直升機直流電源系統轉電控制技術的研究

齊叢生，王國法，胡圣波，朱晨

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333000）

直升機直流電源系統轉電控制技術的研究

齊叢生，王國法，胡圣波，朱晨

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333000）

本文提出了一種新型的直升機直流電源系統轉電控制電路。該電路加強了直流電源系統對轉電時機的判定，有效縮短了轉電時間，提高了系統的可靠性和電源品質，從而達到對控制原理優化的目的。

直升機；直流電源系統；轉電

0 引言

當前直升機用電設備仍以額定28V低壓直流電源為主[1]。因此，直流電源系統的可靠性和電源品質顯得尤為重要。機內嘈雜的電磁環境及多樣的用電設備使得電源工作條件進一步惡化[2]。

某直升機在試飛中發現，在重要匯流條轉電即由變壓整流器（TRU）供電轉為蓄電池組供電的過程中，若干應急用電設備出現掉電、重啟現象。經過逐步排查，最后故障定位為轉電時間過長。

1 機理分析

1.1 系統工作原理

該直升機直流電源系統基本構型具體如圖1所示。

（1）正常供電

三相交流115V經TRU轉為直流28V后，輸出接觸器1P：1腳，1P得電吸合，常開觸點1、2接通，28VDC送至PP1匯流條。此時，接觸器2P得電吸合，常開觸點1、2接通，應急匯流條PP2開始由TRU供電；常閉觸點3、4斷開，接觸器3P線圈負端處于懸空，蓄電池組與PP2斷開。

（2）轉電過程

地面停車關閉發動機后，TRU失電，1P線圈失電，常開觸點1、2由接通轉為斷開，PP1匯流條失電。進而2P失電，常開觸點1、2由閉轉合為斷開，PP2與TRU斷開；常閉觸點3、4由斷開轉為閉合，接觸器3P得電吸合，常開觸點1、2接通，PP2匯流條開始由蓄電池組供電，至此，轉電完成。在此過程中，轉電時間T=2P釋放時間T1+3P吸合時間T2。

接觸器吸合時間≤20ms；釋放時間≤15ms。所以，在理想狀態下有：T=T1+T2≤35ms。

但機上實測發現轉電時間在60ms～100ms之間，嚴重超出了國軍標GJB181A中轉電時間≯50ms的規定。

圖1 直流電源結構框圖

1.2 實際工況

實際機載設備為了抗50ms斷電，大多設置了儲能電容。為了使用電設備不會對機上電源產生影響，應將設備與機上匯流條進行隔離。但目有些機載設備并未進行隔離，導致TRU斷電后，容性負載中儲存的電能開始向匯流條回饋。使得匯流條PP1、PP2電壓沒有按理想情況從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PP1匯流條電壓緩慢降到7V以下，2P線圈才開始釋放，而后3P線圈吸合，PP2匯流條開始由蓄電池組供電，轉電過程完成。

PP2匯流條轉電時間T=2P釋放時間T1+3P吸合時間T2+PP1掉電時間T3。

1.3 分析驗證

為了對上述分析進行驗證，搭建了實驗模型：將2個1000μF大電容連接到PP1匯流條上，模擬容性負載；測試內容：PP2匯流條轉電時間；測試結果：當輸出負載分別設置空載、3A、8A 和23A時，對應轉電時間分別為924 ms、200 ms、120 ms和58 ms。

從試驗結果可見：1.匯流條上的大電容明顯延長了轉電時間；2.轉電時間與放電負載成反比，負載越大，放電越快，轉電時間越短。

1.4 機上進一步驗證

基于以上邏輯分析及驗證，在機上對直流電源系統電路進行2處更改。

（1）在轉電過程中，將機載用電設備與PP1匯流條隔離，阻斷用電設備中存儲的電能向匯流條回饋。大多數常規用電設備由配電裝置進行配電，所以在配電裝置與匯流條之間增加隔離二極管，即將大多數用電設備與匯流條隔離；對于個別直接從PP1匯流條引電的大功率用電設備，在設備和匯流條間加二極管進行隔離。

（2）在PP1匯流條上增加一個泄放電阻，轉電過程中加速匯流條電能釋放，從而縮短轉電時間。

將上述改進方案在機上實施后進行了實測，轉電時間縮短為30ms左右，未有設備掉電現象。進一步驗證邏輯分析正確。

2 更改方案

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

2.1 轉電控制電路設計

為了避免以上弊端，設計了一種轉電控制電路，原理框圖如圖2所示。PP1匯流條電壓U1經穩壓、濾波后，送入比較電路，與轉電設定電壓U2進行比較。正常情況下，U1＞U2，光耦電路不工作，接觸器2P線圈負端通過光耦輸出電路接地，接觸器吸合。轉電時，U1由正常的28V開始下降，當U1＜U2時，比較電路輸出轉電信號，控制光耦電路輸出由導通變為斷開，2P線圈負端懸空，由吸合變為斷開，進而3P接通，轉電完成。

轉電控制電路內部為光電信號，動作時間和系統轉電時間相比可以忽略不記，因此轉電控制電路自身不會增加系統轉電時間。

2.2 可靠性考慮

若轉電控制電路故障，轉電時光耦電路處于常通狀態，其結果是未干預轉電過程，不會對直流電源系統帶來危害。

2.3 轉電電壓設置

轉電設定電壓U2越高，轉電時間將越短。機載用電設備正常工作電壓范圍為22V~29V，所以電壓設置要低于22V。再考慮匯流條PP1電壓緩降特點是：前期掉電比較快，對轉電影響較小，掉電時間主要集中在電壓較低時。綜合考慮，將轉電電壓設置為15V。

3 方案驗證

方案確定并落實更改后，分別在實驗室和機上實際進行了驗證。

圖2 轉電控制電路原理框圖

3.1 實驗室測試

測試條件設置：PP1匯流條連接1個大電容電容（1000μF)；測試內容：PP2匯流條轉電時間；測試結果：輸出負載分別設置空載、5A和10A時，轉電時間分別為47.7 ms、21.6 ms和17.2 ms；測試圖見圖3。

3.2 機上測試

測試條件設置：飛機正常試飛過程中轉電；測試內容：PP2匯流條轉電時間；測試結果：轉電時間為14.75ms。測試圖見圖3所示。

圖3 實驗波形

4 結論

經實驗室及裝機試飛驗證，結果表明直流電源系統轉電控制電路能有效縮短系統轉電時間，解決了轉電過程中設備掉電的問題，效果良好。電路結構簡單，可靠性高，可實施性強，可裝機使用,并為后續直升機電源系統原理設計、排故提供借鑒和參考。

[1] 劉建英，任仁良.飛機直流電源系統.中國民航出版社.

[2] 嚴仰光，秦海鴻，龔春英 .多電飛機與電力電子[J].南京航空航天大學學報，2014，46(1)：1-8.

[3] 馬述訓，等.飛機設計手冊,電氣系統設計分冊[M].北京:航空工業出版社,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