飞机电源系统的控制与保护
飞机电源系统的控制与保护
飞机电源系统的控制与保护航空电源系统是飞机上非常重要的组成部分之一。
它向飞机提供电能供应和配电功能。
电源系统必须非常可靠，因为它影响着整个飞行过程。
在飞机电源系统中，控制和保护是非常重要的组成部分。
正确的控制和保护措施能够有效地提高电源系统的可靠性、安全性和使用寿命。
本文将介绍飞机电源系统的控制与保护。
飞机电源系统的控制飞机电源系统的控制主要包括三个方面：电源控制、飞机电源管理和电路保护。
电源控制电源控制是实现电源系统自动化的重要保证。
航空电源系统控制使用计算机和程序控制，它能精确监测整个电源系统的活动，从而控制整个系统的输出电压和电流。
电源控制的功能包括：•自动开关控制：在需要的情况下，它能够自动切换电源输出和输入线路。
•电源调节：能够调整输出电压和电流。
•电源预警：能够报告电源故障信息。
•故障保护：在出现故障时，能够将电源系统保护。
飞机电源管理飞机电源管理是指在飞机上组织整个电源系统的运行。
飞机电源管理系统的目的在于使整个电源系统在满足飞行需求的同时能够长期稳定运行。
飞机电源系统管理的功能包括：•电能生成：电源系统要求能够在飞行中供应电能，而且这电能必须足够长时间供应。
•电源故障信息报告：能够在短时间内报告电源故障信息。
•故障处理：故障处理必须能在短时间内解决问题。
•自适应：电源系统必须具有自适应性质，因为它必须适应不同变化的需求。
通过飞机电源管理，可以实现电源系统的可靠性和稳定性，为飞行过程提供保障。
电路保护电路保护也是飞机电源系统的重要方面之一。
电路保护必须能够有效地保护电源系统，使系统永久性受损的可能性最小。
电路保护的功能包括：•短路保护：当电源系统出现短路时，保护电路能够及时地切断电源输出。
•过载保护：能够控制电源输出，当电路超过额定输出时，能够及时地停止供电。
•过压保护：能够在电路过压时切断电源系统。
•漏电保护：通过电流监测，防止电路漏电。
电路保护能够提高电源系统的使用寿命和可靠性。
飞机配电系统
由馈电电缆、汇流条、配电板组成的设备
01 发展概况
03 配电器件
目录
02 配电方式 04 系统组成
目录
05 系统的控制
07 发展趋势
06 基本要求
飞机配电系统的主要功能是将飞机发电机产生的电能以不同的线制、不同的配电方式传输到汇流条，再通过 汇流条到用电设备。飞机配电系统除了配置系统外还包含控制和保护电路。在直流供电系统的飞机上，配电系统 采用单线制或双线制。在单线制电中，发电机和用电设备正端采用导线(或汇流条)连通，飞机的金属壳体作为负 线。在双线制电中，发电机和用电设备的正端、负端均采用导线(或汇流条)线连通。前者的优点是减少导线重量， 缺点是任一导线与机壳相碰，会发生短路。采用双线制可以避免短路，但是导线重量增加。
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③保护电器：包括熔断器、断路器和保护继电器等。工作原理与工业用器件相似，但为了满足体积、重量以 及各种恶劣条件下工作的要求，两者在结构上却大不相同。飞行过程中不可能更换器件，因而飞机电中大量采用 可重复工作的热断路器或磁断路器等。在飞行中有时需要强制某些设备通电而不惜其本身的损坏，因而断路器的 结构也具有非自由脱扣与自由脱扣两种形式。
飞机配电系统的配电方式可分为集中、混合、分散和独立4种。
集中配电的主要优点是当一台发电机损坏时，用电设备仍能由其他发电机继续供电，操作维护方便。
混合式供电的原理是由电源产生的电能都输送给中心配电装置，一般系统的电源汇流条均设置于此装置中。 除中心配电装置外，系统还设有分配电装置，它们安装在飞机不同部位。各用电设备可分别就近由上述两种配电 装置获取电能；而一些大功率用电设备，一般由中心配电装置供电。
④固态功率控制器：为适应固态配电方式而研制的兼有控制、保护、指示等多种功能的电器，分为混合式 （由电子器件和电磁接触器组成）和全固态（全部由电子器件构成）两种形式。
第四章飞机交流电源系统课件
二、飞机交流电源系统供电方式的分类
（一）并联供电 将多台频率相同的交流发电机并联起来，同时向机上所有汇流条 供电，称为并联供电。优点是发电机利用率高，系统工作可靠。 （二）单独供电 在正常状态时，每台发电机单独向各自的汇流条供电，只在故障 时实行转换，这种方式称为单独供电。
6
三、交流电网供电馈线的连接方式
2
二、交流电源系统的主要优缺点
（一）为什么要用交流电源作为主电源 1、电源容量的增加，要求提高电压以减轻重量 2、飞机电源工作环境条件的变化，迫使采用交流电源。 3、电压和功率变换的要求
3
（二）交流电源系统的主要优缺点
1、主要优点： 1 交流发电机工作可靠性大大提高。 2 电源电压的提高，使交流发电机和电网设备重量大大减轻。 3 交流电能易于变换，即易于变压和整流。 2、主要缺点： 1 恒速传动装置结构复杂，造价高、故障多，维护困难。 2 交流电源系统的控制保护设备比较复杂，特别是并联运行 时的控制保护更为复杂。
波形如图4-43的曲线1所示，经电容C1滤波后，电压波形将平滑一 些，接近于三角形波，如图中曲线2所示。
正好保持发电机转速为额定值所需要的输入轴转速 称为制动点
转速。可由（4-6）令
而求得：
输入转速等于制动点转速下的工作方式称为零差动工作方式。 2、恒装输入轴转速低于制动点转速时 在这种情况下，单靠机械传动，发电机的转速低于额定转速，为了 保持发电机恒速，必须由液压马达的转动补偿。 正差动工作方式 3、恒装输入轴转速高于制动点转速时 此时，单靠机械传动，发电机转速将高于额定转速，液压马达输出 齿轮反时针方向转动。
15
第四节飞机交流发电机的结构形式和励磁方式
一、励磁的形式： 1、有刷励磁——他励式、自励式 2、无刷励磁——他励式、自励式
飞机电气系统PPT全套课件
59
直流发电机
60
直流发电机
电容器
引线组件
接线柱 火花抑制盒 接线盖
夹子
带窗孔 的带 与驱动端相 对的端架
夹板
密封滚珠轴承
转轴和 板组件 转轴花键 轴承支承架
端盖 挡盖
滚珠轴承
电刷
电枢
磁轭和 激磁线圈
61
直流发电机
➢ 标称电压为30V（对应的电网 电压一般为28V）
➢特点：既有遥控式的特点，又简化了控制 线。
19
正常和非正常供电
➢ 正常供电 :
在各个飞行 阶段均可完 成对用电设 备的供电任 务
➢ 非正常供电：
系统的短时意 外失控状态
20
主电源容量
➢ 飞机上主发电系统的台数与单 台发电系统额定容量的乘积
➢ 直流电源容量单位为千瓦(kW) ➢ 交流电源为千伏安(kVA)
电阻较小，一般为百分之几 到千分之几欧姆。 3.端电压 充电 U=E+IR 放电 U=E-IR
44
铅蓄电池放电曲线
极板附近及 孔隙中的电 解液浓度迅
速下降
A
2.0
B
U
1.5
E
F
C D
极板孔隙中的 硫酸浓度与极 板外的浓度达
到一定值
1.0
孔隙内硫酸
0.5
迅速下降
扩散 作用
极板 硬化
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
t(h)
45
铅蓄电池充电曲线
2.6
2.4 b
2.2 a
2.0
1.8
de U
c
E
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
第四节飞机电气系统
航空蓄电池——一种化学电源，是化学能和电能 相互转换的装置。放电时，它把化学能转化为电能，向 用电设备供电；充电时，它又将电能转化为化学能储存 起来。
当飞机主电源采用直流电源系统时，航空蓄电池 通常与直流发电机并联供电。
正常飞行时，航空蓄电池处于被充电状态； 某些短时工作的“尖峰”用电设备工作时，作为电源系统的 辅助电源，与发电机并联一起向用电设备供电； 当发电机损坏时，作为应急电源向重要负载供电； 在应急状态下，还用作为起动发动机的电源 在地面时，又作为机上检查用的电源。
容量：30、40、60、90、120KVA 辅助电源：APU.G ； 应急电源：BAT 、INV 、RAT 、HMG 二次电源：TRU 特点：恒装的采购费用、维修费用、寿命周期费用 高；重量重、效率低、供电质量差；可靠性和可维 修性也较差。恒频。
（5）变速恒频交流电源系统（VSCF） 结构示意图：
碱性蓄电池有银锌蓄电池和镍铬蓄电池，它们的 电解质都是氢氧化钾。
银锌蓄电池的突出优点是体积小、重量轻、容量大、放电电 压平稳、自放电小；其缺点是寿命短、容易产生内部短路故障， 而且造价很高。
镍铬蓄电池与银锌蓄电池一样，也具有能适应大电流放电和 自放电小等优点；其突出的优点是寿命长，另外其低温性能好、 结构牢固、使用维护简便；其主要缺点是原材料来源少，因此造 价很高。
4）直流发电机的优缺点
缺点：可能产生电弧，烧毁换向器。 优点：并联比较容易，只要直流电压相等，正负极正确就可以通过电 源并联的方式提高供电系统的稳定性，飞机上通常用直流发电机和蓄 电池并联供电。直流发电机还可以作为起动发电机使用。
5）交流发电机的优缺点
优点：交流发电机没有换向器，不会产生火花，可靠性高，重量轻。 缺点：交流电并联比较困难，需要交流电的幅值、频率和相位完全 一致，否则并联时可能会损坏发电机，因此交流电通常不进行并联 供电。
飞机电气系统 第三章飞机交流供电系统
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
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
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
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。
飞机电气基础
飞机电气基础
飞机电气基础涉及了飞机电气系统的一些基本知识和原理。
以下是一些常见的飞机电气基础内容：
1. 飞机电气系统的组成：飞机电气系统由多个子系统组成，如发电、电池、分配、保护和控制系统等。
这些子系统一起组成了一个统一的电气系统，为飞机提供电能。
2. 飞机的电源：飞机的电源主要包括发电机和电池。
发电机通过转动机械能将其转化为电能，为飞机供电。
电池则提供临时的电能，在发电机失效或起飞和着陆阶段无法供电时提供备用电源。
3. 电气负载和运行：飞机上的电气负载包括飞机上的各种电气设备，如灯光、仪表、通信装置等。
电气系统要能够满足这些负载的需求，并保持正常运行。
4. 电气线路和保护：飞机的电气系统通过电气线路将电能传输到各个电气负载上。
这些线路需要具备适当的保护装置，如熔断器和保险丝，以防止电流过载和电路短路。
5. 控制系统：飞机的电气系统还包括一些控制设备，如开关和控制面板，用于控制不同电气设备的运行和操作。
这些控制设备通过电信号来控制电气负载的工作状态。
6. 故障诊断和维护：飞机电气系统还需要进行故障诊断和维护工作，以确保系统的可靠性和安全性。
这包括定期的检查、修
理和更换电气设备。
了解飞机电气基础对于飞机设计、操作和维护都是至关重要的。
它涉及了电力工程、电路原理和电器设备等知识领域。
浅析SR20飞机电源系统原理及故障分析
浅析SR20飞机电源系统原理及故障分析作者：武甲来源：《科技创新导报》2017年第26期摘要：飞机的电源系统是飞机上重要的功能系统之一，其作用是为整架飞机提供通讯、导航及操纵系统控制所需电能。
飞机上能产生电能的设备组合（包括电源和电源调节、电源控制和电源保护设备）叫作飞机电源系统，电源系统有主电源、辅助电源、应急电源和二次电源。
飞机上用来传输、分配、转换和控制电能的导线和设备，称为飞机配电系统或者飞机电网系统。
本文简述了通用飞机电源系统结构组成优点及针对SR20机型电源系统原理的介绍，重点是针对其在使用过程中出现的故障进行了原因分析和处理流程，并提出了在电源系统维护工作中的注意事项。
关键词：电源系统发电机电瓶 MCU中图分类号：V44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0011-021 飞机电源系统概述飞机的电网系统主要由传输电能的导线和电缆、防止导线和设备受短路或超载危害的保护装置、配电装置、电源、用电设备的控制和转换装置及电源检查仪表等组成。
现代飞机技术水平在快速地发展和提升，为了更好地完成飞行任务，更主要的是要保证飞行安全，需要大量地装备先进机载设备。
飞机上的大部分机载设备采用的都是电能工作。
飞机的电源系统和飞机的配电系统总称为飞机供电系统。
飞机上的供电系统与飞机上用电的机载设备总称为飞机电力系统。
这些电力系统在飞机长时间的发展过程中都发挥了它们的作用，并在一段时间的使用维护中发现了它们的优缺点。
所以随着飞机的发展各国和各个飞机生产厂都在研发和改进最理想的飞机供电系统。
从飞机发明至今，飞机电源系统有突出优点的就是低压直流供电系统充当飞机主电源。
（1）更容易实现飞机上多台发电机和蓄电瓶的并联供电，并保证在各种电源转换中不会断电，机载设备用电和传输电更安全可靠。
（2）直流电动机起动性能好，直流供电系统的操作和控制更简单。
（3）直流的发电机也可以作为起动电动机使用，可以减轻飞机机载设备总重量。
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同步汇流条
外电源
EPC
15
飞 机 电 源 系 统
故障状态 1
Gen1 Gen2 Gen3 Gen4
GCB1
GCB2
GCB3
GCB4
负载汇流条
BTB1 BTB2 BTB3 BTB4
同步汇流条
外电源
EPC
16
飞 机 电 源 系 统
故障状态 2
Gen1 Gen2 Gen3 Gen4
GCB1
GCB2
GCB3
Gen2
GB2 BUS2
转换继电器1 转换汇流条1
转换继电器2
转换汇流条2
12
飞 机 电 源 系 统
单独供电的控制特点
对每一汇流条而言，任一时刻只能
有一种电源供电，后者供电时前者 自动断开 不是连续供电，其供电可靠性较差 （与并联供电相比） 控制保护比较简单
13
飞 机 电 源 系 统
+E D3
(a) t3
u t
U Z1 0 t1 t2 (a ) t3 固定延时
过频保护
R16
t1
t2
A +3
C4t T3 T4 R24 R18
UC1 Us 0
U C1 Us
R17
R23
t (b)
UO1 0 (b) t
0 (c )
t
38
飞 机 电 源 系 统
过频保护
39
飞 电源系统的电压故障及其保护 机 电 源 过压故障 系 欠压故障 统 电压不稳定故障
4
飞 机 电 源 系 统
控制保护装置的类型
继电器型
磁放大器型
晶体管型
5
飞 机 电 源 系 统
交流电源系统的故障及保 护中的一般问题
1.故障类型与保护项目
过压（OV） 低压（或欠压UV） 馈线和发电机内部短路 （差动电流保护DP） 低频（或欠频UF）或欠速（UN） 电压不稳定 火警保护等等
求在1秒内断开发电机的GCR
采用固定延时方式
35
飞 机 电 源 系 统
欠频保护指标及要求
当发电机的输出频率为 370 ～ 375Hz 时，
要求在1秒内断开发电机的GCR。
当发电机的输出频率为 345 ～ 355Hz 时，
要求在0.14秒内断开发电机的GCR。同 时，封锁欠压保护电路。
欠频保护电路采用固定延时
并联供电的控制特点
通过同步汇流条实现并联供电 连续供电，供电可靠性高 控制保护复杂
19
飞 机 电 源 系 统
（复习）控制与保护装置 主要控制对象
发电机励磁控制继电器 (GCR)
GCR：Generator Control Relay 发电机断路器 (GB)(又称为发电机接触器GC或发电 机控制断路器GCB) GB：Generator Breaker GC： Generator Contactor GCB： Generator Control Breaker 汇流条连接断路器(又称并联断电器) (BTB) BTB：Bus Tie Breaker 外电源接触器 (EPC) EPC：External Power Contactor 20
GCB4
负载汇流条
BTB1 BTB2 BTB3 BTB4
同步汇流条
外电源
EPC
17
飞 机 电 源 系 统
单独供电与并联供电的混合状态
Gen1 Gen2 Gen3 Gen4
GCB1
GCB2
GCB3
GCB4
负载汇流条
BTB1 BTB2 BTB3 BTB4
同步汇流条
外电源
EPC
18
飞 机 电 源 系 统
140 126.5 0
b a t1 t2 t(s)
曲线a以下部分：安全区
曲线b以上部分：损坏区
曲线a、b之间部分：动作区
43
飞 机 电 源 系 统
保护动作时间：三种要求
立即动作：危害严重的故障，如短路（DP） 固定延时：为了防止瞬时过电压时的误动作，
通过置延时来判别不同的故障原因。
采用固定延时的故障种类：
Gen2
GB2 BUS2
转换继电器1 转换汇流条1
转换继电器2
转换汇流条2
9
飞 机 电 源 系 统
2. APU发电机供电
Gen1 外电源
EPC BUS1 GB1 BTB1 APU Gen1 APU GB BTB2
Gen1
GB2 BUS2
转换继电器1 转换汇流条1
转换继电器2
转换汇流条2
10
飞 机 电 源 系 统
欠频故障保护装置的保护功能所覆盖
52
飞 机 电 源 系 统
A B C
过压保护指标及要求
电源系统中大功率感性负载断开，或短路
故障切除时，系统电压也会出现大幅度波 动，这是允许的，保护装置不应该动作
当发电机最高相电压超过129.5V时，断开
GCR，发电机不能发电
保护电路采用反延时方式
42
飞 机 电 源 系 统
U(V)
过电压保护 上限曲线
过电压保护下 限曲线
UV、OF、RR、PMG、UB、OL、OC、UE 故障越严重，延时越短
采用反延时的故障种类：OV、OE、SP、UF
44
反延时：延时时间根据故障严重程度自动调整：
飞 机 电 源 系 统
过压故障及其保护
瞬时过电压 持续过电压
45
飞 机 电 源 系 统
A B C
过压保护电路的主要组成
D1 三 相 变 压 器 D2 D3 C1 W R1 R3 R2 D4 R4 DW 敏感电路 反延时及放大电路 2 - 7 A 3 + 4 Uo 6 R6 D5 R5 C2 +E
36
飞 机 电 系 统
R2
W1
+E R4 Uw T1 W2 R6 R7 R8 R11 A + 1 D1 R9 DW2 T2 R10 R12 Z1 D2 R13 R25 C3 R14 + A - 2 R15
DW1 C1
R22
R19
C2
欠频保护
U u UZ1 0 U
27
飞 机 电 源 系 统
（三）BTB及其控制电路
断路器控制示意图
28
飞 机 电 源 系 统
BTB断开/闭合驱动电路
29
飞 机 电 源 系 统
(四)EPC及其控制
控制逻辑
30
飞 机 电 源 系 统
EPC的控制电路
31
飞 机 电 源 系 统
EPC结构
32
飞 机 电 源 系 统
(五)APB及其控制
飞 机 电 源 系 统
2.对保护电路的基本要求
（1）正确判断和隔离故障，尽量缩小切除 部位，保证系统的生命力。 （2）保护装置动作要准确及时，尽量不中 断或少中断对用电设备的供电。
（3）保护装置既不应该误动作也不应该拒 动作。 （4）保护装置应具有自检和记忆功能。 误动作：在不应该动作时动作。
拒动作：在应该动作时不动作。
48
飞 机 电 源 系 统
A B C
发电机出现瞬时过电压
D1 三 相 变 压 器 D2 D3 C1 W R1 R3 R2 D4 R4 DW 敏感电路 反延时及放大电路 2 - 7 A 3 + 4 Uo 6 R6 D5 R5 C2 +E
49
飞 机 电 源 系 统
0
反延时特性的分析（1）
D4 R5 C2
飞 机 电 源 系 统
第7章
飞机电源系统的 控制与保护
1
飞 机 电 源 系 统
发电机励磁控制继电器 (GCR)
一、交流电源的控制问题 主要控制对象
GCR：Generator Control Relay 控制发电机励磁电路的接通与断开，决定 发电机是否发电。 发电机断路器 (GB)(又称为发电机接触器 GC或发电机控制断路器GCB) GB：Generator Breaker GC： Generator Contactor GCB： Generator Control Breaker 使发电机投入电网向发电机汇流条供电， 2 即决定发电机是否输出功率。
R4 R0
2 3
K +
U d ( s )
6 Uo
U d
U d
U d
Uo
Uo
0
t
0
t
0
t
t
50
飞 机 电 源 系 统
反延时特性
51
飞 机 电 源 系 统
欠压保护指标及要求
当发电机三相电压平均值为103～106V
时，要求在8～10秒内将发电机的GCR 断开
保护电路采用固定延时 欠压故障的保护装置功能往往被欠速和
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飞 机 电 源 系 统
A B C
发电机出现持续过电压
D1 三 相 变 压 器 D2 D3 C1 W R1 R3 R2 D4 R4 DW 敏感电路 反延时及放大电路 2 - 7 A 3 + 4 Uo 6 R6 D5 R5 C2 +E
U3+>U2-→D5导通→故障信号输出过电压故障 信号至GCR故障放大器→GCR触点跳开→GB 触点跳开→发电机灭磁并退出电网
飞 机 电 源 系 统
控制保护装置的作用 :人工或自动地接通、 断开或转换上述开关装置。
控制:主要是根据供电方式的需要及一定 的逻辑关系，控制上述那些发电机和电 网的开关元件，以完成发电机和电网主 要汇流条的接通、断开或转换工作。 保护 : 一般是在发电机或电网局部出现故 障时，有选择性地自动断开某些开关装 置，使故障部分与正常供电系统隔离， 防止故障扩大，保证系统正常供电。