飞机电气系统简介

目前，飞机上存在有三种二次能源，即液压、气压和电能。多种二次能源使飞机发动机附件盒上要装配发电机、液压泵、燃料泵和压气机等附件，安装空间紧张，检查维修困难。液压和气压系统容易泄露，生命力和可靠性低，使用维护困难。因此，很有必要改变现有飞机使用多种二次能源的状况。

1 飞机电源系统的功能及组成

如图1所示，飞机电源系统一般包括主电源系统、二次电源系统、备份电源系统、辅助电源系统和应急电源系统等。在采用电传操纵系统的飞机上，为满足飞行控制系统供电的高可靠性要求，还设置了专用电源系统。

图1 飞机电源系统

1.1 主电源

主电源是发动机直接或间接驱动的发电机系统。主电源的电功率由发动机的机械功率转换而来，它在飞机正常飞行状态时提供全部电力。

（1）低压直流电源

低压直流电源是飞机最早采用的电源，其额定电压为28.5V。近年来低压直流电源系统在技术上取得了较大的进展，在飞机可靠性、维护性、性能及重量指标方面有所提高，但直流发电机的电刷与换向器限制了电机转速，从而限制了电机的最大容量，因此低压直流电源通常用于耗电功率不大的飞机。

（2）高压直流电源

高压直流电源是一种新型电源系统，以使用开关磁阻起动发电机和固态配电设备为特征。高压直流电源系统的额定电压为270V，目前在一些战斗机上得到应用，比如美国空军的F-22和F-35。由于涉及到供电体制的变化，目前尚未大量使用。但随着多电飞机和全电飞机的发展，高压直流电源系统将得到广泛应用。

（3）恒速恒频交流电源

1946年，美国发明恒速传动装置，开辟了航空恒速恒频交流电源的时代。它是一种通过恒速传动装置使发电机恒速运行以产生恒频交流电的系统，额定频率为400Hz，电压为115/200V。目前它是应用最为广泛的一种飞机电源系统。

（4）变速恒频交流电源

变速恒频交流电源系统是一种通过电力电子功率变换器把变频发电机输出的变频交流电转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频率随发动机转速的变化而变化，通过功率变换器转换为400Hz恒频交流电。

（5）变频交流电源

变频交流电源系统是最早在飞机上使用的交流电源系统，主要用在涡轮螺旋桨飞机上，输出交流电源频率为（360Hz~600Hz），称为窄变频电源，一般用来进行加温和除冰。近年来，一些涡扇飞机将变频电源作为主电源，其频率变化范围为360Hz~800Hz，即宽变频。变频电源系统的一个特点是机载用电设备对供电质量要求不高，而用电量较大，例如用电量大的电加热除冰等负载。

1.2 二次电源

二次电源是将飞机主电源的电能转变为另一种或多种形式电能的装置，以满足机载用电设备对电能形式的不同需求，是飞机电源系统的重要组成部分。

（1）变压整流器

变压整流器是将115/200V 400Hz或变频交流电转变为直流电的二次电源。如图2所示，典型的变压整流器由三相降压变压器、二极管整流桥、输入及输出滤波器构成。

图2 变压整流器的典型线路

（2）静止变流器

凡采用直流电源系统的设计中，一般选用静止变流器作为二次电源，将直流电变换成单相或三相恒频交流电。静止变流器一般由振荡器、激励电路、功率开关电路、滤波电路、控制保护电路等组成，静止变流器的典型线路如图3所示。

图 3 静止变流器的典型线路

（3）变流机

变流机也是一种将直流电转换成单相或三相交流电的变换装置，多用于低压直流电源系统为主电源的小型飞机上。变流机由直流电动机和交流发电机组成，但这种变换方式效率低，已逐渐被淘汰。

（4）变压器

在交流供电系统中，有时需要与主电源的电压不同的交流电，为一些仪表或电子设备供电。变压器一般由一个铁心和两个绕组组成，其初级绕组为带中线的星形连接，次级绕组为三角形连接。变压器一般采用防护式结构，自然通风冷却形式。

根据主电源系统类型的不同，飞机电源系统中所包含的二次电源也存在差异。

（1）当主电源采用低压直流电源系统时，为满足交流用电设备的需求，需将直流变换为交流，变换装置为变流机或静止变流器。随着电力电子技术的发展，静止变流器因其效率高、噪声小而被广泛应用，作为现代飞机的二次电源。

（2）当主电源采用恒频交流电源时，为满足采用直流电供电和36V交流电供电的用电设备的需求，可采用交流变换为直流的变压整流器和交流变换为交流的变压器。

（3）当主电源采用变频交流电源时，则直流电源作为二次电源，并通过变压整流器获得。对于某些需要恒频交流电的用电设备，就需采用直流变换为交流的变流器获取；或直接通过变频交流电变换为恒频交流电的功率变换器获取。

1.3 应急电源

在飞机上，当主电源全部发生故障时，仍然需要用电，故必须安装应急电源。目前，飞机上采用的应急电源有冲压空气涡轮发电机、液压马达驱动发电机、应急动力装置驱动发电机、蓄电池等。

（1）冲压空气涡轮发电机

冲压空气涡轮发电机是最早用于飞机的应急电源设备，在很短时间内即可投入正常工作。其主要缺点是投放机构不可靠，系统运行难以检测以及当速度低又要求大功率输出时，冲压空气涡轮尺寸太大。

（2）液压马达驱动发电机

液压马达驱动发电机主要用于较先进的军用机和一些民用飞机上，如F-15、B767和“协和”等，具有输出功率大、不受外界条件影响等优点；但当存储的高压液压油工作时，结构重量和工作时间受限制；而用飞机主液压系统驱动时，效能和可靠性低。

（3）应急动力转置驱动发电机

用应急动力装置驱动的发电机用于先进技术飞机，动力装置采用燃气燃料。其优点是机动性好，能立即投入使用，在任何飞行状态下供电可靠。缺点是存储燃料有限，工作时间短。为解决长时间供电问题，可由主发动机引气来驱动应急发电机，但会影响飞机动力系统性能。

（4）蓄电池

蓄电池是飞机必备的应急电源装置。当要求的功率不大且供电时间不长时，则蓄电池是最佳的应急电源方案。飞机上常用的蓄电池有锌银蓄电池、铅酸蓄电池、镉镍蓄电池。

1.4 地面电源

为了飞机地面检查维修以及起动发动机等，应设置地面电源。地面电源是地面电源供电设备，飞机上设置地面电源插座、地面电源监控器以及地面电源接触器。

1.5 备份电源

备份电源通常是指在正常电源故障时用来替代的电源装置。是否需要备份电源主要取决于飞机的可靠性要求和完成飞行任务的迫切性。主电源和二次电源都可以有备份电源。

1.6 辅助电源

辅助电源是由辅助动力装置驱动的发电机，其容量往往与主发电机相同。

1.7 专用电源

目前，在一些先进飞机上，要求装备专用电源为重要的关键用电设备提供电能，如飞行控制系统、航空电子系统和全权发动机数字控制系统等。专用电源一般都要求不中断供电和余度供电。

1.2 电气负载

在飞机设计的初期阶段，电气负载分析是个不可或缺的环节，这是电源系统设计的基础工作。

（1）性质分类

可分为电动机、加温、照明、电子、控制等类型。

①电动机类：所用的电动机一般为交流异步电动机和直流电动机。

②加温类：所有电加温的用电设备，如风挡玻璃加温、空速管加温等。

③照明类：各种照明及信号灯具，包括座舱照明和航行灯、着陆滑行灯、防撞灯等机外照明；客机的客舱照明、货舱照明、各设备舱照明等。

④电子类：飞行控制、自动着陆等重要电子系统通常要求多余度供电和不间断供电。

⑤控制类：包括继电器、指示器和指示灯等。

（2）按重要性分类

可分为三种主要类型：关键负载、重要负载和非重要负载。

①关键负载：即保证飞机安全返航与着陆所需最低限度的用电设备。通常由应急汇流条对这些应急负载供电。

②重要负载：即完成正常飞行任务所需的用电设备。飞机上大部分用电设备属于此类负载。

③非重要负载：即在电源出现故障、供电不足时，不影响飞行安全和正常飞行任务的可以临时卸载的用电设备，如厨房烹饪设备等。

（3）按工作方式分类

用电设备的工作方式直接影响到对电源容量的要求，可分为三类：连续工作负载、短时工作负载和重复工作负载。

①连续工作负载：用电设备通电工作时间较长，能够达到稳定温升的状态，称为连续工作。一般把工作时间长于5min的负载定义为连续工作负载。

②短时工作负载：用电设备通电工作时间较短，不足以达到稳定温升的状态，称为短时工作。把工作时间大于0.005min而小于或等于5min的负载定义为短时工作负载。

③重复工作负载

当用电设备工作时多次接通和断开，而每次接通时间和两次接通之间的间隔时间都不足以达到稳定温升或完全冷却，这种工作状态称为重复短时工作。