直升机结构与系统-第8章

第08章电源系统《直升机结构与系统》第八章电源系统8.1直升机电源系统概述8.1.1电源的用途所有航空器都需要使用电能，其主要用途是：①电能转换成热能：如电热防冰类负载；②给电子设备供电：如计算机、显示器、传感器、控制器等；③电能转换成机械能：如电动油泵、电动机、电磁活门等；④照明：如驾驶舱、客舱照明，航行灯、着陆灯等。直升机电源主要有两种形式，一种是直流电源，一种是交流电源。•早期的直升机大多采用直流电源，现代直升机大多采用交流电源。•根据适航要求，为了保证飞行安全，所有航空器必须装备有直流备用电源系统。直流发电机容量较小，一般为十几于瓦，电压采用低压28V。小型直升机一般以直流电源为主电源。直流电源由直流发电机、交流一直流发电机或航空蓄电池提供，所需交流电由静变流器（机）提供。大型直升机采用交流电源为主电源，因为交流发电机容量大，目前单机容量已超过150kVA，电压为115V/200V。交流电源频率一般为400Hz。在以交流电为主电源的航空器上，所需直流电源由变压整流器（TRU）或航空蓄电池提供。《直升机结构与系统》第八章电源系统8.1.2电源系统的组成电源主电源：是指由直升机发动机驱动的发电机提供的电源。辅助电源：是指机载电瓶提供的电源。应急电源：在飞行中主电源失效时，直升机主要设备由应急电源供电。应急电源有机载电瓶、机载静变流机（器）等。地面电源：直升机在地面时，由地面电源车向直升机供电。二次电源：是将主电源的电能转换为另一种形式或规格的电能，以满足不同用电设备的需要。如变压整流器（TRU）和变流机（器）（1NV），前者将115V/200V的交流电变成28V直流电，后者将28V直流电变成115V交流电。控制及保护装置电源的控制包括对发电机进行调压、发电机的励磁控制、发电机输出控制、发电机并联控制和汇流条控制等。电源系统的保护装置是当发电系统发生故障时，切断发电机的励磁和输出。设置的保护项目有过压（OV）、欠压（UV）、过频（OF）、欠频（UF）、过流（OC）、差动（DP）保护等。供电网络供电网络是指将电能输送到负载的电网，它包括汇流条、电源分配系统、过流（短路）保护器（跳开关）等。《直升机结构与系统》第八章电源系统8.2航空蓄电池8.2.1航空蓄电池的功用和构造航空蓄电池（或称电瓶）是任何直升机必须安装的设备，它的主要功用有：①在直流电源系统中，切换大负载时起到维持系统电压稳定的作用；②用于启动发动机；③在应急情况下（主电源失效），向重要的飞行仪表和导航设备供电，保证直升机安全着陆。根据电解液性质的不同，航空蓄电池分为酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类。•直升机上常用的酸性蓄电池为铅酸蓄电池，其电解液为硫酸水溶液。•碱性蓄电池主要为镍镉蓄电池，其电解液为氢氧化钾或氢氧化钠溶液。航空蓄电池由多个单体电池串联而成，它们置于蓄电池箱内。单体电池由容器、正极板、负极板、隔板和电解液构成。典型的航空蓄电池如图8—1所示。《直升机结构与系统》第八章电源系统8.2.2电瓶的容量电瓶的容量是指电瓶从充满电状态以一定电流放电到放电终止电压所放出的电量。放电终止电压是指以一定电流在25℃环境温度下放电至能反复充电使用的最低电压。•铅酸电瓶单体电池放电终止电压为1.8V（5h放电）。直升机上使用的铅酸电瓶一般由12个单体电池组成，因此铅酸电瓶放电终止电压为21.6V；•碱性电瓶的终止电压为每单元电池1V，碱性电瓶由19个或20个单体电池组成，终止电压为19V或20V。电瓶的容量用安培小时（Ah）来表示。1个安培小时是指电瓶用1A电流向负载可持续放电1h。理论上讲，1个100Ah的电瓶用100A放电能放1h，50A可以放2h，20A可以放电5h。实际上，这一结论对于碱性电瓶基本上是正确的（碱性电瓶内阻很小）。而对于酸性电瓶，大电流放电由于极板迅速被硫酸铅覆盖，使电瓶内阻增加，电瓶容量迅速下降，这是酸性电瓶的主要缺点之一。•例如，一个25Ah的电瓶用5A电流能放电5h，用48A放电只能维持20min，容量仅为16Ah，如用140A放电仅5min就放完，电瓶容量下降到11.7Ah。为了准确定义酸性电瓶的容量，一般采用5h放电准则放完。即让一个充满电的电瓶用5h放完。如一个40Ah电瓶，用8A放电，应能持续5h。《直升机结构与系统》第八章电源系统影响电瓶容量的因素主要有4个方面：①极板活性物质的多少；②极板面积的大小；③电解液的多少（密度一定时）；④温度。增加活性物质的数量，增加极板面积并有足够的电解液，电瓶的容量将增加；温度下降，则电瓶的容量也下降。8.2.3铅酸蓄电池结构任何化学电池都由电极、电解液、隔板、电池容器及附件组成。航空铅酸蓄电池由12个单体电池串联组成，每个单体电池输出电压2.1V。单体电池的极板由铅一锑合金栅架组成，其中锑含量约在7％—10％。正极板上涂有糊状的二氧化铅（PbO2），负极板上涂有金属铅（Pb）。•二氧化铅和铅都是参与化学反应的有效材料，称为活性物质。为充分利用活性物质，极板多为疏松多孔状，以便电解液渗入。•正负极板间的隔板由的高绝缘性能材料制成。《直升机结构与系统》第八章电源系统•电解液为硫酸（H2SO2）溶液。为减小重量，航空蓄电池电解液数量相对较少，而浓度相应增加，密度为1.280—1.300g/cm3（25℃）。•因为电池的内阻随正负极板的距离变大而迅速变大，为减小内阻，极板之间的隔隙应尽可能小。•单体电池装在防酸容器中。•由于电池工作时有气体逸出，所以每个单体电池上方装有泄气阀，用于排出气体，但电解液不会因直升机机动飞行而溅出（见图8—2）。铅酸蓄电池的原理当蓄电池正极通过和负极接通以励电池开始放电，电子从负极板流向正极板。如图8—3所示。【注：过程详见教材描述】《直升机结构与系统》第八章电源系统《直升机结构与系统》第八章电源系统充电状态的判别电池放电时，只能放到电池放电终止电压（1.8V），否则将影响电池的容量和寿命。充电时（指电瓶离位充电），为保证飞行安全，电池必须充足电，但也不能过充。判断是否充足电可用以下3个方面来衡量：①单体电池电压达到最大值（2.1V）（开路电压）②电解液比重不上升并维持不变；③电池开始冒气泡。并保持稳定；用电解液比重来衡量电瓶充放电状态是比较可靠的方法。用比重计测量时，应考虑温度的影响。在27℃（80OF）时，比重计读出的数不需要补偿。高于或低于27℃时，读数需加上一个修正值，电瓶手册中均有相应的修正表，可对应温度查出修正值，如15℃时测得的读数为1.240，经修正后的读数应为1.232。8.2.4碱性蓄电池直升机常用的碱性蓄电池为镍镉蓄电池。镍镉蓄电池与铅酸蓄电池相比，具有储能大、自放电小、低温性能好、耐过充电和耐过放电能力强、寿命长、内阻小、维护性好等优点，尤其是大电流放电时，电压平稳，非常适合于启动发动机等短时大电流放电场合。（优点）目前大多数直升机上都采用碱性电瓶。《直升机结构与系统》第八章电源系统结构镍镉蓄电池由20个或19个单体电池串联组成，每个单体电池输出电压为1.22V。单体电池的基本结构与铅酸蓄电池相同（见图8—2）。镍镉蓄电池正极板为活性物质三价镍的氢氧化物（NickelOxyHydroxide）（NiOOH），负极板为镉（Cd）。电解液为氢氧化钾（KOH）水溶液（30％氢氧化钾和70％的水），KOH的密度为1.24～1.30g/cm3。每个单体电池上安装有泄气阀，泄气阀开启压力范围为2—10psi（13.8～69kPa）。•当蓄电池充放电时，尤其是过充时，会产生气体，当气体压力大于2psi时，泄气阀打开，否则会引起电瓶爆裂。•当气压小于2psi时，泄气阀关闭，防止空气中的酸性气体与电瓶的电解液起反应而降低电瓶容量；另一方面，也可以防止电解液在飞行中溅出。•维护手册中规定，如果泄气阀在压力：大于10psi时不能打开，必须对泄气阀进行清洁和修理；如果泄气阀在压力小于2psi时打开，说明泄气阀密封圈已损坏，必须更换。另外，蓄电池还装有温度保护开关，当蓄电池温度超过130oF（54.44℃）时切断蓄电池的充电电源。由于碱性电瓶在低温充放电时，如充电电压不变，会引起充电不足或放电容量下降。某电池上装有低温敏感开关和加热装置，当温度低于30oF（-2℃）时，接通加热电路，当温度达40oF（5℃）时断开。《直升机结构与系统》第八章电源系统碱性蓄电池的原理当蓄电池和负载接通以后，电池开始放电，电子从负极板流向正极板。如图8-4所示。【注：过程详见教材描述】充电状态的判别电池放电时，只能放到放电终止电压1V（单体），否则将影响电池的容量和寿命。充电时（指电瓶离位充电），为保证飞行安全，电池必须充足，但也不能长时间过充。《直升机结构与系统》第八章电源系统由于碱性电瓶的电解液不参加化学反应，电解液比重基本不变，因此不能像铅酸电瓶一样用测量电解液比重的方法来判断充电状态。在实际使用中，可以利用充电电流和时间来确定电瓶是否充足。将放完电的电瓶用恒流充电法充电，充电的安时数大约为电瓶额定容量的140％。大多数碱性电瓶要求采用二阶段恒流充电法。例如，型号为SAFT40176的碱性电瓶共有单体电池20个，额定容量为36Ah。•开始充电时用大电流，一般用C或C/2（C为1h放电速率，C=电瓶额定容量/1h）电流充电，然后用小电流C/10充4h即可。•如果时间允许，也可直接用C/10电流充14h。碱性电瓶容量的确定当电瓶容量低于额定容量的85％时，电瓶就不能重新装上直升机。碱性电瓶的容量只能用放电的方法来确定。方法如下：将充满电的电瓶放置12h后，用电流C或C/2或C/4放电，放到电瓶电压为20V（20个单体电池，19个单体电池为19V）或第一个单体电池电压低于1V时停止放电，放电电流乘上放电时间就是该电瓶的容量。《直升机结构与系统》第八章电源系统8.2.5充电方式目前，电瓶充电设备种类繁多。从充电方式看，有恒压充电、恒流充电和恒压恒流充电3种方式。由于电瓶充满后，存在自放电现象，为维持电瓶容量，在直升机上还采用浮充电方式。恒压充电方式（ConstantPotential）恒压充电是指在充电过程中，充电电压恒定不变，同时，瓶电压。充电设备的输出电压应高于电瓶电压。这种充电方式的优点是：①在充电设备能提供足够充电电流的情况下（大于10C），充电速度快。在开始充电的30min内，就可以将完全放电的电瓶充到90％的容量；②充电设备简单；③电解液的水分损失比较小。其缺点是：①冲击电流大。当电瓶完全放电以后，电压很低，而充电电压保持不变，这时冲击电流很大。如一个40Ah的电瓶，冲击电流可能达到400A，随着电瓶电压的上升，充电电流逐步减小；②由于各单元电池的内阻、极板、电解液不能完全一样，恒压充电时，每个单元电池分配的电压不相等，容易造成单元电池充电不平衡，有些单元过充，有些单元充不足；③当充电设备的电压设定过高或过低时，容易造成电瓶过充或充电不足。对碱性电瓶容易造成“热击穿”（ThermalRunaway）和“容量失效”（CapacityFading）。为了防止冲击电流过大，损伤电瓶和充电设备，有些充电设备采用恒压限流的充电方式，即在电瓶开始充电时进行电流限制。当然，这种充电方式充电时间相对比较长。《直升机结构与系统》第八章电源系统恒流充电方式（ConstantCurrent）恒流充电是指在充电过程中，电流维持恒定，充电设备的输出电压随电瓶电压的变化而改变。这种充电方式的优点是：①没有过大的冲击电流；②不会引起单元电池充电不平衡；③容易测量和计算出充人电瓶的电能（Ah）。目前电瓶离位充电大多采用这种充电方式。缺点是：①充电时间长；②过充时电解液水分损失相对要多；③充电设备比较复杂。采用二阶段恒流充电法可以克服恒流充电时间长的缺点，一般采用大电流（C）充1h，再用小电流（C/10）充3—4h。这种充电方式有效地克服了恒流充电法充电时间长的缺点