Cessna172R（G1000型）飛機電源系統(tǒng)原理及維護

張金慶

摘 ?要：Cessna172R型飛機是美國塞斯納飛機公司研制的單發(fā)四座活塞式飛機，北約稱其為“天鷹（SKY HAWKER）”，是世界范圍內(nèi)最受歡迎的一種私人飛機，也是目前中國各飛行學院作為初教機投入飛行教學最為普遍的飛機。自21世紀初中國各飛行學院引進Cessna172R飛機以來，近20載的飛行訓練中，Cessna172R飛機以其出色的安全性、可靠性以及維護性在整個中國通用航空領域中大受好評。飛機電源系統(tǒng)是飛機上電能產(chǎn)生、調(diào)節(jié)、控制和電能轉(zhuǎn)換部分的總稱，并通過各匯流條將電能輸送給各用電設備，實現(xiàn)電能到其他能的轉(zhuǎn)換。本文針對Cessna172R型飛機電源系統(tǒng)各部分原理進行詳細的分析，以及對各類電源系統(tǒng)故障問題進行剖析，總結電源系統(tǒng)的維護方法。

關鍵詞：電源系統(tǒng);原理;維護

引言

假如將飛機看作是一個鮮活的生命體，那么它的機身結構就如同是堅實的軀干，它的燃油系統(tǒng)就如同流動的血液，它的發(fā)動機就如同是跳動的心臟，它的電源系統(tǒng)就如同是遍布全身的神經(jīng)網(wǎng)絡。隨著民用航空的飛速發(fā)展，先進的電子電氣技術在民航業(yè)中的運用也越來越頻繁、普遍，飛機的電源系統(tǒng)也顯得越來越重要。

1.系統(tǒng)組成

交流發(fā)電機;電瓶;電源控制組件（ACU）;繼電器;匯流條

2.系統(tǒng)原理

（1）電源

G1000型Cessna172R飛機電網(wǎng)采用直流供電方式，主要靠3個電源提供電能：主電源、備用電源、外部電源。其中主電源由發(fā)電機產(chǎn)生28V、額定電流60A的直流電源;備用電源系統(tǒng)包括兩個機載24V電瓶：主電瓶和備用電瓶;外部電源系統(tǒng)通過連接28V直流地面電源將電能輸送到電網(wǎng)中。

①主電源

G1000型Cessna172R的主電源系統(tǒng)是發(fā)動機工作時通過皮帶帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)切割磁感線而產(chǎn)生額定電壓28V、額定電流60A的直流電，并通過電源控制組件監(jiān)控當前輸出電壓值的大小調(diào)整輸入到發(fā)電機電樞中勵磁電流的大小使發(fā)電機在不同的轉(zhuǎn)速下（大于1300RPM）都能產(chǎn)生穩(wěn)定的28V直流電源輸入到飛機電網(wǎng)。發(fā)電機是一款件號為H-9910591-11的交-直流發(fā)電機。所謂交-直流發(fā)電機，顧名思義包括兩部分：交流發(fā)電機部分和整流部分。其中交流發(fā)電機部分是他勵式同步交流發(fā)電機，由定子、轉(zhuǎn)子和氣隙等部分組成，與直流發(fā)電機相反，電樞是定子鐵心上嵌放的N相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上是直流勵磁形成的恒定主磁場，當發(fā)動機工作時，皮帶帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，電樞導體固定不動，與旋轉(zhuǎn)的磁場發(fā)生相對運動而產(chǎn)生N相對稱交流電。N相交流電源再通過整流整流部份中N對整流二極管的整流產(chǎn)生約28V的直流電輸送到飛機電網(wǎng)。

②備用電源

G1000型Cessna172R飛機的備用電源包括兩個電瓶：主電瓶和備用電瓶，其中主電瓶是由12個單元體電池（每個單元體電池的電壓約2.1V）串聯(lián)而成的一個額定電壓約24V、容量12.75AH（5h放電速率）的鉛酸電瓶，用于給Cessna172R飛機所有用電設備提供直流電源，并在發(fā)電機故障時可用于備用電源給用電設備供電。備用電瓶是一個額定電壓約24V的免維護鉛酸電池（VRLA蓄電池），當飛機主電源系統(tǒng)及主機載電瓶均失效時，備用電瓶向重要設備匯流條供電，保證PFD、大氣數(shù)據(jù)計算機、姿態(tài)航向基準系統(tǒng)、1號通信/導航組件、應答機、音頻板等應急用電設備正常使用30min以上。

③外部電源

當飛機停留在地面時，需要對機進行維護、啟動發(fā)動機等作業(yè)時，可以使用外部電源以降低成本，減少機載電瓶的使用，避免過度使用機載電瓶而造成電容量不足而更換機載電瓶。G1000型Cessna172R飛機的地面電源是由28V的直流電源車或固定電源連接位于防火墻左上側(cè)的三針插頭將外部電源輸送到飛機電網(wǎng)。其三針插頭為兩個正插針和一個負插針，其中一個正插針比其余插針短、小，與飛機上的地面電源繼電器相連形成回路，使地面電源繼電器吸合，另一個正插針的電流才能流過吸合的地面電源繼電器而進入到飛機電網(wǎng)。

（2）供電原理

G1000型Cessna172R飛機發(fā)動機是通過主電瓶或外部電源作為起動電源起動。當起動發(fā)動機時，主電瓶或外部電源給發(fā)電機控制組件（ACU）提供電源，ACU勵磁輸出端給發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸入勵磁電流產(chǎn)生固定磁場，發(fā)動機帶動交流發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，電樞切割磁感線產(chǎn)生交流電，交流電通過發(fā)電機內(nèi)部的整流電路輸出直流電輸入到ACU中的比較電路比較后開關晶體管輸出適當大小的勵磁電流到發(fā)電機勵磁端，此時，由于發(fā)動機剛啟動，轉(zhuǎn)速小且還未穩(wěn)定，發(fā)電機產(chǎn)生的電源電壓低于主電瓶或外部電源電壓，由于電流方向總是從電勢高的點流到電勢低的點，故電流方向是從主電瓶或外部電源流入發(fā)電機，在PFD中M電流指示為負。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速增大趨于穩(wěn)定時，ACU比較接收電壓大小后輸出適當大小的勵磁電流到發(fā)電機勵磁端，使發(fā)電機產(chǎn)生額定電壓為28V的穩(wěn)定的直流電，此時發(fā)電機產(chǎn)生的電源電壓大于主電瓶或外部電源電壓，電流從發(fā)電機流入主電瓶，系統(tǒng)給主電瓶充電，PFD中M電流指示為正。

G1000型Cessna172R飛機電氣系統(tǒng)共有6根匯流條，分別是1號電氣設備匯流條、2號電氣設備匯流條、交輸匯流條、重要設備匯流條、1號電子匯流條和2號電子匯流條。飛機發(fā)電機、主電瓶和外部電源可通過相應斷路器和開關的閉合將產(chǎn)生的電能輸送到6根匯流條中給所有用電設備供電，備用電瓶直接與重要設備匯流條相連直接給重要設備匯流條供電用于在飛機電源系統(tǒng)故障的情況下，主電源和主電瓶失效時保證重要的飛行姿態(tài)參數(shù)、發(fā)動機參數(shù)不丟失。發(fā)電機和主電瓶產(chǎn)生的電流先經(jīng)過位于飛機防火墻左側(cè)的電源盒內(nèi)的F1和F2斷路器流入1號和2號電氣設備匯流條，給兩個電氣設備匯流條上的用電設備供電;1號和2號電氣設備匯流條上的電又通過兩個電子設備總電門的閉合流入1號和2號電子設備匯流條給1號和2號電子設備匯流條上的用電設備供電;1號和2號電氣設備匯流條同時給交輸匯流條，用于向發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)、告警系統(tǒng)供電，在1號、2號電氣設備匯流條和交輸匯流條之間分別有一個隔離二極管，可以避免一根電氣設備匯流條發(fā)生短路故障時使交輸匯流條中斷供電;重要設備匯流條也是由1號和2號電氣設備匯流條供電，和交輸匯流條一樣在1號、2號電氣設備匯流條和重要設備匯流條之間分別有一個隔離二極管，防止電氣設備匯流條的短路故障影響重要設備匯流條的工作，同時避免主電源系統(tǒng)和主電瓶失效的情況下重要設備匯流條上的電流反向流入電氣設備匯流條中而浪費備用電瓶電量。

3.故障分析

G1000型Cessna172R飛機電源系統(tǒng)常見故障主要包括：發(fā)電機控制組件（ACU）故障、繼電器故障、發(fā)電機故障、濾波電容故障、開關故障、隔離二極管故障、斷路器故障和電氣線路、接線片故障、主備用電瓶電壓低等。

（1）發(fā)電機控制組件（ACU）故障

因為發(fā)電機控制組件故障導致不能有效地調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓而造成電源系統(tǒng)出現(xiàn)過、欠壓。或發(fā)電機控制組件探測系統(tǒng)電壓、進行發(fā)電機反流、過激磁保護等原因而造成電源系統(tǒng)故障。

（2）繼電器故障

繼電器故障后，繼電器觸點處于開路或短路狀態(tài)導致電源不能輸送到系統(tǒng)或不受相應開關的控制。

（3）發(fā)電機故障

因為發(fā)電機內(nèi)部勵磁線圈短路、短路等原因發(fā)電機不能正常供電而造成電源系統(tǒng)故障。

（4）濾波電容故障

發(fā)電機外部濾波電容短路會導致發(fā)電機輸出端短路而不能正常供電。

（5）開關故障

由于故障開關故障而導致開關觸點處于閉合或斷開狀態(tài)而導致電源不能接入飛機電網(wǎng)中或不受開關的控制而直接接入飛機電網(wǎng)中。

（6）隔離二極管故障

隔離二極管故障可能會導致電源系統(tǒng)隔離功能失效或供電斷路。

（7）斷路器故障

斷路器常見的故障是由于電流過大而燒壞斷路器導致系統(tǒng)電源斷路。

（8）電氣線路和接線片故障

電氣線路的故障包括線路的斷路和斷路而導致電源系統(tǒng)不能正常工作，電源系統(tǒng)的電氣線路故障主要會涉及到：發(fā)電機輸出端與發(fā)電機控制組件（ACU）之間的線路;發(fā)電機勵磁端與ACU之間的線路;電源接線盒內(nèi)的輸電線路等;接線片故障包括接線片壓接不規(guī)范導致接線片不能耐壓而出現(xiàn)虛電壓導致電路不通;接線片腐蝕、磨損造成接線片接觸不良而導致電路斷路。

（9）主、備用電瓶電壓低

由于電瓶的使用壽命、電瓶的極板硬化、極板上或電解液中存在雜質(zhì)形成微電池而自放電、電解液溫度過高或蓄電池受到猛烈撞擊和震動等原因引起活性物質(zhì)脫落、電瓶過度放電等原因使電瓶容量降低而造成電壓低進而無法正常供電給用電設備。

4.案例分析及處理措施

（1）2017年3月28日，某G1000型Cessna172R飛機B-9XX2執(zhí)行本場飛行訓練任務，飛機在巡航階段時，主電源突然供電失效，PFD上M電壓指示紅色的“24.1V”字樣，M電流指示黃色“-9A”字樣，低電壓警告觸發(fā)，各路開關、斷路器均在正常位，機組嘗試開、關勵磁斷路器和發(fā)電機主電門，但是均無法恢復主電源供電，飛行任務終止，飛機滑回機庫。

通過故障現(xiàn)象分析及線路檢查，發(fā)現(xiàn)ACU（發(fā)電機控制組件）故障，導致飛機主電源系統(tǒng)失效。更換ACU（發(fā)電機控制組件）后，地面試車檢查飛機主電源系統(tǒng)供電正常，故障得以排除。

（2）2017年3月25日，某G1000型Cessna172R飛機B-7XX2執(zhí)行本場飛行訓練任務，飛機在巡航階段時，主電源突然供電失效，PFD上M電壓指示紅色的“23.8V”字樣，M電流指示黃色“-8A”字樣，低電壓警告觸發(fā)，各路開關、斷路器均在正常位.機組開、關發(fā)電機開關數(shù)次后，低電壓警告消失，PFD上M電壓指示白色“28.1V”字樣，飛機主電源供電正常，機組將飛機滑回機庫檢查。

通過故障現(xiàn)象分析，初步判斷造成主電源系統(tǒng)失效的原因在于發(fā)電機開關或由發(fā)電機開關所控制的發(fā)電機繼電器。多次開關發(fā)電機開關，均能聽到發(fā)電機繼電器吸合的聲音，大致排除發(fā)電機開關故障的可能性，通過萬用表測量發(fā)電機繼電器，鎖定故障原因是由于發(fā)電機繼電器內(nèi)部燒蝕導致接觸不良而形成斷路進而主電源系統(tǒng)無法正常供電。更換發(fā)電機繼電器后，地面試車檢查飛機電源系統(tǒng)供電正常。

（3）2019年11月5日，某G1000型Cessna172R飛機B-7XX3飛機在完成定期維護工作中，地面試車檢查時發(fā)現(xiàn)主電源系統(tǒng)供電失效，PFD上M電壓指示為“24.2V”，M電流指示為“-9A”，低電壓警告觸發(fā)。開、關發(fā)電機開關和發(fā)電機勵磁斷路器均無法恢復供電。

使用萬用表測量發(fā)電機本體勵磁接線柱和地線接線柱之間時，發(fā)現(xiàn)兩端電阻指示值為無限大，斷定發(fā)電機本體勵磁線圈斷路導致發(fā)電機故障而無法發(fā)電。更換發(fā)電機后，地面試車檢查飛機電源系統(tǒng)工作正常。

（4）2017年12月1日，某G1000型Cessna172R飛機機組做完航前檢查后，欲啟動發(fā)動機進行本場訓練任務發(fā)現(xiàn)發(fā)動機無法起動。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)：PFD上M電壓指示紅色的“21.8V”字樣，低電壓警告觸發(fā)，斷定由于主電瓶電壓過低給起動機提供電能不能達到額定值而造成發(fā)動機無法正常起動。更換主電瓶后M電壓只是正常，發(fā)動機正常起動。

5.排故方法

當人們生病時，中醫(yī)往往通過“望聞問切”四種基本方法為病人診斷出病因?qū)ΠY下藥，飛機故障就如同人類生病，同樣也可以通過“望”、“聞”、“問”、“切”四種基本手段綜合運用找出故障原因，確定排故方案。飛機電源系統(tǒng)的故障的排故方法主要通過“望”“聞”“問”“切”四種方法綜合使用。

（1）“望”

通過目視檢查的手段，觀察電源系統(tǒng)各部件有沒有損傷、磨損等原因造成部件損壞而不能正常工作;觀察電源系統(tǒng)各導線是否存在磨損、搭鐵、斷絲等情況而造成供電線路斷路或斷路;觀察電源系統(tǒng)各接線片、接線柱是否存在燒蝕、腐蝕、松動、損壞等情況而造成供電線路斷開;觀察電源系統(tǒng)斷路器是否斷開來判斷電源系統(tǒng)是否存在短路現(xiàn)象。

（2）“聞”

通過聽覺檢查繼電器是否閉合來判斷繼電器和開關是否有故障;通過嗅覺檢查飛機電源系統(tǒng)各部件沒有燒焦的臭味來判斷系統(tǒng)部件內(nèi)部是否存在短路而損壞;通過嗅覺檢查飛機電源系統(tǒng)的線路是否有燒焦的臭味來判斷線路是否發(fā)生短路。

（3）“問”

查閱飛機近期的維修記錄是否存在相同或類似的故障，以否定之前的排故方案尋找新的故障原因。

（4）“切”

通過使用萬用表等工具測量電源系統(tǒng)各段線路的導通性或端電壓大小、各零部件內(nèi)阻的大小或端電壓的大小等方法來判斷電源系統(tǒng)故障的原因。

6.預防性措施及維護建議

（1）定期更換使用頻繁的開關

G1000型Cessna172R飛機的主電門和發(fā)電機開關在飛行訓練中使用非常頻繁，任何部件都有使用壽命，正如浴盆曲線所描述的一樣，當一件物品使用超過一定次數(shù)后，其性能就會慢慢變差直至失效，因此定期更換主電門和發(fā)電機電門可以有效地減少因為開關故障而導致的電源系統(tǒng)失效。

（2）嚴格按照電瓶維護程序?qū)﹄娖窟M行維護

G1000型Cessna172R飛機主電瓶系統(tǒng)故障時，發(fā)電機不能正常供電時，系統(tǒng)通過備用電源系統(tǒng)進行供電，因此日常維護工作中應嚴格按照電瓶維護程序進行電瓶的維護，如100小時飛機定檢中添注適量的蒸餾水防止極板暴露在空氣中而造成極板硬化;按照電瓶維護程序的要求定時完成電瓶的容量測試和充放電工作等。同時進行地面維護工作時，當需要給飛機供電時，盡量使用外接電源為機載設備進行供電，避免長時間使用機載電瓶而造成容量失效。

（3）加強電源系統(tǒng)電氣線路、接線片的定期檢查

發(fā)電機輸出導線、勵磁導線及其電源接線盒內(nèi)電氣線路短路或斷路、接線片的腐蝕、壓接不規(guī)范都可能導致電源系統(tǒng)失效。日常維護工作中，應加強該類電氣線路捆扎、接線片壓接的規(guī)范性，防止導線磨損或接線片斷。同時定檢工作中，應認真檢查該類電氣線路、各接線片外觀的狀況。

參考文獻

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