，發(fā)電機電壓降低。隨后，電磁鐵工作線圈電流減小，吸力減小，當小于彈簧反作用力，則觸點閉合，Rg短接，勵磁電流增加，發(fā)電機電壓也隨之增加。因此觸點與附加電阻就是執(zhí)行環(huán)節(jié)，用于控制勵磁電流。炭片式電壓調(diào)節(jié)器中的組成環(huán)節(jié)，也有相類同的功能劃分。 電壓調(diào)節(jié)器往往還有一些附加環(huán)節(jié)，以提高調(diào)節(jié)器工作性能或完成其他任務，如發(fā)電機并聯(lián)運行時，調(diào)節(jié)電機間負載的均衡等。 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.3.2晶體管式電壓調(diào)節(jié)器晶體管式電壓調(diào)節(jié)器晶體管電壓調(diào)節(jié)器的末級晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，通過改變導通比來調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，調(diào)壓器損耗較小。1.勵磁電流脈寬調(diào)節(jié)控制晶體管工作 損耗

10、：放大（線性）損耗大開關(guān)損耗小末級晶體管工作方式西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)在導通期，電流增長，勵磁電流用ij1表示，勵磁回路電壓方程式 在末級管截止期間，電流衰減，勵磁電流用ij2表示，勵磁回路電壓方程式 c1 jjj1 jEdtdiLrijjM1 jtAeIijcjMrEIjjjrL02jjj2jdtdiLrijon/2jttBeiA和B是積分常數(shù)，分別由導通和截止的初始條件確定。 2勵磁電流平均值西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng) 設t0時，ij1Ij0，則： tton時，jMj0AIIj/j1jMjMj0()tiIIIeonj/j1jMjMj0()tiII

11、Iej2iB此時，ij1ij2 onj/jMjMj0()tBIIIeonjonj/j2jMjMj0()tt tiIIIee 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng) 當tT，ij2 =Ij0 jM/0jJjjoff1IeeeITTt令 jjof/111TteeCfjjon/211TteeCjM1ICAjM2ICB j/1jM1(1)tjiIC eonj/j2jM2t tiIC e/()/onC12jMC0j11onjonjontTtt tjjMttEIICedtC edtIDTTr TtDonCCjjMjEIIr勵磁電源電壓EC和電機勵磁電阻rj不變時，平均勵磁電流Ij僅與導通比DC成正

12、比。DC0，Ij0；DC1，。 勵磁電流平均值西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng) 3.勵磁電流的脈動和脈動率 勵磁電流的脈動會導致發(fā)電機輸出電壓的脈動，必須減小脈動量。通常用脈動率來判斷脈動程度，脈動率是脈動電流峰峰值和電流平均值之比的百分數(shù)。 勵磁電流脈動峰峰值 是t=ton時的 jMI jMj0j0III0jI1 jijM/0jjjon11IeeITtjM/jMjjjoffjon11IeeeeITTttjM/0jJjjoff1IeeeITTt西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng) 4晶體管式電壓調(diào)節(jié)器實例西北工業(yè)大學自動化學

13、院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.4 直流電源的并聯(lián)運行直流電源的并聯(lián)運行 直流電源與電網(wǎng)并聯(lián)條件：電源極性和電網(wǎng)相同，電直流電源與電網(wǎng)并聯(lián)條件：電源極性和電網(wǎng)相同，電源電壓和電網(wǎng)電壓相同。源電壓和電網(wǎng)電壓相同。圖3.4.1 兩臺直流發(fā)電機并聯(lián)原理圖nURIU111nURIU22212III若調(diào)節(jié)器有調(diào)節(jié)誤差又稱靜差，則調(diào)節(jié)點電壓和調(diào)壓器調(diào)定電壓U01、U02間的關(guān)系為 U1=U01K1I1 U2=U02K2I2 222111IUKIUK西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)IKKRRKRKKRRUUI212122212102011IKKRRKRKKRRUUI212111212101022

14、21III010221211212121212122()UURRKKIIRRKKRRKKRRKK 為使兩電源承擔相同負載，必須：調(diào)定電壓U01U02；正接線電阻R+1R+2；調(diào)壓器靜差K1=K2。飛機上直流電源系統(tǒng)中的各發(fā)電機和調(diào)壓器型號一般均相同，但即使這樣，兩電源之間也不易精確滿足上述條件，因而各發(fā)電機負載不相同。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.4.2 自動均衡電路 負載均衡分配是提高并聯(lián)電源容量利用率的基本條件，為此必須采用自動均衡電路。 若下級電路輸入阻抗為無窮大，則P324f123P241020a1f110B1a2f220B21212f11eq24B1f22eq24

15、B2RRRKRRR +RR,U UUK UUUK UU,II ,UU ,K Ui RUK U -i RU當均衡電路斷開時 發(fā)電機空載 端電壓當均衡電路接通后 發(fā)電機輸出電流發(fā)電機輸出電壓為和且Rjd2F1F1R+1R+2I1I2I1RRjd1Req1Req2IeqKAB西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)f110f11eq24B1f220f22eq24B22424110eq220eqf1f224241eq1 eq2eq2 eqf1f21101101 eq2202202 eqf1f212K UK Ui RUK UK U -i RURRUUi ,UUiKKRRUii , UiiKKUUU

16、Ui ,UUUUiKK ,所以則則通常故均衡靈敏系數(shù)西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)jd1 1jd2 21212jd1jd2eqjd1112jd1jd2eqjd2212jd1jd2eq1 12 212RIRIU= UU()RRRR()RRRR()RRRU= IIU=I令則通常西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)兩臺發(fā)電機并聯(lián)的電源系統(tǒng)，當有均衡電路后，兩發(fā)電機的負載電流分別為：IKKRRKRKKRRUUI21212122221212102011IKKRRKRKKRRUUI2121211112121210102201022121211212121212122()()()(

17、)UURRKKIIRRKKRRKK 若線路結(jié)構(gòu)及相關(guān)的調(diào)節(jié)均衡參數(shù)相同，即有R+1R+2 ，K1=K2，1=2,則兩發(fā)電機電流差將與負載電流I無關(guān)，僅與調(diào)節(jié)器調(diào)定電壓有關(guān)，且由此引起的電流差比無均衡電路時小。 I西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng) 3.4.3 發(fā)電機與蓄電池的并聯(lián)運行 圖3.4.4 發(fā)電機與蓄電池并聯(lián)運行bbbbibU = EIR +R 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng) （1）若負載電流為零，發(fā)電機向蓄電池充電，充電電流等于發(fā)電機輸出電流，IF=Ib=Ib0，匯流條電壓為Un0。 （2）負載電流為In1 ，發(fā)電機除向設備供電外還向蓄電池充電，輸出電流為

18、IF1,匯流條電壓下降為Un1，蓄電池充電電流降為Ib1 ,In1=IF1-Ib1。（3）當負載電流增加到一定值時，匯流條電壓降為Un2, Un2等于蓄電池電動勢Eb，電池充電電流為零，負載電流In2完全由發(fā)電機供給, In2=IF 。（4）負載電流超過In2后，負載電流由發(fā)電機與蓄電池共同負擔，匯流條電壓進一步降低。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)圖3.4.8 未充足電的蓄電池(曲線5)不宜與發(fā)電機并聯(lián)運行（5）曲線5是未充足電的蓄電池外特性，未充足電的蓄電池在飛機上不僅不能發(fā)揮應急電源的作用，而且在與發(fā)電機并聯(lián)時充電電流很大，一方面會降低蓄電池壽命，另一方面在較小負載情況下就

19、使發(fā)電機過載。因此，不允許將未充足電的蓄電池裝到飛機上使用。 西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.5 飛機直流電源的控制與保護 低壓直流電源系統(tǒng)的保護是指發(fā)電機的反流保護、過電壓與過勵磁保護、反極性保護、過載保護和短路保護等。 保證發(fā)電機與匯流條可靠的接通、斷開或轉(zhuǎn)換；保證故障部分與電網(wǎng)可靠分離。3.5.1 飛機直流發(fā)電機的控制與反流保護控制功能：發(fā)電機接觸器，接通或斷開發(fā)電機輸出回路。人為或自動接通或斷開。反流保護：發(fā)電機電壓低于電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)上其它電源向發(fā)電機輸出電流。應斷開發(fā)電機接觸器。接通條件：發(fā)電機開關(guān)接通、地面電源開關(guān)斷開、發(fā)電機電壓大于電網(wǎng)電壓0.30.7V，發(fā)電機

20、極性正確 相與相與斷開條件：發(fā)電機開關(guān)斷開、地面電源開關(guān)接通、發(fā)電機反流（1535A） ，發(fā)電機反極性 相或相或西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)反流割斷器：CJ400與CJ600核心：DR，差動極化繼電器，是接通電壓差值和斷開反流值的檢測元件。若電網(wǎng)上沒其他電源，電網(wǎng)上需接1W以上的負載西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.5.2 飛機直流發(fā)電機的過電壓保護 過電壓的產(chǎn)生：勵磁電路或調(diào)壓器故障。發(fā)電機減磁或滅磁，發(fā)電機脫離電網(wǎng)。 并聯(lián)系統(tǒng)：過電壓得電機帶更多的負載，導致其電壓不一定超出極限范圍，不能通過檢測調(diào)壓點電壓來判斷發(fā)電機過壓故障。 一般通過檢測發(fā)電機勵磁繞組電

21、壓來判斷。 過壓保護對持續(xù)性過電壓按反延時特性動作，對瞬態(tài)電壓不應動作。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)過壓保護器：BJD-1A西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.5.3 飛機直流發(fā)電機的短路保護 飛機直流電網(wǎng)可能由于導線絕緣損壞、接線聯(lián)接不當、戰(zhàn)斗損傷等原因會引起短路， 短路有兩種情況：金屬熔接性短路，有短路電阻小、電流大、短路時間長等特點，間歇性短路，短路點由金屬飛濺或由振動引起金屬導體斷續(xù)相碰而造成。短路使電源不能正常供電，甚至導致火災。 目前低壓直流電源的短路保護主要由反流保護器和熔斷器來實現(xiàn)。所用熔斷器常為難熔熔斷器，當其通過發(fā)電機額定工作電流時，可長期工

22、作；通過電流超過額定電流較大時才會熔斷，且電流越大，熔斷越快。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng)3.6 起動發(fā)電系統(tǒng) 3.6.1 航空發(fā)動機的起動特性及其起動要求 活塞式和燃氣渦輪式都不能自行起動工作，必須靠外力使它們達到一定轉(zhuǎn)速后才能自行工作。將發(fā)動機從轉(zhuǎn)速為零帶到能自行工作的轉(zhuǎn)速過程叫做發(fā)動機起動。 活塞式航空發(fā)動機達到5060rmin，噴油點火后就能自行工作。這個轉(zhuǎn)速不高，但因活塞在氣缸內(nèi)運動時摩擦很大，壓縮氣缸內(nèi)的空氣也要相當大的力才能運動，所以需要很大的外力矩才能轉(zhuǎn)動這種發(fā)動機。西北工業(yè)大學自動化學院電氣工程系-飛機電力系統(tǒng) 燃氣渦輪發(fā)動機常稱噴氣發(fā)動機，由壓氣機、燃燒室

23、、渦輪與尾噴管等組成，它沒有滑動摩擦，故靜阻力矩不大，但這種發(fā)動機能自行工作的轉(zhuǎn)速較高。通常發(fā)動機轉(zhuǎn)速要達到最高工作轉(zhuǎn)速的13左右，由它傳動的油泵轉(zhuǎn)速才達到足以使噴入燃燒室的燃油霧化，發(fā)動機才能點火，使油氣混合氣燃燒。點火后，渦輪由吸收功率轉(zhuǎn)為輸出功率，且它的輸出功率隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，可反過來帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)。為了防止發(fā)動機過熱，發(fā)動機轉(zhuǎn)子必須盡快加速，以便壓氣機進入更多的冷空氣來冷卻發(fā)動機。因此起動機需繼續(xù)帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大約達發(fā)動機最高工作轉(zhuǎn)速的35時發(fā)動機才能自行工作，此轉(zhuǎn)速叫自持轉(zhuǎn)速。僅在此之后，起動機才可停止工作。噴氣發(fā)動機的最高工作轉(zhuǎn)速達1000020000rmin，自持轉(zhuǎn)速約