飞机电气系统(第二版)

第1章 概述 　　飞机是借助于空气飞行的装置，飞行功能需要众多设备在有机的协调工作下完成，如图1.0.1所示是通用飞机系统与设备简图，要完成飞行任务几乎每个分系统都要用到电源，另外为了提高经济效益和减轻飞行员的负担，几乎所有的设备都离不开电气自动化的控制，本书将以飞机电气系统的结构组成为单元向读者介绍各个系统的工作原理。 　　图1.0.1 通用飞机系统与设备 　　从图1.0.1可以看出，飞机座舱、发动机及附件、环境控制、刹车、防冰系统、引气控制、座舱压力控制、飞行状态监控等几乎都需要电能工作，需要电气自动化的控制。 　　1.1 飞机电气系统的组成和作用 　　飞机电气系统是现代飞机的一个重要组成部分，它由供电系统和用电设备组成。供电系统指的是电能的产生、变换、调节和输配电的一整套装置所组成的一个完整系统，它又可以分为电源系统和输配电系统两大部分。 　　1.1.1 供电电源 　　飞机电源系统按其功用可分为主电源、二次电源和应急电源，中大型飞机上还包括辅助电源。主电源由航空发动机传动的发电机和电源的调节、控制、保护设备等构成，它是飞机上全部用电设备的能源。二次电源是指将主电源电能变换为另一种形式或规格的电能装置，用以满足不同用电设备的需要，也是飞机电源系统的重要组成部分。在低压直流电源系统中，有变流机、静止变流器、直流变换器等装置，将低压直流电变换成交流电或另一种或多种电压的直流电。在交流电源系统中，有变压器和变压整流器，将一种交流电变换成另一种电压的交流电或直流电。应急电源是一个独立的电源系统，飞行中当主电源失效时，飞机蓄电池或应急发电机（如冲压式空气涡轮（Ram Air Turbine，RAT）发电机） 即成为应急电源，向机上重要设备供电。辅助电源是在航空发动机不运转时，由辅助动力装置驱动而发电，常用于地面检查机上用电设备和启动飞机发动机，在空中也可以用来给部分机上用电设备供电。此外，机上都备有地面电源插座，用以接通地面电源，以供在地面通电检查机上用电设备和启动发动机。 　　1.1.2 配电系统 　　飞机输配电系统又简称配电系统，其作用是将电源所产生或变换的电能传输并分配到各个飞机用电设备，该系统通常由下列各设备或装置构成。 　　（1）传输电能的导线或电缆的连接装置，包括汇流条、接线板、配电板、连接器等； 　　（2）控制用电设备和电源运行的电路控制装置（又称配电装置），包括开关、继电器、接触器和固态功率控制器等； 　　（3）防止导线和设备遭受短路与过载危害的电路保险装置，包括各种保险丝、自动保险开关等； 　　（4）电路检测设备，包括各种指示、显示仪表及信号装置等； 　　（5）抗干扰装置，如各种滤波器、防波套及其他屏蔽装置等。 　　输电与配电系统所组成的网络通常称为电网。按电网形式分，飞机电网一般可分为集中式、分散式和混合式三种。采用集中式输配电电网时，所有电源产生的电能都输送到中央配电装置，然后再由该配电装置将电能分配到各用电设备。采用分散式电网时，各电源产生的电能分别输送到各自的配电装置，然后由各配电装置给其靠近的用电设备供电。采用混合式电网时，由电源所产生的电能都输到中央配电装置，除了中央配电装置外，还有若干二级配电装置，又叫分配电装置，它们安装在飞机的不同部位，各用电设备可分别由上述两种配电装置供电。按电网的控制方式，飞机电网又可分为常规式、遥控式和固态式三种。常规式的配电功率线全部引入座舱内的中央配电装置，早期和目前的小型飞机均采用此种控制方式；遥控式的汇流条靠近用电设备，由空勤人员或指令控制中心发出的遥控信号通过功率控制器（如接触器）对用电设备进行控制，座舱内只引入控制线，现代大、中型飞机均采用此类控制方式，以利减轻飞机电网的重量；固态式是由计算机控制的一条多路传输总线传递全部信息和控制信号，再由固态功率控制器对用电设备进行控制，这种控制方式取消了众多的控制线，具有遥控特点，因此可以减轻导线重量，提高供电的可靠性和自动化程度，目前正在发展中。此外，根据电压分类时，有低压电网和高压电网。根据电流类型来分，则有直流电网和交流电网。就交流电网来说又有单相和三相之分。就电网的线制来分，则有单线、双线、三线、四线等几种。根据电网的用途来划分，则有主电网（即供电网）、配电网、辅助电网和应急电网等。 　　1.1.3 用电设备 　　用电设备（又称负载）是使用电能进行工作的设备。在用电设备中电能被转换成机械能、热能、光能、声能或化学能，以达到某种特定的目的。飞机用电设备是飞机电气系统的重要组成部分。随着航空事业日新月异的发展，飞机用电设备的数量和种类也越来越多。根据飞机的大小和类型以及所用系统是全部用电还是部分用电，飞机用电设备的研究可涉及很宽的领域。按照一般习惯，通常将飞机用电设备分为以下几类。 　　（1）飞机电力传动设备，如调整片电动机构、起落架收放和舱门启闭设备、电动泵和电磁活门等； 　　（2）发动机的启动、喷油和点火设备，如电力启动机、启动箱、启动自动定时器、高能点火装置和电嘴等； 　　（3）灯光系统和加温防冰设备，如各种照明灯、信号灯、电加温和防冰设备； 　　（4）电气仪表和控制设备，如电动地平仪、转弯仪、自动驾驶仪、火警探测与灭火设备以及由各种电力电子装置所构成的控制系统等； 　　（5）航空电子设备，如无线电通信、导航设备、雷达设备等； 　　（6）民用飞机厨房用电设备等。 　　如果按重要性划分，飞机用电设备还可分为重要负载、主要负载、次要负载。重要负载（又称应急负载）是确保飞机安全返航或就近降落（包括维持可操纵飞行）所必需的*低限度的用电设备，如甚高频电台、地平仪、火警探测器与灭火设备等。 　　重要负载一旦断电，将威胁飞机和机上人员的安全，为此，必须将其配置在重要的负载汇流条上。正常供电期间由主电源供电，当主电源失效转入应急供电时，应能自动或人工地转为由应急电源供电。主要负载是保证飞机安全飞行和完成特定任务所需要的用电设备，是机上电能的主要使用者。但在飞机应急供电时，为确保重要负载得到供电，将视故障程度，切除部分以至全部主要负载。次要负载是与飞行安全无关的负载，为完成某项任务或满足某项要求而设置的用电设备，如旅客机厨房中的某些用电设备。次要设备不工作时，并不危及飞行安全，故当主电源发生局部故障而提供的功率有限时，为确保对重要负载和主要负载的供电，根据故障的严重程度，将首先切除部分以至全部次要负载。此外，还常用到下列分类方法：按用电种类可分为直流用电设备和交流用电设备；按对电压精度的要求分可分为一、二、三类用电设备；按工作制还可分为连续工作（用电设备的接通时间足以达到稳定温升）、短时工作（用电设备的接通时间不足以达到稳定温升）、重复短时工作（用电设备多次接通和断开，而且它们的一次接通时间和接通之间的间隔时间都不足以达到稳定温升或完全冷却）的用电设备。 　　1.1.4 多电飞机用电负载 　　相关内容请扫描二维码查看。 　　1.2 大型民用飞机电源系统的现状与发展 　　1.2.1 飞机电源系统发展的历程 　　飞机电源系统经历了低压直流、交流、高压直流的发展过程，其中交流电源系统还经历了恒速恒频、变速恒频、变速变频交流电源系统几个过程。 　　1. 低压直流电源系统 　　自1914年飞机上**次使用航空直流发电机以来，飞机直流电源系统经历了100余年的发展过程，其额定电压由6V、12V，逐步发展为28V的低压直流电源系统，一直沿用至今，28V低压直流电源系统主要由直流发电机、调压器、保护器、滤波器和蓄电池等组成。 　　2. 交流电源系统 　　随着机载电子设备和电力传动装置不断增加，机上用电量大大增加，而且对供电质量要求不断提高，低压直流电源系统已不能满足要求，促进了飞机交流电源系统的发展。交流电源系统有恒速恒频交流电源系统、变速恒频交流电源系统、变速变频交流电源系统3种。 　　（1）恒速恒频交流电源系统。 　　恒速恒频交流电源系统是一种通过各种恒速传动装置（简称恒装）使发电机恒速运行以产生恒频交流电的系统。目前它是应用*为广泛的一种飞机电源系统。 　　（2）变速恒频交流电源系统。 　　变速恒频交流电源系统是通过功率变换器把变频发电机输出的变频交流电变换为恒频交流电的系统。在变速恒频电源系统中，交流发电机由飞机发动机直接驱动，发电机所输出的交流电的频率随发动机转速的变化而变化，通过功率变换器将变频交流电变换为400Hz恒频交流电。 　　（3）变频交流电源系统。 　　变频交流电源系统是*早在飞机上使用的交流电源系统。变频交流电源系统中，交流发电机是由发动机通过减速器直接驱动的，因而输出的交流电频率随发动机转速的变化而变化。它主要用于装有涡轮螺旋桨发动机和涡轮轴发动机的飞机或直升机上，并称为窄变频交流电源系统。新一代飞机A380和B787已使用360～800Hz宽变频交流电源。 　　3. 高压直流电源系统 　　270V电源系统由发电机和控制器构成，美国的F-14A战斗机、S-3A和P-3C反潜机等局部采用了高压直流供电技术，而F-22战斗机上已采用了65kW的270V高压直流电源系统，F-35战斗机则采用了250kW的270V高压直流启动发电系统。因此270V直流电源系统也将是今后飞机电源的发展方向之一。 　　1.2.2 各类电源系统技术特点 　　1. 低压直流电源系统特点 　　低压直流电源系统适合于中小型飞机使用。由于发电机的装机容量不断增加，如果继续使用低压直流电源系统，将使得配电系统的重量变得非常庞大，因此大中型飞机上已经很少采用主电源为28V的低压直流系统。 　　2. 恒频交流电源系统特点 　　客机的主电源是115V、三相、400Hz的交流电。传统的恒频是通过恒速传动装置（Constant Speed Device，CSD）把发动机主齿轮箱的变速输出转变为恒定转速传动的交流发电机。 　　一段时间内产生恒频的*佳方法是使用组合传动发电机（Integrated Driver Generator，IDG），如图1.2.1所示。组合传动发电机把恒速传动装置和发电机合二为一，构成一个整体。组合传动发电机的结构简化、体积较小、重量较轻，且维护较为简单。 　　图1.2.1 组合传动发电机示意图 　　虽然恒速恒频电源系统目前仍广泛用于各种军机及客机，而且经过几十年的发展，有了很大的改进，但它在可靠性、维修性、重量、费用、战损生存能力等方面一直存在着不同程度的缺陷。 　　在过去20年中，在若干民用飞机上试验并使用过一种产生恒频电源的替代方法，即试图通过电子变频装置把由变速发动机附件齿轮箱直接驱动的一台发电机产生的变频电源转换为恒频电源。这就是所谓的变速恒频（Vary Speed Constant Frequency，VSCF）技术。如图1.2.2所示的变速恒频交流电源系统与恒速恒频交流电源系统相比，具有电气性能好、效率高、可靠性高、维护费用低等优点，因此曾一度受到很高的重视。但大功率变速恒频电源系统主要受到功率器件的限制。经过实践发现，这一技术没有能够达到预期的可靠性要求。 　　图1.2.2 变速恒频交流电源系统示意图