《民航飞机电气系统（第2版）》课件 第6章 飞机交流供配电系统

第6章飞机交流供电系统电源容量增加，需要提高电源电压以减轻系统重量工作环境限制随着飞机飞行高度的增加，直流电机炭刷和整流子的磨损变得越来越严重用电量增加，电机发热增加，需要效率更高的冷却方式电压和功率变换的要求交流电源系统主要优点交流发电机没有换向器，特别是无刷交流发电机没有电刷和滑环，同时采用喷油冷却，工作可靠性大大提高；电源电压高，使得交流发电机的电网和设备重量减轻；交流电能易于变换，即易于变压和整流。交流电源系统主要优点飞机交流电源系统的主要形式适用于采用涡轮螺旋桨发动机的中短程支线飞机。1.变速变频交流电源系统变频交流发电系统简单体积重量小电能转换效率高变频交流电优点:2.恒速恒频交流电源系统恒速恒频交流电源系统的优点：恒频交流电对飞机上的各类负载都适用，而且由于电源频率恒定，用电设备和配电系统的重量比变频系统轻，配电也比较简单；恒频交流发电机可单台运行，也可以并联运行，而且电气性能好，供电质量高3.变速恒频交流电源系统交-直-交交-交变速恒频交流电源系统的优点：电气性能好。VSCF电源输出频率恒定，精度高，无频率瞬变现象。系统损耗小而效率高使用维护性好可靠性高、使用寿命长三相交流电源系统具体连接形式：以机体为中线的三相四线制不接中线的三相三线制以单相为主而兼有三相的供电系统①以机体为中线的三相四线制-----现代飞机普遍采用的供电形式。②不接中线的三相三线制供电系统③以单相为主而兼有三相的供电系统

应用于安-24

运输飞机的交流电源系统中，是一种特例。主要技术性能额定电压：交流电网：115/200V发电机：

120/208V

额定容量：交流发电机三相总视在功率单位：千伏安（KVA）

功率因数：额定负载时的功率因数一般为：cosψ=0.75（感性）频率：一般为400HZ

转速：恒速恒频常见转速为6000、8000、12000、24000转/分（r/min）

对于复合材料使用量大的飞机来说，采用机身提供供电回路已不可能，要设置ESN（ElectricalStructureNetwork电气结构网络)或CRN（CurrentReturnNetwork电流回路网络)，与飞机的金属结构部分相连接，共同承担供电网路的地线功能。B787交流电网的型式B787-CRN（CurrentReturnNetwork电流回路网络)碳纤维加强塑料电流回路网络铝钛合金1、在正常情况/故障情况下，CRN提供负载端到电源端的电流回路（交流回路和直流回路）。2、CRN，也有助于保护高强度辐射场区域部件，防雷击和防电磁干扰。旋转整流器式无刷交流发电机的结构形式两级式三级式6.2航空无刷交流发电机主发电机主励磁机旋转整流器副励磁机三级式旋转整流器两级式B707、737等飞机采用两级式无刷交流发电机。无刷交流发电机特点在定子上输出电能（电枢绕组）；主发电机采用了旋转磁极式结构，都采用了旋转整流器；

发电机的频率通过其转速变化来调节；通过改变发电机励磁磁场强度来调节发电机电压；

恒速恒频率交流电源恒速恒频简称CSCF(ConstantSpeedConstantFrequency)核心装置：恒速传动装置

CSD(ConstantSpeedDrive)功用：用来保持交流发电机转速基本恒定。

分类：液压式、机械式、液压机械式、电磁式、电磁机械式。恒装的安装位置

发动机的

N2

转速通过塔轴、附件齿轮箱、恒速传动装置，而后带动交流发电机转动，当发动机转速变化时，恒装可以保证发电机的转速基本恒定。二、液压机械式恒速传动装置传动系统滑油系统调速系统保护系统主要组成：转速合成液压泵-液压马达(转速补偿)差动齿轮系（合成转速，恒速输出）传动系统：滑油系统作用：对齿轮系统起润滑作用。对齿轮系统起散热作用。作为液压泵与液压马达组件传递功率的介质。调速系统组成：离心调速器+伺服油缸

离心调速器反映恒装输出转速的变化，控制伺服油缸的工作，通过摇臂改变液压泵可动斜盘的倾斜角，从而改变液压泵与液压马达之间的打油量，调节液压马达输出齿轮的转速，补偿转速的偏离，达到恒速输出的目的。在恒速传动装置出现故障时，可以将发动机与恒速传动装置脱开，以保护整套机构不被损坏。保护系统作用：恒速传动的三种情况：制动点转速：

为保持发电机转速在额定值所需要的恒装输入轴转速。恒速传动装置的工作状态：零差动工作状态正差动工作状态负差动工作状态2.正差动工作状态；恒装输入轴转速低于制动点转速时的工作状态。

要点：液压马达起加速作用。3.负差动工作状态：恒装输入轴转速高于制动点转速时的工作状态。

要点：液压马达起减速作用。1.零差动工作状态：恒装输入轴转速等于制动点转速时的工作状态。

要点：液压马达不转动。液压机械式CSD的故障及保护故障类型：

油路系统的堵塞或漏油、滑油工作温度过高、运动部件的磨损或卡死、输出欠速或过速等。

输入脱开装置：当恒装出现过速，滑油压力低，滑油温度过高时，应将恒装与发动机脱开。

单向离合器：恒装的输出齿轮与输出轴间有单向离合器，在发电机转速高于恒装输出转速时该离合器脱开，以防发电机反过来传动恒速装置。欠速保护（固定延时）：恒装输出转速欠速或因发动机减速而欠速时，将发电机从电网上切除。若输出转速又恢复，则该发电机可重新投入电网。液压机械式CSD的故障及保护恒装监控装置

手动脱开：恒装不正常（恒装监控装置：滑油压力和温度）。

液压机械式CSD的故障及保护输入脱开装置：输入轴剪切颈：恒装输入轴上有剪切颈，该部分的直径最小，万一发生机械卡死，剪切颈会扭断，以保护恒装和发电机的附件机匣。

INPUTSHAFT三、组合传动发电机组合传动发电机，简称IDG

（IntegratedDriveGenerator）定义：组合传动发电机是恒速传动装置与交流发电机组合成一个整体的装置。三、组合传动发电机结构特点：

恒装的注油、回油系统同时供给发电机的冷却、润滑用油，它们具有共同的油源、油槽及散热器；恒装的输出端与发电机输入端共用一个轴承，没有旋转密封部件。优点：

结构简化，质量减小，质量功率比达

0.45

kg/kVA。系统可靠性大大提高了，平均故障间隔时间达到

1000h

以上；电机过载能力强，可在

150%

额定负载下连续工作。三、组合传动发电机简称VSCF

(VariableSpeedConstantFrequency)电子变换器115/200V400Hz三相交流电变速恒频电源系统简称VSCF

(VariableSpeedConstantFrequency)电子变换器115/200V400Hz三相交流电变速恒频电源系统交交型交直交型VSCF电源变换器类型电能质量高，无频率瞬变现象；能量转换效率高，比CSCF高了近10%；旋转部件少，可靠性高；电源系统结构灵活，除发电机必须安装在发电机附件机匣内，其它部件安装位置可以按需放置；能够实现无刷起动发电；生产和使用维护方便，有利于减少飞机全寿命期费用VSCF优点（与CSCF比较）变速恒频与恒速恒频交流系统供电特性对比无恒速传动装置液压机械式电子式加载/卸载变化大，恢复时间长。VSCF电源的应用VSCF电源结构组成B737飞机变速恒频电源：变速变频交流电源系统：飞机发动机减速器无刷交流发电机

没有恒速传动装置，输出交流电的频率随发动机转速的变化而变化。变频交流电源B787飞机的电源系统采用变频系统取代了传统的恒频系统，并且采用了“多电架构”，飞机的机翼除冰系统、液压系统、空调系统和机舱增压系统都采用电力驱动而不是气动驱动的方式，节省了大约2%的燃油消耗。B787的一次电源经过变频、整流、变压分配后形成飞机的4种主要电源模式，即传统的115V交流、28V直流和新的235V交流、270V直流。B787飞机供配电系统

B787飞机上供电电源的类型1、交流供电

235/407V、频率范围为360～800Hz的三相四线制交流系统。115/200V、频率范围为360～800Hz的三相四线制交流系统。2、直流供电低压直流供电：28V。高压直流供电：±270V、±130V（电刹车系统）。

交流电：40个/150个大功率用电设备直流电：900个小功率用电设备VFSG英文：VariableFrequencyStarterGenerator

中文：变频启动发电机RAT英文：RamAirTurbine

中文：冲压空气涡沦EP英文：ExternalPower

中文：外部电源ASG英文：AuxiliaryStarterGenerator

中文：辅助起动发电机ATRU英文：AutoTransformerRectifierUnit

中文：自动变压整流器ELCC英文：ElectricalLoadControlContactor

中文：电负荷控制接触器TRU英文：TransformerRectifierUnit

中文：变压整流器SPDU英文：SecondaryPowerDistributionUnit

中文：次级电源分配组件B787飞机配电系统简图调节发电机励磁电流，使发电机调节点电压保持在规定范围内；电网短路时实现发电机的强励，使发电机能输出足够大的短路电流，保证电路保护器快速跳闸；实现发电机最大输出电流的限制。电压调节器应具备的功能交流发电机电压调节炭片式磁放大器式晶体管式

集成电路式交流发电机电压调节器的种类工作可靠性能稳定稳态误差小动态品质高电压调节范围大体积小重量轻

晶体管调压器的优点功率管与发电机励磁绕组的连接图晶体管调压器励磁绕组We电路中串入大功率晶体管（功率管），用以控制励磁电流ie

。D为续流二极管，它可以在功率管截止时，给We中产生的自感电势形成续流通路，使励磁电流ie变得比较平滑。调压原理：

晶体管调压器的末级晶体管工作于开关状态，通过改变末级晶体管的导通比来调节发电机励磁电流。励磁电流的开关控制

功率管的饱和导通时间为ton，截止时间为toff，则其开关周期为ton+toff=T，在一个周期内，We两端电压的平均值Ue(av)

励磁绕组电流ie不能突变，而只能在it1与it2之间按指数规律脉动，故励磁电流平均值Ie(av)导通比：励磁线圈平均电压定义：功率管在一个周期里的相对导通时间（导通时间与周期的比值）

晶体管的导通比(占空比)励磁线圈平均电压和平均电流励磁线圈平均电压励磁线圈平均电流调压原理：在功率管的控制下，励磁电流的平均值和功率管的导通比成正比。改变功率管的导通比，即可改变励磁电流，从而调节发电机电压。脉冲电压调节励磁电流方法通过脉冲电压调节励磁电流的两种方法：脉冲调频式：保持脉冲宽度不变，调节脉冲的频率。脉冲调宽式：脉冲频率保持不变，调节脉冲的宽度。脉冲调频式脉冲调宽式晶体管调压器脉冲调节形式脉冲调宽式晶体管调压器脉冲调宽式晶体管调压器恒速传动装置之间不需要设置功率自动均衡装置，降低了系统的复杂性；电气系统中某一部分的扰动仅影响到与该台发电机有关的那一部分系统；由于不需要考虑发电机负载均衡的问题，可以充分利用单台发电机的全部容量调节、控制与保护设备简单，有利于提高系统的可靠性交流发电机不并联运行的优点交流发电机的并联运行电压负载在供电的各发电机之间均匀分配多发电机系统中，一台发电机发生故障不会导致主系统停止供电；在某些使用条件下，安装容量在给定的时间-电压干扰特性下，能满足更大的起动电流和尖峰负载的要求，同时能更有效地利用发电机的安装容量；并联系统可以使反延时的过流保护装置动作更迅速交流发电机并联运行的优点发电机的电压波形应与电网电压波形一致，为正弦波；发电机的相序应与电网电压的相序一致；发电机的频率应与电网频率相近（频差越大同步时间会越长）；发电机电压应与电网电压相近；发电机电压与电网电压间的相位差应小，以减小投入时的冲击。交流发电机并联运行的条件交流发电机的自动并联运行:电网电压检测电路：

检测电网上有无电压；当电网上无电压时，即没有其它发电机连接在电网上，发电机可以立即投入电网；当电网上有电压时它不会输出合闸信号。

交流发电机的自动并联运行:自动并联检测电路：

通过敏感发电机与电网之间的差值电压来判断是否满足并联条件；当并联条件满足时，就会发出令发电机并网的合闸信号。交流发电机的自动并联运行:或门鉴压电路：

对电网电压检测电路和自动并联检测电路输出的信号进行“或”运算，在电网无电压或符合并联条件时输出合闸信号。交流发电机的自动并联运行:触发电路：

对合闸信号进行放大，以便有足够的功率驱动大功率晶体管。控制执行电路：由大功率晶体管和发电机断路器组成；控制发电机能否投入电网。交流负载的自动均衡

保证并联运行的各发电机间负载相等

即：各台发电机输出的有功功率和无功功率相等

保持并联交流电源系统中各发电机的无功负载电流彼此平衡

无功负载均衡1、正确取出信号；2、正确调整励磁；

3、正确动作。基本方法：调节发电机的励磁电流基本要求：无功负载均衡无功电流均衡装置原理有功负载均衡保持并联交流电源系统中各发电机的有功负载电流彼此平衡

1、正确取出信号；2、正确调节转速/频率；

3、正确动作。基本方法：调节恒速传动装置的输出转速/电源频率基本要求：有功电流均衡装置原理发电机励磁控制继电器(GCR)

GCR：GeneratorControlRelay发电机断路器(GB)(又称为发电机接触器GC或发电机控制断路器GCB)

GB：GeneratorBreaker

GC：

GeneratorContactor

GCB：

GeneratorControlBreaker汇流条连接断路器(又称并联断电器)(BTB)

BTB：BusTieBreaker外电源接触器(EPC)

EPC：ExternalPowerContactor控制与保护装置主要控制对象

§飞机交流电源的控制关系控制与保护装的置执行元件1.发电机励磁控制继电器(GCR)：

GeneratorControlRelay

控制发电机励磁电路的接通与断开，即决定发电机是否能够励磁发电；2.发电机断路器(GB)(又称为发电机接触器GC或发电机控制断路器GCB)：GeneratorBreaker/GeneratorControlBreaker

控制发电机能否投入电网并向各自的发电机汇流条供电，即决定发电机是否输出；控制与保护装的置执行元件3.汇流条连接断路器(又称并联断电器)(BTB)：

BusTieBreaker它可将各发电机汇流条与同步汇流条或连接汇流条接通与断开，即决定发电机是否并联供电或发电机汇流条之间是否交互供电；4.外电源接触器(EPC)：

ExternalPowerContactor飞机停在地面，接上外电源时，它决定外电源是否向机上电网供电。控制保护装置的作用:人工或自动地接通、断开或转换上述开关装置。控制:主要是根据供电方式的需要及一定的逻辑关系，控制上述那些发电机和电网的开关元件，以完成发电机和电网主要汇流条的接通、断开或转换工作。保护:一般是在发电机或电网局部出现故障时，有选择性地自动断开某些开关装置，使故障部分与正常供电系统隔离，防止故障扩大，保证系统正常供电。继电器型磁放大器型晶体管型

飞机电源系统的控制保护器单独供电的控制关系地面外电源供电APU发电机供电APU发电机供电主发电机供电

主发电机供电故障状态正常

故障状态单独供电的控制特点：对每一汇流条而言，任一时刻只能有一种电源供电，后者供电时前者自动断开(“使用优先”关系)；

不是连续供电，其供电可靠性较差（与并联供电相比）；

控制保护比较简单。

关联供电的控制关系正常并联供电故障状态1故障状态2单独供电与并联供电的混合状态主要控制的逻辑关系GCR的控制逻辑GB的控制逻辑BTB的控制逻辑EPC的控制逻辑GB的控制逻辑BTB的控制逻辑EPC的控制逻辑CSCF电源故障种类发电机相断路故障发电机电压故障发电机频率故障发电机欠速故障旋转整流器短路故障副励磁机短路故障馈电线短路故障§飞机交流发电机的故障及其保护发电机相断路故障定义：发电机的某一相负载电流远小于其它两相电流保护指标：当检测到负载最小相电流还不足其它两相中负载较轻相电流的15%时，应在4秒内断开GCR延时方式：固定延时方式过压故障欠压故障电压不稳定故障发电机电压故障电压故障原因发电机励磁电路不正常，如旋转整流器短路或开路、励磁机电枢绕组短路等由调压器故障导致当发电机输出电压幅值波动时，很可能是由于调压器或CSD中的调速器的工作不稳定造成的

过压故障危害容易损坏灯光照明与电子设备过压愈高，造成损坏所需时间愈短过压保护指标及要求电源系统中大功率感性负载断开，或短路故障切除时，系统电压也会出现大幅度波动，这是允许的，保护装置不应该动作当发电机最高相电压超过129.5V时，断开GCR，发电机不能发电保护电路采用反延时方式欠压保护指标及要求当发电机三相电压平均值为103～106V时，要求在8～10秒内将发电机的GCR断开保护电路采用固定延时欠压故障的保护装置功能往往被欠速和欠频故障保护装置的保护功能所覆盖电压不稳定保护指标及要求当发电机输出电压的幅值波动，且波动幅值超过了额定电压的7%,频率的波动值超过了9Hz时，要求断开GCR采用反延时方式定义：发电机输出电压的频率超过规定值一定时间原因：多是由恒速传动装置(包括调速器)以及飞机发动机的不正常工作引起的发电机频率故障发电机频率故障分类过频欠频过频/欠频保护指标及要求

当发电机的输出频率为425～430Hz时，要求在1秒内断开发电机的GCR过频保护采用固定延时方式当发电机的输出频率为370～375Hz时，要求在1秒内断开发电机的GCR当发电机的输出频率为345～355Hz时，要求在0.14秒内断开发电机的GCR。同时，封锁欠压保护电路欠频保护采用固定延时发电机欠速故障欠速故障一般由组合电源中的CSD或发动机故障引起发动机起动和停转过程中，发电机转速出现偏低则是正常现象。当IDG的输入转速低于额定转速的55%时，应0.1秒内迅速断开GCB保护电路采用固定延时一旦发现旋转整流器中的任一二极管短路，则应在5.5～7s内将GCR断开保护电路采用固定延时方式旋转整流器短路故障副励磁机短路故障当永磁发电机任一绕组发生短路时，应在2s内将发电机的GCR断开保护电路采用固定延时方式

馈电线短路故障当发电机内部或发电机端到GCB之间的馈电线出现相对相或相对地之间的低阻抗短接现象时，则主电源系统出现了馈电线短路故障短路故障原因故障相电流大、电压低三相电压严重不均衡还会出现正常相过压的现象

短路保护当检测到故障短路电流大于200%额定电流值时，应在0.02s内断开发电机的GCR。

飞机交流发电机故障保护电路发电机短路故障及差动保护（DP:DifferentialProtection）过电压故障及其保护装置(OV：Over-Voltage)发电机短路故障及差动保护(DP)发电机短路故障及差动保护(DP)取出其中的一相发生短路时a点对地短路LH1和LH2之间为差动保护区发生短路时发生短路时电流电压转换电路发生短路时整流滤波电路发生短路时110电压检测电路发生短路时过电压故障及其保护装置(OV)瞬时过电压持续过电压过电压的种类敏感电路鉴压电路反延时电路过压保护电路的主要组成过压保护电路的主要组成UA＜UW1→DW1截止→无故障信号输出

发电机电压正常时发电机出现持续过电压UA＞UW1→DW1被击穿导通→UA对C2充电→经反延时DW2被击穿→输出过电压故障信号至GCR故障放大器→GCR触点跳开→GB触点跳开→发电机灭磁并退出电网发电机出现瞬时过电压现代飞机的控制保护器发电机控制装置(GCU)汇流条功率控制装置(BPCU)调压、控制、故障检测与保护几项功能集成于一体。实现电气系统外电源的监 测和保护、电源系统卸载、汇流条短路保护、自动着陆、功率传送，以及自检测BIT。§现代飞机的控