第三章-飞机低压直流电源系统

飞机低压直流电源系统副标题构成•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：12～29V§3.2直流发电机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：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(2:1)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优质材料。飞机发电机(aircraftelectricgenerator)直流发电机交流无刷发电机直流无刷发电机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。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线圈切割磁力线产生交变电动势利用整流子把交变电动势变为脉动电动势增加线圈匝数和整流片片数，可得较大、较平稳的直流电动势E=CEΦn直流发电机的电动势naPN60发电机电动势发电机转速每磁极下磁通结构常数E=CEΦn=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↑→电动势↑→端电压↑→励磁电流↑→励磁↑并励式直流发电机自激发电条件并励式直流发电机自激发电条件发电机的磁极要有剩磁励磁电流产生的磁场方向与剩磁场的方向相同励磁电路的电阻不能过大最低转速不得低于某临界值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（有刷）无刷直流发电机变频交流发电机整流（有刷）NNNNNNSSSSSS滑环交流发电机转子和励磁绕组电压调节器励磁继电器控制开关蓄电池或外接电源至用电设备无刷直流发电机的种类电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主发电机副励磁机励磁机旋转整流器输出整流滤波电路+-永磁式无刷直流发电机整流电路双Y电枢绕组输出整流滤波电路发电机永磁转子+空载特性和调节特性曲线2040608010024681012149000rpm6000rpm4000rpm4812162000100200300400500励磁电流If(A)电压E(V)励磁电流If(A)电流I(A)9000rpm6000rpm4000rpm空载特性曲线外特性曲线电流I(A)UN08060402002004006008001000电流I(A)不带调压器带调压器外特性：•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。他励直流发电机Uf一定，If一定，n一定时,E一定IL=URLU=EILRa=CenILRa0他励直流发电机电电流I（A）200400600(b)800100020压U（v）806040ILRa电枢反Uf一定，If一定，n一定时,E一定U=EILRa=CenILRaIL=U/RLERLRa+RLUU=RL（1）外特性软于他励？自励发电机：Uf=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ILRa=CenILRaIL=URLIf=URf（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电流I（A）200400600(b)8001000206040电压U（v）80RL↓→U↓→If↓→E↓→U↓→U=0ERL+RaIL=URL=U=EILRa=CenILRaIf=URf（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+RaIL=URL=U=EILRa=CenILRaIf=URf（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+RaIL=URL=U=EILRa=CenILRaIf=URf（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+RaIL=URL=内凹段不稳定，RL↓→U↓→If↓→E↓→U↓→U=0If=URfU=EILRa=CenILRa受调节，（1）Un恒定（If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ILRa=CenILRaU一定，E,IL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)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ILRa=CenILRa（A）If4000r/min6000r/min9000r/min调压器时的重要依据。4212kW起动发电机性能参数序号项目参数1额定电压V302额定电流A4003额定功率kW124转速范围rpm7200～120005过载能力133%2min200%5sec6过速能力rpm140005min发电机工作状态7效率≮70%8起动电压V309起动次数3起动3次后间歇30min10最小起动力矩kg·m2.8411最小力矩kg·m206212悬挂力矩kg·m2.0213重量kg14.4电动机工作状态14工作环境温度℃-55～+121§3.3直流发电机的电压调节引言U=CEΦn-IR发电机端电压发电机电枢电阻负载电流问：如果不采取措施，在飞行中发电机的端电压能否保持恒定？为什么？宽转速稳压，调励磁电流电压调节器功用：在一定条件下自动保持发电机端电压基本恒定。电压调节器简称调压器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，If↓。触点吸合，短路，↑。范围内变化。U↓一定值，FeFf，如此U在Umin～Umax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电流I(A)UN08060402002004006008001000电流I(A)不带调压器带调压器炭片式调压器炭片式调压器的主要组成炭堆(炭柱)电磁铁固定在电磁铁上的六角弹簧(或板式控制弹簧)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调发电机转速增加或负载减小电磁铁线圈磁场增强电磁铁吸力增大碳柱上的压力减小碳柱的电阻值增加发电机励磁电流减小发电机励磁磁场减弱发电机输出电压降低恢复到额定值发电机输出电压升高精度低，功耗大，稳定性差，受温度影响大。温度补偿1、炭片调压器只能相对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。2、上述调节过程只有当发电机转速在正常工作范围内和发电机的负载不超过额定值时才能发生。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的连接图G(a)(b)it2it1itavtonTieWeReDTu~tonTtttoffUeIe晶体管调压器调压原理：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，从而保持发电机电压基本恒定。晶体管电压调节器碳调：串rc。Urf+rcmaxUrf+rcminrcmaxrcminrc导致比较大的损耗，采用PWM控制，改变加在Wf上的平均电压，可以减小损耗。Ifmin=Ifmax=→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。+0Ucecidt+0[Ectr=Eccscco+Ucescs+UcescoI+EIII损耗分析（假设If平直）Von：cesfIPon=UcesIcs=U==：开关过程：开通过程时间假设E线性下降，I线性上升11116336t]dtIcsIcotrt][Ico+1trEcUcesPr==1trtrtrEcjj1+L=ridtij1=IAe0=rjj2+LVonLjEc加于励磁绕组。rjdij1jt/jjmj=Ljrj=ijVoffDont=ton~Tdij2dt(tton)jij2=Be2.励磁电流平均值励磁电流表达式tUB=IjmjmjI0)e(I求A、B?(tton)jij2=Beij1=Ij0A=IjmIj01/=ton/jij1=Ijm(IjmIj0)eij2=Bij1=ij2ton/jt=ton时:t=0时:求Ij0?B=IjmjmjI0)e(IIjT=Be=[IjmjmjI0)e(I]eIjT=Ij00///1=ton/jToff/jtoff/j(tton)jij2=Bejt/ij1=IjmAeA=IjmIj0求Ij0?t=T时，稳态ton/jB=IjmjmjI0)e(Ie1eC1=T/1e1e1e)*1（3-8）t/j*2（3-9）on)/jton期间：ij1=Ijm(1C1etoff/jjtoff期间：ij2=IjmC2e(ttton/jC2=T/j(tton)jij2=Bejt/ij1=IjmAeA=IjmIj0ton/jjmIeIjj0T/T/jtoff/j1e=[++励磁电流平均值：=jTtonton0ij1dt+ij2dt]1TIEcrjtonT=Ijm=DEc与rj不变时，jI仅与D有关。+dij1