直升机结构与系统第8章ppt课件.ppt

直升机结构与系统,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：电能转换成热能：如电热防冰类负载；给电子设备供电：如计算机、显示器、传感器、控制器等；电能转换成机械能：如电动油泵、电动机、电磁活门等；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 28 V。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115 V/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 28 V 直流电，后者将28 V 直流电变成115 V 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：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；用于启动发动机；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81 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140 A 放电仅5min 就放完，电瓶容量下降到 11.7 Ah。为了准确定义酸性电瓶的容量，一般采用5 h 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：极板活性物质的多少；极板面积的大小；电解液的多少（密度一定时）；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710。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1.2801.300g/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82）。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83 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：单体电池电压达到最大值（2.1V）（开路电压）电解液比重不上升并维持不变；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82）。镍镉蓄电池正极板为活性物质三价镍的氢氧化物（Nickel Oxy Hydroxide）（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1.241.30g/cm3。每个单体电池上安装有泄气阀，泄气阀开启压力范围为210psi（13.869kPa）。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30 oF（-2）时，接通加热电路，当温度达40 oF（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（Constant Potential）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：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；充电设备简单；电解液的水分损失比较小。其缺点是：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；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；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”（Thermal Runaway）和“容量失效”（Capacity Fading）。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（Constant Current）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：没有过大的冲击电流；不会引起单元电池充电不平衡；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：充电时间长；过充时电解液水分损失相对要多；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1 h，再用小电流（C/10）充34h。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，并且减小了充电过程中的水分损失，但充电设备比较复杂。没有大、小电流自动转换功能的充电设备需要人工调节。实现恒流充电有两种基本方式，一种是采用模拟控制的方法实现电流恒定，另一种方法是采用脉宽控制方法，充电电流是间断的。当控制管导通时间上升、截止时间下降时，平均充电电流上升，反之平均电流下降。电流波形如图85所示。这种充电方式能有效防止碱性电瓶的容量失效（Capacity Fading），因此得到了广泛应用。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,恒压恒流充电方式当电瓶开始充电时采用恒流充电方式，充电一定时间后自动转换到恒压充电方式。这种充电方式集中了恒压、恒流充电的优点，克服了恒压、恒流充电的不足，但充电设备比较复杂。现代直升机上安装的充电器大多采用这种方式。快速充电方式（Reflex）快速充电时，为了缩短充电时间（充电时间为1h），一般采用大电流（2C）充电。但是，大电流充电会使电池产生极化现象。所谓极化现象是指电瓶在充（放）电过程中，尤其是大电流充（放）电时，电池的极板电阻增加（欧姆极化）；另一方面，造成正负极板附近电解液浓度与其他地方不一样（浓差极化），从而使电化学反应速度减慢，导致温度上升，析气增加。为了克服电池极化，在充电过程中加入放电脉冲，即采用充电放电充电模式。当然是充入的电量多，放出的少。这种充电方式能有效克服电池的极化现象，消除碱性电瓶的记忆效应，充电效率高，速度快，因此在航空和地面电瓶充电中得到了广泛应用。但这种方法容易出现过充或单体电池损坏的后果。充电时要严格按照程序进行。浮充电由于电瓶存在自放电现象，因此为维持电瓶容量不减少，必须对充满的电瓶进行浮充电。在直升机上进行浮充电时，将电瓶连接到比电瓶电压略高的直流电源上。浮充电电流的大小与电瓶的环境温度、清洁程度和容量有关。在15-33范围内，对于一般碱性电瓶来说，1Ah需要浮充电电流3mA 左右（酸性电瓶略高），一个40Ah的电瓶需浮充电 120mA 左右。当温度升高时，浮充电流应有所增加。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.2.6 机载电瓶充电器（Battery Charger）,电瓶除在地面进行定期容量检测和维护外，为保证电瓶一直处于充满状态，在直升机上都要给电瓶充电。早期的直升机尤其是装有酸性电瓶的直升机，将电瓶直接连接在直流汇流条上给电瓶充电，即采用恒压充电方式充电。在现代直升机上都装有专用电瓶充电器。电瓶充电器有两种基本形式，一种是充电器只有恒压充电模式，另一种充电器具有恒流和恒压充电模式。恒压式电瓶充电器在整个充电过程中电压恒定，由于碱性电瓶长期进行恒压充电时，容易造成电瓶热击穿（Thermal Runaway）和“容量失效”（Capacity Fading），这是碱性电瓶（主要指镍镉电瓶）的固有特性。当碱性电瓶长期进行恒压充电时，有时会出现电瓶电压不上升反而下降的情况，使充电电流不断上升，电瓶产生过热而烧坏，甚至发生火灾。因此，这种充电器必须具有良好的电瓶超温保护功能和限流功能。目前，现代直升机上一般安装具有恒流和恒压充电模式都有的电瓶充电器。电瓶充电器在开始给电瓶充电时，采用恒流充电方式，当电瓶电压达到转折电压时，充电器自动转换到恒压模式。恒压充电模式主要用于给电瓶浮充电（Top Charging）并向热电瓶汇流条供电。充电曲线如图86 所示。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,开始对电瓶充电时，采用恒流充电，充电电流在1C 左右。随着充电的进行，电瓶电压升高，当电压升高到一个转折电压值（Inflection Point）时自动转换到恒压充电模式，电压为27.75V。充电器一方面给电瓶进行浮充电，另一方面给热电瓶汇流条供电。转折电压值随电瓶型号和温度的不同而不同，一般在室温下的转折值为31.4V，当温度降低时，转折电压值升高。转折电压值由电瓶充电器根据电瓶温度计算得出。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,恒流充电时间决定于电瓶的状态（如电瓶的电已完全放完，或仅放了一部分）和电瓶温度。当电瓶电压达到转折电压值时，为保证电瓶充足，还需要一段时间的过充电（Over- charge），在地面时过充电一般采用C/10 的小电流，过充时间约为基本充电时间的10左右。有些充电器的过充时间是一定的，过充时间为8个脉冲。有些充电器在过充时采用恒压方式充电。有些充电器还具有变压整流（TR）工作模式，可代替TRU 向直流负载供电。充电器在恒压充电时与TR 模式的主要区别是：工作在TR 模式时，输出电流大。,维护电瓶应该严格按照生产厂家的使用说明书和维护手册进行。由于酸性电瓶和碱性电瓶的电解液在化学性能上是相反的，因此，酸碱电瓶的维护车间应该间隔开，并保持良好的通风。由于电瓶的电解液具有腐蚀性，不要让手或皮肤直接接触电解液。如不慎溅出了电解液，应立即中和。碱性电瓶电解液应用醋或硼酸进行中和，酸性电瓶电解液用苏打中和，然后用清水冲干净。使用中应保持电瓶清洁，防止自放电。在充电过程中，随着化学反应的进行，电瓶温度随之升高。一般要求电瓶温度不超过125oF，如果电瓶温度太高，应降低充电电流。充电时排气孔一定要畅通。由于在充电过程中或过充时，会释放出氢气和氧气，形成易爆的混合气体，因此不能有明火存在，应采用防爆电气设备并保持良的通风。,8.2.7 电瓶的维护,直升机结构与系统 第八章 电源系统,此外，酸性电瓶的维护还应该注意以下几个方面：放电终了的电瓶必须在 24h 内充电；充满电的电瓶每月至少复充一次，以防止极板硬化；经常检查电解液是否充足。如电解液不足，会降低电瓶容量，极板暴露在空气中也会使极板硬化。如果电解液不足，应加蒸馏水，不能加自来水或矿溶水；在制作电解液时，先准备好一定量的蒸馏水，将硫酸慢慢倒进水里，并搅匀。注意的是，千万不能将蒸馏水倒在硫酸里，因为水的密度小，浮在酸的表面，剧烈的化学反应产生的热量能将水烧开，溅出来的热水会烫伤操作人员；不能将航空电瓶的电解液与其他酸性电瓶电解液混用，因为航空电瓶电解液比重比其他地面用酸性电瓶电解液的比重大。碱性电瓶的维护还应注意以下几点：电解液加注：当电解液液面高度低于规定值时，应加蒸馏水，但同样不能超过规定值。要注意的是，充电结束后应马上检查和调整电解液高度，这是因为镍镉电瓶在放电或放置很长一段时间后，极板会吸收电解液。如果在放电后调整电解液高度，在充电时电解液可能会冒出来；漏电检测：电瓶内部短路是碱性电瓶的常见故障，检查各个单体电池的漏电情况，利用mA 表检查，将表的一端与外壳相连，另一端接到单体电池的正极。如果漏电超过100mA，该电瓶必须分解清洁和维修；深度放电：采用恒压充电方式一段时间后，会造成单体电池不平衡，充电时测量电压正常，但放电时放出的电量不足，这时需要深度放电。用放电设备将电瓶的电全部放完，每当单体电池的电压低于0.2V 时，用短路夹将单体电池正负极短路，放置至少8h，然后重新充电。如还不能恢复容量，需再做一次深度放电。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.3 直流电源系统,8.3.1 直流发电机,1直流发电机,典型的直升机直流发电机如图 8-7 所示，其结构主要由定子、转子、整流子（换向器）、电刷组件等部分构成。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,（1）结构,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,（2）励磁方式,为发电机等（利用电磁感应原理工作的电气设备）提供工作磁场叫励磁。励磁就是控制定子的电压使其产生的磁场变化。有时向发电机转子提供转子电源的装置也叫励磁。根据励磁绕组与电枢绕组的连接方式，励磁方式可分为他励磁，并励磁，串励磁，复励磁等方式。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,（3）电枢反应,在电枢线圈中产生的磁场称为电枢磁场；在励磁线圈中产生的磁场成为主磁场。电枢磁场与主磁场相互作用，使主磁场发生扭曲。磁场扭曲程度随发电机输出电流的增大而增大。主磁场畸变除了降低发电机效率外，还使换向时产生火花，严重时会烧坏整流子和电刷。两个磁场同时存在时，电枢电流产生的磁场对主磁场产生的影响，这种影响称为电枢反应。解决电枢反应的方法有两种：一种方法是电刷架可调；另一种是增加换向磁极。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,2交流一直流发电机（DC Alternator）,交流一直流发电机（见图814（a），其基本原理是采用交流发电机，交流发电机发出的交流电经二极管整流后变成直流电，再输送到直升机电网供负载使用。交流直流发电机由转子（见图8-14（b）、定子（见图8-14（c）和整流器组成。与直流发电机相反，交流直流发电机的励磁线圈装在转子上，励磁电流通过电刷和滑环（见图814（b）加到励磁线圈上，因此磁场是转动的。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,三相星形连接的电枢线圈装在定子上，三相交流电通过6 只整流二极管全波整流成直流电后输出（见8-15）。图中F1 为励磁线图，装在转子上，三相电枢线圈和整流二极管装在定子上。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,3两种直流发电机的优缺点,直流发电机主要有以下几方面的优点：能作为启动发电机用。启动发动机时，用作电动机，发动机启动后转为发电机状态，一机两用，从而减轻了机载设备的重量；改变励磁方式可以做成不同特性的发电机或电动机。但直流发电机也有以下缺点：高空时，由于湿度和空气密度低，换向困难，电刷磨损严重；换向时产生火花，对机载电子设备产生干扰；换向器和电刷磨损大，维护工作量大。结构复杂，重量重。,直流发电机,交流-直流发电机,交流一直流发电机有以下优点：结构简单，重量轻；无机械换向装置，高空性能良好，工作可靠，维护工作量小。主要缺点有：不能作为启动发电机用；过载能力较差。,直流发电机原理图,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.3.2 调压器,增加发电机的励磁电流，发电机输出电压增高，反之则减小。常用的调压器有振动式调压器、晶体管调压器和炭片调压器等。,什么是励磁电流？为发电机等“利用电磁感应原理工作的电气设备”提供工作磁场叫励磁；在提供工作磁场时产生的电流叫励磁电流。,1振动式调压器,功用：在一定条件下自动保持发电机输出端电压基本恒定。电压调节器简称：调压器。直升机直流电源的额定电压为 28V，但当负载变化或发电机转速改变时，电压将偏离额定值，因此，必须有调压器来自动调整发电机的励磁电流，以保持输出电压恒定。,电磁铁用于敏感发电机的电压。电磁线圈并联在发电机输出端，电压越高，电磁铁产生的电磁吸力越大。电磁铁的作用是要拉开触点；弹簧弹簧的作用是要使触点闭合；触点触点闭合，使电阻短路，励磁电流增大，发电机电压升高；电阻触点断开时，将电阻串人励磁线圈，使励磁电流减小，发电机电压下降。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,振动式调压器的工作原理【参见教材】这种调压器主要用于小型发电机，其优点是结构简单，重量轻。缺点是触点频繁开合，容易磨损和产生干扰；且发电机输出电压有微小波动。,2晶体管调压器,为克服振动式调压器机械触点开合引起的问题，可以采用无触点开关，即用大功率晶体管代替机械触点。电路主要由以下两大部分组成：电压敏感电路由电阻R3、R4、R5和电容 C2 组成；开关放大电路由三极管 T1、T2 和二极管D1、稳压管Z2 及电阻R1、R2组成。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,晶体管调压器的工作原理【参见教材】晶体管调压器具有调压精度高、体积小、重量轻、工作可靠等优点，目前被大多数直升机所采用。,3炭片调压器,晶体管调压器和振动式调压器都采用通断励磁电流来调节发电机电压，这会引起发电机电压在小范围内波动，从而影响动态稳定性。为使发电机输出电压的波动减小，在励磁电路中串联一个可变电阻，通过改变可变电阻值来改变励磁电流，炭片调压器就是采用了上述原理（见图818）。,炭片调压器各组成部分及功用如下：炭柱由一片一片炭片叠成，炭柱电阻的大小与加在炭柱上的压力成反比，压力越大，电阻越小。炭柱上所受的压力等于弹簧压力减去电磁吸力；弹簧弹簧的作用是压紧炭柱，使炭柱电阻减小；电磁铁电磁铁产生的电磁力的作用是拉松炭柱，使炭柱电阻增加；调节电位器或调节螺钉用于调整电磁铁的电流，从而调整发电机的额定输出电压。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,炭片调压器的工作原理【参见教材，以下为原理进一步说明，以便更好理解】,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,8.3.3 反流割断器（反流保护器）,发电机正常供电时，其输出电压高于直升机电瓶电压，给电瓶充电；当某些原因造成发电机电压低于电瓶电压时，电瓶电流就会倒流人发电机，使发电机变成电动机，这种现象称为反流。,反流会导致电瓶电能在很短的时间内耗尽，失去应急电源的功能，给飞行安全带来隐患，这是绝对不允许的。因此，直流电源系统都装有反流割断器，当出现反流时，及时切断发电机输出与电瓶的联系。图819 所示为反流割断器原理图。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.3.4 直流电源的并联供电,直流电源并联供电的条件比较简单，主要有以下两方面：发电机电压极性相同；发电机输出电压相等。并联供电主要有以下优点：供电质量高。并联供电时电网总容量增大，当负载突变时，对电网造成的扰动小；供电可靠性高。在并联供电系统中，各发电机互为备用，当其中一台发电机故障时，不会对电网上的用电设备造成影响，可以实现不间断供电。由于直流电源并联控制比较简单，两台及以上直流发电机多采用并联供电。,8.3.5 直流电源系统的优缺点【略，见教材】,8.3.6 直流电源系统的质量要求,直流电源系统必须满足适航条例规定，所有运输机必须有直流应急电源系统（电瓶），并保证在主电源失效后至少能飞行0.5h。直流电源系统应分为主电源系统和应急电源系统。具体要求【见教材】,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.4 交流电源系统,交流电源系统与直流电源系统相比，主要有以下优点：发电机没有换向问题，减少了噪音、电磁干扰和维护工作量；电压变换容易，适用于不同电压等级的用电设备；交流电经变压整流器很容易变成低压直流电，且转换效率高；发电机输出功率大，最大可超过 150kVA；输出电压高，使配电导线重量下降。交流电源的不足之处是：并联供电比较困难；恒频电源系统需要恒速传动装置或变频设备或恒速发动机；交流电机启动力矩比直流电机小；交流电不能像直流电一样用电瓶储存起来。由于交流电源优点突出，目前大重型直升机上都采用交流电源系统。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.4.1 交流电源系统的分类,航空交流电源系统主要有 3 种形式：变速变频交流电源系统（VSVF）、恒速恒频交流电源系统（CSCF）、变速恒频交流电源系统（VSCF）。,变速变频交流电源系（VSVF）交流发电机是由发动机通过减速器直接驱动的，如图822 所示。这种电源输出的交流电的频率随发动机转速变化而变化。这种系统不需要恒速传动装置，结构简单，可靠性高，维护工作量小，重量轻。不足之处是：由于频率的变化，对电机类用电设备的要求随之提高。需要恒频交流电的场合，由逆变器提供。2恒速恒频交流电源系统（CSCF）发电机是通过恒速传动装置（CSD）驱动的，因此发电机输出恒频交流电。如图823 所示。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,恒速恒频电源系统的优点是：恒频交流电对航空器上的各种负载都适用，配电简单；恒频交流电源系统可以单台运行，也可以并联运行，以提高供电可靠性和供电质量。不足之处是：CSD 增加了重量和成本，功率/重量比小于变速变频电源系统。3变速恒频交流电源系统（VSCF）如图824 所示。该系统不用 CSD，发电机由发动机直接驱动，发电机输出的变频交流电经整流器整流成直流电，再由逆变器将直流电变成恒频交流电。主要优点是：取消了 CSD，重量有所减轻。不足之处是：允许的工作环境温度比较低，过载能力差，结构复杂，可靠性相对较低，维护比较困难。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.4.2 恒速恒频交流电源系统的基本要求,运输机上通过恒装实现恒速；而直升机发动机转速基本恒定，发电机连接在主减速器上，一般不需要CSD，发电机输出频率基本保持不变。根据国际航空电源标准（1S01540），航空恒频交流电源应满足如下要求（见教材表82）。,8.4.3 交流发电机的结构和工作原理,普遍采用同步发电机。按励磁系统结构中是否带有电刷，可分为有刷交流发电机和无刷交流发电机两大类。每类中又包含自励和他励两种方式。目前直升机上大多采用无刷交流发电机。对直升机交流发电机励磁系统的基本要求是：起激可靠，短路时具有瞬时强激磁能力，从而保证保护装置可靠动作。二级式无刷交流发电机（自励）结构示意图如图825 所示。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,原理电路如图826 所示。,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,2三级式无刷交流发电机（他励）三级式无刷交流发电机增加了永磁式副励磁机，使激磁更加可靠，其余部分与二级式基本相同，如图828 所示。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,3调压器现代直升机的交流电源系统都采用晶体管调压器。晶体管调压器有两种，一种是直放式调压器（调压器功率管工作在放大状态），另一种是脉冲调宽式（PWM）调压器（调压器功率管工作在开关状态）。由于直放式调压器存在功率管功率消耗大的缺点，因此，现代直升机上采用的调压器都是PWM 式晶体管调压器。PWM 晶体管调压器的原理如图829 所示。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.4.4 交流电源的故障保护,直升机交流电源系统中设置的主要故障保护项目有以下几种：过压保护（OV）、欠压保护（UV）、欠频保护（UF）、过频保护（OF）、差动保护（DP）、过载（过流）保护（OC）、开相保护（Open Phase）、欠速保护（Under Speed）和逆相序保护（NPS）等。过压保护（OV）根据航空电源的国际标准IS01540，单相过压值为132V，三相平均电压的过压值为 130V。产生过压的原因主要是调压器失效，导致发电机励磁电流过大造成的。过压保护采用反延时，即过压值越大，延时时间越短。设置过压保护是为了保护发电机本身及用电设备，因此，过压时应同时断开发电机励磁继电器GCR 和发电机输出断路器GCB，即断开发电机的励磁（灭磁）和发电机输出。2欠压保护（UV）当相电压低于 98V 时，欠压保护电路发出信号，经固定延时7s 后断开发电机输出断路器GCB。欠压故障主要由调压器或发电机本身故障造成，但欠速（欠频）或发电机过载时也会造成发电机欠压。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,3欠频保护（UF）当发电机输出频率低于 370Hz 时，欠频保护电路发出信号，经固定延时7s后断开 GCB。4过频保护（OF）当发电机输出频率高于 430Hz 时，过频保护电路发出信号，经固定延时1s后断开GCB。5差动保护（DP）所谓差动，是指从发电机输出端流到汇流条的电流与回到发电机电枢绕组的电流不一致。差动保护范围包括两个方面：一是发电机内部电枢绕组发生相与地、相与相之间的短潞。故障产生的原因通常是因振动而断线搭地或相间绝缘破坏而造成。发生故障后将产生很次的短路电流，以致烧毁发电机，严重时可能引起火灾。二是发电机输出馈线短路故障。馈线是指发电机输出接头至汇流条的导线，由于振动等原因，容易造成搭铁（对地短路）或湘与相短路故障。6过载（过流）保护（OC）当发生过载或过流故障时，过载保护电路发出信号，断开发电机输出，以保护发电机因过载而被烧坏。过载保护采用反延时。过载故障主要是由于其中一台发电机损坏而不能向直升机正常供电，另一台发电机由于负载加大而产生过载。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,7开相保护（Open Phase）所谓开相，是指有一相电流输出为零而其他两相输出正常。在这种情况下，会使三相用电设备不能正常工作，如三相交流电动机等。保护电路的原理是比较CT2 中各个互感器的输出，当输出相差达到一定值时，保护电路有信号输出，断开发电机输出，开相保护采用固定延时，一般为5s。造成开相的原因主要有：发电机内部的输出绕组开路；发电机外部馈线开路；发电机输出断路器有一相接触不良或损坏。8欠速保护（Under Speed）由转速传感器敏感发电机的转速，欠速保护电路将转速传感器送来的电压或频率信号与设定值进行比较，当转速低于额定转速的90时，欠速保护电路发出保护信号。9逆相序保护（NPS）当发电机输出相序不正确时，不能合上发电机输出断路器GCB，否则，在供电时会出现如电动机反转等严重故障；并联供电时，将烧毁发电机和供电线路。相序故障主要发生在更换发电机后或地面电源供电时。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.5 二次电源,8.5.1 变压整流器变压整流器的作用是将交流电转变为直流电。变压整流器的组成变压整流器主要包括主变压器、整流元件、滤波器、冷却风扇等，如图834 所示。,2变压器的连接方式根据主变压器和整流电路接法的不同，变压整流器可以分成三相半波整流、三相全波整流、六相半波整流以及六相全波整流等基本类型。主变压器的原边绕组可以接成星形（Y）或三角形（）。主变压器的副边绕组可以接成三相整流电路或六相整流电路。（1）主变压器按Y/Y 连接的三相全波整流电路这种电路又称为三相桥式整流电路，其电路及其输出电压波形如图 835所示。,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,（2）主变压器按Y/Y 连接的六相全波整流电路,直升机结构与系统 第八章 电源系统,3. 典型直升机变压整流器电路,此电路属于主变压器按Y/Y 连接的六相全波整流电路，为增加输出功率，采用了两个绕组和两个Y 形绕组的并联。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.5.2 静止变流器,直升机上的逆变器通常称为变流机（器），是将直流电变为交流电的设备。有旋转变流机和静止变流器两种。旋转变流机由直流电动机带动交流发电机发出交流电，这种变流机噪音大，效率低，维护工作量大，只在早期的直升机上采用。静止变流器（逆变器）采用电力电子技术，将直流电逆变为交流电。静止变流器主要用于：在直流电为主电源的直升机上提供交流电源，即用作二次电源；在交流电为主电源的直升机上将电瓶的直流电变成交流电，提供应急交流电源。1. 单相静止变流器逆变器主电路主要有两种形式，一种是推挽式，如图 838（a）所示；一种是桥式，如图838（b）所示。,图8-38 逆变器主电路,直升机结构与系统 第八章 电源系统,2三相静止变流器三相静止变流器可由三个输出电压相位差为 120的单相静止变流器构成，也可由采用6 只晶体管的三相桥式电路构成，其工作原理与单相静变流器相同。,8.5.3 应急照明电源应急照明是在主电源断电、直升机处于应急状态时，为机组人员完成迫降以及直升机迫降后机上人员进行紧急撤离时为直升机提供内部和外部照明。因此，应急照明电源应独立于机上正常的照明系统，由独立于主电源的应急电源供电。应急照明电源通常使用自备小型电池。在一架直升机上，由安装在不同位置的几个应急照明电源组件供电，即使机体断成两段，也能提供应急照明。,8.6 外部/地面电源8.6.1 地面电源的功用当直升机在地面进行维护、清洁、加油、装卸货物、发动机启动等作业时，一般由地面电源供电。8.6.2 地面电源的种类地面电源有直流和交流两种，以直流电为主电源的小型直升机用地面直流电源，大型直升机或以交流电源为主电源的直升机采用地面交流电源。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.6.3 地面电源的控制直流电源插座有 3 个插钉，如图841 所示。交流电源插座有 6 个插钉，如图842 所示。,外部电源接触器吸合工作须有两个条件：一是E、F插钉已插好并形成通路，二是外电源控制组件 EPCU发出信号，两者缺一不可，体现外电源也是单独供电的控制性质。,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.7 直升机配电系统,8.7.1 直流电网,8.7.2 交、直流混合电网,直升机结构与系统 第八章 电源系统,8.7.3 典型双发直升机电源分配,正常供电时，1 号发电机通过发电机接触器向1 号发电机汇流条、普通汇流条和重要汇流条供电；2