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        直升機(jī)直流電源轉(zhuǎn)電方法研究

        2021-06-17 10:59:52敖文翔劉搏余榮良齊叢生
        電子測(cè)試 2021年9期
        關(guān)鍵詞:匯流接觸器直升機(jī)

        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??紤]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。

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