直升機(jī)直流電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)電控制技術(shù)的研究

齊叢生，王國(guó)法，胡圣波，朱晨

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000）

直升機(jī)直流電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)電控制技術(shù)的研究

齊叢生，王國(guó)法，胡圣波，朱晨

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000）

本文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。該電路加強(qiáng)了直流電源系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)電時(shí)機(jī)的判定，有效縮短了轉(zhuǎn)電時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可靠性和電源品質(zhì)，從而達(dá)到對(duì)控制原理優(yōu)化的目的。

直升機(jī)；直流電源系統(tǒng)；轉(zhuǎn)電

0 引言

當(dāng)前直升機(jī)用電設(shè)備仍以額定28V低壓直流電源為主[1]。因此，直流電源系統(tǒng)的可靠性和電源品質(zhì)顯得尤為重要。機(jī)內(nèi)嘈雜的電磁環(huán)境及多樣的用電設(shè)備使得電源工作條件進(jìn)一步惡化[2]。

某直升機(jī)在試飛中發(fā)現(xiàn)，在重要匯流條轉(zhuǎn)電即由變壓整流器（TRU）供電轉(zhuǎn)為蓄電池組供電的過(guò)程中，若干應(yīng)急用電設(shè)備出現(xiàn)掉電、重啟現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)逐步排查，最后故障定位為轉(zhuǎn)電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

1 機(jī)理分析

1.1 系統(tǒng)工作原理

該直升機(jī)直流電源系統(tǒng)基本構(gòu)型具體如圖1所示。

（1）正常供電

三相交流115V經(jīng)TRU轉(zhuǎn)為直流28V后，輸出接觸器1P：1腳，1P得電吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)1、2接通，28VDC送至PP1匯流條。此時(shí)，接觸器2P得電吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)1、2接通，應(yīng)急匯流條PP2開(kāi)始由TRU供電；常閉觸點(diǎn)3、4斷開(kāi)，接觸器3P線(xiàn)圈負(fù)端處于懸空，蓄電池組與PP2斷開(kāi)。

（2）轉(zhuǎn)電過(guò)程

地面停車(chē)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后，TRU失電，1P線(xiàn)圈失電，常開(kāi)觸點(diǎn)1、2由接通轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，PP1匯流條失電。進(jìn)而2P失電，常開(kāi)觸點(diǎn)1、2由閉轉(zhuǎn)合為斷開(kāi)，PP2與TRU斷開(kāi)；常閉觸點(diǎn)3、4由斷開(kāi)轉(zhuǎn)為閉合，接觸器3P得電吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)1、2接通，PP2匯流條開(kāi)始由蓄電池組供電，至此，轉(zhuǎn)電完成。在此過(guò)程中，轉(zhuǎn)電時(shí)間T=2P釋放時(shí)間T1+3P吸合時(shí)間T2。

接觸器吸合時(shí)間≤20ms；釋放時(shí)間≤15ms。所以，在理想狀態(tài)下有：T=T1+T2≤35ms。

但機(jī)上實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)電時(shí)間在60ms～100ms之間，嚴(yán)重超出了國(guó)軍標(biāo)GJB181A中轉(zhuǎn)電時(shí)間≯50ms的規(guī)定。

圖1 直流電源結(jié)構(gòu)框圖

1.2 實(shí)際工況

實(shí)際機(jī)載設(shè)備為了抗50ms斷電，大多設(shè)置了儲(chǔ)能電容。為了使用電設(shè)備不會(huì)對(duì)機(jī)上電源產(chǎn)生影響，應(yīng)將設(shè)備與機(jī)上匯流條進(jìn)行隔離。但目有些機(jī)載設(shè)備并未進(jìn)行隔離，導(dǎo)致TRU斷電后，容性負(fù)載中儲(chǔ)存的電能開(kāi)始向匯流條回饋。使得匯流條PP1、PP2電壓沒(méi)有按理想情況從28V直接跌到0，而是緩慢降低。

接觸器釋放電壓范圍為1.5V～7V。只有當(dāng)PP1匯流條電壓緩慢降到7V以下，2P線(xiàn)圈才開(kāi)始釋放，而后3P線(xiàn)圈吸合，PP2匯流條開(kāi)始由蓄電池組供電，轉(zhuǎn)電過(guò)程完成。

PP2匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間T=2P釋放時(shí)間T1+3P吸合時(shí)間T2+PP1掉電時(shí)間T3。

1.3 分析驗(yàn)證

為了對(duì)上述分析進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停簩?個(gè)1000μF大電容連接到PP1匯流條上，模擬容性負(fù)載；測(cè)試內(nèi)容：PP2匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間；測(cè)試結(jié)果：當(dāng)輸出負(fù)載分別設(shè)置空載、3A、8A 和23A時(shí)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)電時(shí)間分別為924 ms、200 ms、120 ms和58 ms。

從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：1.匯流條上的大電容明顯延長(zhǎng)了轉(zhuǎn)電時(shí)間；2.轉(zhuǎn)電時(shí)間與放電負(fù)載成反比，負(fù)載越大，放電越快，轉(zhuǎn)電時(shí)間越短。

1.4 機(jī)上進(jìn)一步驗(yàn)證

基于以上邏輯分析及驗(yàn)證，在機(jī)上對(duì)直流電源系統(tǒng)電路進(jìn)行2處更改。

（1）在轉(zhuǎn)電過(guò)程中，將機(jī)載用電設(shè)備與PP1匯流條隔離，阻斷用電設(shè)備中存儲(chǔ)的電能向匯流條回饋。大多數(shù)常規(guī)用電設(shè)備由配電裝置進(jìn)行配電，所以在配電裝置與匯流條之間增加隔離二極管，即將大多數(shù)用電設(shè)備與匯流條隔離；對(duì)于個(gè)別直接從PP1匯流條引電的大功率用電設(shè)備，在設(shè)備和匯流條間加二極管進(jìn)行隔離。

（2）在PP1匯流條上增加一個(gè)泄放電阻，轉(zhuǎn)電過(guò)程中加速匯流條電能釋放，從而縮短轉(zhuǎn)電時(shí)間。

將上述改進(jìn)方案在機(jī)上實(shí)施后進(jìn)行了實(shí)測(cè)，轉(zhuǎn)電時(shí)間縮短為30ms左右，未有設(shè)備掉電現(xiàn)象。進(jìn)一步驗(yàn)證邏輯分析正確。

2 更改方案

在電路中增加大功率二極管會(huì)增加線(xiàn)路壓降[3]，降低系統(tǒng)的可靠性和安全性；而利用泄放電阻釋放匯流條上的電能，除額外消耗電流外，還會(huì)加重直流配電控制盒的熱負(fù)擔(dān)，使系統(tǒng)工作環(huán)境更加惡劣。

2.1 轉(zhuǎn)電控制電路設(shè)計(jì)

為了避免以上弊端，設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)電控制電路，原理框圖如圖2所示。PP1匯流條電壓U1經(jīng)穩(wěn)壓、濾波后，送入比較電路，與轉(zhuǎn)電設(shè)定電壓U2進(jìn)行比較。正常情況下，U1＞U2，光耦電路不工作，接觸器2P線(xiàn)圈負(fù)端通過(guò)光耦輸出電路接地，接觸器吸合。轉(zhuǎn)電時(shí)，U1由正常的28V開(kāi)始下降，當(dāng)U1＜U2時(shí)，比較電路輸出轉(zhuǎn)電信號(hào)，控制光耦電路輸出由導(dǎo)通變?yōu)閿嚅_(kāi)，2P線(xiàn)圈負(fù)端懸空，由吸合變?yōu)閿嚅_(kāi)，進(jìn)而3P接通，轉(zhuǎn)電完成。

轉(zhuǎn)電控制電路內(nèi)部為光電信號(hào)，動(dòng)作時(shí)間和系統(tǒng)轉(zhuǎn)電時(shí)間相比可以忽略不記，因此轉(zhuǎn)電控制電路自身不會(huì)增加系統(tǒng)轉(zhuǎn)電時(shí)間。

2.2 可靠性考慮

若轉(zhuǎn)電控制電路故障，轉(zhuǎn)電時(shí)光耦電路處于常通狀態(tài)，其結(jié)果是未干預(yù)轉(zhuǎn)電過(guò)程，不會(huì)對(duì)直流電源系統(tǒng)帶來(lái)危害。

2.3 轉(zhuǎn)電電壓設(shè)置

轉(zhuǎn)電設(shè)定電壓U2越高，轉(zhuǎn)電時(shí)間將越短。機(jī)載用電設(shè)備正常工作電壓范圍為22V~29V，所以電壓設(shè)置要低于22V。再考慮匯流條PP1電壓緩降特點(diǎn)是：前期掉電比較快，對(duì)轉(zhuǎn)電影響較小，掉電時(shí)間主要集中在電壓較低時(shí)。綜合考慮，將轉(zhuǎn)電電壓設(shè)置為15V。

3 方案驗(yàn)證

方案確定并落實(shí)更改后，分別在實(shí)驗(yàn)室和機(jī)上實(shí)際進(jìn)行了驗(yàn)證。

圖2 轉(zhuǎn)電控制電路原理框圖

3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

測(cè)試條件設(shè)置：PP1匯流條連接1個(gè)大電容電容（1000μF)；測(cè)試內(nèi)容：PP2匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間；測(cè)試結(jié)果：輸出負(fù)載分別設(shè)置空載、5A和10A時(shí)，轉(zhuǎn)電時(shí)間分別為47.7 ms、21.6 ms和17.2 ms；測(cè)試圖見(jiàn)圖3。

3.2 機(jī)上測(cè)試

測(cè)試條件設(shè)置：飛機(jī)正常試飛過(guò)程中轉(zhuǎn)電；測(cè)試內(nèi)容：PP2匯流條轉(zhuǎn)電時(shí)間；測(cè)試結(jié)果：轉(zhuǎn)電時(shí)間為14.75ms。測(cè)試圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室及裝機(jī)試飛驗(yàn)證，結(jié)果表明直流電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)電控制電路能有效縮短系統(tǒng)轉(zhuǎn)電時(shí)間，解決了轉(zhuǎn)電過(guò)程中設(shè)備掉電的問(wèn)題，效果良好。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，可實(shí)施性強(qiáng)，可裝機(jī)使用,并為后續(xù)直升機(jī)電源系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)、排故提供借鑒和參考。

[1] 劉建英，任仁良.飛機(jī)直流電源系統(tǒng).中國(guó)民航出版社.

[2] 嚴(yán)仰光，秦海鴻，龔春英 .多電飛機(jī)與電力電子[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，46(1)：1-8.

[3] 馬述訓(xùn)，等.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè),電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1999.

Research of DC powers exchange controlling technique in helicopter

Qi Congsheng,Wang Guofa,Hu Shengbo,Zhu Chen
(China helicopter research and development institute,Jingdezhen Jiangxi,333000)

The article introduces a new type of control circuit on DC powers exchange in helicopter. The circuit strengthens the judgement of the DC power system for the occasion of powers exchange,is more effective in cutting the exchange time,and improves reliability and quality of the DC power system So then it achieves the aim of optimizing the principle of the DC power system

Helicopter;DC power system;Powers exchange