A320飞机电源系统与故障分析-.docx

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中文摘要

A320飞机是欧洲空中客车工业公司研制的双发单通道中短程客机，由于它是世界上第一种采用电传操纵和侧杆驾驶的亚音速民用客机，因此该机对供电系统比较严格，加强对电源系统的研究十分必要。

飞机电源系统是机载电气设备的一个重要组成部分，它的作用是向飞机上的所有用电设备供电。

恒速恒频交流电源（CSCF）是一种较先进的机载电源，是大型喷气式飞机上常采用的电源型式，也是电力电子技术在该领域的成功应用。

如B747,B757,A320等大型客机上采用的都是恒速恒频交流电源系统。

恒速恒频电源主要采用了组合驱动发电机，微处理器式发电机控制保护组件及汇流条功率控制组件，使其具有重量较轻、体积小、可靠性高等优点；此外，由于控制组件采用了模块式设计，并具有机内自检功能,使维修性得到改善。

对民用航空器机务维修人员来说，加强对飞机电源系统的认识和研究将有助于快速准确地排除飞机故障。

该选题具有重要的现实意义。

本论文主要介绍了A320飞机电源系统中的交流电源部分，全文共分六大部分：

绪论，恒速恒频交流电源系统，主交流电源，辅助交流电源，外电源，应急交流电源，电源系统主控制面板简介和交流电源系统故障分析。

其中主要阐述了作为交流电源系统核心部件的组合驱动发电机IDG的简单原理和工作过程，发电机控制组件GCU的控制与保护，以及应急状态下飞机交流电源系统的工作情况。

最后，针对A320飞机交流电源系统常见或可能的故障进行了分析并提供了排除办法。

并用Simulink软件对航空静止变流器逆变部分模拟仿真。

关键词：

电源恒速恒频发电机故障维护仿真

ThispaperA320aircraftisEurope，sAirbusIndustriedevelopedshort-rangetwin-engineaircraftinasinglechannel,becauseitisusingtheworld，sfirstfly-roddrivingandsidesubsoniccivilaircraft,aircraftpowersupplysystemandthereforemorestringentstrengthenResearchonthepowersystemisnecessary.Aircraftpowersystemisanimportantpartoftheonboardelectricalequipment,itsroleistosupplyalltheelectricalequipmentontheaircraft.ConstantspeedconstantfrequencyACpowersupply（CSCF）isamoreadvancedairbornepower,isoftenusedonlargejetpowertype,butalsothesuccessfulapplicationofpowerelectronicstechnologyinthefield.SuchastheuseoftheB747,B757,A320andotherlargeaircraftareconstantspeedconstantfrequencyACpowersystem.Constantspeedconstantfrequencypowersupplyusesacombinationofmainlydrivengenerators,microprocessor-controlledgeneratorbusbarprotectioncomponentsandpowercontrolmodule,ithasalightweight,smallsize,highreliability。

Inaddition,sincethecontrolmoduleusesamodulardesign,andhasaself-testfunctionwithinthemachine,sothatmaintenancecanbeimproved.Forcivilaircraftmaintenancepersonnel,thestrengtheningoftheaircraftpowersystemawarenessandresearchwillhelptoquicklyandaccuratelyexcludeaircraftmalfunction.Thetopichasimportantpracticalsignificance.

ThispaperwillintroducestheA320aircraftpowersystemACpowersection,thetextisdividedintosixparts:

introduction,constantspeedconstantfrequencyACpowersystem,themainACpowersupply,auxiliaryACpowersupply,externalpowersupply,emergencyACpower,thepowersystemmastercontrolPanelOverviewandACpowersystemfaultanalysis.

MainlydescribesthesystemasacorecomponentoftheACgeneratordrivenIDGcombinationofsimpleprinciplesandworkprocesses,controlandprotectionofthegeneratorcontrolunitGCU,andtheworkoftheaircraftunderthestateofemergencyACpowersystem.Finally,theA320fortheACpowersupplysystemormaybeacommonfaultanalysisandprovidesawaytoexclude.AndaviationstaticinverterinverterpartsimulationusingSimulinksoftware.

Keywords:

:

PowerCSCFGeneratorFaultmaintainsimulation

目录

第一章绪论 1

第二章飞机电源系统 3

2.1飞机电源系统的组成 3

2.2飞机电源系统的类型及特点 3

2.2.1低压直流电源系统 3

2.2.2变速变频交流电源系统（VSVF） 4

2.2.3混合电源系统 5

2.2.4恒速恒频交流电源系统（CSCF） 5

2.2.5变速恒频交流电源系统（VSCF） 6

2.2.6270V高压直流电源系统 7

2.3飞机电源系统的发展方向 8

2.3.1飞机电源系统的发展 8

2.3.2先进飞机电源系统状况 8

第三章A320飞机交流电源系统 10

3.1A320飞机电源系统的分配 10

3.2A320飞机交流电源系统的组成及功能 11

3.2.1A320飞机交流电源系统的组成 11

3.2.2A320飞机交流电源系统各部分的功能 12

第四章飞机恒速恒频电源系统 22

4.1飞机恒速恒频电源系统概述 22

4.2齿轮差动式液压恒速传动装置 22

4.2.1差动游星齿轮系的工作原理 23

4.2.2液压马达与液压泵 24

4.2.3齿轮差动式液压恒速传动装置的调速系统 25

4.2.4恒速传动装置的滑油系统 27

4.3飞机无刷交流发电机 28

4.3.1飞机无刷交流发电机的结构 28

4.3.2交流励磁机和旋转整流器的工作特性 29

4.3.3飞机无刷交流发电机的特性 32

4.3.4飞机交流发电机的冷却方式 32

4.4飞机无刷交流发电机的电压调节 33

4.4.1交流发电机电压调节器的功用 33

4.4.2晶体管电压调节器的构成及工作原理 33

第五章飞机电源系统的常见故障 36

5.1飞机电源系统的常见故障及原因 36

5.1.1发电机不发电 36

5.1.2发电机过载 37

5.1.3两个发电机都故障 38

5.1.4IDG出现滑油低压或过热的故障 38

5.2飞机电源系统的常见故障的排故方案 39

5.2.1排除故障的基本程序 39

5.2.2发动机不发电的排故方案 40

5.2.3发动机过载的排故方案 40

5.2.4两个发电机都故障的排故方案 41

5.2.5IDG出现滑油低压或过热故障的排故方案 41

第六章 航空静止变流器逆变部分的仿真

6.1静止变流器概述 41

6.2单相航空静止变流器结构特点及工作原理 42

6.3建立单相桥式逆变电路的Simulink的仿真模型 43

第七章全文小结

参考文献 44

致谢 45

毕业设计小结 46

附录 47

第一章绪论

飞机电源系统是机载电气设备的一个重要组成部分，它的作用是向飞机上的所有用电设备供电。

飞机的电源系统和用电设备组成了飞机电气系统。

飞机电源系统的主要功能是产生或存储机载用电设备所需的电能，以保证机上各种用电设备工作时电能的供应。

因此，飞机电源系统作为飞机上必不可少的组成部分，对飞机电源系统的研究就显得十分重要。

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，中型和大型飞机上还包括辅助电源。

本文的第二章将详细介绍飞机的电源系统。

民用航空事业是我国发展最快的行业之一。

近几年来，随着民航事业的发展,对机务维修人员从数量到质量的需求都提出了更高的要求。

而电源系统作为飞机的重要组成部分，加强对它的研究很有必要。

飞机电源是现代飞机必不可少的一部分，对民用航空器机务维修人员来说，加强对飞机电源系统的认识和研究将有助于快速准确地排除飞机故障。

空中客车A320系列飞机是法国空中客车公司制造的一款中短程窄体商用客机，是第一款使用数字电传操纵飞行控制系统的商用飞机。

A320飞机作为我国民用航空企业现役飞机中的主要型号，在对飞机电源系统的研究上以此型号为例是十分具有典型性和说服力的。

本文正是通过对A320飞机的交流电源系统的认识和分析，从而对各类飞机电源系统的组成、发展和排故等方面进行进一步的研究和探讨。

本文以A320飞机为例，对飞机电源系统做了简要的介绍及研究。

其中，包括飞机电源系统的组成、特点及发展等等。

此外，还特别针对A320飞机的交流电源系统进行了探讨及研究，并扩展到恒频恒速电源系统。

最后，对A320飞机的一些常见故障进行了探讨和排故。

其中，恒速恒频交流电源系统重点介绍了齿轮差动式液压恒速传动装置的结构组成及工作原理、飞机无刷交流发电机的工作特性、晶体管电压调节器的构成及工作原理。

A320飞机交流电源系统主要介绍了主交流电源（组合驱动发电机IDG和发电机控制组件GCU）、应急交流电源（应急发电机）。

此外，对电源系统故障现象及排故方案也作了详细的分析和讨论。

全文并附有大量的原理图。

本论文一共分为五章：

第一章主要介绍了飞机电源系统的概况，并对本文研究的目的，对象及内容作了简单的介绍。

第二章主要介绍了飞机电源系统的组成、类型、特点及发展等。

第三章主要以A320飞机为例，介绍了飞机交流电源系统的组成、优先供电及分配等情况。

第四章主要介绍了飞机恒速恒频系统的组成及基本原理。

第五章主要介绍了飞机电源系统的常见故障及原因，并根据相应的故障来探讨对应的排故方案。

第六章主要介绍航空静止变流器逆变部分的仿真。

第二章飞机电源系统

2.1飞机电源系统的组成

飞机电源系统由主电源、辅助电源、应急电源、二次电源及外接电源插座等构成。

飞机主电源是指由飞机发动机直接或间接传动的发电系统，通常一台发动机传动一台或两台发电机。

正常飞行时，飞机主电源是机上全部用电设备的能量来源⑵。

飞机在地面时，主电源不工作，机上用电设备由辅助电源或机场专用电源通过机上的外接电源插座供电O辅助电源有航空蓄电池和辅助动力装置传动的发电机（APU）两种，小型飞机常用蓄电池，大型飞机多用辅助动力装置传动的发电机。

辅助电源一般在地面工作，也可以在空中接替失效的主发电机向飞机供电。

飞行中若主电源和辅助电源全部失效，则由应急电源供电。

常用的应急电源有航空蓄电池、静变流器和冲压空气涡轮发电机。

正常时，冲压空气涡轮发电机收在飞机机体内，应急供电时，靠迎面气流驱动涡轮，带动发电机工作。

由于航空蓄电池及应急发电机的容量较小，因此只能向飞机上的重要用电设备供电，以保证飞机尽快选择机场着陆或返航。

飞机在机场作地面检查或启动航空发动机时，常由外接地面电源向机上供电。

外接电源工作时，机上主电源一般不投入电网。

二次电源是将主电源电能变换为另一种形式规格的电能，以满足不同用电设备的需要。

在低压直流电源系统中，二次电源有旋转变流机、静止变流器、直流升压机和直流变换器等，可以将低压直流电变换为交流电或高压直流电。

在交流电源系统中，二次电源主要指变压整流器，可以将三相交流电变换为28V的低压直流电。

2.2飞机电源系统的类型及特点

飞机上采用的主电源模型随飞机类型及性能要求、飞机的用途及用电设备的不同而有所不同。

目前国内外正在使用的飞机主电源是多种多样的：

有低压直流电源系统、变速变频交流电源系统、恒速恒频交流电源系统及变速恒频交流电源系统和高压直流电源系统等。

2.2.1低压直流电源系统

低压直流电源是飞机上最早采用的电源系统，20世纪40年代趋于成熟。

主电源由航空发动机直接传动的直流发电机和控制保护器等组成。

电源的调定电压是28.5V,发电机的额定容量有3kW、6kW、9kW、12kW等几种，相应的额定电流分别为100A、200A、300A和400A。

二次电源是由旋转变流机或静变

流器把低压直流电转变为单相或三相交流电，应急电源是航空蓄电池。

大型飞机上有辅助动力装置传动的直流发电机作辅助或备用电源。

采用这种电源系统的机型有运一5,伊尔一14及C—46等。

自1914年飞机上第一次使用航空直流发电机以来，飞机直流电源系统经历了九十年的发展过程，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、保护器和滤波器等组成。

目前一般在30座以下的小型支线飞机上，普遍采用低压直流电源系统。

这一方面是因为支线飞机的用电量不大，另一方面由于近年来逐步采用了新型的低压直流电源系统，其高转速（6500〜12000r/min）和高性能导磁材料的使用使电机的体积重量大大减轻。

如9kW的启动发电机重量从28kg降到15.4kg,其重量功率比从3.11降低为1.70o

同时，新型的直流启动发电机采用固态发电机控制保护装置，除了具有调压、故障保护及控制功能外，还具备机内自检等功能，使直流发电系统具有更优越的性能。

因此，在小型支线飞机和通用航空飞机上得到了广泛应用。

2.2.2变速变频交流电源系统（VSVF）

随着飞机的不断发展，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有所提高，低压直流电源系统已不能满足飞机的用电需要，从而促进了飞机交流电源系统的发展。

变速变频交流电源系统是最早在飞机上使用的交流电源系统。

变速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，并称之为窄变频交流电源系统。

当交流同步发电机通过变速器直接由飞机发动机传动时，发出的交流电是变频交流电，其结构示意图如图2-1所示。

图2-1变速变频交流电源方块图

变频电源系统不需要恒速传动装置，因而系统结构简单、重量轻、可靠性高。

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但由于喷气式发动机的转速变化范围可达3:

1,其发出的交流电只能供加温、照明等对频率没有要求的设备使用，若要满足某些需要恒频交流电的设备，还需要另加变换装置，增加了设备重量。

所以这种变频交流电源更适用于装有涡轮螺旋桨发动机的飞机，因为这种发动机的转速变化范围小，一般为1.15:

1,所以交流电的频率变化范围也较小；同时，由于支线飞机上要求高质量供电的设备较少,因此在支线飞机上单独采用变速变频交流电源系统具有很大的吸引力。

2.2.3混合电源系统

由低压直流和变频交流电源组成的混合供电系统在支线飞机上得到了广泛的应用。

在较大的支线飞机上采用混合供电系统可以更经济。

负载分析表明，支线飞机上加热和防冰负载占很大比例，由于这类负载对供电质量的要求较低，因而，用变频交流电来满足这类负载的供电要求既经济又有效。

另外，这些支线飞机基本上都采用涡桨发动机，在巡航时发动机转速基本不变，从而为采用变频交流电源创造了良好的条件。

一般30座以上80座以下的支线飞机往往采用混合供电系统。

其中的低压直流电源系统单机容量一般在7.5kW〜12kW之间。

飞机上的重要负载也都接在低压直流电源系统上。

混合供电系统中的变频交流系统总容量不大，一般在15〜40kV-A之间。

在大多数情况下，该系统由两台变频交流发电机及其控制保护装置组成，用来向加热和防冰负载供电，也可以向备用燃油泵和一些航空电子设备供电。

与大多数飞机一样，在支线飞机的混合供电系统中，低压直流部分和变频交流部分都各有各的发电机。

但在有些支线飞机上，采用了双输出发电机。

在这种飞机上，一台发电机能同时提供低压直流电和变频交流电，并能用于启动发动机。

混合电源的发展方向是采用微处理器型的发电机控制保护装置和汇流条控制装置，从而实现电网的监控和保护，同时进一步减轻重量，降低维修费用。

新一代混合电源，其变频无刷交流发电机由对应的飞机发动机传动，然后通过电力电子变换器得到270V高压直流电、115/200V,400Hz恒频交流电，甚至还有28V低压直流电，未经变换的变频交流电可供照明、加温等对频率没有要求的用电设备。

20世纪80年代投入运行的湾流型公务机（G-3,G-4）就采用这种方案，其发电机为30kV•A,通过变换器获得22.5kV•A,400Hz恒频交流电和28V低压直流电（7.5kW）o

新一代混合电源的特点是：

发电装置运动部件少，故在发动机上安装所需空间小；电能质量高；效率高、损耗小；使用维修简单。

2.2.4恒速恒频交流电源系统（CSCF）

恒速恒频交流电源系统的发电机通过恒速传动装置（CSD）由飞机发动机传动，可以发出频率为400Hz、电压为115/200V的恒频交流电，其传动示意图如图2-2所示。

这是目前大型喷气式飞机上最常采用的型式。

图2-2恒速恒频交流电源系统方块图

恒频交流发电机的额定容量有30、40、60、90、120kV-A等数种。

辅助电源为辅助动力装置驱动的交流发电机。

应急电源有蓄电池、静变流器和冲压空气涡轮发电机。

二次电源为变压整流器。

20世纪70年代以来，恒速恒频交流电源系统采用了喷油冷却装置、组合驱动发电机和微型计算机控制装置，大大提高了系统的性能和可靠性，减轻了重量,是目前应用最多的一种飞机电源系统。

如B747,B757,A320等大型客机上采用的都是恒速恒频交流电源系统。

目前，这种电源主要采用了组合驱动发电机，微处理器式发电机控制保护组件及汇流条功率控制组件，使其具有重量轻、体积小、可靠性高等优点；此外，由于控制组件采用了模块式设计，并具有机内自检功能，使维修性得到改善。

国外有飞机制造公司认为，在新型干线飞机上不适合采用恒速恒频电源系统，因为它比变速恒频系统重量重、效率低、供电质量差、寿命周期费用高。

此外，可靠性和可维修性也较差。

但出于继承性的原因，恒速恒频电源系统还会在干线飞机上继续使用。

就是一些由较老式的风冷无刷交流发电机和恒速传动装置构成的分离式恒速恒频系统，目前还在干线飞机上使用，如波音747-400和MD-82飞机等。

2.2.5变速恒频交流电源系统（VSCF）

由于恒速恒频交流电源系统中的恒速传动装置（CSD）结构复杂、成本高、维护困难等原因，近年来，航空工业界把不采用恒速传动装置的恒频交流电源的研制作为重点研究课题，而电力电子技术的发展使变速恒频电源进入使用阶段。

变速恒频电源系统的优点是：

电能质量和电能转换效率高；旋转部件少，工作可靠；结构灵活性大；能实现无刷起动发电；生产使用维修方便。

这种电源的缺点是：

电力电子器件的应用，使其允许的工作环境温度较低；承受过载和短路能力较差。

变速恒频电源的结构示意图如图2-3所示。

交流发电机直接由发动机传动，

发出的变频交流电经变频器变换为恒频交流电。

常用的变频器有交-直-交型和交-交型两种。

图2-3变速恒频交流电源系统方块图

变速恒频电源系统与恒速恒频电源系统可以互换，不需要改变配电和用电部分，如安装座、连接器和布线等都不需要改动，因而实用性强。

变速恒频电源系统没有高应力的机械/液压部件和易磨损部件，因而该系统具有可靠性高和寿命周期费用低的优点。

变速恒频电源系统和组合电源装置式恒速恒频电源系统的采购费用大致相当，但维护费用低，因此寿命周期费用低。

发电效率高也是变速恒频电源系统的主要优点。

如对90kV•A的发电通道来说，采用组合电源装置式恒速恒频方案时效率在74%~79%之间，而采用变速恒频方案则可在82%〜86%之间。

对航空公司来说，发电效率高意味着更高的经济效益。

变速恒频电源系统与恒速恒频电源系统的不同之处仅在于主电源。

恒速恒频电源系统的主电源由恒速传动装置、交流发电机和发电机控制器构成，变速恒频电源系统则由交流发电机，功率变换器和控制器构成。

目前，变换器中的功率器件大都采用晶闸管或功率晶体管，由于功率晶体管允许结温比晶闸管高，且晶体管变换器所用功率器件少，故可靠性高。

从20世纪80年代起，变速恒频电源己广泛采用晶体管变换器。

目前采用的变速恒频电源系统的主要要求是进一步降低重量功率比，并降低未滤波电流的谐波分量。

只要增加一些部件就可以把变速恒频发电系统改为变速恒频启动/发电系统。

采用变速恒频启动/发电系统，可以减轻飞机重量，降低营业费用，这都是航空公司所希望的。

2.2.6270V高压直流电源系统

与恒频交流电源系统相比，采用270V高压直流电源系统具有发电效率高，发电和配电系统重量轻、航空电子设备的电源装置重量轻、可靠性高、易实现不中断供电及寿命周期费用低等优点。

根据美国对大型运输机供电系统的研究结果可知，高压直流电源系统的综合性能、可靠性、维修性和重量指标都是最好的，因而这是一种很有吸引力的电源系统。

但目前还不会在干线飞机上全面采用高压直流电源系统。

因为这样做设计到供电体制的改变问题