飞机直流电源系统

西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统第三章飞机直流电源系统•3.1概述•3.2飞机直流发电机•3.3飞机直流发电机的电压调节•3.4直流电源的并联运行•3.5飞机直流电源的控制与保护•3.6起动发电系统•3.7高压直流供电系统西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.1概述•主电源以直流电形式的飞机电源系统。•两种类型：28V低压直流电源；270V高压直流电源。•由主电源、辅助电源、应急电源和二次电源等构成。主电源的发电装置通常是航空发动机直接传动的直流发电机；•辅助电源多数采用航空蓄电池，也有采用辅助动力装置带动发电机的方案；•应急电源大多数为航空蓄电池，但也有采用应急发电机的个例；•飞机直流电源系统中的二次电源，早期大多是旋转变流机，现在逐步被静止变流器所替代。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.2飞机直流发电机•标称电压为30V，额定电流有100，200、300、400和600A多种，相应的额定容量为3、6，9、12和18kW。表3.2.1飞机直流发电机的重量功率比型号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西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统eE=Cn发电机特性空载特性：西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统外特性：•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。外特性西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统有调压器的外特性•发电机负载电流超过一定值时，励磁电路的外接电阻即调压器的等效电阻已达到最小，负载再增加励磁电流不能再增加，发电机的电压不能继续维持在额定值，而按自然外特性变化。有调压器的外特性西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.2.3飞机直流发电机的种类•有刷：换向存在电刷磨损和电刷火花等问题，制约了电机功率的增大。•无刷：简化了电机的机械结构，提高了电机的高空性能和可靠性，有电磁式和永磁式两种。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统1．永磁式无刷直流发电机转子：永磁材料，永磁电机不能用灭磁的方法实现电机内部短路保护，通常用脱扣机构在内部短路时将发电机与原动机脱开。定子部分：•电枢绕组：双Y绕组•三相晶闸管整流桥：两套整流电路，减少发电机输出直流电压的脉动，减轻滤波电路的体积和重量。•平衡电抗器和滤波电容：图3.2.2永磁无刷直流发电机主电路1－发电机永磁转子；2－双Y电枢绕组；3-晶闸管整流桥；4－平衡电抗器；5-滤波电容器西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统2.电磁式无刷直流发电机•电磁式无刷直流发电机的一种方案是由三级电磁式无刷交流同步发电机和二极管整流桥构成。电磁式无刷交流发电机由永磁副励磁机、交流励磁机、旋转整流器和主发电机构成。交流励磁机的电枢在转子上，产生的三相交流电经旋转整流器整流后供给主发电机的励磁绕组，从而可不采用电刷和滑环。•电磁式无刷直流发电机输出电压通过调节励磁机励磁绕组的电流来实现。•主发电机的电枢采用六相双Y绕组，可减小输出电压脉动和降低电机损耗。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.2.4飞机直流发电机的冷却•通常采用强迫吹风西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统•发电机所需冷却空气流量由发电机的损耗、允许工作温度、导热性、电机内空气分配合理性、冷却空气的温度和密度等因素确定。发电机额定功率相同，损耗大效率低的需要冷却的空气量大。电机内部空气分布合理，发热均匀，则流量可小些。电机各部分导热性好，热量易传出，绝缘材料允许工作温度高，则冷却空气流量也可较小。•飞行速度2160km/h，10~20km高度，迎面冷却气流温度达到180℃。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.3飞机直流发电机的电压调节•电压调节器：改变串接于发电机励磁回路的电阻来改变励磁电流维持电压恒定。•振动式电压调节器与炭片式电压调节器eaaU=C-IRn西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统•晶体管式电压调节器西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统•在导通期，电流增长，励磁电流用ij1表示，•在末级管截止期间，电流衰减，励磁电流用ij2表示，c1jjj1jEdtdiLrijjM1jtAeIijcjMrEIjjjrL02jjj2jdtdiLrijon/2jttBeiA和B是积分常数，由初始条件确定。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统•设t＝0时，ij1＝ij0，则：•t＝ton时，jMj0AIIj/j1jMjMj0()tiIIIeonj/j1jMjMj0()tiIIIej2iB此时，ij1＝ij2onj/jMjMj0()tBIIIeonjonj//j2jMjMj0()tttiIIIee西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统•稳态时，当t＝T，ij2=Ij0jM///0jJjjoff1IeeeITTt令jjof//111TteeCfjjon//211TteeCjM1ICAjM2ICBj/1jM1(1)tjiICeonj/j2jM2ttiICe/()/onC12jMC0j11onjonjontTtttjjMttEIICedtCedtIDTTrTtDonCCjjMjEIIr励磁电源电压EC和电机励磁电阻rj不变时，平均励磁电流Ij仅与导通比DC成正比。DC＝0，Ij＝0；DC＝1，＝。励磁电流平均值西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.励磁电流的脉动和脉动率•励磁电流的脉动会导致发电机输出电压的脉动，必须减小脉动量。通常用脉动率来判断脉动程度，脉动率是脉动电流峰峰值和电流平均值之比的百分数。•励磁电流脉动峰峰值•是t=ton时的jMIjMj0j0III0jI1jijM//0jjjon11IeeITtjM////jMjjjoffjon11IeeeeITTttjM///0jJjjoff1IeeeITTt西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统•4．晶体管式电压调节器实例西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.4直流电源的并联运行•直流电源与电网并联条件：电源极性和电网相同，电源电压和电网电压相同。图3.4.1两台直流发电机并联原理图nURIU111nURIU22212III若调节器有调节误差又称静差，则调节点电压和调压器调定电压U01、U02间的关系为U1=U01－K1I1U2=U02－K2I2222111IUKIUK西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统IKKRRKRKKRRUUI212122212102011IKKRRKRKKRRUUI21211121210102221III010221211212121212122()UURRKKIIRRKKRRKKRRKK为使两电源承担相同负载，必须：调定电压U01＝U02；正接线电阻R+1＝R+2；调压器静差K1=K2。飞机上直流电源系统中的各发电机和调压器型号一般均相同，但即使这样，两电源之间也不易精确满足上述条件，因而各发电机负载不相同。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.4.2自动均衡电路•负载均衡分配是提高并联电源容量利用率的基本条件，为此必须采用自动均衡电路。•若下级电路输入阻抗为无穷大，则P324f123P241020a1f110B1a2f220B21212f11eq24B1f22eq24B2RRRKRRR+RR,,UUUKUUUKUU,II,UU,KUiRUKU-iRU当均衡电路断开时发电机空载端电压当均衡电路接通后发电机输出电流发电机输出电压为和且Rjd2F1F1R+1R+2I1I2I1RRjd1Req1Req2IeqKAB西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统f110f11eq24B1f220f22eq24B22424110eq220eqf1f224241eq1eq2eq2eqf1f21101101eq2202202eqf1f212KUKUiRUKUKU-iRURRUUi,UUiKKRRUii,UiiKKUUUUi,UUUUiKK,,所以则则通常故均衡灵敏系数西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统jd11jd221212jd1jd2eqjd1112jd1jd2eqjd2212jd1jd2eq112212RIRIU=UU()RRRR()RRRR()RRRU=IIU=I令则通常西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统两台发电机并联的电源系统，当有均衡电路后，两发电机的负载电流分别为：IKKRRKRKKRRUUI21212122221212102011IKKRRKRKKRRUUI2121211112121210102201022121211212121212122()()()()UURRKKIIRRKKRRKK若线路结构及相关的调节均衡参数相同，即有R+1＝R+2，K1=K2，γ1=γ2,则两发电机电流差将与负载电流I无关，仅与调节器调定电压有关，且由此引起的电流差比无均衡电路时小。I西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统•3.4.3发电机与蓄电池的并联运行图3.4.4发电机与蓄电池并联运行bbbbibU=EIR+R西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统•（1）若负载电流为零，发电机向蓄电池充电，充电电流等于发电机输出电流，IF=Ib=Ib0，汇流条电压为Un0。•（2）负载电流为In1，发电机除向设备供电外还向蓄电池充电，输出电流为IF1,汇流条电压下降为Un1，蓄电池充电电流降为Ib1,In1=IF1-Ib1。（3）当负载电流增加到一定值时，汇流条电压降为Un2,Un2等于蓄电池电动势Eb，电池充电电流为零，负载电流In2完全由发电机供给,In2=IF。（4）负载电流超过In2后，负载电流由发电机与蓄电池共同负担，汇流条电压进一步降低。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统图3.4.8未充足电的蓄电池(曲线5)不宜与发电机并联运行（5）曲线5是未充足电的蓄电池外特性，未充足电的蓄电池在飞机上不仅不能发挥应急电源的作用，而且在与发电机并联时充电电流很大，一方面会降低蓄电池寿命，另一方面在较小负载情况下就使发电机过载。因此，不允许将未充足电的蓄电池装到飞机上使用。西北工业大学自动化学院电气工程系-飞机电力系统3.5飞机直流电源的控制与保护•低压直流电源系统的保护是指发电机的反流保护、过电压与过励磁保护、反极性保护、过载保护和短路保护等。保证发电机与汇流条可靠的接通、断开或转换；保证故障部分与电网可靠分离。3.5.1飞机直流发电机的控制与反流保护•控制功能：发电机接触器