第章电源系统南通航运课件

1第8章电源系统南通航运职业技术学院2内容直升机电源系统概述航空蓄电池交流电源系统二次电源外部/地面电源直升机配电系统

所有航空器都需要使用电能，其主要用途是：①电能转换成热能：如电热防冰类负载；②给电子设备供电：如计算机、显示器、传感器、控制器等；③电能转换成机械能：如电动油泵、电动机、电磁活门等；④照明：如驾驶舱、客舱照明，航行灯、着陆灯等。38-1直升机电源系统概述8.1.1电源的用途南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院48-1直升机电源系统概述8.1.1电源的分类

直升机电源主要有直流电源（早期直升机）和交流电源两种（现代直升机），根据适航要求，为了保证飞行安全，所以航空器必须装备有直流备用电源系统。

直升机电源系统由主电源（发动机驱动的发电机提供）、辅助电源（机载电瓶提供）、应急电源：机载电瓶供电、机载静变流机及和地面电源（地面电源车）组成。南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院58-2航空蓄电池8.2.1航空蓄电池的功用和构造

主要功能:1）在直流电源系统中，切换大负载时起到稳定系统电压的作用;2）用于启动发动机;3）在应急情况下（主电源失效），向重要的飞行仪表和导航设备供电，保证直升机安全着陆根据电解液的不同，航空蓄电池可分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两类。

电瓶的容量是指电瓶从充满电状态以一定电流放电到放电终止电压所放出的电量。直升机上使用的铅酸蓄电池一般由12个单体电池组成。通常电瓶的容量用安培小时(Ah)来表示。影响电瓶容量的因素包括：

1）极板活性物质的多少2）极板面积的大小3）电解液的多少（密度一定时）4）温度。南通航运职业技术学院68-2航空蓄电池8.2.3铅酸蓄电池南通航运职业技术学院78-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院88-2航空蓄电池铅酸蓄电池原理电极反应式为：

充电：2PbSO4+2H2O＝PbO2+Pb+2H2SO4（电解池）

阳极：PbSO4+2H2O－2e－===PbO2+4H++SO42－

阴极：PbSO4+2e－===Pb+SO42－

放电：PbO2+Pb+2H2SO4＝2PbSO4+2H2O（原电池）

负极：Pb+SO42－－2e－===PbSO4

正极：PbO2+4H++SO42－+2e－===PbSO4+2H2O

当蓄电池正极通过和负极接通以励电池开始放电，电子从负极板流向正极板。接通电路后，硫酸H2SO4电离成氢离子H+和硫酸根离子SO2-

4。对负极板，活性物质Pb电离为Pb2+和电子，Pb2+和硫酸根离子相结合，生成碱酸铅（PbSO4）沉积于负极板表面，电子转移至外电路南通航运职业技术学院

电池放电时，只能放到电池放电终止电压（1.8V），否则将影响电池的容量和寿命。充电时（指电瓶离位充电），为保证飞行安全，电池必须充足电，但也不能过充。判断是否充足电可用以下3个方面来衡量：①单体电池电压达到最大值（2.1V）（开路电压）②电解液比重不上升并维持不变；③电池开始冒气泡。并保持稳定；用电解液比重来衡量电瓶充放电状态是比较可靠的方法。用比重计测量时，应考虑温度的影响。在27℃（80T）时，比重计读出的数不需要补偿。高于或低于27℃时，读数需加上一个修正值，电瓶手册中均有相应的修正表，可对应温度查出修正值98-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院108-2航空蓄电池8.2.4碱性蓄电池

直升机常用的碱性蓄电池为镍镉蓄电池，与铅酸蓄电池相比，它具有储能大、自放电小、低温性能好、耐过充电和耐过放电能力强、寿命长、内阻小、维护性好等优点,目前大多数直升机上都采用碱性电瓶。蓄电池极板的活性物质在充电后，正极板为氢氧化镍，负极板为金属镉;而放电终止时，正极板转变为氢氧化亚镍，负极板转变为氢氧化镉，电解液多选用氢氧化钾溶液。在充放电过程中，电解液仅作为电流的载体，浓度并不变，因而只能根据电压的变化来判断充电放电的程度。镉镍密封蓄电池在充电过程中，正极析出氧气，负极析出氢气。镉镍密封蓄电池在制造时只在正极上产生氧气，由于电化学作用被负极吸收，因此防止了气体在蓄电池内部集聚，从而保证了蓄电池在密封条件下正常工作。南通航运职业技术学院

结构：镍镉蓄电池由20个或19个单体电池串联组成，每个单体电池输出电压为1.22V。镍镉蓄电池正极板为活性物质三价镍的氢氧化物（NiOOH），负极板为镉（Cd）。电解液为氢氧化钾（KOH）水溶液（30％氢氧化钾和70％的水），KOH的密度为1.24～1.30g/cm3。每个单体电池上安装有泄气阀，泄气阀开启压力范围为2—10psi（13.8～69kPa）。当蓄电池充放电时，尤其是过充时，会产生气体，当气体压力大于2psi时，泄气阀打开，否则会引起电瓶爆裂。当气压小于2psi时，泄气阀关闭，防止空气中的酸性气体与电瓶的电解液起反应而降低电瓶容量；另一方面，也可以防止电解液在飞行中溅出。118-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院12南通航运职业技术学院

碱性蓄电池的原理：当蓄电池和负载接通以后，电池开始放电，电子从负极板流向正极板。接通电路后，正极板得到从负极板输入的电子，正极板的活性物质NiOOH在水的参与下，生成氢氧化亚镍Ni（OH）2和氢氧根离子OH-。正极板：2NiOOH+2H2O+2e—2Ni（OH）2+2OH-在电解液中，OH—自正电极携带负电荷迁移到负极板，完成电荷传递。负极板：Cd+20H—---~Cd（OH）2+2e138-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

充电过程是放电过程的逆过程。借助于外电源作用，使电子从电源正极输出，经电池后回到负极，正极板的Ni（OH）：又还原为NiOOH，负极板的Cd（OH）2也恢复为Cd和OH-。OH-从负极迁移至正极，即把负电荷运回正极，完成导电作用。充电时有：负极：Cd（OH）2+2eCd+2OH-

正极：2Ni（OH）：+2OH2NiOOH十2H2O+2e

从以上分析可以看出，电解液KOH没有参与化学反应，仅起到了导电作用。充、放电总的化学方程式为：148-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

充电状态的判别电池放电时，只能放到放电终止电压1V（单体），否则将影响电池的容量和寿命。充电时（指电瓶离位充电），为保证飞行安全，电池必须充足，但也不能长时间过充。由于碱性电瓶的电解液不参加化学反应，电解液比重基本不变，因此不能像铅酸电瓶一样用测量电解液比重的方法来判断充电状态。在实际使用中，可以利用充电电流和时间来确定电瓶是否充足。将放完电的电瓶用恒流充电法充电，充电的安时数大约为电瓶额定容量的140％。大多数碱性电瓶要求采用二阶段恒流充电法。例如，型号为SAFT40176的碱性电瓶共有单体电池20个，额定容量为36Ah。开始充电时用大电流，一般用C或C/2（C为1h放电速率，C=电瓶额定容量/1h）电流充电，然后用小电流C/10充4h即可。如果时间允许，也可直接用C/10电流充14h。158-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

碱性电瓶容量的确定当电瓶容量低于额定容量的85％时，电瓶就不能重新装上直升机。碱性电瓶的容量只能用放电的方法来确定。方法如下：将充满电的电瓶放置12h后，用电流C或C/2或C/4放电，放到电瓶电压为20V（20个单体电池，19个单体电池为19V）或第一个单体电池电压低于1V时停止放电，放电电流乘上放电时间就是该电瓶的容量。168-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院178-2航空蓄电池8.2.5充电方式按充电方式分：恒压充电、恒流充电和恒压恒流充电3种方式。

恒压充电：指在充电过程中，充电电压恒定不变，同时，充电设备的输出电压应高于电瓶电压。

恒流充电：指在充电过程中，充电电流维持恒定，充电设备的输出电压随电瓶电压的变化而改变。

恒压恒流充电：指电瓶开始充电采用恒流充电，在充电一定时候后自动转换到恒压方式充电。现代直升机上的充电器大多采用这种方式。南通航运职业技术学院

由于电瓶充满后，存在自放电现象，为维持电瓶容量，在直升机上还采用浮充电方式。浮充电：由于电瓶存在自放电现象，因此为维持电瓶容量不减少，必须对充满的电瓶进行浮充电。在直升机上进行浮充电时，将电瓶连接到比电瓶电压略高的直流电源上。浮充电电流的大小与电瓶的环境温度、清洁程度和容量有关。在15℃-33℃范围内，对于一般碱性电瓶来说，1Ah，需要浮充电电流3mA左右（酸性电瓶略高），一个40AH的电瓶需浮充电120mA左右。当温度升高时，浮充电流应有所增加。188-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

电瓶除在地面进行定期容量检测和维护外，为保证电瓶一直处于充满状态，在直升机上都要给电瓶充电。早期的直升机尤其是装有酸性电瓶的直升机，将电瓶直接连接在直流汇流条上给电瓶充电，即采用恒压充电方式充电。在现代直升机上都装有专用电瓶充电器。电瓶充电器有两种基本形式，一种是充电器只有恒压充电模式，另一种充电器具有恒流和恒压充电模式。198.2.6机载电瓶充电器（BatteryCharger）8-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

恒压式电瓶充电器在整个充电过程中电压恒定，由于碱性电瓶长期进行恒压充电时，容易造成电瓶热击穿（ThermalRunaway）和“容量失效”（CapacityFading），这是碱性电瓶（主要指镍镉电瓶）的固有特性。当碱性电瓶长期进行恒压充电时，有时会出现电瓶电压不上升反而下降的情况，使充电电流不断上升，电瓶产生过热而烧坏，甚至发生火灾。因此，这种充电器必须具有良好的电瓶超温保护功能和限流功能。目前，现代直升机上一般安装具有恒流和恒压充电模式都有的电瓶充电器。208-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

电瓶充电器在开始给电瓶充电时，采用恒流充电方式，当电瓶电压达到转折电压时，充电器自动转换到恒压模式。恒压充电模式主要用于给电瓶浮充电（TopChargns）并向热电瓶汇流条供电。218-2航空蓄电池

开始对电瓶充电时，采用恒流充电，充电电流在1C左右。随着充电的进行，电瓶电压升高，当电压升高到一个转折电压值（1nflectionPoint）自动转换到恒压充电模式，电压为27.75V。充电器一方面给电瓶进行浮充电，另一方面给热电瓶汇流条供电。南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

恒流充电时间决定于电瓶的状态（如电瓶的电已完全放完，或仅放了一部分）和电瓶温度。当电瓶电压达到转折电压值时，为保证电瓶充足，还需要一段时间的过充电（Over-charge），在地面时过充电一般采用C/10的小电流，过充时间约为基本充电时间的10％左右。有些充电器的过充时间是一定的，过充时间为8个脉冲。有些充电器在过充时采用恒压方式充电。有些充电器还具有变压整流（TR）工作模式，可代替TRU向直流负载供电。充电器在恒压充电时与TR模式的主要区别是：工作在TR模式时，输出电流大。228-2航空蓄电池南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

由于酸性电瓶和碱性电瓶的电解液在化学性能上是相反的，因此，酸碱电瓶的维护车间应该间隔开，并保持良好的通风。由于电瓶的电解液具有腐蚀性，不要让手或皮肤直接接触电解液。如不慎溅出了电解液，应立即中和。碱性电瓶电解液应用醋或硼酸进行中和，酸性电瓶电解液用苏打中和，然后用清水清洗。电瓶温度不能过高。充电时排气孔一定要畅通。由于在充电过程中或过充时，会释放出氢气和氧气，形成易爆的混合气体，因此不能有明火存在，应采用防爆电气设备并保持良好的通风。238-2航空蓄电池8.2.7电瓶的维护南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院248-3直流电源系统8.3.1直流发电机1．直流发电机直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。主要由定子、转子、整流子（换向器）、电刷组件等部分构成。

定子

--产生磁场由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成转子

--产生电磁转矩和感应电动势由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成南通航运职业技术学院25268-3直流电源系统直流发电机的种类很多，按常用的分类法分为：

(1)他励发电机

这类发电机的励磁电流由其他直流电源供给，如图(a)所示，永磁直流发电机也属于这一类．

(2)自励发电机

发电机需要的励磁电流由电机本身供给，它又分为：

a)并励发电机，如图(b)所示，它的励磁绕组与电机的电枢两端并联，由电机自身发出的端电压供给励磁电流．

b)串励发电机，如图（c)所示，它的励磁绕组与电枢串联．发电机的负载电流同时也是它本身的励磁电流．

c)复励发电机

如图(d)、(e)所示，它同时有并励的和串励的两种励磁绕组。278-3直流电源系统南通航运职业技术学院2．交流一直流发电机

为了克服直流发电机换向困难（尤其是在高空）、换向时产生火花及换向器和电刷的维护工作量大的缺点，可以采用交流一直流发电机。基本原理：采用交流发电机，交流发电机发出的交流电经二极管整流后变成直流电，再输送到直升机电网供负载使用。交流一直流发电机由转子、定子和整流器组成。28(a)(b)(c)8-3直流电源系统南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

与直流发电机相反，交流一直流发电机的励磁线圈装在转子上，励磁电流通过电刷和滑环加到励磁线圈上，因此磁场是转动的。由于输入的是直流电，所以没有换向问题。三相星形连接的电枢线圈装在定子上，三相交流电通过6只整流二极管全波整流成直流电后输出298-3直流电源系统南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院308-3直流电源系统8.3.2调压器工作可靠

直升机直流电源的额定电压为28伏，但当负载变化或发电机转速改变时，电压将偏离额定值，因此必须有调压器自动调整发电机的励磁电流，以保持输出电压的恒定。常用的调压器有振动式调压器、晶体管调压器和碳片调压器。1．振动式调压器2．晶体管调压器为克服振动式调压器机械触点开合引起的问题，可以采用无触点开关，即用大功率晶体管代替机械触点。

3．炭片调压器晶体管调压器和振动式调压器都采用通断励磁电流来调节发电机电压，这会引起发电机电压在小范围内波动，从而影响动态稳定性。为使发电机输出电压的波动减小，在励磁电路中串联一个可变电阻，通过改变可变电阻值来改变励磁电流，炭片调压器就是采用了上述原理

318-3直流电源系统南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

发电机正常供电时，其输出电压高于直升机电瓶电压，给电瓶充电；当某些原因造成发电机电压低于电瓶电压时，电瓶电流就会倒流人发电机，使发电机变成电动机，这种现象称为反流。反流会导致电瓶电能在很短的时间内耗尽，失去应急电源的功能，给飞行安全带来隐患，这是绝对不允许的。因此，直流电源系统都装有反流割断器，当出现反流时，及时切断发电机输出与电瓶的联系328.3.3反流割断器（反流保护器）8-3直流电源系统南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院338.3.4直流电源的并联供电

直流电源并联供电的条件比较简单，主要有以下两个方面：

1）发电机电压极性相同

2）发电机输出电压相等。优点:1）供电质量高，2）供电可靠性高。8-3直流电源系统348-4交流电源系统1发电机没有换向问题，减少了噪音，电磁干扰和维护工作量2电压变换容易，适用于不同电压等级的用电设备3交流电经变压整流器很容易变成低压直流电，且转换效率高4发电机输出功率大5输出电压高，使配电线重量下降。8.4.1交流电源系统的优点缺点：并联供电困难，不能像直流电那样用电瓶储存起来358-4交流电源系统8.4.3交流发电机的结构和工作原理

在直升机交流电源中，普遍采用同步发电机。同步发电机类型可以根据其励磁方式来划分。按励磁系统结构中是否带有电刷，可分为有刷交流发电机和无刷交流发电机两大类。每—类中又包含自励和他励两种方式。由于有刷交流发电机存在输出功率小、可靠性差、维护工作量大的缺点，目前直升机上大多采用无刷交流发电机。对直升机交流发电机励磁系统的基本要求是：起激可靠，短路时具有瞬时强激磁能力，从而保证保护装置可靠动作。

无刷交流发电机根据励磁方式不同，可分为自励和他励两种方式，又称为二级式和三级式无刷交流发电机。

1.二级式无刷交流发电机（自励）

二级式无刷交流发电机主要由交流励磁机、主交流发电机和旋转整流器组成。368-4交流电源系统南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院2．三级式无刷交流发电机（他励）三级式无刷交流发电机增加了永磁式副励磁机，使激磁更加可靠，其余部分与二级式基本相同

378-4交流电源系统南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院3．调压器现代直升机的交流电源系统都采用晶体管调压器。晶体管调压器有两种，一种是直放式调压器（调压器功率管工作在放大状态），另一种是脉冲调宽式（PWM）调压器（调压器功率管工作在开关状态）。由于直放式调压器存在功率管功率消耗大的缺点，因此，现代直升机上采用的调压器都是PWM式晶体管调压器。检测电路的功用是将发电机的输出电压进行降压和整流，并将整流后的脉动成分进行部分滤波而形成三角波，输人到调制电路。调制电路的功用是将检测电路送来的三角波与基准电压进行比较，产生PWM波。发电机输出电压随PWM波的脉冲宽度改变而改变。整形放大电路的功用是将调制电路输出的PWM波进行整形和放大，以便推动功率放大功率放大电路的功用是推动发电机励磁线圈工作，调节发电机的励磁电流，从而调节发电机的输出电压。反馈电路的功用是增加调压器的调压稳定性，减少超调量和调节振荡次数。388-4交流电源系统南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院l.过压保护（OV）2．欠压保护（UV）3．欠频保护（UF）4．过频保护（OF）5．差动保护（DP）6．过载（过流）保护（OC）7．开相保护（OpenPhase）8．欠速保护（UnderSpeed）9．逆相序保护（NPS）398.4.4交流电源的故障保护8-4交流电源系统南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院408-5二次电源

二次电源是将直升机主电源转换为另一种规格或形式的电源，如用变压整流器将115V/200V、400Hz的恒频交流电或变频交流电转换为28V直流电。8.5.1变压整流器

在以交流电为主电源的系统中，变压整流器将交流电转变为直流电，为直升机的直流负载提供电源，如控制与保护设备、继电器和接触器的工作线圈、无线电通信、雷达、自动驾驶仪及直流电动机等。

1.变压整流器的组成变压整流器主要包括主变压器、整流元件、滤波器、冷却风扇等.

主变压器的作用是将115/200V、400Hz的三相交流电变换为适合整流电路的交流电压。整流元件的作用是将主变压器输出的交流电变换为直流电。整流元件一般采用硅整流二极管。输入滤波器的作用是减小变压整流器对电网电压波形的影响，滤除高频干扰；输出滤波器的作用是滤除整流后的脉动成分，使直流输出更加平滑。

冷却风扇对变压整流器进行通风冷却。418-5二次电源南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院2．变压器的连接方式根据主变压器和整流电路接法的不同，变压整流器可以分成三相半波整流、三相全波整流、六相半波整流以及六相全波整流等基本类型。主变压器的原边绕组可以接成星形（Y）或三角形（△）。主变压器的副边绕组可以接成三相整流电路或六相整流电路。由于全波整流效率高，输出电压脉动小，直升机上的变压整流器大多采用全波整流。428-5二次电源南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

直升机上的逆变器通常称为变流机（器），是将直流电变为交流电的设备。有旋转变流机和静止变流器两种。旋转变流机由直流电动机带动交流发电机发出交流电，这种变流机噪音大，效率低，维护工作量大，只在早期的直升机上采用。静止变流器（逆变器）采用电力电子技术，将直流电逆变为交流电。这种变流器没有运动部件，转换效率高，维护工作量小，在现代直升机上得到了广泛应用。本书仅讨论静止变流器。静止变流器主要用于：在直流电为主电源的直升机上提供交流电源，即用作二次电源；在交流电为主电源的直升机上将电瓶的直流电变成交流电，提供应急交流电源。438.5.2静止变流器8-5二次电源南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院1.单相静止变流器

逆变器主电路主要有两种形式，一种是推挽式，一种是桥式。为了减小功率管的损耗，必须让功率管工作在开关状态。

2．三相静止变流器三相静止变流器可由三个输出电压相位差为120°的单相静止变流器构成，也可由采用6只晶体管的三相桥式电路构成，其工作原理与单相静变流器相同。448-5二次电源南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院

应急照明是在主电源断电、直升机处于应急状态时，为机组人员完成迫降以及直升机迫降后机上人员进行紧急撤离时为直升机提供内部和外部照明。因此，应急照明电源应独立于机上正常的照明系统，由独立于主电源的应急电源供电。在应急情况下，该电源是否正常工作，直接影响到航空器和人员的生命安全。应急照明电源通常使用自备小型电池。在一架直升机上，由安装在不同位置的几个应急照明电源组件供电，即使机体断成两段，也能提供应急照明。当直升机发生事故时，应急电源直接影响到人员的生命安全，因此，必须定期在内场进行功能性检查和校验。在内场校验时，应采取静电保护措施，并按要求定期进行电池容量测试。如果电池容量达不到要求，应更换同型号新电池。458.5.3应急照明电源8-5二次电源南通航运职业技术学院南通航运职业技术学院468-6外部/地面电源

当直升机在地面进行维护、清洁、加油、装卸货物、发动机启动等作业时，一般由地面电源供电。8.6.1地面电源的功用8.6.2地面电源的种类

地面电源有直流和交流两种，以直流电为主电源的小型直升机用地面直流电源，大型直升机或以交流电源为主电源的直升机采用地面交流电源。地面电源通常通过两种方法获得，一是用地面柴油发电机，产生与直升机上相同的交直流电源，俗称电源车；另一种是将地面220/380V、50Hz的工频交流电通过变压整流器整流成28V直流，为直