直升機(jī)直流電源轉(zhuǎn)電方法研究

敖文翔，劉搏，余榮良，齊叢生

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333001）

0 引言

直升機(jī)供電電源可以分為地面電源和機(jī)載電源，地面電源用于直升機(jī)的地面維護(hù)和起動(dòng)，機(jī)載電源用于直升機(jī)飛行時(shí)的正常供電和應(yīng)急供電，轉(zhuǎn)電即指地面電源供電與機(jī)載電源供電之間的轉(zhuǎn)換。

2014年10月，某型直升機(jī)轉(zhuǎn)電時(shí)出現(xiàn)通信系統(tǒng)間斷時(shí)間長(zhǎng)故障[1]；2018年1月，某型直升機(jī)飛參記錄儀轉(zhuǎn)電時(shí)出現(xiàn)中斷故障[2]；2018年10月，某型直升機(jī)拔地面電源插頭出現(xiàn)綜顯掉電問(wèn)題[3]。經(jīng)過(guò)對(duì)故障的分析與排查，最終將以上故障原因定位為轉(zhuǎn)電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。國(guó)軍標(biāo)GJB181中對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)間要求為不大于50ms[4]，而由于直升機(jī)供電系統(tǒng)中儲(chǔ)能電容的存在及其控制邏輯比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)初期難以滿(mǎn)足GJB181對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)間的要求。

解決儲(chǔ)能電容的方法一般是增加隔離二極管和泄放電阻，該方法會(huì)影響系統(tǒng)工作環(huán)境，降低系統(tǒng)的安全可靠性，影響因素包括增加線(xiàn)路壓降、增加系統(tǒng)能耗、加重電子元器件熱負(fù)擔(dān)等。而對(duì)于復(fù)雜控制邏輯暫時(shí)沒(méi)有好的解決方法，一般為了保證設(shè)備轉(zhuǎn)電時(shí)正常工作，會(huì)在系統(tǒng)中增加電容或電源轉(zhuǎn)換盒，使得系統(tǒng)重量增大，設(shè)計(jì)成本增高。

儲(chǔ)能電容對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)間的影響在于增加了接觸器的釋放判定時(shí)間，文獻(xiàn)[5]提出了一種新型的直升機(jī)直流電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)電控制電路，該電路能有效減小接觸器的釋放判定時(shí)間，從而縮短轉(zhuǎn)電時(shí)間，減小儲(chǔ)能電容的影響。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種新型的地面電源插座，依托于該設(shè)計(jì)能縮短匯流條脫并網(wǎng)的時(shí)間差，從而有效減小直升機(jī)電源轉(zhuǎn)電時(shí)間，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行且沒(méi)有任何負(fù)面效果。

1 機(jī)理分析

■1.1 理想轉(zhuǎn)電過(guò)程

某型直升機(jī)直流電源系統(tǒng)組成包括直流電機(jī)MG，接觸器1P、2P、3P，常規(guī)匯流條PP1，應(yīng)急匯流條PP2，充放電控制器和蓄電池組，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 直流電源結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)載電源供電時(shí)，接觸器1P、2P的1、2觸點(diǎn)吸合接通，常規(guī)匯流條PP1和應(yīng)急匯流條PP2由發(fā)電機(jī)供電。

機(jī)載電源供電轉(zhuǎn)為地面電源供電時(shí)，蓄電池組接通，3P的1、2觸點(diǎn)吸合接通，直流電機(jī)斷電，接觸器1P、2P先后失電釋放，應(yīng)急匯流條PP2由發(fā)電機(jī)供電轉(zhuǎn)為蓄電池組供電，轉(zhuǎn)電完成。

在理想狀態(tài)下轉(zhuǎn)電時(shí)間應(yīng)為3P吸合時(shí)間與2P釋放時(shí)間之和，而一般接觸器吸合時(shí)間≤20ms，釋放時(shí)間≤15ms，則有轉(zhuǎn)電時(shí)間T≤35ms，完全滿(mǎn)足GJB181A中轉(zhuǎn)電時(shí)間不大于50ms的規(guī)定。

■1.2 實(shí)際轉(zhuǎn)電過(guò)程

實(shí)際上機(jī)載設(shè)備內(nèi)部大多裝有儲(chǔ)能電容，目的是為了抗50ms斷電，儲(chǔ)能電容會(huì)在斷電時(shí)向常規(guī)匯流條PP1饋電，導(dǎo)致匯流條電壓緩慢降低，如圖2所示。

圖2 實(shí)際工況原理框圖

而接觸器釋放電壓范圍為1.5V～7V，只有當(dāng)PP1電壓緩慢降到7V以下時(shí)，2P線(xiàn)圈才開(kāi)始釋放，因此在實(shí)際工況下轉(zhuǎn)電時(shí)間：

T= T1+ T2+ T3

其中T1為2P釋放時(shí)間，T2為3P吸合時(shí)間，T3為PP1掉電時(shí)間。

2 改進(jìn)方案

■2.1 隔離儲(chǔ)能電容

為了使儲(chǔ)能電容不影響機(jī)上電源系統(tǒng)，應(yīng)將儲(chǔ)能電容與機(jī)上匯流條進(jìn)行隔離，一般在機(jī)上對(duì)直流電源系統(tǒng)進(jìn)行2個(gè)方面改裝，具體如圖3所示。

圖3 改裝電路圖

（1）在匯流條PP1與容性負(fù)載之間增加隔離二極管。其中增加隔離二極管D1以防止常規(guī)大負(fù)載向匯流條饋電，增加隔離二極管D2以防止配電裝置向匯流條饋電。

（2）在匯流條PP1上增加泄放電阻R1。在轉(zhuǎn)電過(guò)程中，R1能將PP1上的電能轉(zhuǎn)換成熱能釋放，從而縮短轉(zhuǎn)電時(shí)間。

將上述改裝方案在機(jī)上實(shí)施測(cè)得轉(zhuǎn)電時(shí)間為30ms左右，未有設(shè)備掉電現(xiàn)象，符合GJB181A中轉(zhuǎn)電時(shí)間不大于50ms的規(guī)定。而該方法的缺點(diǎn)是會(huì)影響系統(tǒng)工作環(huán)境，降低系統(tǒng)的安全可靠性，影響因素包括增加線(xiàn)路壓降、增加系統(tǒng)能耗、加重電子元器件熱負(fù)擔(dān)等。

■2.2 轉(zhuǎn)電控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)增加隔離二極管和泄放電阻來(lái)縮短轉(zhuǎn)電時(shí)間的方法弊端明顯，儲(chǔ)能電容對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)間的影響在于增加了接觸器2P的釋放判定時(shí)間，即匯流條PP1掉電時(shí)間T3，若接觸器2P能在匯流條PP1電壓降到7V之前釋放，就能減小PP1掉電時(shí)間T3，從而縮短轉(zhuǎn)電時(shí)間，減小儲(chǔ)能電容的影響。

文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)電控制電路可以通過(guò)改變比較電壓U2來(lái)控制接觸器2P的釋放判定時(shí)間，即匯流條PP1掉電時(shí)間T3，且U2越高，T3越小，轉(zhuǎn)電時(shí)間就越短，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)電控制電路原理框圖

PP1匯流條電壓U1首先經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓、濾波處理，之后送入比較電路同設(shè)定的比較電壓U2進(jìn)行比較。考慮到該控制電路的適用性，比較電壓U2應(yīng)高于接觸器釋放電壓最高值，否則無(wú)法縮短轉(zhuǎn)電時(shí)間；同時(shí)應(yīng)低于用電設(shè)備正常工作電壓最小值，否則會(huì)引發(fā)誤觸動(dòng)。而由接觸器釋放電壓范圍1.5V～7V，和電氣設(shè)備額定工作電壓范圍22V～29V，可得比較電壓U2的范圍為7V

（1）當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，U1＞U2，光耦電路導(dǎo)通，接觸器2P得電吸合。

（2）當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始轉(zhuǎn)電時(shí)，電壓U1下降，當(dāng)U1＜U2時(shí)，光耦電路斷開(kāi)，接觸器2P失電斷開(kāi)，3P得電吸合，轉(zhuǎn)電完成。

考慮到電壓越低掉電越慢，匯流條PP1前期掉電比較快，掉電時(shí)間主要集中在電壓緩降的低電壓區(qū)等特點(diǎn)，文獻(xiàn)[5]將比較電壓設(shè)為15V，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和機(jī)上試驗(yàn)，對(duì)該設(shè)計(jì)電路進(jìn)行驗(yàn)證：

（1）實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：(a)在PP1匯流條上連接1個(gè)1000μF大電容；

(b)輸出負(fù)載分別設(shè)置空載、5A和10A。

試驗(yàn)內(nèi)容：PP2匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1

（2）機(jī)上試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：飛機(jī)正常試飛過(guò)程中轉(zhuǎn)電；

試驗(yàn)內(nèi)容：PP2匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間；

試驗(yàn)結(jié)果：轉(zhuǎn)電時(shí)間為14.75ms。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)比較電壓U2設(shè)置為15V時(shí)，轉(zhuǎn)電控制電路可以將系統(tǒng)轉(zhuǎn)電時(shí)間控制在50ms以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足GJB181對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)間的要求。并且在地面開(kāi)車(chē)與試飛中，直流電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)電過(guò)程中全機(jī)各系統(tǒng)工作正常，無(wú)用電設(shè)備斷電與重起現(xiàn)象。

該轉(zhuǎn)電控制電路的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)快，可靠性高，當(dāng)電路發(fā)生故障時(shí)，光耦電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，不影響轉(zhuǎn)電過(guò)程，因此該控制電路不會(huì)降低直流電源系統(tǒng)可靠性。

■2.3 地面電源插座優(yōu)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)電是指地面電源供電與機(jī)載電源供電之間的轉(zhuǎn)換，前面內(nèi)容考慮的是機(jī)載電源供電轉(zhuǎn)為地面電源供電時(shí)的轉(zhuǎn)電優(yōu)化，此章節(jié)考慮的則是地面電源供電轉(zhuǎn)為機(jī)載電源供電時(shí)的轉(zhuǎn)電優(yōu)化。

文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種新型的地面電源插座來(lái)降低直升機(jī)電源轉(zhuǎn)電時(shí)間，以某型民用直升機(jī)為例，設(shè)計(jì)的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 直升機(jī)供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖

轉(zhuǎn)電時(shí)間實(shí)際上就是匯流條脫并網(wǎng)的時(shí)間差，正常情況下，地面電源脫開(kāi)后，匯流條脫網(wǎng)僅需要一個(gè)地面電源接觸器的動(dòng)作，而匯流條并網(wǎng)要經(jīng)過(guò)一系列的接觸器和控制器的動(dòng)作。

該設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于兩長(zhǎng)一短的地面電源插座，兩根長(zhǎng)針為供電電源針，代表地面電源的供電狀態(tài)，短針則為轉(zhuǎn)電信號(hào)針。短針會(huì)比長(zhǎng)針提前脫開(kāi)，代表匯流條脫網(wǎng)開(kāi)始時(shí)間會(huì)比并網(wǎng)開(kāi)始時(shí)間提前，從而縮短脫并網(wǎng)的時(shí)間差，減小轉(zhuǎn)電時(shí)間，匯流條脫并網(wǎng)動(dòng)作過(guò)程如圖6所示。

圖6 匯流條脫并網(wǎng)流程圖

圖6中字母A到G分別代表各個(gè)控制器或接觸器的動(dòng)作過(guò)程，定義短針脫開(kāi)時(shí)間為T(mén)0，短針與長(zhǎng)針脫開(kāi)時(shí)間差為T(mén)1，A過(guò)程動(dòng)作時(shí)間為T(mén)A，以此類(lèi)推。

根據(jù)接觸器與繼電器產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)可知：接觸器的工作性能均值為吸合時(shí)間TC、TE、TG=15ms，釋放時(shí)間TA、TF=10ms；控制器（通過(guò)繼電器動(dòng)作）的工作性能均值為動(dòng)作時(shí)間TB、TD=5ms。再定義短針完全脫開(kāi)時(shí)t=0，則：

（1）T1=ΔL/V=15ms，其中文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的長(zhǎng)短針長(zhǎng)度差ΔL=3cm，工作人員拔地面電源插頭平均速度V=2m/s；

（2）正常匯流條脫網(wǎng)時(shí)間Tzt=min{T1+TA，TB+TF}=15ms；

（3）正常匯流條并網(wǎng)時(shí)間Tzb=TB+TD+TE+TG=40ms；

（4）應(yīng)急匯流條脫網(wǎng)時(shí)間Tyt= T1+TA=25ms；

（5）應(yīng)急匯流條并網(wǎng)時(shí)間Tyb=TB+TC=20ms。

則有正常匯流條脫并網(wǎng)時(shí)間差即其轉(zhuǎn)電時(shí)間為25ms，應(yīng)急匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間為5ms，均滿(mǎn)足GJB181對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)間不大于50ms的要求。

實(shí)際上接觸器和繼電器動(dòng)作時(shí)間以及工作人員拔插頭的速度會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)間帶來(lái)細(xì)微偏差，但通過(guò)測(cè)試及驗(yàn)證，偏差影響可以忽略不計(jì)，且該設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)某型民用直升機(jī)上。

3 結(jié)論

直升機(jī)直流電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)電時(shí)間在設(shè)計(jì)初期難以滿(mǎn)足GJB181要求的原因在于儲(chǔ)能電容的存在及其復(fù)雜控制邏輯。

對(duì)于儲(chǔ)能電容，增加隔離二極管和泄放電阻的改裝方法雖然能夠有效減小轉(zhuǎn)電時(shí)間，但該方法會(huì)影響系統(tǒng)工作環(huán)境，降低系統(tǒng)的安全可靠性，影響因素包括增加線(xiàn)路壓降、增加系統(tǒng)能耗、加重電子元器件熱負(fù)擔(dān)等。

儲(chǔ)能電容對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)間的影響在于增加了接觸器的釋放判定時(shí)間，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)電控制電路能夠監(jiān)測(cè)匯流條的電壓變化，通過(guò)設(shè)定比較電壓可以控制接觸器的釋放時(shí)間，從而縮短轉(zhuǎn)電時(shí)間。

復(fù)雜控制邏輯對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)間的影響在于延長(zhǎng)了匯流條并網(wǎng)的時(shí)間，文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的地面電源插座，能夠使匯流條并網(wǎng)開(kāi)始時(shí)間提前，從而縮短匯流條脫并網(wǎng)的時(shí)間差，減小轉(zhuǎn)電時(shí)間。