南京航空航天大学：航空航天供电系统：Ch5-xl

第五章 飞机直流电源 §5-1 概述 §5-2 飞机直流发电机 §5-3 直流发电机的电压调节 §5-4 直流电源的并联运行 §5-5 直流电源的控制与保护 §5-6 起动发电机 内容要求 第五章 飞机直流电源 小结 §5-7 高压直流电源 内容要求 ?飞机直流发电机的电压调节、并联运行 、 控制与保护原理 ?低压直流电源、高压直流电源的构成 ?飞机直流发电机 、起动发电机 §5-1 概述 主电源： 直发 , 28.5V（调节点）， 27.5V（汇流条） 辅助和应急电源 ：蓄电池 24V 二次电源 ：旋转变流机、静止变流器。 LVDC：结构简单，成熟，起动发电。 HVDC： 270V 高压：蓄电池串联,容量 Ah增加否？ 主电源：无刷直发 辅助电源： APU传动的直流发电机 。 应急：蓄电池，应急发电机。 §5-2 飞机直流发电机 一. 飞机直发的特点 1 定额： 标称电压 30V 电流 100A，200A ，300A ，400A ，600A 功率 3KW 6KW 9KW 12KW 18KW 型号： ZF—X （ X，标称功率） QF—X 2 结构特点 传动端 ：法兰盘，凸缘定位，便于拆卸， 减小需用空间 。 非传动端 ：铝合金端盖，轴承，轴承与端 盖间用钢衬套。 复合轴 ：空心轴：重力，拉力，扭矩。 软轴：弹簧钢，扭矩，吸收扭转振动能量。 一、飞机直发的特点 3 设计特点： 1）高转速： 有刷 3800rpm～5500rpm ， 无刷 18000rpm。 n a PN nCE e φ=φ= 60 目的：减小体积重 一、飞机直发的特 N：电枢绕组总有效导体数 。 a：绕组并联支路对数 3 设计特点： 2）高电磁负荷 l B av τ φ = P D 2 π =τ 目的：减小体积重 一、飞机直发的特 ?线负荷 A：电枢表面单位长度的安培系数。 D Ni A a π = A： 300A/cm； ?电枢绕组电流密度J ： 20A/mm 2 减小导线截面 减小电枢外径D和电机长度l ?气隙B av =0.7T 高转速、高电磁负荷的前提： 优良的材料，良好的通风，先进的工艺 3）材料 电枢铁芯：低损耗高导磁硅钢 绝缘材料：绝缘性能好、高绝缘等 级、强度高、导热性好 4 特殊的换向措施 （ 1） 反作用刷架：磨擦力=弹簧切向力 （ 2） 加大电刷压力：电刷与换向器件良好接触。 （ 3） 复合电刷，增加电刷电阻，换向回路电阻。 Pb、 ：改善润滑，减小磨损。 2 MnO （ 4） 附加换向极，补偿绕组。 5 冷却方式：一般采用迎面气流，同时自带风扇 表5-1 飞机直流发电机的重量功率比 型 号 额定功率（KW） 重量（Kg） 单位重量（Kg/KW） ZF-9 ZF-12 ZF-18 QF-6 QF-12 9 24 2.67 12 28.6 2.34 18 41.5 2.23 6 23 3.38 12 31 2.58 二 .飞机直流发电机的工作特性 与转速有关，飞机直发转速范围宽，特性曲线 由低、中、高三种典型转速描述。 nCEU e φ== 0 （v） (a) 4 8 12 16 20 20 40 60 80 励磁电流 压 E 9000r/min 6000r/min 4000r/min If（A） 电 1.空载特性：一定 n下， I L =0， I f 与 U的关系曲线 低速：饱和。 高速：在不饱和区。 已知低速时空载特性，如何求高速？ nCU e φ= )( f IfU = )( f If=φ : , n ,,, )( nICefnCeU f == φ 2 外特性： n一定，励磁回路电阻 r f 为常数， U与 I L 的关系。 La L RR ER U + = ?他励直流发电机 U f 一定， I f 一定， n一定时,E 一定 LL aLeaL RUI RInCRIEU = ?=?= φ ?他励直流发电机 U f 一定， I f 一定， n一定时,E 一定 0 （v） (b) 电 压 电流I（A） U 200 400 600 800 1000 20 40 60 80 ↓↓ UR L aL RI 电枢反 LL aLeaL RUI RInCRIEU = ?=?= φ La L RR ER U + = ?自励发电机： ，I f 随 U变。 （ 1） 外特性软于他励？ UU f = 电枢电阻压降 电枢反应去磁作用 励磁电流下降使U 进一步下降 LL aLeaL RUI RInCRIEU = ?=?= φ ff RUI = （ 2）外特性曲线有内凹。原因？ 电流是增加还是减小关键看 E、 R L 谁变化快？ 0 （v） (b) 电 压 电流I（A） U 200 400 600 800 1000 20 40 60 80 R L ↓→ U↓→ I f ↓→ E↓→ U↓→U=0 aL LL aLeaL RR E RUI RInCRIEU +↓ ↓ == ?=?= φ ff RUI = （ 2）外特性曲线有内凹。原因？ 电流是增加还是减小关键 看 E、 R L 谁变化快？ 0 （v） (b) 电 压 电流I（A） U 200 400 600 800 1000 20 40 60 80 电压较高时： I f 大：磁路饱和 I L 小：电枢反应小 E下降慢， I L 上升： aL LL LeaL RR E RUI RInCRIEU +↓ ↓ == a ?=?= φ ff RUI = （ 2）外特性曲线有内凹。原因？ 电流是增加还是减小关键 看 E、 R L 谁变化快？ 0 （v） (b) 电 压 电流I（A） U 200 400 600 800 1000 20 40 60 80 电压较低时： I L 大：电枢反应大 E下降快， I L 下降 aL LL LeaL RR E RUI RInCRIEU +↓ ↓ == a ?=?= φ ff RUI = 临界电流：转速一定时，最大I max （ 2）外特 0 （v） (b) 电 压 电流I（A） U 200 400 600 800 1000 20 40 60 80 内凹段不稳定， R L ↓→ U↓→ I f ↓→ E↓→ U↓→U=0 aL LL aLeaL RR E RUI RInCRIEU +↓ ↓ == ?=?= φ ff RUI = ?带调压器的航空发电机 （ 1） 恒定（ 受调节， n U f I 以保持 U不变） （ 2） I＞一定值后不能稳压 →自然外特性。 （ 3）与无调压器的区别：电压平稳 0 （v） (d) 电流I（A） 电压U Un ↓↓ ?=?= L aLeaL IEU RInCRIEU ,一定， φ 临界电 极限电 谁大？ 0 （v） (b) 电 压 电流I（A） U 200 400 600 800 1000 20 40 60 80 0 （v） (d) 电流I（A） 电压U Un 临界电流 >极限电 3. 调节特性 n 一定，保持 U一定， I L 与 I f 的关系 I fmin ～ I fmax 是设计 调压器时的重要依据。 ? n越低， I f 越大 （同样I L ） aLeaL RInCRIEU ?=?= φ 0 100 200 300 400 500 600 电流I(A) （A） (C) 调节特性 2 6 8 10 12 14 If 4000r/min 6000r/min 9000r/min 4 结构：永磁 ；电磁 三 . 无刷直流发电机 无刷：不用换向器和电刷 永磁交发：永磁转子 双 Y电枢绕组 可控整流： 双三相， 平衡电抗器 1. 永磁式无刷直发 1）主电路： N S 30 图5-2 永磁无刷直流发电机主电路 2）发电机的外特性： 平坦， 电压变化率 (△ U)小， 短路电流大 0 100 300 500 700 900 1000 40 120 160 200 240 I（A） U（V） 图 5-4 稀土永磁发电机的外特性 80 励磁； 电枢反应 （ 1）励磁由永磁材料产生，不受影响。 （ 2）电枢反应小，∵磁路导磁系数小，永 磁材料磁阻大。 影响电机外特性的因素？ aLeaL RInCRIEU ?=?= φ 3）发电机的短路保护： 不能通过灭磁→ 要有专门的脱机机构，或转 子上加剪切颈。 n=4000rpm： α=0° ↓↓ α n 电流连续时三相桥式整流电路输出电压 Ud与电 机相电势E 、触发角的关系： αα π cos34.2cos 63 EEU d == 4）电压调整： n=1： 2 α=0°～ 60° n=8000rpm： α= 60° t （a） (b) (c) t t 图 5-5 α o =60 的直流输出电压波（滤波前） N S 30 图5-2 永磁无刷直流发电机主电路 输出电压纹波小，电机损耗小，动态特性 双星整流： 2 21 uu u + = N S 30 图5-2 永磁无刷直流发电机主电路 问题：除了相控整流调压外，有无其它调压方式？ 2．电磁式无刷直发 单级电机：磁路较长 磁阻电机：无励磁，靠凸极效应 爪极电机：转子由两个爪形结构交叉 而成，通轴向电流后形成 N ， S极 多级电机：无刷交发+ 整流器。 结构： 三级式： 永磁副励磁机， 励磁机， 主发电机， 旋转整流器。 N S 图 5-6 电磁式无刷直流发电机 特点：（ 1）可调节励磁，调节输出电压。 （ 2）能通过灭磁实现保护。 （ 3）多级电机，响应较慢。 四 . 飞机直发的冷却 1.强迫风冷：迎面气流； 发动机引气（压缩空气）。 ?冷却空气量（需要）： 发电机损耗、电机内部风路（空气分配） 电机导热性，允许工作温度、冷却空气 的温 度和密度。 ?实际通风量（供风量）： 进出风口压力差、风阻、冷却空气密度 与飞行速度和高度有关。 供风≥需求 所以输出功率要根据供风状况变化。 在一定的 高度与速度范围内才能输出额定功率。 地面：风压小、风量不足。 高空：空气密度小。 高速：进口处风温高。 0 速度（m/s） 图 5-10 风冷发电机的高度和速度特性 高度（ Km ） （ 2） 油冷：高速的无刷直发，容量较大。 特点：输出功率与飞行状态关系不大。 电机型别 ZF- 9 ZF-18 QF-6 QF-12 额定功率 （ KW） 转速范围 （ r/min） 一分钟 过载能力 十秒种 过载能力 长期 无吹风冷 却的电流 转速范围 （r/min ） 过载百分数 （ %） 转速 时间 电流 转速范围 过载百分数 （ r/min） （ %） min （ r/min） （ A） 9 18 6 12 4000~9000 3800~9000 4000~9000 4200~9000 5000~8000 50 5000~8000 5000~8000 5500~8000 25 50 50 5600~8200 100 5000~8200 6500~8200 8000 50 100 100 3400 30 90 20 3400 3400 3400 30 30 200 60 120 § 5—3 直流发电机的电压调节 一.概述 调压的必要： 宽转速稳压，调励磁电流。 振动式调压器： 早期，小功率电机。 （ 1）励磁回路串加电阻 电阻受电磁铁触点控制。 U↑一定值， ↑， e F 触点断开。 串入， ↓。 g R f I U↓一定值， ， fe FF 触点吸合， 短路， ↑。 如此U在～ 范围内变化。 < null null null null min U max U 振动式调压器： （ 2）特点： 电压有一定变化范围，稳压精度不高。 有触点通断， 电流不能大，触点易损坏。 振动式调压器： 碳片式调压器、晶体调压器。 ∵有触点→无触点。 3 调压器的基本构成 检测：电磁铁线圈。 基准：反作用力弹簧。 比较：共同作用。 放大和执行：触点 和 Rg。 二. 炭片式电压调节器 图5-12 炭片式电压调节器 1-炭柱；2-衔铁；3-反作用弹簧； 4-电磁铁；5-调节螺钉；6-气隙. 1 原理电路与工作原理 2 )( δ ee e WI fF = 炭柱电阻：接触电阻，与压力有关， 压力↑电阻↓：执行。 电磁铁工作线圈： 检测 图5-12 炭片式电压调节器 1-炭柱；2-衔铁；3-反作用弹簧； 4-电磁铁；5-调节螺钉；6-气隙. 反作用弹簧： 基准 1 原理电路与工作原理 0=++ cse FFF 三力平衡 图5-12 炭片式电压调节器 1-炭柱；2-衔铁；3-反作用弹簧； 4-电磁铁；5-调节螺钉；6-气隙. U↑、 I↑、 ↑；克服 + ，δ↓、 ↑。 F c F c r e F ↓， U↓。 f I → s → 图5-12 炭片式电压调节器 1-炭柱；2-衔铁；3-反作用弹簧； 4-电磁铁；5-调节螺钉；6-气隙. 2 温度误差与补偿。 （ 1） 温度误差产生的原因： 实际调节的不是 U而是 ∵ 是直接与 相关， 而不是与 U有关。 Cu线随 T↑而↑ U不变但 T↑ ↑ ↓→δ↑→ ↓→ ↑→ U↑ →↑至 T变化前的值。 U的变化范围即 的变化范围。 e I e F e I e r e r e I c r f I e I e r 图5-12 炭片式电压调节器 1-炭柱；2-衔铁；3-反作用弹簧； 4-电磁铁；5-调节螺钉；6-气隙. （ 2）补偿措施 a.在 线圈中串 ， 与温度无关， e r T R 若则T↑引起的电阻变化量小。 T R eT rR >> r r e T e T R R + + ′ 可以补偿，但不能消除。 图5-12 炭片式电压调节器 1-炭柱；2-衔铁；3-反作用弹簧； 4-电磁铁；5-调节螺钉；6-气隙. b.加温度补偿线圈 总磁势： T↑、 ↑、 ↓， 和 均↓，若参数 设计使二者变化相同，则 T无影响。 TTee WIWIF ?= null null null null nullnull nullnull nullnull nullnull 图5-12 炭片式电压调节器 1-炭柱；2-衔铁；3-反作用弹簧； 4-电磁铁；5-调节螺钉；6-气隙. 三 .晶体管电压调节器 碳调：串 。 c r minf I maxcf rr U + maxf I mincf rr U + maxc r minc r c r f W 导致比较大的损耗，采用 PWM控制，改变加 在 上的平均电压，可以减小损耗。 = = → _ + Ec D V ij Rj Wj _ + Ec D V Rj Wj ij (a)晶体管V开通，励磁电流i j增长 (b)晶体管V截止，励磁电流经D续流 图 5-15 晶体管调压器末级晶体管的接线图 续流 D，在V关断时提供通路。 没有D行不行？ 损坏 V。 1 励磁电流的脉宽调制控制 损耗分析（假设 平直） ： ： f I on V fcescsceson IUIUP == nullnull null null null null null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull == 开关过程： 开通过程时间 假设E 线性下降， I线性上升 cocescscescoccsc r cocs t co r cesc c r cce r r IUIUIEIE dtt t II It t UE E t dtiU t P r r 6 1 3 1 3 1 6 1 ]][[ 1 0 0 +++= ? + ? ?= = ∫ ∫ t 1 V的关断过程： 平均功耗： ][ 1 ononrrffoffoff tPtPtPtP T +++?=P 缩短 、 可减小 P。 r t f t 减小f （增大T ）可减小 P。 cocescscescoccscrf IUIUIEIEPP 6 1 3 1 3 1 6 1 +++== ?励磁电流表达式 忽略 与 ， 和 r t f t ces U co I on V c E j r j L dt di LirE j jjjc 1 1 += j t jmj AeIi τ/ 1 ? ?= jjj rL=τ nullnullnull nullnullnull = 加于励磁绕组 。 off V on D dt di Lir j jjj 2 2 0 += Ttt on ~= jon tt j Bei τ)( 2 ?? = 2. 励磁电流平均值 求 A、 B? jon tt j Bei τ)( 2 ?? = 01 jj Ii = 0jjm IIA ?= Bi j = 2 21 jj ii = null null nullnull nullnullnull τ/ 1 ? ?= jon t jjmjmj eIIIi τ/ 01 )( ? ??= jon t jjmjm eIIIB τ/ 0 )( ? ??= t=ton 时 : t=0时 : 求 I j0 ? t=T时，稳态 0jjT II = null null nullnull null null null nullnull null null nullnullnullnull τ ττ / // 0 1 ? ?? ? ? = joffjonjoff Tt jjmjm t jT eeIIIBeI τττ // 0 / ])([ ??? ??== jon tt j Bei τ)( 2 ?? = j t jmj AeIi τ/ 1 ? ?= 求I j0 ? 0jjm IIA ?= jon t jjmjm eIIIB τ/ 0 )( ? ??= on t 1* )1( / 11 j t jm eCI τ? ?= j i j joff T t e e C τ τ / / 1 1 1 ? ? ? ? = off t 2* /)( 22 jon tt jmj eCI τ?? =i j jon T t e e C τ τ / / 2 1 1 ? ? ? ? = 期间： 期间： jon tt j Bei τ)( 2 ?? = j t jmj AeIi τ/ 1 ? ?= 0jjm IIA ?= jon t jjmjm eIIIB τ/ 0 )( ? ??= jm T Tt j I e ee I j jjoff τ ττ / // 0 1 ? ?? ? ? = ?励磁电流平均值： ][ 1 2 0 1 ∫∫ += T t j t jj on on dtidti T I j con jm r E D T t I == c E j r 与 不变时， 仅与D 有关。 j I ?另一种推导平均值的方法： 与，相等 on t off t j i? 0 2 0 1 =+ ∫∫ T t j t j on on didi ∫∫∫ =+ ononon t c t jj t j j dtEdtirdt dt di L 00 1 0 1 0 2 2 =+ ∫∫ T t jj T t j j onon dtirdt dt di L 相加： onc T t j t jj tEdtidtir on on ?=+ ∫∫ ][ 2 0 1 onc T t j t jj tEdtidtir on on ?=+ ∫∫ ][ 2 0 1 ∫∫ += off om on t t j t jj dtidtiTI 2 0 1 D r E I j c j ?=∴ 3. 励磁电流的脉动和脉动率。 脉动将使 脉动，需减小 的脉动。 j i 0 U j i 可通过脉动率判断脉动的程度： 电流峰峰值/ 平均值 j jm jm I I I ? =? % jm T T t t jm I e eee I j jj off jon τ ττ τ / // 1 1 / ? ? ? ? ? +?? =? ) 1 1 1( / / 0 j joff T t jmj e e II τ τ ? ? ? ? ?= jm T t jton I e e I j jon ? ? ? = ? ? τ τ 1 1 2* /)( 22 jon tt jmj eCIi τ?? = j jon T t e e C τ τ / / 2 1 1 ? ? ? ? = 0jjtonjm III ?=? j jm jm I I I ? =? % 一般 较大， j L j T τ<< 2 1 2 x xe x ++≈ jm j off on jm I T T T t T t I ? ≈? τ2 2 offon tt = maxjmjm II ?=? null null null null null null null 24 max ? =? τ jm T T t t jm I e eee I j jj off jon τ ττ τ / // 1 1 / ? ? ? ? ? +?? =? 1） f 越高即T 越小，则 越小。 T j >>τ % jm I? % jm I? T T T t I I I j off j jm jm ? ?= ? = τ2 2 %? 特点： 脉动率： 2）一般 ， 很小，在 1%范围内。 L j =340mH, r j =8? %1% ≈? jm I T T T t I I I j off j jm jm ? ?= ? = τ2 2 %? 例： f=1200Hz 脉动率： T=0.8333ms τ j =42.5ms 损耗小, 响应速度快, 调压精度高。 晶体管调压器： 习题5—7 §5-4直流电源的并联运行 装有多台LVDC主电源的飞机， 电源系统一般采用并联工作方式， 以提高系统可靠性。 U1 U2Un F1 F2 AB I1 I2R+1 R+2 → 图 5-19 两台直流发电机并联原理图 一.并联条件和负载的分配 基本条件：电源极性、电源电压与电网相同 。 负载均分：提高并联电源利用率。 调节点：电压调节器检测线与发电机馈电线 上的连接点。 U1 U2Un F1 F2 AB I1 I2R+1 R+2 → 图 5-19 两台直流发电机并联原理图 111 + ?= RIUU n 222 + ?= RIUU n n III =+ 21 调节器一般有调节误差（称静态误差、静差）。 电机的外特性（有AVR）。 1111 IKUU O ?= 2222 IKUU O ?= 1 K 2 K ：有调节器时外特性斜率。 U1 U2Un F1 F2 AB I1 I2R+1 R+2 → 图 5-19 两台直流发电机并联原理图 111 + ?= RIUU n 222 + ?= RIUU n ))(( )()( 2212 22221111 KRIIU KRIUKRIU no oo +??= +?=+? + ++ n OO I KKRR KR KKRR UU I 2121 22 2121 21 1 +++ + + +++ ? = ++ + ++ n OO I KKRR KR KKRR UU I 2121 11 2121 12 2 +++ + + +++ ? = ++ + ++ n n OO I KKRR KK I KKRR RR KKRR UU III 2121 12 2121 12 2121 21 21 )(2 +++ ? + +++ ? + +++ ? =?=? ++ ++ ++ ++ 负载分配与发电机空载电压、外特性斜率、 接线电阻等有关。 n OO I KKRR KR KKRR UU I 2121 22 2121 21 1 +++ + + +++ ? = ++ + ++ n OO I KKRR KR KKRR UU I 2121 11 2121 12 2 +++ + + +++ ? = ++ + ++ 二台发电机（其它条件一样） 1 空载电压高的输出电流大还是小？ 2 外特性斜率大的输出电流大还是小？ 3 接线电阻大的输出电流大还是小？ n OO I KKRR KR KKRR UU 2121 22 2121 21 1 +++ I + + +++ ? = ++ + ++ n OO I KKRR KR KKRR UU I 2121 11 2121 12 2 +++ + + +++ ? = ++ + ++ n n OO I KKRR KK I KKRR RR KKRR UU III 2121 12 2121 12 2121 21 21 )(2 +++ ? + +++ ? + +++ ? =?=? ++ ++ ++ ++ 负载均分条件： 21 OO UU = 21 ++ =RR 21 KK = 二 . 自动均衡电路： 使两台发电机输出电流相等 ,负反馈调节原理 1.均衡电路原理： ?构成 ： 均衡电阻： = jd R 1jd R 均衡线圈： 并联开关： K。 2jd R eq W 21 eqeq WW = 电磁铁合成磁势加大， ↓、 ↑、 ↓，减小 。 1 TY 反之， ↑，增加 。 有差调节 δ null null 1 U 1 I 2 TY 2 U 2 I 21 II ≈ 21 II ≠ ?原理： 2 I ， U A <U B ， K闭合, B → A电流。 1 I > 2. 分析： 1)调压器无静差。调压器电磁铁的合成磁势不变。 111 1 1 11 1 1 1 1 1 eqeqe ep eqeqe ep e ep O WiW R U WiW R U W R U +=+= 222 2 2 22 2 2 2 2 2 eqeqe ep eqeqe ep e ep O WiW R U WiW R U W R U +=?= 21 eqeqeq iii ?== epi ：调压器对 的灵敏度。 eq i ei eqi i R W W = 21 α=α ? ? ? ? ? ?+=α+=α?= ??=α?=α?= UUiUiUU UUiUiUU oeqOeqO OeqOeqO 2222222 11111111 2)调压器有静差 ? ? ? ? ? ??=α+?= ??=α??= 2222222 1111111 UUiIKUU UUiIKUU OeqO OeqO eqOeqO iIRKUiIRKU 2222211111 )()( α++?=α?+? ++ n III =+ 21 γ：均衡电路的灵敏度系数。 21 21 1 II UU ? ?+? =γ 2121 2 212 )( eqeqjdjd jd RRRR R +++ α+α=γ 2121 1 211 )( eqeqjdjd jd RRRR R +++ α+α=γ 有均衡电路时发电机负载电流 n OO I KKRR rKR KKRR UU I 212121 222 212121 21 1 γ+γ++++ ++ + γ+γ++++ ? = ++ + ++ n OO I KKRR rKR KKRR UU I 212121 111 212121 12 2 γ+γ++++ ++ + γ+γ++++ ? = ++ + ++ 负载均分条件： 21 OO UU = 21 ++ =RR 21 KK = 21 γ=γ n OO I KKRR rrKKRR KKRR UU I 212121 121212 212121 21 )())()(2 γ+γ++++ ?+?+? + γ+γ++++ ? =? ++ ++ ++ （ 有均衡电路时的环流比无均衡电路时小。 n OO I KKRR rrKKRR KKRR UU I 212121 121212 212121 21 )())()(2 γ+γ++++ ?+?+? + γ+γ++++ ? =? ++ ++ ++ （ )()( )(2 2121 1212 2121 21 n OO I KKRR KKRR KKRR UU I +++ ?+? + +++ ? =? ++ ++ ++ §5-4直流电源的并联运行 一. 并联条件和负载的分配 二 . 自动均衡电路 1.均衡电路原 2.分析 三 . 发电机与蓄电池并联运 1. 并联原理 2. 并联供电的好 3. 负载分 4. 发电机调定电压与蓄电池电压的匹 三 . 发电机与蓄电池并联运 U01 Un F IF IbR+1 Rb →→ Ub In Rb1 Eb 图 5-22 发电机与蓄电池并联电路 直接浮 1. 并联原理 工作原则 正常工作：发电机 供电负载，蓄电池充电 大负载：发电机与蓄电池共同 供电负载 发电机停机或故障：蓄电池 供电负载 U01 Un F IF IbR+1 Rb →→ Ub In Rb1 Eb 图 5-22 发电机与蓄电池并联电路 2. 并联供电的好处： ?电网电压脉动小。 ?电网电压瞬变小：电机卸载 U↑，但 增大 充 I ?电网 过载、短路能力强：电机受极限电流限 制，但有BAT 后能提供很大的短路电流。 U01 Un F IF IbR+1 Rb →→ Ub In Rb1 Eb 图 5-22 发电机与蓄电池并联电路 3. 负载分配： 决定于发电机，蓄电池的 外特性和线路阻抗 。 ?发电机的外特性： FOF IRUU 11 + ?= 图 5-23 馈电线电阻R+1对外特性的影响 U01 Un F IF IbR+1 Rb →→ Ub In Rb1 Eb 图 5-22 发电机与蓄电池并联电路 ?蓄电池外特性： )( bbibbb RRIEU +±= +充电、- 放 3. 负载分配： 决定于发电机，蓄电池的 外特性和线路阻抗 。 U01 Un F IF IbR+1 Rb →→ Ub In Rb1 Eb 图 5-22 发电机与蓄电池并联电路 （ 1） bFn UUU == nullnullnull nullnullnull ?= 00 0 bFn III == no U 发电机 →蓄电 U = ?配合： U01 Un F IF IbR+1 Rb →→ Ub In Rb1 Eb 图 5-22 发电机与蓄电池并联电路 bFn UUU == nullnullnull nullnullnull ?= 1nn II = 1bb II = 1FF II = 111 bFn III ?= 01 nnn UUU <= ?配合： 发电机 蓄电 负载 电池充电电流↓ 发电机电压↓ （ 2） （ 3）负载进一步增大： bnn EUU =→ 2 0= b I 2n I 2F I = 发电机 →负 bFn UUU == nullnullnull nullnullnull ?= ?配合： U01 Un F IF IbR+1 Rb →→ Ub In Rb1 Eb 图 5-22 发电机与蓄电池并联电路 bn EU < nullnullnull nullnullnull =+ （ 4）负载进一步增大： 蓄电池和发电机 →负载 bFn UUU == nullnullnull nullnullnull ?= ?配合： U01 Un F IF IbR+1 Rb →→ Ub In Rb1 Eb 图 5-22 发电机与蓄电池并联电路 U01 Un F IF IbR+1 Rb →→ Ub In Rb1 Eb 图 5-22 发电机与蓄电池并联电路 1）发电机调定电压不应过高或过低 过小： 电池在负载较小时就开始放电，影响应急使用。 max0 bFb EUE << 航空蓄电池：24～31.2V 电机： 28.5V 4. 发电机调定电压与蓄电池电压的匹配 过大： 电池充电电流很大，过充电损坏。 2）未充足电电池的危害 蓄电池充电程度影响负载电流分配。 （ 1） 充电电流过大。降低电池寿命；电机在 小负载时就过载。 （ 2）发电机故障，不能提供需要的应急供电。 （电压、容量） 未充足电的电池 不能装机使用。 §5-4直流电源的并联运行 一. 并联条件和负载的分配 二 . 自动均衡电路 1.均衡电路原理 2.分析 负载均分条件 三 . 发电机与蓄电池并联运 1. 并联原理 2. 并联供电的好 3. 负载分配：外特性及其匹配 4. 发电机调定电压与蓄电池电压的匹 1）发电机调定电压不应过高或过 2）未充足电的电池不能装机使用。 习题 5—10、 5—11。 § 5-5 直流电源的控制与保护 ?控制： 使电源系统（供电系统）的各个组 成部分按要求正常工作、供电。 ?保护： 电源系统故障或有故障隐患时， 实施保护。 （ 1）保护发电系统，不至于故障扩大。 保护电源 （ 2）不让不符合质量的电能提供给设备， 以免损坏用电设备及飞机。 保护负载 工程价值：保证供电系统和用电设备正常、 可靠的工作 。 ?保护： 电源系统故障或有故障隐患时， 实施保护。 ?低压直流电源的控制项目： 主电源、应急电源、地面电源及起动发电 机的控制。 ?低压直流电源的保护项目： 发电机反流保护，过电压与过励磁。 发电机反极性保护、过载保护和短路保护。 § 5-5 直流电源的控制与保护 一 . 直流发电机的控制与反流 1 控制元件 2 控制逻辑 3 反流及其保护 4 CJ—400D型反流保护器 二 . 过电压与过励磁保护 三 . 短路保 一 . 直流发电机的控制与反流保护 1. 控制元件： 主干线接触器，主线接触器， MLC 2 控制逻辑： （ 1）发电机与应急电源、地面电源间应协调工作。 （ 2） MLC的控制符合一定逻辑关系。 （ 3）典型的动作逻辑。 3. 反流及其保护： 保护动作：当反流达到一定数值后该发电机与电网脱开 MLC断开。 反流 危害：（ 1）其他电源过载损害。 （ 2）发电→电动。 反流产生的原因：发电机电压低于电网电压， 电网上 其它电源（BAT 、 Gen）将向此发电机输电。 4. CJ—400D型反流保护器： 电磁继电器式控制和反流保护装置 （ 1）原理结构： 由 MLC、 DR（差动极化继电器） 、 J1 ~J4构成。 （ 1）原理结构： MLC、 DR J1 ~J4 （ 2）工作原理： ?DR：用于检测电压差及反流。 a .组成 永久磁铁、永磁材料、衔铁2 、接触螺钉1 、止动螺钉3 b . W1 、 W2未充电， 衔铁可处于任何位置。 c . W1通电（ 压差线圈，线细、匝数多）：压差达一定值 中磁通↑， 中磁通↓。衔铁上移。 1 衔铁和接触螺钉接通。 δ null δ d W2反流线圈（线粗， 匝数少），反流达一定值 使触点断开。 ?接通 MLC： ?????? ?→? → VU F 1814极性正确，达 MLC.S on J1吸合→ W1接于DC 和 U F _ -U n >0.3～ 0.7V→ W1 通电→衔铁运动 Gen 之间, →触点K 接通→MLC 线圈 得电→MLC 接通。 ? 断开 MLC 反流达一定值→触点 K断开→ MLC.S off→ J1断开 → MLC线圈失电断开 二 . 过电压与过励磁保护 1. 过压：电源电压超出规定的稳态电压极限。 ? 危害：用电设备。 ? 分类 瞬态过压：卸载，过速；持续时间短。 持续过压：激磁电路或调压器故障→过励磁→过压。 失调性：激磁电流完全失去控制、很大→ 过电压数值很高。 持续过压：激磁电路或调压器故障→过励磁→过压。 反延时 保护 超调性：调整不当，个别元件故障→激磁 电流仍受控，但过大→过压（不 很高）。 二 . 过电压与过励磁保 ?保护动作： （ 1）减励磁（2 ）脱网。 ? 保护方式：选择性 瞬态过压： 不保护。 持续过压： 反延时保护 二 . 过电压与过励磁保 ?检测方法： 不并联：直接检测调节点电压。 并联： 1） 检测励磁绕组电压：简单但不一定准确。 2） 先脱网，再检测调节点电压：控制相对 复杂一些，准确。 二 . 过电压与过励磁保 2． BJD—1A过压保护器： ?组成：检测、比较、执行 检测放大电路YB； 中介继电器 J1； 控制继电器 J2； 灭磁继电器 M 通过检测励磁绕组端电 压，与 TY—1、 CJ—400D配合工作。 二 . 过电压与过励磁保 ?工作原理： （ 1）左下①孔接地， ②孔在起动时通电， J2吸合， BJD— 1A不起作用。 （ 2）起动结束后， J2断开，①接②接地， YB电路接通。 正常工作：励磁绕组端电压较小， 晶体 管断开， J1断开， ①接②，M 线圈无电。 R5被短路， BJD-1A 对 TY-1工作无影响。 VUU DWs 4.1+< ? 过励磁： 减磁： V1、 V2导通， J1吸合， M线圈得电， 吸合。 R5串入电路。 过励磁： 脱网： M的⑦⑧断开，MLC.S 通路无电， J1 线圈失电，MLC 断。 反延时是如何实现的？ 过励磁越大， 越高， 充电越快，动作越快。 s U 2 C 过励磁保护仅能起失调 性电压（大偏差）保护， 对超调性过电压 （小偏差）不起作用。 三 . 短路保护 原因 ：导线绝缘损坏，接线联接不当，战斗损伤等 分类 ： 金属熔接性短路 间歇性短路 危害： 要求： 实现： 反流保护器、熔断器（难熔） 二 . 对起动系统的基本要求 三 . 航空发动机的电力起动 四 . 典型起发系统 ? 要求： ? 控制方式 ? 影响起动过程的因素：电磁功率 五. 双功能系统可靠工作 六. 低压直流起发的优缺点 一. 航空发动机的起动特性 ? 起动的定义： ? 起动点火设备 ? 活塞式、燃气涡轮发动机的起动特性 § 5—6 起动发电系统 § 5—6 起动发电系统 一. 航空发动机的起动特性 ? 起动的定义： 活塞式、燃气涡轮：均不能自行起动工作。 先靠外力→一定转速，才能自行工作。 起动：将发动机从转速为零转到能自行工作。 ?起动点火设备： 起动机：使发动机旋转的设备。 点火电器：使油气、混合气点燃的设备。 ?活塞式发动机的起动特性： 自行工作转速低： 50～ 60rpm。 阻转矩大：摩擦（活塞运动）、空气压力。 起动特性：自行工作转速高。 13% 点火。 MAX n 涡轮与压气机均是负载。 点火后涡轮输出功率， P随 n↑而↑。 自持转速：35% ， 3500～ 7000rpm才 MAX n 能自行工作。 ?燃气涡轮：喷气发动机 构成原理：压气机、燃烧室、涡轮与尾喷管。 特点： （ 1）起动时静摩擦力矩不大； （ 2）起动转速范围宽； （ 3）点火时静阻转矩最大，起动转矩应大于最大 静阻转矩； （ 4）点火后必须由起动机使转子继续加速至自持 转速，以防发动机过热。 二 . 对起动系统的基本要求 1. 可靠起动，多次起动：各种温度，各种气候。 2. 起动时间短：战术技术，经济。 3. 体积重量小：起动机 +能源。 二者的重量之间存在一个优化关系： 起动机功率大，起动时间短、消耗能量少。 4. 自起动能力：自起动→不借助地面设备。 若需要：通用化、标准化。 5. 交叉起动能力：多发动机飞机，一台engine 工作→起动未工作的 engine：交叉起动。 是实现多发动机飞机自行起动的重要条件。 三 . 航空发动机的电力起动 涡轮起动机、液压马达、电力起动机。 ?活塞式发动机： 惯性起动机：电动机+ 飞轮。飞轮储能。 复合作用：起动爪啮合前后起动机不断电。 直接作用：无飞轮，直接或经减速后传动发动机。 起动机功率大，起动时间短。 ?喷气式：直接作用（减速器、摩擦离合器、单向离合 器） 起动：电动机减速后传动航发。 起动结束，电动机断电，电机转速低于发动机转速， 单向离合器脱开，防止发动机反过来传动 起动机。 ?起动发电：发电机容量大。≈电力起动机 四 . 典型起发系统 ?要求： （ 1）自动化。 （ 2）大起动力矩、以加快起动过程。 （ 3）小的消耗电流（低能耗）。 ?控制方式： 以 发动机转速为函数：不能限定起动时间，易过热。 以 起动机电流为函数： 以 时间为函数：简单，但不完善：起动循环已结束， 但还未到自持转速或者起动时间过 长，不经济。 常用：转速+时间，一旦达自持转速，即中止起动过 1. 复励 —串励起动过程。 原理：（ 1）由蓄电池或地面电源供电。 （ 2）以时间为函数的控制方式。 按压起动按钮1→ 1.3s， 3合→经R向电机供电，电 流转矩受限，从而电机加速度受限制，起动机与 发动机平稳啮合→3.8s， 4合→ ↑、n↑， 复励方式，随n T ↓（可能会在某一转速下 平衡）→8.5s， 1断，复励转为串励， n↑至自持转 速→44.3s结束，回复→n↑发电→ ＞ 0.3～ 0.7V， 反流保护器 2接通，发电机投入电网。 ↑，↓， a I a I ng UU ? ?影响起动过程的因素： 电磁功率大小。 起动时电机的电磁功率大小影响起动转距 过程。 E：起动电源电动势。 ：起动机电刷压降。 I： 起动机消耗电流。 电枢电阻 起动电源内阻 馈线电阻 当时， 。 RIIUE br 2 )( ??=P br U aobia RRRRR ξ=++= 0= dp max P dI a br R UE I ξ2 max ? = 电枢电阻、电源电阻、接线电阻、电刷压降均使 减小，提高 E、 可增加起动工作最大功率 max 2 2 max )( 2 1 )1( 4 IUE E U R E P br br a ??=?= ξ maxmax PP s η= max P 蓄电池需充足电。 五. 双功能系统可靠工作 1）发电状态时的电机不能进入电动， 起动结束时，反流保护器起作用。 2）多发：依次起动，不能同时。∵电池容量有限。 3）起动机构应能多次启动，起动控制电路能可靠复原。 六. 低压直流起发的优缺点 优点：推动直流电源的发展。 缺点：有电刷与换向器；电压低，电网重；起动系统 受环境影响大（电池）。 § 5—7 高压直流电源 一. HVDC电源的构成 高压直流电源与低压直流电源的 区别： 电压： 270V 28V 发电机：无刷 G.S 有刷，无刷 G.S 特点： （ 1） BLDCG简单，并联容易。 （ 2）主、二次电源η高，变换环节少。 （ 3）反流保护简单，易实现不中断供电。 （ 4）电网重量小。 （ 5）人身安全。比 小。 ac VV 200/115 （ 6）可实现无刷G/S 。 1.余度供电：保证飞机安全飞行和完成任务的要求。 军用规范：两套主飞行仪表的飞机上，每套仪表 由单独的电源供电。 2余度。 民航细则：三级自动着陆或仪表着陆过程中应有 三个独立电源通道， 双发飞机越洋飞行要有三套独立电源。 3余度。 二 . 余度供电和不中断供 关键用电设备（飞行仪表、着陆仪表、电传系统） 均要有余度。 电传操纵，静不稳定系统：4套飞控系统，4余度电源。 用电设备的余度必然要求供电的余度，否则设 备的余度受影响。 关键用电设备（飞行仪表、着陆仪表、电传系 统）均要有余度。 2. 容错供电：系统故障后仍能保持运行的技术。 先进战斗机（ ATF）： 一次故障仍能向任一飞机负载供电。 二次故障仍能向关键任务负载供电。 三次故障仍能向任一飞行负载供电。 只有四余度供电才能满足 ATF容错供电的要求。 容错供电比余度供电要求更高： 故障形式：可以是同一发电通道的不同元件，也可 不同的通道，或二者的组合。 1） 主电源应急程序： 故障电源退出电网，负载由余下的无故障电源供电： 电源监控。 飞行员或自动卸载（多发电机故障，剩余功率不足时） 负载监控。 单发飞机：应急电源增加了电源系统的一个余度。 多发飞机主电源应急程序优先于应急电源：主电源全 部故障后才由应急电源供电。 ∵应急电源容量有限，主电源十分可靠和安全 3. 目前实现余度和容错供电的一些措 3. 目前实现余度和容错供电的一些措 2）电网设转换汇流条： 重要负载，可由多方向供电，在各个电源间转换。 3）备份电源： 在飞行中一直处于发电状态，但不向负载供电，处 于 备用状态。 4）专用电源 采用飞控计算机，电传操纵的飞机为保证操纵系统 的可靠安全工作，采用专用电源： 该电源仅向飞控系统或全权发动机数数字控制系统 供电。其他用电设备的故障，电网的故障不会影响飞 控设备供电。 4．不中断供电 计算机设备的要求，不允许供电中断。 供电中断的原因： 1）电源间转换：地→机、主→主、主→辅、主→应急， 要求≤ 50ms。 2）电网短路：保险丝烧断或自动开关短路导致电压降低 ， 视为供电中断。 并联：是实现不中断供电的必要条件。 HVDC容易实现：反流二极管+固态配电 交流并联困难， AC/DC设置直流不中断汇流条，在 DC/AC得不中断交流电。 例： 4余度飞控系统供电方案（单发飞机）。 该系统实现了余度：主、备份、应急、专用 （ 4余度）。 容错： DC并联。 不中断供电：不中断汇流条。 习题： 5—18 补：主电源应急程序与应急电源供电有什么区别？ 小结 第五章 飞机直流电源 1 高低压直流电源的构成。 2 航空直流发电机的结构、设计特点。 永磁和电磁式无刷直流发电机的结构和特点 三相半波和全波整流计算 3 调压器的组成和工作原理 炭片式调压器的工作原理 晶体管式调压器的工作原理，励磁电流的计 4 直流电源的并联运行 直流电源并联条件和负载的分配 自动均衡电路原理、计算，负载均分条件 发电机与蓄电池并联运行负载分配：外特性及其匹配 发电机调定电压与蓄电池电压的匹配 1）发电机调定电压不应过高或过低 2）未充足电的电池不能装机使用。 5 直流发电机的反流原因，危害，反流保护器 MLC，控制 逻辑 过电压与过励磁保护：反延时保护 短路保护分类 小结 6 航空发动机的起动定义，起动点火设备 典型起发系统要求，控制方式， 影响起动过程的因素： 电磁功率 低压直流起发的优缺点 7 余度，容错，不中断供电概念，主电源应急程序 小结