Cessna172R（G1000型）飞机电源系统原理及维护

张金庆

摘  要：Cessna172R型飞机是美国塞斯纳飞机公司研制的单发四座活塞式飞机，北约称其为“天鹰（SKY HAWKER）”，是世界范围内最受欢迎的一种私人飞机，也是目前中国各飞行学院作为初教机投入飞行教学最为普遍的飞机。自21世纪初中国各飞行学院引进Cessna172R飞机以来，近20载的飞行训练中，Cessna172R飞机以其出色的安全性、可靠性以及维护性在整个中国通用航空领域中大受好评。飞机电源系统是飞机上电能产生、调节、控制和电能转换部分的总称，并通过各汇流条将电能输送给各用电设备，实现电能到其他能的转换。本文针对Cessna172R型飞机电源系统各部分原理进行详细的分析，以及对各类电源系统故障问题进行剖析，总结电源系统的维护方法。

关键词：电源系统;原理;维护

引言

假如将飞机看作是一个鲜活的生命体，那么它的机身结构就如同是坚实的躯干，它的燃油系统就如同流动的血液，它的发动机就如同是跳动的心脏，它的电源系统就如同是遍布全身的神经网络。随着民用航空的飞速发展，先进的电子电气技术在民航业中的运用也越来越频繁、普遍，飞机的电源系统也显得越来越重要。

1.系统组成

交流发电机;电瓶;电源控制组件（ACU）;继电器;汇流条

2.系统原理

（1）电源

G1000型Cessna172R飞机电网采用直流供电方式，主要靠3个电源提供电能：主电源、备用电源、外部电源。其中主电源由发电机产生28V、额定电流60A的直流电源;备用电源系统包括两个机载24V电瓶：主电瓶和备用电瓶;外部电源系统通过连接28V直流地面电源将电能输送到电网中。

①主电源

G1000型Cessna172R的主电源系统是发动机工作时通过皮带带动发电机旋转切割磁感线而产生额定电压28V、额定电流60A的直流电，并通过电源控制组件监控当前输出电压值的大小调整输入到发电机电枢中励磁电流的大小使发电机在不同的转速下（大于1300RPM）都能产生稳定的28V直流电源输入到飞机电网。发电机是一款件号为H-9910591-11的交-直流发电机。所谓交-直流发电机，顾名思义包括两部分：交流发电机部分和整流部分。其中交流发电机部分是他励式同步交流发电机，由定子、转子和气隙等部分组成，与直流发电机相反，电枢是定子铁心上嵌放的N相对称绕组，转子上是直流励磁形成的恒定主磁场，当发动机工作时，皮带带动发电机转子转动产生旋转的磁场，电枢导体固定不动，与旋转的磁场发生相对运动而产生N相对称交流电。N相交流电源再通过整流整流部份中N对整流二极管的整流产生约28V的直流电输送到飞机电网。

②备用电源

G1000型Cessna172R飞机的备用电源包括两个电瓶：主电瓶和备用电瓶，其中主电瓶是由12个单元体电池（每个单元体电池的电压约2.1V）串联而成的一个额定电压约24V、容量12.75AH（5h放电速率）的铅酸电瓶，用于给Cessna172R飞机所有用电设备提供直流电源，并在发电机故障时可用于备用电源给用电设备供电。备用电瓶是一个额定电压约24V的免维护铅酸电池（VRLA蓄电池），当飞机主电源系统及主机载电瓶均失效时，备用电瓶向重要设备汇流条供电，保证PFD、大气数据计算机、姿态航向基准系统、1号通信/导航组件、应答机、音频板等应急用电设备正常使用30min以上。

③外部电源

当飞机停留在地面时，需要对机进行维护、启动发动机等作业时，可以使用外部电源以降低成本，减少机载电瓶的使用，避免过度使用机载电瓶而造成电容量不足而更换机载电瓶。G1000型Cessna172R飞机的地面电源是由28V的直流电源车或固定电源连接位于防火墙左上侧的三针插头将外部电源输送到飞机电网。其三针插头为两个正插针和一个负插针，其中一个正插针比其余插针短、小，与飞机上的地面电源继电器相连形成回路，使地面电源继电器吸合，另一个正插针的电流才能流过吸合的地面电源继电器而进入到飞机电网。

（2）供电原理

G1000型Cessna172R飞机发动机是通过主电瓶或外部电源作为起动电源起动。当起动发动机时，主电瓶或外部电源给发电机控制组件（ACU）提供电源，ACU励磁输出端给发电机转子输入励磁电流产生固定磁场，发动机带动交流发电机旋转，产生旋转磁场，电枢切割磁感线产生交流电，交流电通过发电机内部的整流电路输出直流电输入到ACU中的比较电路比较后开关晶体管输出适当大小的励磁电流到发电机励磁端，此时，由于发动机刚启动，转速小且还未稳定，发电机产生的电源电压低于主电瓶或外部电源电压，由于电流方向总是从电势高的点流到电势低的点，故电流方向是从主电瓶或外部电源流入发电机，在PFD中M电流指示为负。当发动机转速增大趋于稳定时，ACU比较接收电压大小后输出适当大小的励磁电流到发电机励磁端，使发电机产生额定电压为28V的稳定的直流电，此时发电机产生的电源电压大于主电瓶或外部电源电压，电流从发电机流入主电瓶，系统给主电瓶充电，PFD中M电流指示为正。

G1000型Cessna172R飞机电气系统共有6根汇流条，分别是1号电气设备汇流条、2号电气设备汇流条、交输汇流条、重要设备汇流条、1号电子汇流条和2号电子汇流条。飞机发电机、主电瓶和外部电源可通过相应断路器和开关的闭合將产生的电能输送到6根汇流条中给所有用电设备供电，备用电瓶直接与重要设备汇流条相连直接给重要设备汇流条供电用于在飞机电源系统故障的情况下，主电源和主电瓶失效时保证重要的飞行姿态参数、发动机参数不丢失。发电机和主电瓶产生的电流先经过位于飞机防火墙左侧的电源盒内的F1和F2断路器流入1号和2号电气设备汇流条，给两个电气设备汇流条上的用电设备供电;1号和2号电气设备汇流条上的电又通过两个电子设备总电门的闭合流入1号和2号电子设备汇流条给1号和2号电子设备汇流条上的用电设备供电;1号和2号电气设备汇流条同时给交输汇流条，用于向发电机的励磁系统、告警系统供电，在1号、2号电气设备汇流条和交输汇流条之间分别有一个隔离二极管，可以避免一根电气设备汇流条发生短路故障时使交输汇流条中断供电;重要设备汇流条也是由1号和2号电气设备汇流条供电，和交输汇流条一样在1号、2号电气设备汇流条和重要设备汇流条之间分别有一个隔离二极管，防止电气设备汇流条的短路故障影响重要设备汇流条的工作，同时避免主电源系统和主电瓶失效的情况下重要设备汇流条上的电流反向流入电气设备汇流条中而浪费备用电瓶电量。

3.故障分析

G1000型Cessna172R飞机电源系统常见故障主要包括：发电机控制组件（ACU）故障、继电器故障、发电机故障、滤波电容故障、开关故障、隔离二极管故障、断路器故障和电气线路、接线片故障、主备用电瓶电压低等。

（1）发电机控制组件（ACU）故障

因为发电机控制组件故障导致不能有效地调节发电机输出电压而造成电源系统出现过、欠压。或发电机控制组件探测系统电压、进行发电机反流、过激磁保护等原因而造成电源系统故障。

（2）继电器故障

继电器故障后，继电器触点处于开路或短路状态导致电源不能输送到系统或不受相应开关的控制。

（3）发电机故障

因为发电机内部励磁线圈短路、短路等原因发电机不能正常供电而造成电源系统故障。

（4）滤波电容故障

发电机外部滤波电容短路会导致发电机输出端短路而不能正常供电。

（5）开关故障

由于故障开关故障而导致开关触点处于闭合或断开状态而导致电源不能接入飞机电网中或不受开关的控制而直接接入飞机电网中。

（6）隔离二极管故障

隔离二极管故障可能会导致电源系统隔离功能失效或供电断路。

（7）断路器故障

断路器常见的故障是由于电流过大而烧坏断路器导致系统电源断路。

（8）电气线路和接线片故障

电气线路的故障包括线路的断路和断路而导致电源系统不能正常工作，电源系统的电气线路故障主要会涉及到：发电机输出端与发电机控制组件（ACU）之间的线路;发电机励磁端与ACU之间的线路;电源接线盒内的输电线路等;接线片故障包括接线片压接不规范导致接线片不能耐压而出现虚电压导致电路不通;接线片腐蚀、磨损造成接线片接触不良而导致电路断路。

（9）主、备用电瓶电压低

由于电瓶的使用寿命、电瓶的极板硬化、极板上或电解液中存在杂质形成微电池而自放电、电解液温度过高或蓄电池受到猛烈撞击和震动等原因引起活性物质脱落、电瓶过度放电等原因使电瓶容量降低而造成电压低进而无法正常供电给用电设备。

4.案例分析及处理措施

（1）2017年3月28日，某G1000型Cessna172R飞机B-9XX2执行本场飞行训练任务，飞机在巡航阶段时，主电源突然供电失效，PFD上M电压指示红色的“24.1V”字样，M电流指示黄色“-9A”字样，低电压警告触发，各路开关、断路器均在正常位，机组尝试开、关励磁断路器和发电机主电门，但是均无法恢复主电源供电，飞行任务终止，飞机滑回机库。

通过故障现象分析及线路检查，发现ACU（发电机控制组件）故障，导致飞机主电源系统失效。更换ACU（发电机控制组件）后，地面试车检查飞机主电源系统供电正常，故障得以排除。

（2）2017年3月25日，某G1000型Cessna172R飞机B-7XX2执行本场飞行训练任务，飞机在巡航阶段时，主电源突然供电失效，PFD上M电压指示红色的“23.8V”字样，M电流指示黄色“-8A”字样，低电压警告触发，各路开关、断路器均在正常位.机组开、关发电机开关数次后，低电压警告消失，PFD上M电压指示白色“28.1V”字样，飞机主电源供电正常，机组将飞机滑回机库检查。

通过故障现象分析，初步判断造成主电源系统失效的原因在于发电机开关或由发电机开关所控制的发电机继电器。多次开关发电机开关，均能听到发电机继电器吸合的声音，大致排除发电机开关故障的可能性，通过万用表测量发电机继电器，锁定故障原因是由于发电机继电器内部烧蚀导致接触不良而形成断路进而主电源系统无法正常供电。更换发电机继电器后，地面试车检查飞机电源系统供电正常。

（3）2019年11月5日，某G1000型Cessna172R飞机B-7XX3飞机在完成定期维护工作中，地面试车检查时发现主电源系统供电失效，PFD上M电压指示为“24.2V”，M电流指示为“-9A”，低电压警告触发。开、关发电机开关和发电机励磁断路器均无法恢复供电。

使用万用表测量发电机本体励磁接线柱和地线接线柱之间时，发现两端电阻指示值为无限大，断定发电机本体励磁线圈断路导致发电机故障而无法发电。更换发电机后，地面试车检查飞机电源系统工作正常。

（4）2017年12月1日，某G1000型Cessna172R飞机机组做完航前检查后，欲启动发动机进行本场训练任务发现发动机无法起动。经检查发现：PFD上M电压指示红色的“21.8V”字样，低电压警告触发，断定由于主电瓶电压过低给起动机提供电能不能达到额定值而造成发动机无法正常起动。更换主电瓶后M电压只是正常，发动机正常起动。

5.排故方法

當人们生病时，中医往往通过“望闻问切”四种基本方法为病人诊断出病因对症下药，飞机故障就如同人类生病，同样也可以通过“望”、“闻”、“问”、“切”四种基本手段综合运用找出故障原因，确定排故方案。飞机电源系统的故障的排故方法主要通过“望”“闻”“问”“切”四种方法综合使用。

（1）“望”

通过目视检查的手段，观察电源系统各部件有没有损伤、磨损等原因造成部件损坏而不能正常工作;观察电源系统各导线是否存在磨损、搭铁、断丝等情况而造成供电线路断路或断路;观察电源系统各接线片、接线柱是否存在烧蚀、腐蚀、松动、损坏等情况而造成供电线路断开;观察电源系统断路器是否断开来判断电源系统是否存在短路现象。

（2）“闻”

通过听觉检查继电器是否闭合来判断继电器和开关是否有故障;通过嗅觉检查飞机电源系统各部件没有烧焦的臭味来判断系统部件内部是否存在短路而损坏;通过嗅觉检查飞机电源系统的线路是否有烧焦的臭味来判断线路是否发生短路。

（3）“问”

查阅飞机近期的维修记录是否存在相同或类似的故障，以否定之前的排故方案寻找新的故障原因。

（4）“切”

通过使用万用表等工具测量电源系统各段线路的导通性或端电压大小、各零部件内阻的大小或端电压的大小等方法来判断电源系统故障的原因。

6.预防性措施及维护建议

（1）定期更换使用頻繁的开关

G1000型Cessna172R飞机的主电门和发电机开关在飞行训练中使用非常频繁，任何部件都有使用寿命，正如浴盆曲线所描述的一样，当一件物品使用超过一定次数后，其性能就会慢慢变差直至失效，因此定期更换主电门和发电机电门可以有效地减少因为开关故障而导致的电源系统失效。

（2）严格按照电瓶维护程序对电瓶进行维护

G1000型Cessna172R飞机主电瓶系统故障时，发电机不能正常供电时，系统通过备用电源系统进行供电，因此日常维护工作中应严格按照电瓶维护程序进行电瓶的维护，如100小时飞机定检中添注适量的蒸馏水防止极板暴露在空气中而造成极板硬化;按照电瓶维护程序的要求定时完成电瓶的容量测试和充放电工作等。同时进行地面维护工作时，当需要给飞机供电时，尽量使用外接电源为机载设备进行供电，避免长时间使用机载电瓶而造成容量失效。

（3）加强电源系统电气线路、接线片的定期检查

发电机输出导线、励磁导线及其电源接线盒内电气线路短路或断路、接线片的腐蚀、压接不规范都可能导致电源系统失效。日常维护工作中，应加强该类电气线路捆扎、接线片压接的规范性，防止导线磨损或接线片断。同时定检工作中，应认真检查该类电气线路、各接线片外观的状况。

参考文献

[1]  Cessna172 Airplane Maintenance Manual[Z].2011.

[2]  Cessna172 Airplane Wiring Diagrams Manual[Z].2011.

[3]  朱新宇，彭卫东，何建.民航飞机电气系统[M].成都：西南交通大学出版社，2010.

[4]  阎成鸿.Cessna172R型飞机机型培训教材[M].北京：航空工业出版社，2008