《飞机电气控制系统》教案 8 电力配送

8电力配送飞机上的电力通过称为汇流条的公共点提供给各种负载。电力配送系统基于一个或多个汇流条，汇流条提供了到达整个飞机上电路和器件的预先设定的路径。配电系统的特性和复杂性取决于飞机的大小和用途，包括从单发动机通用航空飞机到多发动机旅客运输机。对任何一种飞机来说，配电系统都将包括下列构件：●汇流条；●保护装置；●控制装置；●导线；●负载。本章我们将重点讨论汇流条结构形式，以及为保护和管理飞机上的各种电源所做的布置。在电气系统中，bus（母线、汇流条）．一词来自拉丁语omnibus．意思是“用于所有的”。它们常常用厚的铜条带制成，所以称为“汇流条”。这些汇流条在适当的问隔I：带有孔．用于安装保护装置（断路器或保险丝）的一侧。它们也可以用粗导线制成。汇流条可由～个或多个前面讨论的电源（发电机、变流器、变压整流装置或电池）供电。保护装置（不管是保险险还是断路器）与具体的系统串联；如果出现过载情况，它们就会从该系统断开供电。在单个电路保护装置之前，还需要有保护电源和汇流条馈电线的手段。奉章将讨论各种飞机上使用的各种配电方法。8.1单发动机／通用航空飞机简单的汇流条配电系统由电池供电，由电池主开关控制。由于电池提供给汇流条的电流很大，因而常常需要一个大功率继电器（接触器）。当汇流条上需要电力时，电池主开关就启动接触器。同样的开关也用于发电机控制。对通用航空飞机来说，电池通常用于发动机起动。这种连接通常位于汇流条之前，以最大限度地减小电压(IR)损失。简单电池汇流条的一种变型是分立航电汇流条。这种结构在发动机起动或利用外部供电起动发动机时把电子设备与电流急升隔离开。8.1.1反向电流继电器任何直流发电系统都需要这种电路结构，它用于防止电池把多余的电流反馈给发电机的电枢。没有这种保护．电池会在发电机输出电压低于电池的端电压(例如发动机关闭期间)时进行放电。在这种条件下，需要有一个自动的手段，来把发电机与电池断开。为此研发了很多电路，有的是独立的，有的是与其他发电机和电池供电。电压和电流线罔绕在同一个软铁磁芯上。电压线圈由很多圈的细导线构成．并与发电机输出并联。电流线圈由匝数较少的粗导线构成，并与发电机输出串联。这两种线圈和磁芯一起构成一个电磁铁。一对高额定电流开关触头被弹簧保持在打开状态。触头可由电枢闭合，电枢由电磁场的磁力控制。当发电机输出高于电池的端电压时，触头由两个线圈中的电流产生的磁场闭合。（线圈的绕制使得磁场相互加强。）如果发动机慢下来并使发电机输出低于电池的端电压，触头被打开，因为此时通过电流线网中的电流是反向的（其结果是磁场被减弱）。触头打开后，电池就与发电机断开。8.1.2限流器该装置用于在故障条件下（如汇流条上发生短路）降低直流发电机的输出，以防发电机过热或烧毁绕组。如果超过限流器的最大安全负载，限流器就降低发电机的输出；如果故障条件解除，发电机就会恢复正常供电。它的工作原理与机电稳压器类似。和反向电流继电器的情况一样，它_n，以是单独的装置，也可以集成在发电机控制装置中。为了展示限流器的工作原理，这里需要描述一个机电装置。小测验8.1解释反向电流继电器和限流器的不同作用。8.1.3外部电源飞机电池提供了自行起动发动机的手段。有些操作（如寒冷天气和重复起动）会导致过量的电流需求，而使电池没有处于完全充电的状态。外部供电系统用于在电池电力不足或没有安装电池的情况下给飞机供电。外部供电可以来自地面供电设备或图8.7所示的电池组。在大型飞机上，带三个插孔的连接器用于外部供电，这三个插孔与机身上的三个插脚相配。连接器上使用不同尺寸的插脚，以防电压极性接反。有些飞机供电系统带有地面供电继电器。当第三个（较短的那个）插脚接触时，电力只能通过主插脚给飞机供电。第三个插脚用于启动地面供电继电器；这个额外的继电器防止电源连接器上出现电打火，见图8.9。外部交流供电与此类似，差别在于三相是通过单个电路连接的。8.1.4电池充电：单发动机在地面上的电池充电通过-一个外部电源来实现（在机库里运行发动机不安全）。提供电能的外部电源可以是另·个电池、柴油发电机或适用的市电电源。外部电源接通时，电力通过外部电源继电器送到电池继电器输出端。电力也供给闭合电路（电阻和二极管降低充电电压）。当电池主开关选择接通时，就闭合了电池继电器，冈而提供全部的充电电流。保险丝用于防止电池短路。小测验8.2用么仪器测量电池的充电／放电电流？8.2双发动机通用航空飞机在基本的结构中，每台发动机驱动各自的发电机，其输m提供给一个公共的电池汇流条。发动机速度的变化意味着一台发动机的输出高于另一台，因而一个调整系（利用叠层碳板调节器）用于平衡两个输出。该平衡电路可以自动调整，使每台发电机的输出相等。为说明问题，假定左侧发电机的调压输出低于右侧的发电机。每个电阻上的电压现在就变得不同．因为左侧发电机提供的电流较少。为了说明这种效应，假定左侧发电机提供的电流为40A，右侧发电机提供的电流为00A，则相应电阻器上的电压为：VR．=40×0.01=0.4V,yM．一50×0.01-()．SV。这个电压差(0.1V)产生一个电流，从R。通过右侧平衡线圈(⑧)进入左侧平衡线圈(⑦)。这使得右侧的叠层碳板调节器放松，因而降低右侧发电机的输出；左侧调节器线圈压缩，因而增加左侧发电机的输出。实用中，这种电路只能补偿相对较小的输出变化；发电机需要定期进行平衡。8.3大型飞机系统与通用航空飞机相比，大型飞机（支线飞机、公务飞机和客机）带有更多的电气系统。在这些系统中，需要对发电机、导线等的故障情况进行综合考虑。对潜在故障的管理，通过对各种负载进行分类并根据预先确定的次序断开它们来实现。把负载从汇流条上断开的过程称为甩负载。这可以通过自动或手动方式来实现。这些负载连接到执行某个具体功能的汇流条上。汇流条之间通过大功率接触器或断路器进行连接。飞机类型有很多，但下列分类对很多系统来说比较典型：主汇流条：有时被称为非基本汇流条、发电机汇流条或负载汇流条。它包括像厨房、空中娱乐(IFE)和主舱照明这样的负载。这些负载可以在飞行中被断开和隔离，而不会影响飞机的飞行。基本汇流条：有时被称为关键或安全汇流条。它连接飞机连续安全飞行所需的设备和仪表。电池汇流条：有时被称为备用或应急汇流条。它给飞机安全着陆所需的设备供电，如无线电、燃料控制、起落架和防火装置。为了完成上述任务，飞机上有三种主要配电系统结构：●分立汇流条系统；●并行系统；●分立并行系统。8.4分立汇流条系统这是一种用在双发动机飞机上的完全隔离式双发电系统，有时称为非并行系统。主电源基于两台主交流集成驱动发电机(每个发动机上一般为40kV．A)。在主集成驱动发电机(IDG)失效时，辅助电源设备发电机(40kV．A)用作备用电源。注意：辅助电源设备(APU)本身通常为一种恒定速度装置，因而不需要IDG。分立汇流条系统的优点在于，发电机不需要以完全相同的频率运行，相互之间可以不同相。．二次电源取自降压变压器，提供26V交流电。变压整流装置(TRU)为直流汇流条和电池充电提供28V直流电。8.5并行汇流条系统大型飞机（带3台或4台发动机）的配电系统基于并行负载分配系统。在这种结构中，所有发电机都与各自的交流负载汇流条和配电汇流条相连。任何发电机都能给任何汇流条供电，以提供相等的负载分配。所有发电机电压频率和相位关系都必须进行控制，使其误差很小。在这些条件满足之前，由于循环电流很大，任何对发电机进行并行连接的做法都可能导致失去发电机供电。如果一台发电机出现故障，其GCB打开，使其与自己的负载汇流条隔离。此时，那个汇流条就由剩余的发电机供电。如果这个汇流条变成过载状态，其GCB和BTB就会打开，使其隔离。如果两个以上的发电机出现故障，系统就会实施甩负载。可用一台或两台供电设备（供电车）提供外部电源。APU也可以接人配电汇流条。8.6分立／并行汇流条系统这是用于大型客机的一种灵活的负载分配系统，它具有并行系统的优点，而且在需要时能够保持对故障系统的隔离。主电源的构成包括：每台发动机一个IDG、两个APU发电机和两个外部电源接口。～个分直系统断路器把配电系统的左边和右边联系起来。任何一台发电机都可以给任何一个负载汇流条供电，任何发电机的组合都可以并联工作。8.7备用电源和基本电源基本的115V交流电源作为单相电源提供电力。这是从主汇流条的一相中选出来的。<在四发动机飞机上，正常电源足4号主交流汇流条。）如果这个正常供电失效，可以从剩余的系统中选择一个不同的汇流条维持供电。备用交流汇流条通常由基本交流汇流条供电。如果这个供电失效，选择静态变流器（由主电池供电）作为备用交流电源。有些飞机区分电池汇流条（可从电池断开）和热电池汇流条（直接与电池相连，没有开关）．见图8.15。这种结构把电池汇流条分为直接连接汇流条（热电池汇流条）和带开关的电池汇流条（f|l电池开关控制）。基本的直流电源来自由基本交流汇流条供电的变压褴流装置(TRU)。备用交流和直流汇流条供电通常来自相应的基本电源；当选掸“接通”时，备用交流和直流电源分别来自变流器和电池。小测验8.3解释主汇流条、基本汇流条和电池汇流条之间的不同．8.8电池充电大型飞机上的电池充电器以115V．三相400Hz交流电源供电，电源来自交流地面服务汇流条。一个完全放电的镍镉电池可在大约60～90min内完成充电。电池充电器有两种工作模式，采用哪种方式取决子飞机是否由外部地面电源供电。飞机在地面时，充电器由地面服务汇流条供电，并向电池提供恒定电流。当电池的端电压达到预先确定的电平（随电池温度调整）时，充电自动断开。当没有外部电源时，电池从变压整流装置(TRU)充电，后者提供28V直流电，给电池充电，给电池汇流条上的负载供电。电池温度传感器构成充电系统的一部分，防止电池损坏。如果电池温度超出预定范围（一般为--18～60℃），充电电路自动断开。8.9控制和保护各种器件用于对配电系统挺供控制和保护：●电流互感器●差动电流保护；●相保护；●断路器／接触器。8.9.1电流互感器这种器件通过感测电流来对系统进行控制，保护和指示。主级绕组为被监控的大功率主交流馈电电缆，次级绕组被装入一个箱体，见图8.16。次级绕组以感应耦合线圈的形式呈现。当电流Ip在馈电电缆中传输时，相应的磁场在次级绕组中感应出电流Is。这就是被控制、保护和指示器件使用的输出信号。8.9.2差动电流保护这种电路探测交流发电机馈电线功率交路或汇流条上的短路。假定安装的是j相交流发电机，每一相都有自己的保护电路。为了说明问题，只描述了单相电路。两个控制互感器(CT)分别位于配电系统的两端如果在发电机和汇条之间出现故障，电流Iv就会流入接地。这样，汇流条接收的电流净值就足发电机总输出电流IT减去故障电流IF。故障电流通过接地返回系统和CT1返回发电机，其余电流（IT-IF）通过CTz进入负载。因而电流互感器CT,探测发电机总电流（，T-IF）IrF。电流互感器CT2探测（IT-IF）。控制互感器输出差值就是IF。在·个预先确定的差动电流值，GCU自动使发电机控制继电器(GCR)断开，这又使得发电机磁场断开。8.9.3相保护（MerzPrice电路）这种电路对各相之间的故障或单个相的接地故障提供保护。三相系统的每一相都将需要同样的电路。两个电流互感器(CT)分别位于馈电线的两端：●CT1监控发电机的电流输出；●CT2监控进入配电系统的电流。每个电流互感器的次级绕组通过两个继电器线圈连接起来，这些绕组以相反的方向构成。当电流通过馈电线时，两个线圈中的电流相等，感应的电动势处于平衡状念，没有电流。如果馈电线中出现故障．CT1有电流通过（不是CT2），则产生一个不平衡的状态。哪一个线圈中有电流通过，都会断开触头，并使馈电线两端断开。8.9.4断路器／接触器断路器（有时称为接触器）用于在发电系统中连接馈电线和汇流条，也用于各种汇流条之间的相互连接。与常规的断路器不同，这种断路器的接通和断开可以遥控。它们带有几个大功率主触头，用于切换电力；还有几个辅助触头，用于榨制其他电路，如告警灯、继电器等。这种断路器由外部控制开关通过触头A闭合，线圈通过与接地相连的触又B处于带电状态。由于线圈有电，主触头和辅助触头闭合，弹簧被压缩。在永久磁铁的协助下，触头A使断路器保持闭合。当跳闸信号输入时（由故障条件输入或手动选择），电流以相反的方向流入接地。弹簧协助反向的电磁场，这使得永久磁铁的锁扣松开。一个齐纳二极管抑止了线圈电流在触头上的电打火。8.10甩负载甩负载可定义为：决定断开哪些系统，按何种次序断开这些系统，以降低剩余电源的电力消耗（最坏的情况是飞机仅靠电池供电来飞行）。非基本的负载对连续安全飞行来说并不是必需的。这些负载包括前面谈到的厨房、空中娱乐(IFE)系统和主舱灯光。基本负载对连续安全飞行来说是必需的。应急负载对飞机的安全着陆来说是必需的，如无线电、燃料控制、起落架和防火系统。8.10.1通用航空飞机在小型通用航空飞机(GA)上，飞行员需要熟悉各自飞机的电气系统。大部分通用航空飞机只需关心交流发电机（或发电机）故障。