飞机电气系统 第三章飞机交流供电系统

58
变速恒频交流电源系统
飞机型号 电源类型 电源容量
结构 安装位置
冷却方式 重量(kg)
F-18 交交 2×40kVA 组合式 发动机附件机匣
B737-400 脉宽调制交直交 2×60kVA 组合式 发动机附件机匣
循油 30.0
喷油和强迫风冷混合式 71.4
MD-90 阶梯波合成交直交 2×90kVA 分体式 发电机安装于附件机匣 变换器装于机体 变换器风冷
TEMP
DISCONNECT
LOW OIL PRESSURE HIGH OIL
TEMP
DISCONNECT
DRIVE TEMP
RISE
IN
DRIVE CAN BE
RECONNECTED
ONLY ON
10 RISE20
GRD
10 RISE20
Байду номын сангаас
0
40
80IN120 30 160
0
40
80IN120 30 160
30
§3-3恒速恒频交流电源
31
一、概述
➢ 恒速恒频简称CSCF
(Constant Speed Constant Frequency)
➢ 核心装置：恒速传动装置
CSD (Constant Speed Drive)
32
功用和分类
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
t
(a)
(b)
66
励磁电流的开关控制
+
+
-
-
67
励磁电流的开关控制
+
+
-
-
68
励磁线圈平均电压
Ue
ton toff
T Ie it2 itav it1
周期：T ton toff
t
Ue(av)
E
ton T
E
ton T
t
69
晶体管的导通比(占空比 )
➢ 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）
77
晶体管调压器原理方块图
将调制电路的输出波 形整形放大为前后沿 较陡的矩形波
78
晶体管调压器原理方块图
功率放大后 控制励磁电流
79
当发电机输出电压相对于基准电压变化时
，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，从而保持发电机电压基本恒定。
80
§3-6
GEN DRIVE
OIL TEMP ℃
GEN DRIVE
OIL TEMP ℃
51
手动脱开机构
52
五、组合传动发电机
53
§3-4 变速恒频交流电源
54
变速恒频电源系统
➢ 简称VSCF
(Variable Speed Constant Frequency)
➢ 电子变换器 ➢ 115/200V400Hz三相交流电
16
交流供电质量的指标
➢ 电压 ➢ 频率
17
飞机交流供电系统的指标
➢空载到额定负载
115±1.0V
➢100%到125%额定负载 115±1.5V
➢125%到150%额定负载 115±2.0V
➢非正常稳态电压极限 115+15/-10V
➢对称负载时三相电压不平衡 <0.6V,相移<0.6
➢不对称负载时三相电压不平衡 <3V、相移1.5°
交流发电机
旋转整流器
25
三级式无刷交流发电机
26
三级式无刷交流发电机
➢ B747、757、767、MD-82、A320等飞 机均采用三级式无刷交流发电机。
27
二级式无刷交流发电机
旋转整流器
交流发电机
28
二级式无刷交流发电机
29
两级式无刷交流发电机
➢ B707、737等飞机采用两级式无刷交 流发电机。
63
交流发电机电压调节 器的种类
炭片式 磁放大器式 晶体管式 集成电路式
64
晶体管调压器的优点
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
65
功率管与发电机励磁绕组 的连接图
Ue
ton toff
ie
We D
Re
uG
T
t
~
Ie it2
T
itav
it1
ton T
43
保护系统作用
➢ 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。
44
三、液压机械式恒速传 动装置的简要工作原理
45
制动点转速
➢ 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
46
液压机械式恒装三种 工作状态
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
55
VSCF电源的构成方框
Vn 变频交流发电机 fv 电子变换器
fc
控制器
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VSCF电源变换器有两种 类型
➢ 交交型 ➢ 交直交型
57
VSCF优点（与CSCF比较）
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
变速恒频
(VSCF)
4
变速变频交流电源系统
发动机
减速器
变速
交流发电机
变速
变频交流电
5
变频交流电优点
➢ 变频交流发电系统简单 ➢ 体积重量小 ➢ 电能转换效率高
6
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
7
恒速恒频交流电源系统
➢ 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；
发动机
输入 脱开装置
至转速调节系统
摇臂
液压泵
液压马达
游星齿轮架 中心齿轮
发电机
滑油系统
差动齿轮系
转速合成
40
传动系统组成
➢ 液压泵-液压马达 ➢ 差动齿轮
41
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
42
调速系统组成
➢ 离心调速器 ➢ 伺服油缸
73
晶体管的导通比(占空比 )
ton ton
ton toff T
74
晶体管调压器脉冲调节形式
ue
T1
ue
T2
ue
Ue(av)
t
T
ue
Ue(av)
t
T
Ue(av)
t
Ue(av)
t
75
晶体管调压器原理方块图
检测发电机电压与 基准电压的偏差
76
晶体管调压器原理方块图
将电压偏差信号转变 为相应宽度的脉冲
Today's 60 kVA System IDG--71Lbs.
Controls--9Lbs. Per Channel
Geared Differential
2
IDG
Total Sundstrand
System
0
1955
1975Year
1945
1965
1985
36
二、液压机械式恒速传 动装置的主要组成
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）
19
§3-2飞机无刷交流 发电机
20
有刷 无刷
异步 同步
21
飞机无刷交流发电机 同步发电机
转子转速n与定子绕组中电流所产 生的旋转磁场的转速n1相等，且转向相 同，这样的发电机称为同步发电机。
13
不接中线的三相三线制 供电系统
A
A
0
B
C
B
三相
单相
单相
C
负载 负载 负载
14
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。
15
以单相为主而兼有三相 的供电系统
A
单相负载
C B
优点：节省导线 缺点：较多
汇流条 自动驾驶仪
即：n = n1 = 60f1 / p
22
有刷交流发电机存在电刷和滑环， 可靠性低，使用条件受到了很大限制， 自50年代发明的旋转整流器式无刷交 流发电机对交流电源系统的供电性能 有很大提升。
23
旋转整流器式无刷交流 发电机的结构形式
➢两级式 ➢三级式
24
三级式无刷交流 发电机
永磁式副励磁机 交流励磁机
Ue
ton toff
T Ie it2 itav it1
ton T
ton ton
ton toff T
t
70
t
励磁线圈平均电压和平均电流
Ue
ton toff
T Ie it2 itav it1
ton T
励磁线圈平均电压
Ue(av)
E
ton T
E
励磁线圈平均电流
t
Ie(av)
Ue(av) Re
➢ 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
8
变速恒频交流电源系统
➢ 交-直-交 ➢ 交-交
9
变速恒频交流电源系统
➢ 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
10
电网连接形式
传动系统 滑油系统 调速系统 保护系统
37
液压机械式恒速传动装置
发动机
输入 脱开装置
至转速调节系统
摇臂
液压泵
液压马达
游星齿轮架 中心齿轮
发电机
滑油系统
差动齿轮系
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液压机械式恒速传动装置
发动机
输入 脱开装置
至转速调节系统
摇臂
液压泵
液压马达
游星齿轮架 中心齿轮
发电机
滑油系统
差动齿轮系
39
液压机械式恒速传动装置
2
交流电源系统具有如下 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
3
飞机交流电源系统的主 要形式
飞机交流电源系统
变频交流电源
恒频交流电源
恒速恒频
(CSCF)
E Re
t
71
Ie(av)
Ue(av) Re
E Re
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。
72
脉冲电压调节励磁电流
方法
保持脉冲宽度不变， 仅调节脉冲的频率
➢ 脉冲调频式
➢脉冲调宽式
脉冲频率保持不变， 仅调节脉冲的宽度
33
恒装的安装位置
34
恒速传动装置的四个发展阶段
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)
40
60
60
40
系统重量(kg)
99~145
63
43
33
系统重功比(kg/k VA)
2.5~3.6
1.22
0.71~0.85
0.83
可靠性 MTBF·h
系统特点
几百 有刷气冷发电 机，液压差动 式恒装，电磁
1000 无刷油冷发电 机，轴向齿轮 差动式恒装，
900~1500
2000
发电机与恒装 发电机与恒装组
组合化，集成 合化，微处理器
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
35
恒速传动装置发展
Hydraulic Differential
要点：液压马达不转动
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
48
恒速传动装置的工作状态
49
四、液压机械式恒速传 动装置的故障及保护
50
恒装监控装置
LOW OIL PRESSURE HIGH OIL
交流发电机的并联运行
81
交流发电机不并联运行
的优点
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
80.0
59
MD90飞机变速恒频发电 系统
A-N
0° 60° 120°180° 240° 300°360°
星形逆变桥 0V
A-N
星形逆变桥 0V
A-B 三角形逆变桥
0V
A-B
三角形逆变桥 0V
逆变桥输出波形
合成波形
61
§3-5 交流发电机
电压调节
62
电压调节器应具备 的功能
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
➢波峰系数 ➢单次谐波分量 ➢直流电压分量 ➢电压调制
1.41±0.08 <0.03 <100mV <1.5V
➢频率
400±4Hz
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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）
第三章 飞机交流供电系统
§3-1 飞机交流供电系统概述
1
大中型民航客机采用交流 电源系统的主要因素
✓ 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
➢ 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
11
以机体为中线的三相四线制
A 0 C
A
单相 负载
B B
三相
单相
单相
C
负载
负载
负载
12
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