第4章 交流电源系统

第四章飞机交流供电系统§4.1飞机交流供电系统概述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大中型民航客机采用交流电源系统的主要因素:•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具有如下优点:(CSCF)(VSCF)飞机交流电源系统恒频交流电源变频交流电源恒速恒频变速恒频飞机交流电源系统的主要形式发动机减速器交流发电机变速变速变频交流电适用于采用涡轮螺旋桨发动机的中短程支线飞机。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:恒速恒频交流电源系统发动机恒速传动装置交流发电机变速恒速恒频交流电•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，供电质量高恒速恒频交流电源系统:变速恒频交流电源系统交-直-交交-交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•以机体为中线的三相四线制（现代飞机普遍采用）•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电网连接形式:单相负载三相负载单相负载单相负载AABBCC0以机体为中线的三相四线制优点：①电网轻；②可提供两种电压；③控制、保护设备较简单。缺点：单相用电设备的电压波形失真较大。单相负载三相负载单相负载单相负载AABBCC0三相负载单相负载单相负载AABBCC0不接中线的三相三线制供电系统优点：①电网轻②电压波形失真小。缺点：①只能提供一种电压；②某一相断路时，会发生“串联”故障。三相负载单相负载单相负载AABBCC0ABC自动驾驶仪汇流条单相负载优点：节省导线缺点：较多以单相为主而兼有三相的供电系统•电压•频率交流供电质量的指标：•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）主要技术性能§4.2恒速恒频交流电源恒速恒频简称CSCF(ConstantSpeedConstantFrequency)核心装置：恒速传动装置CSD(ConstantSpeedDrive)一、概述•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、电磁机械式功用和分类恒装的安装位置使用年代四、五十年代六十年代七十年代八十年代后项目系统功率(kVA)40606040系统重量(kg)99~145634333系统重功比(kg/kVA)2.5~3.61.220.71~0.850.83可靠性MTBF·h几百1000900~15002000有刷气冷发电无刷油冷发电发电机与恒装发电机与恒装组机，液压差动机，轴向齿轮组合化，集成合化，微处理器系统特点式恒装，电磁差动式恒装，电路控制保护晶体控制保护式控制保护器晶体管控制保器器，数字化集成护器化智能化恒速传动装置的四个发展阶段2019551975194519651985TotalSundstrandSystemIDGGearedDifferentialHydraulicDifferentialToday's60kVASystemIDG--71Lbs.Controls--9Lbs.PerChannelYear恒速传动装置发展二、液压机械式恒速传动装置的主要组成传动系统滑油系统调速系统保护系统发动机输入脱开装置液压泵液压马达发电机中心齿轮游星齿轮架差动齿轮系滑油系统至转速调节系统摇臂液压机械式恒速传动装置液压泵-液压马达差动齿轮传动系统组成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滑油系统作用离心调速器伺服油缸调速系统组成在恒速传动装置出现故障时，可以将发电机与恒速传动装置脱开，以保护整套机构不被损坏。保护系统作用三、液压机械式恒速传动装置的简要工作原理定义：为保持发电机转速在额定值所需要的恒装输入轴转速(液压马达不转动）制动点转速•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（泵）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恒装三种工作状态•恒装输入轴转速低于制动点转速时，工作在正差动状态，液压马达必须顺时针方向转动，使输入环形齿轮反时针方向转动，那么游星齿轮转速就加快，恒装输出转速增大。为了使液压马达顺时针方向转动，液压泵的可动斜盘应有正倾角，向左倾斜。这时，泵向马达打油，泵与马达组件中靠近读者的一边为高压腔，高压油从泵向马达流动，低压油则反方向流动，油这样流动时驱使马达顺时针方向转动，使恒装输出转速升高到发电机的额定转速。正差动状态•恒装输入轴转速高于制动点转速时，工作在负差动状态，液压马达必须逆时针方向转动，使输入环形齿轮顺时针方向转动，那么游星齿轮转速就降低，恒装输出转速减小。为了使液压马达顺时针方向转动，液压泵的可动斜盘应有负倾角，向右倾斜。这时，定量马达向变量泵打油，泵与马达组件中靠近读者的一边仍为高压腔，高压油从马达向泵流动，低压油则反方向流动，油这样流动时驱使马达逆时针方向转动，为马达工作状态，使恒装输出转速降低到发电机的额定转速。负差动状态•离心配重式转速调节器•伺服油缸转速调节系统调速系统离心配重式调速器的传动齿轮是由发电机同轴传动的，即离心配重离心力的大小反映发电机转速的高低。分配活门控制油路，当发电机转速为额定值时，分配活门正好将三条油路堵住。离心调速器弹簧力的大小与调整螺钉的位置有关，改变调整螺钉的位置，就可以调整恒装输出轴的额定转速。42航空发动机差动游星齿轮交流发电机变量泵定量马达伺服油缸调速器n9n1齿轮差动液压恒注方块图四、液压机械式恒速传动装置的故障及保护01020304080120160INGENDRIVEOILTEMP℃RISELOWOILPRESSUREHIGHOILTEMPRISEINDISCONNECTDRIVECANBERECONNECTEDONLYONGRD01020304080120160INGENDRIVEOILTEMP℃RISELOWOILPRESSUREHIGHOILTEMPDISCONNECTDRIVETEMP恒装监控装置44手动脱开机构§3.2直流发电机的电压调节U=CeΦn-IR发电机端电压发电机转速每磁极下磁通结构常数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？直流发电机的端电压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电压调节器47航空发动机差动游星齿轮交流发电机变量泵定量马达伺服油缸调速器n9n1齿轮差动液压恒注方块图48五、组合传动发电机49§4.3变速恒频交流电源简称VSCF(VariableSpeedConstantFrequency)电子变换器115/200V400Hz三相交流电变速恒频电源系统变频交流发电机电子变换器控制器VnfvfcVSCF电源的构成方框交交型交直交型VSCF电源变换器有两种类型•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）0.00.20.40.60.81.00.00.020.040.060.080.1014013012011010090400390410400加载(100%)加载(100%)卸载(100%)卸载(100%)VSCFIDGVSCFIDGIDGIDGVSCFVSCFAPU发电机APU发电机秒秒HzHzVV飞机型号F-18B737-400MD-90电源类型交交脉宽调制交直交阶梯波合成交直交电源容量2×40kVA2×60kVA2×90kVA结构组合式组合式分体式安装位置发动机附件机匣发动机附件机匣发电机安装于附件机匣变换器装于机体冷却方式循油喷油和强迫风冷混合式变换器风冷重量(kg)30.071.480.0变速恒频交流电源系统55整流滤波电路变流器滤波器主发电机励磁机永磁发电机控制保护电路变频交流1370～2545HzDCAC270V115/200V400Hz§4.4交流发电机电压调节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•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G(a)(b)it2it1itavtonTieWeReDTu~tonTtttoffUeIe功率管与发电机励磁绕组的连接图-++-励磁电流的开关控制励磁电流的开关控制-+-+it2it1itavtonTtonTtttoffUeIeoffonttT周期：励磁线圈平均电压ETtEUonave)(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）Tttttonoffonon晶体管的导通比(占空比)it2it1itavtonTtonTtttoffUeIeit2it1itavtonTtonTtttoffUeIeETtEUonave)(eeaveaveRERUI)()(励磁线圈平均电压励磁线圈平均电流励磁线圈平均电压和平均电流•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。eeaveaveRERUI)()(脉冲电压调节励磁电流方法脉冲调频式脉冲调宽式保持脉冲宽度不变，仅调节脉冲的频率脉冲频率保持不变，仅调节脉冲的宽度Tttttonoffonon晶体管的导通比(占空比)uetUe(av)T1uetUe(av)TtUe(av)T2uetUe(av)Tue晶体管调压器脉冲调节形式当发电机输出电压相对于基准电压的变化时，调压器改变功率晶体管的导通比就可以调节励磁机的励磁电流，以补偿发电机电压的变化量。§4.5交流发电机的并联运行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并联运行的优点•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条件1.发电机的电压波形应与电网电压波形一致，为正弦波；2.发电机的相序应与电网电压的相序一致；3.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）；4.发电机电压应与电网电压相近；5.发电机电压与电网电