第三章_飞机低压直流电源系统

1、副标题构成 直流发电机 调压器 控制保护器 航空蓄电池等3.1 主要技术指标 GJB181A-2003图3-1、图3-2电启动工作状态：1229V3.2 直流发电机直流发电机特性特性 飞机用的发电机分为直流和交流两大类，工作原理与工业用电机相同。飞机发电机的主要特点是：飞机发电机的主要特点是：工作在高空、高速、冲击等恶劣的环境条件下工作在高空、高速、冲击等恶劣的环境条件下由转速变化范围很大由转速变化范围很大(2:1)的航空发动机来传动的航空发动机来传动为减小重量功率比而采用更有效的冷却系统和为减小重量功率比而采用更有效的冷却系统和优质材料。优质材料。飞机发电机飞机发电机(aircraft el

2、ectric generator) 直流发电机直流发电机交流无刷发电机交流无刷发电机直流无刷发电机直流无刷发电机永磁发电机永磁发电机 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。3.2 飞机直流发电机特性飞机直流发电机特性 标称电压为标称电压为30V，额定电流有，额定电流有100，200、300、400和和600A多种，相应的额定容量为多种，相应的额定容量为3、6，9、12和和18kW

3、。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表3.2.1飞机直流发电机的重量功率比直流发电机飞机直流发电机的结构特点传动端：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。二、直流发电机工作原理二、直流发电机工作原理线圈切割磁力线产生线圈切割磁力线产生交变电动势交变电动势 利用整流子把交变电动势变为利用整流子把交变电动势变为脉动电

4、动势脉动电动势 增加线圈匝数和整流片片数，可得较大、较增加线圈匝数和整流片片数，可得较大、较平稳的平稳的直流电动势直流电动势 E = CEn 直流发电机的电动势naPN60发电机发电机电动势电动势发电机发电机转速转速每磁极每磁极下磁通下磁通结构结构常数常数E=CEn=直流发电机的励磁直流发电机的励磁 大部分飞机直流发电机均为两用的起动/发电一体机，即利用直流电机的可逆原理，在喷气发动机起动时由地面电源（或机上蓄电池）供电，在电动机运行状态下起动发动机。 激磁方式为复激转串激。当转速达到一定值时，激磁改为并激，电机转入发电状态，提供机上直流电能。磁通磁通电动势电动势端电压端电压励磁电流励磁电流励

5、磁励磁并励式直流发电机自激并励式直流发电机自激发电条件发电条件 并励式直流发电机自激并励式直流发电机自激发电条件发电条件 发电机的磁极要有发电机的磁极要有剩磁剩磁励磁励磁电流产生的磁场方向与电流产生的磁场方向与剩磁场的剩磁场的方向方向相同相同励磁励磁电路的电路的电阻电阻不能过大不能过大最低最低转速转速不得低于某临界值不得低于某临界值整流式直流发电机整流式直流发电机 直流发电机由于具有电刷和换向器，限制了它的高空性能和可靠性，整流式直流发电机可以有效地克服这些缺点。整流式直流发电机分类变频交流发电机整流变频交流发电机整流（有刷）（有刷）无刷直流发电机无刷直流发电机变频交流发电机整流（有刷）变频交

6、流发电机整流（有刷）NNNNNNSSSSSS滑滑环环交交流流发发电电机机 转转子子和和励励磁磁绕绕组组电电压压调调节节器器励励磁磁继继电电器器控控制制开开关关蓄蓄电电池池或或外外接接电电源源至至用用电电设设备备无刷直流发电机的无刷直流发电机的种类种类电磁式无刷直流发电机电磁式无刷直流发电机永磁式无刷直流发电机永磁式无刷直流发电机电磁式无刷直流发电机NS主发电机主发电机副励磁机副励磁机励磁机励磁机旋转整流器旋转整流器输出整流输出整流滤波电路滤波电路+ +- -永磁式无刷直流发电机整整流流电电路路双双Y Y电电枢枢绕绕组组输输出出整整流流滤滤波波电电路路发发电电机机永永磁磁转转子子+ +空载特性和

7、调节特性曲线空载特性和调节特性曲线2 04 06 08 01 0 024681 01 21 49 0 0 0 rp m6 0 0 0 rp m4 0 0 0 rp m4 8 1 2 1 6 2 000 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0励励 磁磁 电电 流流 I If f( ( A A ) )电电 压压 E E ( ( V V ) )励励 磁磁 电电 流流 I If f( ( A A ) )电电 流流 I I ( ( A A ) )9 0 0 0 rp m6 0 0 0 rp m4 0 0 0 rp m空载特性曲线空载特性曲线外特性曲线外特性曲线电流I电流I(A)(A)

8、U UN N0 080806060404020200 0200 400200 400 600 800600 800 10001000电电流流I I ( (A A ) )不带调压器不带调压器带调压器带调压器外特性：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ERLRa + RLU =外特性：n一定，励磁回路电阻rf为常数，U与IL 的关系。他励直流发电

9、机Uf 一定，If 一定，n一定时,E一定I L = U RLU = E I L Ra = Cen I L Ra0他励直流发电机电电流I（A）200400600(b)800100020压U（v）806040I L Ra电枢反Uf 一定，If 一定，n一定时,E一定U = E I L Ra = Cen I L RaI L = U / RLERLRa + RLU U =RL （1）外特性软于他励？自励发电机：U f = U ，If 随U变。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U = E I L Ra = Cen I L RaI L = U RLI f = U R f（2） 外 特

10、 性 曲 线 有 内 凹 。 原 因 ？电流是增加还是减小关键看E、RL谁变化快？0电流I（A）200400600(b)8001000206040电压U（v）80RL U IfE UU=0E RL + RaI L = U RL =U = E I L Ra = Cen I L RaI f = U R f（2） 外 特 性 曲 线 有 内 凹 。 原 因 ？电流是增加还是减小关键 看E、RL谁变化快？0(b)电流I（A）2004006008001000604020电压U（v）80电压较高时：If大：磁路饱和IL小：电枢反应小E下降慢， IL上升：E RL + RaI L = U RL =U = E

11、 I L Ra = Cen I L RaI f = U R f（2） 外 特 性 曲 线 有 内 凹 。 原 因 ？电流是增加还是减小关键 看E、RL谁变化快？0(b)电流I（A）2004006008001000604020电压U（v）80电压较低时：IL大：电枢反应大E下降快， IL下降E RL + RaI L = U RL =U = E I L Ra = Cen I L RaI f = U R f（2）外特临界电流：转速一定时，最大Imax0电流I（A）200400600(b)8001000电压U（v）80604020E RL + RaI L = U RL =内凹段不稳定，RL U IfE

12、 UU=0I f = U R fU = E I L Ra = Cen I L Ra受调节，（1）U n 恒定（I f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(d)电流I（A）电压U（v）Un带调压器的航空发电机U = E I L Ra = Cen I L RaU一定，E , I L 临界电极限电谁大？0(b)电流I（A）20040060080010004020电压U（v）80600(d)电流I（A）电压U（v）Un临界电流极限电 n越低， If 越大（同样IL ）Ifmin Ifmax 是设计0100200300400500600电流I(A)(C)

13、 调节特性121086143. 调节特性n 一定，保持 U一定， IL与If 的关系U = E I L Ra = Cen I L Ra（A） If4000r/min6000r/min9000r/min调压器时的重要依据。4212kW起动发电机性能参起动发电机性能参数数序序号号项项 目目参参 数数1 1额额定定电电压压 V V3 30 02 2额额定定电电流流 A A4 40 00 03 3额额定定功功率率 k kW W1 12 24 4转转速速范范围围 r rp pm m7 72 20 00 01 12 20 00 00 05 5过过载载能能力力1 13 33 3% % 2 2m mi in

14、n2 20 00 0% % 5 5s se ec c6 6过过速速能能力力 r rp pm m1 14 40 00 00 0 5 5m mi in n发发电电机机工工作作状状态态7 7效效 率率7 70 0% %8 8起起动动电电压压 V V3 30 09 9起起动动次次数数3 3 起起动动3 3 次次后后间间歇歇3 30 0m mi in n1 10 0最最小小起起动动力力矩矩 k kg gm m2 2. .8 84 41 11 1最最小小力力矩矩 k kg gm m2 20 06 62 21 12 2悬悬挂挂力力矩矩 k kg gm m2 2. .0 02 21 13 3重重量量 k kg

15、 g1 14 4. .4 4电电动动机机工工作作状状态态1 14 4工工作作环环境境温温度度 - -5 55 5+ +1 12 21 13.3 直流发电机的直流发电机的电压调节电压调节引引 言言U = CEn - I R发电机发电机端电压端电压发电机发电机电枢电阻电枢电阻负载负载电流电流问：问：如果不采取措施，在飞行中发电机的如果不采取措施，在飞行中发电机的端端电压电压能否保持恒定能否保持恒定？为什么？为什么？ 宽转速稳压宽转速稳压，调励磁电流，调励磁电流电压调节器电压调节器功用：功用：在一定条件下自动保在一定条件下自动保持发电机端电压基本恒定。持发电机端电压基本恒定。电压调节器简称电压调节器

16、简称调压器调压器连续均匀变化和脉冲式变化振动式调压器：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。eU一定值，F，触点断开。Rg串入，I f 。触点吸合， 短路， 。范围内变化。U一定值， Fe Ff ，如此U在 U minU max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。电压调节器外特性曲线外特性曲线电流I电流I(A)(A)U UN N0 08080606040402

17、0200 0200 400200 400 600 800600 800 10001000电电流流I I ( (A A ) )不带调压器不带调压器带调压器带调压器炭片式调压器炭片式调压器炭片式调压器的炭片式调压器的主要组成主要组成炭堆炭堆(炭柱炭柱)电磁铁电磁铁固定在电磁铁上的固定在电磁铁上的六角六角弹簧弹簧(或或板式控制弹簧板式控制弹簧)炭片式电压调节器原理电路碳堆碳堆压力板式控制弹簧线圈铁芯衔铁最大值转/分+-直流发电机负载调节设定值R R调调碳堆碳堆压力板式控制弹簧线圈铁芯衔铁最大值转/分+-直流发电机负载调节设定值R R调调发电机转速增加或负载减小发电机转速增加或负载减小电磁铁线圈磁场电

18、磁铁线圈磁场增增强强电磁铁吸力电磁铁吸力增大增大碳柱上的压力碳柱上的压力减小减小碳柱的电阻值碳柱的电阻值增加增加发电机励磁电流发电机励磁电流减小减小发电机励磁磁场发电机励磁磁场减弱减弱发电机输出电压发电机输出电压降低降低恢复到额定值恢复到额定值发电机输出电压发电机输出电压升高升高 精度低，功耗大，稳定性差，受温度影响大。温度补偿1、炭片调压器只能、炭片调压器只能相对相对地使发电机电压恒定，地使发电机电压恒定，而不能绝对地将电压保持在某一数值。而不能绝对地将电压保持在某一数值。2、上述调节过程只有当发电机、上述调节过程只有当发电机转转速在正常工作范围内速在正常工作范围内和发电机的和发电机的负载不

19、超过额定值负载不超过额定值时才能发生。时才能发生。晶体管电压调节器晶体管电压调节器晶体管电压调节器G检测比较电路波形变换电路整形放大电路控制执行电路WE基准电压功率管与发电机励磁绕组功率管与发电机励磁绕组的连接图的连接图 G(a)(b)it2it1itavtonTieWeReDTutonTtttoffUeIe晶体管调压器调压原理：调压原理：晶体管调压器的末级晶体管工晶体管调压器的末级晶体管工作于作于开关状态开关状态，通过改变末级晶体管的，通过改变末级晶体管的导导通比通比来调节发电机来调节发电机励磁电流励磁电流，从而保持发，从而保持发电机电压基本恒定。电机电压基本恒定。 晶体管电压调节器碳调：串

20、 rc 。Ur f + rc maxUr f + rc minrc max rc minrc 导致比较大的损耗，采用PWM控制，改变加在W f 上的平均电压，可以减小损耗。I f min =I f max =EcDVijWjEcDVWjij_(a)晶体管V开通，励磁电流ij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没有D行不行？+Rj损坏V。+Rj1 励磁电流的脉宽调制控制续流D，在V关断时提供通路。0 Uce ci dt0 Ec tr= Ec cs c co + Uces cs + Uces coI + E I I I损耗分析 （假设I f 平直）

21、Von ：cesfIPon = U ces I cs = U=：开关过程：开通过程时间假设E线性下降，I线性上升1 1 1 16 3 3 6tdtIcs IcotrtIco +1 tr Ec UcesPr =1 trtrtrE c j j 1 + L= r idti j 1 = I Ae0 = r j j 2 + LVonL jEc加于励磁绕组。 r jdi j 1j t / jjm j = L j rj=i jV off D on t = t on Tdi j 2dt (t ton ) ji j 2 = Be2. 励磁电流平均值励磁电流表达式t UB = I jm jm jI 0)e(I 求

22、A、B? (t ton ) ji j 2 = Bei j1 = I j 0A = I jm I j 01 / =ton / ji j1 = I jm (I jm I j 0 )ei j 2 = Bi j1 = i j 2ton / jt=ton时:t=0时:求Ij0?B = I jm jm jI 0)e(I I jT = Be= I jm jm jI 0 )e (I eI jT = I j 00 / / / 1 =ton / jToff / jtoff / j (t ton ) ji j 2 = Bej t / i j 1 = I jm AeA = I jm I j 0求Ij0?t=T时，稳态

23、ton / jB = I jm jm jI 0)e(I e1 eC1 = T / 1 e1 e1 e)*1（3-8）t / j* 2（3-9）on ) / jton 期间：i j1 = I jm (1 C1e t off / jjtoff 期间：i j 2 = I jmC2 e (t t ton / jC2 =T / j (t ton ) ji j 2 = Bej t / i j 1 = I jm AeA = I jm I j 0ton / jjmIeIjj 0 T / T / j t off / j1 e= 励磁电流平均值：=jTt ont on0i j 1 dt +i j 2 dt 1TI

24、EcrjtonT= I jm= DEc 与 rj 不变时， jI 仅与D有关。di j1 + di j 2 = 0dt + Ec dtr j ji 1dt =dt + r j ji 2 dt = 0另一种推导平均值的方法：t on 与toff ， i j 相等Ttonton0L jt on t on0 0t on0di j1dtTt onTt ondi j 2dtL jt on Toni j1 dt + i j 2 dtI j = Dt on T0 t ont offt omTI j =t on0Ecrji j 2 = I jmC2e1 e1 e1 eI j 0 = I jm (1 T / j

25、1 e on j1 e eI jm T / j t off / jT / j t on / j1 e1 e+ eI jm = t off / jjm)jI jton = T I* 2 (t ton ) / j t on j1 e t /T / jC2 =I jm = I jton I j 0 I jmI j I jm % = e一般 Lj 较大，T T ， I jm % 很小，在1%范围内。t offLj=340mH, rj=8I jm % 1%= T I jmI j2T2 j T例：f=1200Hz脉动率： I jm % =T=0.8333msj=42.5ms损耗小, 响应速度快, 调压精度

26、高。晶体管调压器：习题3-1，3-6晶体管调压器的优点晶体管调压器的优点体积小体积小重量轻重量轻 性能稳定性能稳定稳态误差小稳态误差小动态品质高动态品质高电压调节范围大电压调节范围大碳堆碳堆压力板式控制弹簧线圈铁芯衔铁最大值转/分+-直流发电机负载调节设定值R R调调 思考：思考：发电机发电机转速转速降低降低或或负载负载增大增大，调压过程是怎样的？，调压过程是怎样的？3.4.1 发电机与蓄电池并联运行U01UnFIFR+1RbUbIbInRb1Eb图 5-22 发电机与蓄电池并联电路对照：图3-361. 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发电机停机

27、或故障：蓄电池供电负载供电负载U01UnFIFR+1RbUbIbInRb1Eb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I充 增大电网过载、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。U01UnFIFR+1RbUbIbInRb1Eb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：U F = U O1 R+1 I F图 5-23 馈电线电阻R+1对外特性的影响U01UnFIFR+1RbUbIbInRb1Eb图 5-22 发电机与蓄电池并联电路3. 负载分

28、配：决定于发电机，蓄电池的外特性和线路阻抗。蓄电池外特性：Ub = Eb Ib (Rbi + Rb )+充电、-放U01UnFIFR+1RbUbIbInRb1Eb图 5-22 发电机与蓄电池并联电路=I F 0 = I b 0（1） I n = 0U = U no 发电机蓄电配合：U n = U F = U bU01UnFIFR+1RbUbIbInRb1Eb图 5-22 发电机与蓄电池并联电路=Ib = Ib1I F = I F1I n1 = I F 1 I b1Un = Un1 Un0配合： U n = U F = U b发电机蓄电负载（2） I n = I n 1 发电机电压 电池充电电流（3）负载进一步增大： U n U n 2 = EbI b = 0I F 2 = I n 2发电机 负=配合： U n = U F = U bU01UnFIFR+1RbUbIbInRb1Eb图 5-22 发电机与蓄电池并联电路U n Eb=+蓄电池和发电机负载=配合： U n = U F = U b（4）负载进一步增大：U01UnFIFR+1RbUbIbInRb1Eb图 5-22 发电机与蓄电池并联电路U01UnFIFR+1RbUbIbInRb1Eb图 5-22 发