飞机电源系统

以下是一篇关于飞机电源系统的思维导图，讲述了飞机电源系统概述、交流电源、直流电源、起动发动机、外部电源、其他电气设备等。

飞机电源系统

• 概述
  • 作用
    • 对机载设备供电
      • 电子设备供电
      • 加温设备和电加热的防冰系统供电
      • 灯光照明设备供电
      • 飞机其他系统
    • 多电飞机
      • B787
        • 除传统电源系统功能外，还能给发动机和APU的起动、客舱增压、电刹车和机翼电防冰
  • 分类
    • 按类别
      • 主电源
      • 应急电源
      • 二次电源
      • 辅助电源
    • 按供电结构
      • 并联供电
      • 单独供电
    • 按电源类型
      • 直流电源系统
        • 低压直流电源系统
          • 28V
        • 高压直流电源系统
      • 交流电源系统
        • 恒速恒频（CSCF）交流电源系统
          • 115/200伏，400Hz，三相
        • 变速恒频（VSCF）交流电源系统
        • 变速变频（VSVF）交流电源系统
        • 混合电源系统
  • 常见架构
    • 交流电源
      • IDG1、2，APU起动发电机，外接电源，备用交流电源
    • 直流电源
      • TRU1、2、3变压整流出的直流电源，电瓶，电瓶充电器的直流电源
    • 架构示意图
    • 电路图
  • 构成
    • 整体驱动发电机（IDG）
    • 变压整流器（TRU）
      • 115V交流-28V直流
    • 发电机控制组件（GCU）
    • APU发电机控制组件（AGCU）
    • 起动控制组件（SCU）
    • 汇流条电源控制组件（BPCU）
    • 静变流机（INV）
      • 直流-单相115V交流
    • 备用电源控制组件（SPCU）
      • P6板
  • 控制
    • 发电机转速控制
      • 整体驱动发电机IDG=恒速传动装置CSD+发电机GEN
      • CSD输出转速为24000r/min
    • 发电机励磁控制
      • GCU通过控制内部的发电机控制继电器GCR来进行励磁控制
      • 电源控制面板上关闭IDG就是通过断开GCR来切断励磁
    • 发电机调压控制
      • GCU控制
    • 发电机输出控制
      • 发电机控制接触器GCB控制
    • 发电机并联控制
      • 交流发电机通常采用单独供电
      • 部分新式飞机在电源转换时允许交流发电机短暂的并联供电，这项功能叫做无间断的电源转换（ NBPT）功能
        • A330由ECMU控制
    • 汇流条控制
      • 按电流类型
        • 交流汇流条
        • 直流汇流条
      • 按作用
        • 主汇流条
        • 备用汇流条（空客飞机上称作重要汇流条）
  • 驾驶舱控制面板和显示
    • 电源参数显示面板
      • • 琥珀色的电瓶放电灯 BAT DISCHARGE 将在电瓶出现电流输出大于 5 安培超过 95 秒，或电流输出大于 15 安培 25 秒，或电流输出大于 100 安培超过 1.2 秒时点亮，此时主警告灯和信号牌上的 ELEC 灯将与电瓶放电灯一起亮
        • 琥珀色的 TR UNIT 灯指示变压整流器组件 TRU 故障
          • 当任一 TRU 在地面故障
          • 或 TRU1在飞行中故障
          • 或 TRU2 和 TRU3 在飞行中故障出现时
          • TRU 组件灯 TR UNIT 亮
        • 琥珀色的 ELEC 灯指示直流电源或备用电源系统故障
          • 地面进行测试时才有可能点亮
  • 典型布局
    • 电源系统部件大多在 EE 舱中
• 交流电源
  • 介绍
    • 交流电来源
      • 左/右发整体驱动发电机IDG，（ 90 千伏·安)
      • APU起动机发电机（低于9753.600米（ 32000英尺） 时90千伏·安， 9753.600米～12496.80米（ 32000～41000英尺） 之间降为66千伏·安)
      • 地面外部电源（ 90 千伏·安)
      • 应急发电机（至少5 千伏·安）
      • 当没有其它交流电源可用时，静变流机将直流电源转换为交流电源
    • 交流电源系统工作
      • 三相、四线制系统，正常使用电压 115／200 伏， 400 赫兹
      • • BPCU 通过GCU控制断路器 BTB 在出现下列任一情况时将左右交流转换汇流条连接在一起
          • 失去到左或右转换汇流条的电源
          • 外部电源是唯一电源
          • APU 电源是唯一电源
        • 主电瓶充电器从地面勤务汇流条 2 得到电源，辅助电瓶充电器从地面勤务汇流条 1 得到电源
        • 交流转换汇流条 1 在正常情况时还给交流备用汇流条供电
        • 如果没有正常的交流电供应时， 静变流机将直流系统得到电源（电瓶或电瓶充电机）转换为 115 伏、 400 赫兹的单相交流电供给交流备用汇流条
  • 交流电源部件
    • 地面电、发电机和 APU 发电组件
      • • 蓝色的地面电源可用灯 GROUND POWER AVAILABLE 在连接好地面电源插头且电源质量符合时点亮
        • 琥珀色的转换汇流条关断灯 TRANSFER BUS OFF当该侧的交流转换汇流条没有电时，该灯点亮
        • 琥珀色的电源关断灯 SOURCE OFF 有两个，灯亮时用来指示交流转换汇流条没连接到选定的电源上
        • 蓝色的发电机断开汇流条灯 GEN OFF BUS 在相应的发动机发电机控制断路器GCB）打开时点亮，表明该侧 IDG 不是正在使用的电源；当GCB 闭合时灯熄灭，表明该侧 IDG 产生的电源接入电网
        • 汇流条转换电门可对 BTB、直流汇流条继电器，以及 TRU3 转换继电器进行控制
          • 在自动位 AUTO 时，BTB、直流汇流条继电器和 TRU 转换继电器按需自动工作
          • 在关断位 OFF 时，直流汇流条继电器和 TRU3 转换继电器不能接通，而 BTB 的使用取决于在电门作动前的电源供应状况
    • 恒速装置（CSD）
      • 差动运行方式
        • 在低速区，如发动机慢车时，这被称为正差动运行
        • 在低速和高速区域之间，恒速装置只是将输入速度传输到输出端，这称为直驱运行
        • 在高速区，如起飞功率时，这被称为负差动运行
        • 在巡航过程中通常采用的是负差动运行
      • 脱开和复位机构
        • 人工
          • 按压驾驶舱脱开电门
            • IDG 脱开后，对应的发电机的输出电压和频率都应显示为零
            • 在地面、 发动机停止转动时可通过人工拉动复位环复位
            • 注：为防止电磁线圈通电过热，按下电门不超3秒，且每分钟最多脱开1次
        • 自动
          • 热脱开（IDG滑油温度高）
          • 剪切脱开（IDG力矩太高）
          • 不可在位复位
    • 恒速恒频交流发电机
      • IDG是三相无刷机构
        • 激励器转子（电枢）
        • 主发电机（激励器）定子
        • 主发电机转子（磁场绕组）
        • 永磁发电机（PMG）转子
        • PMG 定子
        • 中线电流变压器（NCT）
      • IDG 使用独立滑油系统对内部的液压机械（恒速传动） 调压控制以给发电机提供恒速驱动
        • 进行滑油量检查之前保证发动机至少停车 5 分钟，按压通气活门 15 秒来给 IDG 通气以卸掉在壳体内集结的压力
      • • • 位于驾驶舱的传动灯 DRIVE 灯在 IDG 滑油压力低于最小使用限制或存在欠频状态时点亮
          • 备用电源关断灯在下列任何一个汇流条失去电源时点亮
            • 交流备用汇流条
            • 直流备用汇流条
            • 电瓶汇流条（当电瓶电门在 ON 位时）
    • 发电机控制组件（GCU）
      • 功能
        • 控制发电机控制断路器GCB和汇流条断路器BTB
        • 提供/控制给IDG发电机的激励
          • 如果下列任何信号都会使得 GCR 打开， 发电机的激励电源将断开
            • 发电机电门在关断位（ OFF）
            • 发动机防火电门在防火位置
            • GCU 保护功能触发
            • 发电机传动断开（欠频保护）
        • 保护电源系统和 IDG 电气参数不在限制
        • 控制在驾驶舱电源面板组件上的指示
        • 可做BITE自检进行故障隔离
        • AGCU和GCU可互换， 但当GCU安在AGCU位置时本体上的IDG故障灯不会点亮
      • 电路保护
        • 超压和欠压保护
        • 频率保护
        • 相电流不平衡保护
        • 发电机二极管失效保护
        • 相序保护
        • 过流保护
        • 差动故障保护
        • 同时断开GCB和GCR
        • 欠速保护
          • 对于由于欠速导致的欠频，只有 GCB 被断开
            • 例：对于 IDG 电源接入电网时的发动机正常关车
        • GCU 故障安全模式
        • GCU 自动闭合
    • 汇流条电源控制组件（BPCU）
      • BPCU 可以直接闭合 EPC，而 BTB 的闭合由 BPCU 通过 GCU 执行。 BPCU 也控制到主汇流条和厨房的电源， 如果电源负荷太高， BPCU 断开厨房和主汇流条卸载继电器
      • 当使用外接电源时如果出现过流， BPCU 断开 BTB2； 如果过流仍然存在，则断开 BTB1； 如果仍无法解决问题， BPCU 最终断开 EPC 切断电源的供应
      • 具体功能
        • 外部电源接触器（ EPC）控制
        • 交流分配汇流条保护
        • 外部电源监控和保护
        • 驾驶舱指示
        • 汇流条和厨房卸载
        • 地面勤务电源控制
        • 加油站电源
        • 机内测试设备用于故障隔离
    • 应急交流电源发电设备
      • 电瓶
        • 电瓶输出的电不仅可以经 24 伏直流汇流条供给直流应急汇流条，还可供向静变流机转换成 115 伏交流电后供给交流应急汇流条
          • 单个电瓶至少可以供电时长约为 30 分钟
          • B737NG交流备用汇流条的正常电源来源于交流转换汇流条 1，如果转换汇流条 1 没电时，静变流机是其备用电源。静变流机使用直流电源给备用负载提供 115 伏、400 赫兹的单相交流电
            • 静变流机遥控电路断路器RCCB控制给静变流机提供电瓶电源，当电瓶电门在 ON 位或者备用电源电门位于 BAT位置，静变流机便可得到电源
      • 冲压空气涡轮驱动的应急发电机
        • 直接驱动应急发电机发电
          • ADG
        • 冲压空气涡轮驱动应急液压泵产生液压，然后由液压去驱动应急发电机
          • CSMG/HMG
    • 发电机控制断路器（GCB），辅助电源断路器（APB）和汇流条断路器（BTB）
    • 其他类型的交流发电机
      • B787发电机取消了传统发电机的 CSD 机构，采用变速变频VSVF、更大的发电能力和更高的能量效率的发电机
• 直流电源
  • 介绍
    • 直流电来源
      • 直流发电机
        • 中小型
          • 28 伏、 115 伏、 230 伏、 460 伏
        • 大型
          • 800 伏
      • 变压整流器(或 TR 装置)
        • 飞机正常运行时的直流电源都来自于变压整流器 TRU
          • TRU 没有外部控制且 TRU 的件号是一样的
      • 电瓶
        • 镍镉蓄电瓶（碱性，24V）
          • 用于地面启动 APU 或在飞行中失去其他电源时作为应急电源给飞机重要系统供电
    • 直流电分配示意图
      • • TRU3 的输出主要为电瓶汇流条供电，其通常从 2 号转换汇流条得电； 在 2 号转换汇流条没电的情况下，由 1 号转换汇流条通过转换继电器作为备用电源向 TRU3 供电
        • 电瓶充电机是热电瓶汇流条和电门热电瓶汇流条的主要供电源
    • 电瓶充电器两种工作模式
      • 充电模式
        • 主模式状态
        • 过充模式状态
        • 注：电瓶充电机在有下列任何情况时不能进入充电模式
          • 加油盖板打开
          • APU 起动
          • 备用电源电门在 BAT 位
          • 备用电源电门在 AUTO 位、 电瓶电门在 ON 位，但直流汇流条1和交流转换汇流条1没有电
          • 电瓶过热
      • 变压整流（TR）模式
        • 主电瓶充电机给热电瓶汇流条和转换热电瓶汇流条提供恒压的直流电源，主电瓶也会由主电瓶充电机充电以保持电瓶电量最大
  • 电瓶
    • 种类
      • 铅酸电瓶
        • 判断充电状态
          • 电解液浓度
      • 镍镉电瓶
        • 内部结构
          • 20 个独立的单体电池串联
            • 正常情况下，每个单体电池产生 1.2 V的电压，电压为 24 V
            • 充电结束时，单个电瓶的电压上升到 1.5 V
            • 完全放电时，放电电压降至 1.0 V
        • 组成
          • 极板
          • 电解液
            • 不参与化学反应，而是作为电离子的导体，起到导电的作用
            • 调节和补充
              • 充电结束前15-30min或充电结束后马上调整
                • 镍铬电瓶在放电或放置很长时间后，极板和隔膜会吸收电解液。如果放电后补充电解液，充电时可能会溢出
          • 隔膜
            • 热击穿
          • 释压阀
        • 判断充电状态
          • 充电电流和充电时间
          • 过充电会消耗电解液中的水
      • 锂离子电瓶
        • B787
    • 充电方式
      • 恒压充电
        • 优点
          • 充电速度快
          • 充电设备简单
          • 电解液的水分损失比较小
        • 缺点
          • 冲击电流大
          • 单体电池充电不平衡
          • 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＂和“容量下降”
      • 恒流充电
      • 恒压恒流充电
        • 先恒流再恒压
          • • 电压转折点取决于电瓶温度和型号
    • 安装构型
      • 1 个至 3 个电瓶一起工作来保证直流电的备份，所有电瓶均接入主电网，并在 APU 的启动时能同时提供电源
        • 大多数飞机
      • 1 个电瓶提供应急电源，称为主电瓶； 另一个电瓶不参与飞机的电网，主要用于 APU 启动，因此称为 APU 电瓶
    • 电瓶的保护
      • 温度保护开关
        • 高于 65.5℃时会断开电瓶充电电源
      • 低温敏感开关和加温装置
        • 低于-2℃时接通加温电路，高于 5℃时断开
    • 电瓶的维护
      • 适航标准明确规定，当电瓶容量低于额定容量的 85%时不允许装机使用
      • 镍镉电瓶调节电解液高度时必须使用蒸馏水或脱矿水，不能有杂质，铅酸电瓶调节电解液高度时需要添加硫酸，稀释硫酸过程必须将浓硫酸缓慢倒入水中，添加电解液必须添加到指定高度
      • 尽量避免连续太多次的 APU 启动尝试，否则会导致电瓶过热降低电解质性能， 甚至熔化塑料隔膜而损坏电瓶
• 起动发电机
  • 介绍
    • 起动发电机的优点主要是实现了一机两用
      • 发动机起动时， 起动发电机工作用于起动状态来驱动发动机的运转
      • 发动机起动完后，起动发电机转为发电工作状态
      • 减少了机载设备数量，同时也使得飞机总重减小
    • f=pn/60 （其中p为磁极对数，n为转速，f为输出频率）
    • 起动发电机一般由其本体的滑油系统对它润滑、冷却
  • 直流起动发电机
  • 交流起动发电机
    • 三级无刷同步发电机
      • 永磁发电机（ PMG)
      • 励磁机
      • 主发电机
• 外部电源
  • 类型
    • 固定电源，主要用于维修机库附近，或者靠近廊桥
    • 移动电源车，这种类型用于没有固定电源的停机坪上
  • 外电源接入面板
    • 外电源插座有六根销钉
      • 3 根钉分别连接交流电的三相电（ 销钉 A、 B、 C）
      • 1根钉用于地线（ 销钉 N）
      • 两根短钉用于给 BPCU 的内锁逻辑（ 销钉 E、 F）
    • 白色的外电源未使用灯 NOT IN USE
      • 点亮表明地面电源品质良好且未接入地面勤务汇流条和转换汇流条
    • 琥珀色的外电源连接指示灯 EXTERNAL POWER CONN
      • 在外电源插头插上并且有电时点亮
    • 驾驶舱 P5-4 板处的蓝色地面电源可用灯 GRD POWER AVAILABLE
      • 由 BPCU 向该指示灯提供电源，当插头处的销钉 E、 F 连接好和外电源品质正常时该灯点亮
  • 地面勤务汇流条
    • 单独供电给地面勤务汇流条、 给飞机的加油和相应的勤务工作提供电源，如客舱电子舱照明灯光供电、 客舱勤务电插座供电和货物装卸系统供电
    • 地面勤务开关
      • 位于前乘务员面板
• 其他电气设备
  • 变压器
    • 改变交流电电压大小或电流
    • 输入端接电源，输出端接负载
    • U1/U2=N1/N2 I1/I2=N2/N1
  • 整流器
    • 交流电转化为直流电
    • 常见的单相整流电路
      • 单相半波整流电路
        • 结构最简单，效率最低
          • 有1个二极管
      • 单相全波整流电路
        • 整流二极管承受反向电压最大
          • 有2个二极管
      • 桥式整流电路
        • 使用最多，克服了全波整流电路的缺点，继承了优点
          • 有4个二极管
    • 常见的三相整流电路
      • 三相桥式整流电路
        • • 输出脉动频率是输入的6倍
      • 六相全波整流电路（飞机广泛采用）
        • Y/△Y型连接
          • 输出脉动频率是输入的12倍
  • 静变流机
    • 失去正常交流电源后，静变流机把电瓶提供的直流电通过内部的电子电路转化成为交流电，供给飞机上必须使用交流电的重要设备，保证应急状态下的飞行安全
    • 组成
      • 直流电源
      • 逆变器
        • 核心组件
          • 一个能把直流电转换为交流电的逆变电路
      • 滤波网络
        • 输入滤波网络
          • 隔离输入的直流电电网的瞬变，以及防止逆变器反向对直流电网可能产生的噪声干扰
        • 输出滤波网络
          • 过滤高频谐波，保证输出正弦波不失真
  • 开关
    • 扳动开关
    • 按钮开关
    • 旋转开关
    • 跳开关
      • 电路过载时的保护
        • 数字代表额定电流
  • 电路断路器
    • 主要远程控制大功率电路(工作电流大于 25 安培)的工作
  • 继电器
    • 主要远程控制小功率电路(工作电流小于 25 安培)的工作
• 配电系统
  • 配电方式
    • 集中式配电
      • 广泛采用
    • 分布式配电
      • B787
  • 交流配电系统
    • 交流电网的汇流条
      • 转换交流汇流条
      • 主交流汇流条
      • 备用交流汇流条
      • 其他：厨房汇流条
    • 典型供电方式
      • 单电源供电
      • 多电源并联供电
        • B747有系统分离断路器（SSB）
          • • 发动机的发电机向飞机电网并联供电时，相应的BTB、 GCB 和 SSB 都是闭合的。如果有一台发电机的交流电参数无法满足并联供电的条件，相应的 BTB 也会断开
            • 双外接电源或者是 APU 的双发电机供电时， SSB 会断开
  • 直流配电系统
    • 直流电网的汇流条
      • 热电瓶汇流条
        • 直接和电瓶相连，所有飞机上不能断电的设备由热电瓶汇流条供电
          • 时钟、灭火瓶等
      • 开关热电瓶汇流条
      • 电瓶汇流条
        • 是飞机上重要的直流汇流条
      • 直流备用汇流条
      • 直流汇流条
  • 应急配电系统
    • 电瓶
    • 冲压空气涡轮驱动的应急发电机
      • 直接驱动应急发电机发电
        • ADG
      • 冲压空气涡轮驱动应急液压泵产生液压，然后由液压去驱动应急发电机
        • CSMG/HMG