基于Multisim飛機直接電力起動電氣性能仿真研究

（海軍航空工程學院青島校區，青島 266041）

0 引言

航空燃氣渦輪發動機直接電力起動需要完成三個任務：起動、點火及油氣調節。其中，起動主要是控制起動電動機安全、快速地把發動機帶動起來。對飛機發動機來講，其轉動慣量很大，自立轉速很高，用起動機帶動發動機這一過程必須配合好，否則很容易起動失敗[1～3]，而二者配合關系集中反映在起動過程各種電氣參數，主要包括起動機電樞電流及電樞端電壓的變化規律是否正常。本文重點開展線路接觸電阻及電源供電電壓因素對起動電氣性能影響研究，對提高部隊一線技術人員故障分析能力及排除能力具有一定的指導意義。

1 接觸電阻影響因素研究

1.1 接觸電阻影響因素仿真分析

飛機電氣控制線路一般由匯流條、保護裝置、控制電門、繼電器、插銷及控制設備組成。具體模型如圖1所示。其中，控制設備端電壓記為U端。由于線路有接觸電阻，因此端電壓U端并不等于匯流條電壓U匯，而是由式(1)決定。當接觸電阻過大，達到某個臨界值，則端電壓就會由于無法達到設備最低工作電壓而不工作，導致系統故障發生。

為研究接觸電阻對起動電氣性能的影響，通過在電樞回路串入不同的電阻Rc來模擬線路接觸電阻，建立仿真研究電路，如圖2所示。其中，R1為起動電阻，R2為勵磁電阻，R3，R4為電源內阻。起動機參數設置如圖3所示。通過仿真，分別得到Rc=0Ω，Rc=0.01Ω，Rc=0.02Ω，Rc=0.03Ω時起動機電樞端電壓和電樞電流隨起動時間變化的波形分別如圖4～圖7所示。

圖1 線路接觸電阻構成

圖2 接觸電阻對起動電氣性能影響研究電路

圖3 電動機參數設置

圖4 Rc=0Ω時電樞端電壓和電樞電流波形

圖5 Rc=0.01Ω電樞端電壓和電樞電流波形

圖6 Rc=0.02Ω電樞端電壓和電樞電流波形

圖7 Rc=0.03Ω電樞端電壓和電樞電流波形

由圖4～圖7對比可知，電樞回路中一個很小的接觸電阻將對電樞端電壓和電樞電流造成很大的影響，且隨著線路接觸電阻的增大，電樞端電壓和電樞電流急劇下降。隨著接觸電阻的增大，通過在10.05s測取電樞端電壓和電樞電流，發現電樞電流由無接觸電阻時的930.4A依次減小為810.1A、707.5A和629.9A，即接觸電阻每增加0.01Ω，電樞電流減小100A左右；同時，電樞端電壓也同步減小，從而嚴重影響了起動性能。

1.2 電氣線路帶載能力檢測研究

為防止接觸電阻對起動性能造成影響，保持電氣線路處于良好的性能狀態，有必要對飛機電氣線路帶載能力進行檢測。以電磁閥、電動機構等執行機構為例，由于電流是其核心參數，因此可通過給電氣線路搭載同原設備電流相同的模擬負載，搭建完整的電氣線路，在電氣線路通電情況下，檢測模擬負載兩端的端電壓，通過判斷端電壓水平，間接判斷線路接觸電阻狀況，檢測設備電路工作原理如圖8所示。負載開關根據被測設備的正常工作電流選擇不同大小的模擬負載。為了判斷線路性能狀態，在測量過程中，將線路性能狀態分為正常、警告、危險及故障四個等級，以空載電壓為基礎，依據端電壓測試結果，判斷線路性能狀態，測量示意圖及線路性能狀態等級如圖9所示。通過經常性測試及數據記錄，判斷電氣線路性能長期的、漸進的變化趨勢，給出預先維護的指導性數據，防止事故發生，做到防患于未然。

圖8 電氣線路帶載能力檢測設備原理圖

圖9 電氣線路帶載能力檢測示意圖

2 供電電壓影響因素仿真分析

起動供電電壓的波動將對起動電氣性能產生影響。當供電電壓過高時，將不能保證發動機的安全柔和起步，當供電電壓過低時，發動機將不能快速起動或起動失敗，起動附件將無法正常工作。以機上電瓶電壓變化對起動電氣性能的影響為例，一般情況下，電瓶電壓不會出現過高的情況，在飛機上由于蓄電池自放電等原因造成電瓶電壓過低的情況很普遍。因此通過不同程度的降低電瓶電壓來模擬電瓶電壓過低的情況，來研究電瓶電壓降低對起動電氣性能的影響。在圖2所示的起動仿真電路中，單純改變蓄電瓶供電電壓，分別選取29V、26V、23V和20V四個不同的電瓶電壓。通過仿真，分別得到起動機電樞端電壓和電樞電流分別如圖10～圖13所示。

由圖10～圖13可知，電瓶電壓的降低將對電樞端電壓和電樞電流造成很大的影響，且隨著電瓶電壓的降低，電樞端電壓和電樞電流下降明顯，在10.05s觀測電樞端電壓和電樞電流，發現電樞電流由正常的930.4A依次降為848.8A、750.8A和652.9A，即電瓶電壓每降低3V，電樞電流減小100A左右；同時電樞端電壓也隨電樞電流依次降低，從而嚴重影響了起動性能。因此，為了預防電瓶電壓過低對起動性能的影響，維護人員應該適時對電瓶電壓進行檢測。

圖10 U供=29V時電樞端電壓和電樞電流波形

圖11 U供=26V電樞端電壓和電樞電流波形

圖12 U供=23V電樞端電壓和電樞電流波形

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圖13 U供=20V電樞端電壓和電樞電流波形

3 結束語

借助仿真軟件，通過比較分析不同接觸電阻及供電電壓下起動電流及電樞電壓數據，研究了接觸電阻及供電電壓對起動性能的影響。分析表明，線路接觸電阻及供電電壓的微小變化將導致電樞電流劇烈減小，不利于飛機的正常起動。維護過程中必須關注接觸器等大功率器件老化狀況及供電電壓的波動。通過對飛機電氣線路帶載能力機理的分析，在明確電氣線路帶載能力維護目標的基礎上，通過開發電氣線路帶載能力檢測儀器，實現對線路性能狀態的判斷，對相關電氣線路故障的預防具有較高的參考價值。

[1]郝世勇,王華新,于春風.基于PLC的飛機電氣附件綜合檢測儀的研制[J].自動化技術與應用,2011,30(6),61-63.

[2]于春風,郝世勇,于守淼.基于PLC的飛機起動系統綜合檢測儀的研制[J].自動化技術與應用,2012,31(8),64-66.

[3]戰祥新,郝世勇,于春風.飛機發動機起動系統在線檢查儀的研制[J].電子設計工程,2015,23(15),96-98.