直升機(jī)防除冰配電盒的電路設(shè)計(jì)

吳文濤

(海軍駐武漢三江航天集團(tuán)軍事代表室，湖北 武漢 430074)

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直升機(jī)防除冰配電盒的電路設(shè)計(jì)

吳文濤

(海軍駐武漢三江航天集團(tuán)軍事代表室，湖北 武漢 430074)

簡(jiǎn)要分析了直升機(jī)防除冰配電盒的電路設(shè)計(jì)思路與器件選擇；提出了在相同條件下的兩種電路設(shè)計(jì)方式；說明了實(shí)現(xiàn)同樣的功能，因器件選擇的不同，具體的電路設(shè)計(jì)也不同，電路設(shè)計(jì)與器件選擇、驅(qū)動(dòng)能力、控制信號(hào)類型均有關(guān)系。

器件選擇；驅(qū)動(dòng)能力；控制信號(hào)類型

0 引言

防除冰配電盒(以下簡(jiǎn)稱配電盒)作為直升機(jī)旋翼防除冰系統(tǒng)的加熱電源的供電設(shè)備，主要功能是將飛機(jī)匯流條上的三相115V交流電傳輸?shù)脚潆娖骱图訜峤M件上。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，特別是上游供電的功能要求以及控制信號(hào)類型的要求不同，配電盒的電路設(shè)計(jì)與器件選擇也有所不同。

1 配電盒的功能要求與原理

直升機(jī)旋翼防除冰系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

配電盒是防除冰系統(tǒng)的一個(gè)組成部件，其主要功能包括：

1)接收來自控制器的輸入信號(hào)，將交流電源通過主槳集流環(huán)組件接通給主槳加熱組件；

2)接收來自控制器的輸入信號(hào)，將交流電源通過尾槳集流環(huán)組件接通給尾槳加熱組件；

3)采集主槳和尾槳的防除冰系統(tǒng)工作電流，并將該信號(hào)反饋給控制器；

4)接受交流電源的并網(wǎng)信號(hào)，將交流電源接通或斷開；

5)交流電源單發(fā)故障狀態(tài)下，接收轉(zhuǎn)換信號(hào)實(shí)現(xiàn)APU電源的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

配電盒的基本原理如圖2所示。

圖1 直升機(jī)旋翼防除冰系統(tǒng)原理框圖

圖2 配電盒基本原理框圖

根據(jù)配電盒的功能要求，在控制信號(hào)的作用下，將交流電源接通給主、尾槳集流環(huán)和配電器供電，即起開關(guān)作用，因此要設(shè)計(jì)一種受控的通斷開關(guān)電路。通常大電流的開關(guān)器件有接觸器和可控硅等類型。接觸器的應(yīng)用較為廣泛、成熟，有三相交流接觸器成品，承受浪涌電流的能力強(qiáng)，觸點(diǎn)形式的通斷，隔離性好?？煽毓枋菬o觸點(diǎn)開關(guān)器件，不會(huì)產(chǎn)生電弧，壽命高，若傳輸交流電則需要采用雙向可控硅。

作為旋翼防除冰系統(tǒng)中的交流供電設(shè)備，配電盒需傳輸1#電源(主槳線路)、2#電源(尾槳線路)和備用電源共3路三相交流電源，若采用可控硅，按每相設(shè)置一個(gè)開關(guān)器件計(jì)算，每一路三相交流電均需要三個(gè)雙向可控硅，這樣難以保證同一電源的三相電同時(shí)接通。同時(shí)所用的開關(guān)器件數(shù)量較多，使得產(chǎn)品的體積、重量和功耗增大，因此經(jīng)對(duì)使用條件的綜合考慮，配電盒選擇三相交流接觸器作為開關(guān)器件更為合理。

2 配電盒的電路設(shè)計(jì)

以接觸器作為開關(guān)器件，由于控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力、控制信號(hào)類型(指高電平有效或低電平/地有效)及所選的器件型號(hào)廠家不同，電路的設(shè)計(jì)也有所不同?，F(xiàn)以某產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求為例，分析兩種不同的電路設(shè)計(jì)與器件選擇。

設(shè)計(jì)要求：

1) 上游供電設(shè)備提供1#、2#兩個(gè)三相交流電源，容量分別為30kVA、15kVA，2個(gè)電源用1個(gè)地有效信號(hào)作為并網(wǎng)接通控制信號(hào)；

2) 配電盒可分別接收控制器的主槳、尾槳控制信號(hào)來接通2個(gè)交流電源，兩個(gè)控制信號(hào)均為地有效，表示交流電源接通；

3) 設(shè)置本產(chǎn)品接通工作電源的控制信號(hào)，控制器的控制信號(hào)在該電源控制信號(hào)地有效的情況下才能傳送。

初步設(shè)計(jì)分析與計(jì)算如下：

假定三相電源對(duì)稱、負(fù)載平衡，按Y-Y接法，則中線的電流為：

iN=iA+iB +iC=0

(1)

即中線如同開路，各相電流獨(dú)立，彼此無關(guān)，由于三相電源、三相負(fù)載對(duì)稱，故可將三相電路歸結(jié)為一相來計(jì)算，且I相=I線。

依據(jù)三相負(fù)載功率等于各相功率之和，計(jì)算出單相的額定電流為：

對(duì)于1#電源額定容量為30kVA，最大單相電流為：

(2)

對(duì)于2#電源額定容量為15kVA，最大單相電流為：

(3)

因此，所選接觸器的主觸點(diǎn)的額定電流應(yīng)分別大于87A和43.5A。

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，提出兩種電路設(shè)計(jì)方式。

2.1 方式一

電路設(shè)計(jì)方式一原理框圖如圖3所示。

圖3 方式一原理框圖

對(duì)應(yīng)圖3，所選接觸器的型號(hào)與技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 接觸器型號(hào)與指標(biāo)1

此種方式的接觸器有啟動(dòng)和保持兩個(gè)繞阻，接觸器剛加電時(shí)，電阻值較小的啟動(dòng)繞阻工作，因此啟動(dòng)電流較大。以28V電壓為供電基準(zhǔn)，計(jì)算接觸器啟動(dòng)接觸時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流分別為：

(4)

(5)

通常來自控制器的控制信號(hào)電流較小，一般不大于0.5A，驅(qū)動(dòng)能力有限，無法推動(dòng)大電流的接觸器工作，因此在電路設(shè)計(jì)上要解決如何驅(qū)動(dòng)接觸器啟動(dòng)工作的問題。

一般的小型繼電器即有驅(qū)動(dòng)能力，且其自身所需的驅(qū)動(dòng)電流較小，故在每個(gè)接觸器的線圈控制端設(shè)計(jì)一個(gè)繼電器來驅(qū)動(dòng)，如圖3中的K1、K2。理論上所選用的繼電器的觸點(diǎn)負(fù)載電流應(yīng)大于上述驅(qū)動(dòng)電流值8A、1.87A，且同時(shí)自身所需的驅(qū)動(dòng)電流要小于0.5A。綜合體積與重量的考慮，選擇繼電器型號(hào)參數(shù)如表2所示。

表2 繼電器型號(hào)與指標(biāo)1

其中，JQX-20M的負(fù)載電流達(dá)到10A，大于接觸器JQ-47F所要求的8A,其自身所需驅(qū)動(dòng)電流為：

(6)

該電流小于0.5A，能為控制器的控制信號(hào)所驅(qū)動(dòng)。

KJZC-4MH的負(fù)載電流達(dá)到5A，大于接觸器JQ-17M所要求的1.87A,其自身所需驅(qū)動(dòng)電流為：

(7)

該電流也能為控制器的控制信號(hào)所驅(qū)動(dòng)。

綜合上述分析，方式一設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.2 方式二

電路設(shè)計(jì)方式二原理框圖如圖5所示。

對(duì)應(yīng)圖5，所選接觸器的型號(hào)與技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

此種方式的接觸器線圈僅有一個(gè)繞阻，相對(duì)有啟動(dòng)和保持兩個(gè)繞阻的接觸器而言，所需的驅(qū)動(dòng)電流較小，計(jì)算接觸器動(dòng)作時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流分別為：

(8)

(9)

該電流小于0.5A，能被電源與控制信號(hào)組成的回路電流所驅(qū)動(dòng)。因此對(duì)于這種電路設(shè)計(jì)方式，無需使用繼電器來驅(qū)動(dòng)接觸器，但在設(shè)計(jì)要求中，所有的控制信號(hào)均為地有效，而僅有地信號(hào)作為線圈控

圖4 方式一電路設(shè)計(jì)

圖5 方式二原理框圖

接觸器位置型號(hào)主要技術(shù)指標(biāo)主槳J1’H700-B5N115/200VAC,主觸點(diǎn)負(fù)載范圍125A,輔助觸點(diǎn)負(fù)載電流5A;10000次;線圈額定電壓28V,線圈電阻113Ω;約1020g。尾槳J2’H600-A5N115/200VAC,主觸點(diǎn)負(fù)載范圍60A,輔助觸點(diǎn)負(fù)載電流3A;20000次;線圈額定電壓28V,線圈電阻200Ω;約480g。

制端時(shí)是無法讓接觸器、繼電器工作的，因此在電路設(shè)計(jì)上要解決如何滿足控制信號(hào)類型的問題。

在此將兩個(gè)繼電器串聯(lián)，將交流電源的并網(wǎng)信號(hào)接在一個(gè)繼電器的線圈一端，從而實(shí)現(xiàn)電平過渡，再通過兩個(gè)繼電器觸點(diǎn)之間的信號(hào)傳遞來控制主槳或尾槳接通，這樣即可滿足所有信號(hào)的地有效控制。所選繼電器見表4，具體電路如圖6所示。

表4 繼電器型號(hào)與指標(biāo)2

由此可見，兩種電路設(shè)計(jì)方式的不同取決于所選擇的器件類型以及驅(qū)動(dòng)能力和控制信號(hào)的類型。

3 工程應(yīng)用

根據(jù)兩型直升機(jī)防除冰系統(tǒng)的需求，將上述兩種接觸器部分的電路設(shè)計(jì)方式分別在兩型產(chǎn)品中進(jìn)行了工程應(yīng)用。通過試驗(yàn)與使用，證明了兩種方式的電路的可行性，均能滿足配電盒的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)直升機(jī)防除冰系統(tǒng)的配電要求，提出了配電盒的兩種電路設(shè)計(jì)方式，通過選擇器件的特點(diǎn)說明、計(jì)算，控制信號(hào)的類型要求，解釋了這兩種不同電路的設(shè)計(jì)方式，兩種電路均具有可行性，并在工程實(shí)踐中獲得了應(yīng)用與驗(yàn)證。由此說明，電路設(shè)計(jì)方式與選擇器件類型、驅(qū)動(dòng)能力、控制信號(hào)類型均有關(guān)系，需要根據(jù)實(shí)際工程條件進(jìn)行選擇。

圖6 方式二電路設(shè)計(jì)

[1] 邱關(guān)源.電路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2] 張國(guó)雄.測(cè)控電路[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] Alexander C K, Sadiku M N O. Fundamentals of Electric Circuits[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

The Circuit Design of the Anti-icing and De-icing Power Distribution Box of Helicopters

WU Wentao

(Navy Representative Office of Wuhan Sanjiang Aerospace Group, Wuhan 430074, China)

This paper analyzed the circuit design ideas and component selection of the anti-icing and de-icing power distribution box of helicopters briefly, and proposed two circuit design approach under the same condition. It explained that to achieve the same function, the specific circuit design is different because the component selection is different. The circuit design has been related to the component selection, drive capability and controlling signal type.

component selection；drive capability； controlling signal type

2015-03-06

吳文濤(1967-)，男，畢業(yè)于海軍航空工程學(xué)院自動(dòng)控制專業(yè)，高工，從事專業(yè)為航空機(jī)載設(shè)備的研究。

1673-1220(2015)02-024-05

V242

A