一種能降低直升機電源轉換時間的設計

余榮良，尹超華

(中國直升機設計研究所，江西景德鎮，333001)

1 背景

大多數直升機執行飛行任務之前，都需要使用地面電源做飛行前檢查，檢查完一切正常后方可起動直升機。直升機起動之后，飛行之前，需要地勤人員手動拔下地面電源插頭，此時直升機上機載用電設備由地面電源供電轉換至機載電源供電。GJB181對地面電源供電與機載電源供電之間的轉換時間要求為不大于50ms。

由于供電系統控制邏輯大多比較復雜，多數直升機在設計初期地面電源供電轉換至機載電源供電時都無法滿足轉換時間不大于50ms的要求，只有在設計后期通過在機載用電設備內部增加大電容或在供電系統構型中增加電源轉換盒等方法來保證機載用電設備轉電時正常工作。這樣不但增加了機載用電設備和供電系統的重量，還提高了直升機的設計成本。

本文提出了一種能降低直升機電源轉換時間的設計，該設計簡單易行，沒有任何負面效果，且能有效的降低直升機電源轉換時間。

2 設計方法

該設計方法主要包含以下內容：

（1）供電系統初步設計時，選用兩長一短設計方式的地面電源插座，其中兩根長針用作地面電源的供電電源針，分別定義為電源正和電源負，短針用作地面電源的信號電源針，定義為信號正。短針比長針短約2～3cm；

（2）供電系統詳細設計時，設置一個地面電源控制繼電器，并將地面電源控制繼電器線圈正端與短針關聯，用短針的狀態代表地面電源的供電狀態（實際上長針才是地面電源的供電電源針，長針的狀態才代表地面電源的供電狀態），即短針脫開時，機載電源就開始連接機上電網，長針脫開時，地面電源才斷開機上電網。

以AC311A直升機供電系統為例，地勤人員手動拔下地面電源插頭時，直升機上機載用電設備由地面電源供電轉換至機載電源供電，供電系統轉換邏輯如圖1所示。

供電系統轉換邏輯中各步驟詳細過程如下：

（1）步驟A：地面電源插座長針脫開地面電源插頭→地面電源接觸器斷開；

圖1 供電系統轉換邏輯

（2）步驟B：地面電源插座短針脫開地面電源插頭→地面電源控制繼電器斷開；

（3）步驟C：地面電源控制繼電器斷開→蓄電池接觸器吸合，蓄電池連接機上電網；

（4）步驟D：地面電源控制繼電器斷開→發電機控制器給出發電機接觸器吸合指令；

（5）步驟E：發電機控制器給出發電機并網指令→發電機接觸器吸合，發電機連接機上電網；

（6）步驟F：地面電源控制繼電器斷開→卸載接觸器斷開，正常匯流條斷開機上電網；

（7）步驟G：發電機接觸器吸合→卸載接觸器吸合，正常匯流條連接機上電網。

根據地勤人員手動拔下地面電源插頭的實際情況，分析可知：

（1）步驟B優先于步驟A發生，兩步驟的開始時間間隔（T）與長短針之間的長度差（D）和地勤人員手動拔下地面電源插頭時的速度（V）有關，T=D/V；

（2）步驟B開始時，機載電源就開始連接機上電網，步驟A開始時，地面電源才斷開機上電網，這個時間差設計是本設計方法區別與其他設計方法的關鍵；

（3）若發電機接觸器吸合時間與蓄電池接觸器吸合時間一致（實際上發電機接觸器和蓄電池接觸器型號一致，僅需考慮接觸器個體差異，兩者吸合時間差距極小，基本可認為一致），則蓄電池會比發電機早一步連接機上電網，即步驟C優先于步驟E結束，兩步驟的結束時間間隔為步驟D的執行時間，即發電機控制器的響應時間；

（4）步驟A開始時，地面電源斷開機上電網，應急匯流條斷電；步驟C結束時，蓄電池連接機上電網，應急匯流條由蓄電池供電；步驟E結束時，發電機連接機上電網，應急匯流條由發電機供電。因此應急匯流條的轉電時間為步驟C結束時間與步驟A開始時間之差；

（5）步驟A開始時，地面電源斷開機上電網，正常匯流條斷電；步驟F結束時，卸載接觸器斷開，正常匯流條也會斷電；步驟G結束時，發電機已并網，且卸載接觸器吸合，正常匯流條由發電機供電。因此正常匯流條的轉電時間為步驟G結束時間與步驟A開始時間或步驟F結束時間之差中的較大值。

為進行電源轉換時間的理論計算，我們進行如下定義：

（1）經查詢接觸器與繼電器產品樣本后取均值，定義繼電器斷開時間為5ms，繼電器吸合時間為5ms，接觸器斷開時間為10ms，接觸器吸合時間為15ms，發電機控制器內部轉換時間為5ms（內部通過繼電器轉換）；

（2）定義地面電源插座短針比長針短3cm，地勤人員手動拔下地面電源插頭的速度為2m/s；

（3）定義上述各步驟開始時間為Txs，結束時間為Txf，（x為步驟號，s=start，f=finish），以步驟A為例，步驟A的開始時間為Tas，結束時間為Taf；

（4）定義地面電源插座短針脫開地面電源插頭的時間為時間零點。

根據上述定義，計算得知電源轉換過程中主要事件與時間節點如下：

（1）地面電源插座：第0ms時地面電源插座短針脫開地面電源插頭，第15ms時地面電源插座長針脫開地面電源插頭；

（2）發電機：第5ms時地面電源控制繼電器斷開，第10ms時發電機控制器給發電機接觸器吸合指令，第25ms時發電機接觸器吸合，發電機連接機上電網；

（3）蓄電池：第5ms時地面電源控制繼電器斷開，第20ms時蓄電池接觸器吸合，蓄電池連接機上電網；

（4）地面電源：第15ms時地面電源插座長針脫開地面電源插頭，地面電源斷開機上電網，第30ms時地面電源接觸器斷開；

（5）應急匯流條：第15ms時地面電源插座長針脫開地面電源插頭，地面電源斷開機上電網，應急匯流條斷電，第20ms時蓄電池接觸器吸合，蓄電池連接機上電網，應急匯流條由蓄電池供電，

第25ms時發電機接觸器吸合，發電機連接機上電網，應急匯流條由發電機供電，應急匯流條轉電時間：

（6）正常匯流條：第15ms時地面電源插座長針脫開地面電源插頭，地面電源斷開機上電網，正常匯流條斷電；另外第5ms時地面電源控制繼電器斷開，第15ms時卸載接觸器斷開，正常匯流條也會斷電，第25ms時發電機接觸器吸合，發電機連接機上電網，第40ms時卸載接觸器吸合，正常匯流條由發電機供電，正常匯流條轉電時間：

通過理論計算可知，應急匯流條轉電之間為5ms，正常匯流條轉電時間為25ms。實際電源轉換過程中，由于地勤人員手動拔下地面電源插頭的速度不一樣，以及繼電器、接觸器的斷開、吸合時間會有一點差異，實際電源轉換時間與理論計算可能會有一些偏差。

電源轉換過程中主要事件與時間節點圖如圖2，圖中實線表示連接機上電網，虛線表示斷開機上電網。

3 實用案例

目前，本設計方法已成功應用在國產AC311A民用直升機上。該直升機選用的地面電源插座為國營117廠生產的PJ-500A型直流地面電源插座。經實際測試，AC311A直升機由地面電源轉換至機載電源供電時，應急匯流條轉換時間約0～5ms，已基本實現不間斷供電，正常匯流條轉換時間約20～25ms，滿足GJB181中關于地面電源供電與機載電源供電之間的轉換時間要求不大于50ms的要求。

圖2 電源轉換過程中主要事件與時間節點

AC311A直升機于2013年開始設計，2014年開始試飛驗證，2016年取得型號合格證（TC證）并通過AEG審查。目前，以該機型為平臺設計的某輕型武裝直升機和某輕型教練機均處于改裝試飛階段，準備交付使用。

4 結論

本文提出的設計方法實際可行，簡單易行，沒有任何負面效果，且能有效的降低直升機電源轉換時間，適用于大部分直升機。