一種船用直升機(jī)電源負(fù)載模擬裝置設(shè)計(jì)

郭彥軍， 陶江平， 嚴(yán) 凡， 陳冬華

(1.上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129；3.中國船舶電站設(shè)備有限公司， 上海 200129)

0 引 言

船用直升機(jī)可以為海工平臺(tái)、各種工程船提供人員運(yùn)輸、物資補(bǔ)給、應(yīng)急逃生等服務(wù)，在艦船領(lǐng)域更是擔(dān)負(fù)著反潛、偵察、攻擊等重要使命。作為船用直升機(jī)的重要配套裝置，安裝在艦船上的船用直升機(jī)電源系統(tǒng)可以為船用直升機(jī)起飛前準(zhǔn)備及維護(hù)、維修等不同階段提供電源供給，并具有啟動(dòng)船用直升機(jī)的保障功能[1-2]，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到船用直升機(jī)性能的發(fā)揮和飛行安全，電源故障嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致機(jī)毀事故，造成重大損失[3-4]。為了驗(yàn)證船用直升機(jī)電源系統(tǒng)裝船后的系統(tǒng)性能，在船舶系泊試驗(yàn)階段需要對(duì)船用直升機(jī)電源系統(tǒng)開展性能試驗(yàn)。由于船用直升機(jī)價(jià)格昂貴，直接使用船用直升機(jī)作為配試設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)太高，一般多使用干負(fù)載模擬船用直升機(jī)開展試驗(yàn)[5]。然而，干負(fù)載不能調(diào)節(jié)功率因數(shù)，無法做到對(duì)船用直升機(jī)負(fù)載特性的精確模擬，也就很難對(duì)船用直升機(jī)電源質(zhì)量進(jìn)行全面的試驗(yàn)檢測(cè)。因此，需要設(shè)計(jì)一種新型負(fù)載模擬裝置模擬船用直升機(jī)的負(fù)載性能和需求，在船舶系泊試驗(yàn)階段對(duì)船用直升機(jī)電源系統(tǒng)開展試驗(yàn)。

1 船用直升機(jī)電源負(fù)載模擬裝置性能要求分析

船用直升機(jī)電制為三相四線制115/200 V電壓、400 Hz頻率的中頻交流系統(tǒng)，負(fù)載模擬裝置的電制需與其保持一致。

負(fù)載模擬裝置應(yīng)具有調(diào)節(jié)功率因數(shù)的功能，這樣才能精確模擬船用直升機(jī)的阻抗特性，根據(jù)工程實(shí)際，一般要求功率因素0.8～1.0多擋可調(diào)。

船用直升機(jī)型號(hào)多樣，電功率需求從幾千瓦到幾十千瓦不等，負(fù)載模擬裝置考慮設(shè)計(jì)成可以多擋位調(diào)節(jié)，選擇合適的分組方式。通過對(duì)多組負(fù)載進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)對(duì)船用直升機(jī)電功率需求的精準(zhǔn)模擬，結(jié)合工程實(shí)踐，負(fù)載模擬裝置的負(fù)載加載精度為1 kW比較適合。

對(duì)于配置船用直升機(jī)數(shù)量較多的艦船，艦船上安裝的船用直升機(jī)電源系統(tǒng)比較復(fù)雜，存在多電源、多接口的情況，負(fù)載模擬裝置容量及數(shù)量設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮，滿足多規(guī)格、不同配置船用直升機(jī)電源的試驗(yàn)需求。

負(fù)載模擬裝置作為能量消耗設(shè)備，運(yùn)行時(shí)，負(fù)載尤其是電阻管會(huì)產(chǎn)生大量的熱量以消耗電功率，因此需要配置散熱系統(tǒng)保證裝置持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，在散熱系統(tǒng)故障的情況下，應(yīng)設(shè)置保護(hù)報(bào)警措施，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。

負(fù)載模擬裝置主要用于船舶系泊試驗(yàn)階段的功能試驗(yàn)，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)外形應(yīng)緊湊，尺寸盡量小，便于在試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行移動(dòng)，且具備一定的防護(hù)能力，能夠滿足在雨雪天氣進(jìn)行作業(yè)的要求。

2 船用直升機(jī)電源負(fù)載模擬裝置設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)載容量及分組設(shè)計(jì)

船用直升機(jī)電源負(fù)載模擬裝置電源容量的選擇，不僅需要做到裝置的體積、重量便于現(xiàn)場移動(dòng)，而且需要考慮各型船用直升機(jī)電源規(guī)格和配置特點(diǎn)，比如對(duì)于配置多個(gè)接口的船用直升機(jī)電源，在船舶系泊試驗(yàn)時(shí)需要同時(shí)通過多個(gè)接口開展加載試驗(yàn)。綜合考慮上述多種因素，船用直升機(jī)電源負(fù)載模擬裝置容量的選擇采用組合式的設(shè)計(jì)方法，負(fù)載模擬裝置由3臺(tái)容量為50 kW(功率因數(shù)為1時(shí))，電制為115/200 V電壓、400 Hz頻率的負(fù)載模擬裝置組成。1部負(fù)載模擬裝置可以滿足一般規(guī)格船用直升機(jī)電源的試驗(yàn)需求，對(duì)于大容量船用直升機(jī)電源，可以使用2～3部模擬負(fù)載并聯(lián)加載。

負(fù)載模擬裝置使用電阻管和電抗器配合模擬阻性負(fù)載和感性負(fù)載，用以實(shí)現(xiàn)負(fù)載模擬裝置功率因素0.8～1.0多擋可調(diào)的功能。電阻管所選用的電熱絲均采用Ni80Cr20，填充料采用氧化鎂，鋼管和鋼帶采用SUS304材料，引出棒采用不銹鋼，具有耐酸堿、耐鹽霧和使用壽命長等特點(diǎn)，電阻管總功率為50 kW。電抗器選用干式鐵芯并聯(lián)電抗器，硅鋼片材料為23Q085取向硅鋼，線圈主要材料選用聚酰亞胺耐高頻銅線，電抗器總功率為37.5 kvar。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多型船用直升機(jī)電功率需求的精確模擬，負(fù)載需進(jìn)行合理的分組，便于通過組合對(duì)低于模擬負(fù)載最大容量的各種電功率進(jìn)行模擬，結(jié)合各機(jī)型功率需求及數(shù)字的組合策略，最終對(duì)負(fù)載模擬裝置進(jìn)行負(fù)載分組，如表1所示。

表1 負(fù)載模擬裝置負(fù)載分組

2.2 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

負(fù)載模擬裝置的散熱方式一般有水冷和風(fēng)冷兩種。采取水冷散熱方式對(duì)電阻和電抗的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封性能等要求很高，且在試驗(yàn)時(shí)需要外接水源，通過泵組保持水的循環(huán)，操作起來非常麻煩。相比較而言，風(fēng)冷散熱方式優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)阻抗沒有附加要求，僅需要通過合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇功率匹配的風(fēng)機(jī)將熱空氣吹走即可達(dá)到降溫的目的，風(fēng)機(jī)排風(fēng)量的選擇可以通過計(jì)算得到。

電抗器的散熱量可以參考JB 5346-1998:5.4[6]計(jì)算，電抗器產(chǎn)生熱量為

(1)

式中：∑P為電抗器在工頻額定電流下的損耗值；K為系數(shù)，K=0.125；Kp為損耗系數(shù)，Kp=44；Sn為電抗器容量，Sn=37.5 kvar。將值代入式(1)，得電抗器產(chǎn)生熱量為0.08 kW。

從結(jié)果可見：電抗器的發(fā)熱量與電阻相比非常小，基本可以忽略，因此風(fēng)機(jī)排風(fēng)量計(jì)算主要考慮電阻管的散熱。

假設(shè)環(huán)境空氣溫度為25.0 ℃，電阻允許最大工作溫度(不強(qiáng)制散熱情況下)為600.0 ℃，長期工作溫度取200.0 ℃，系統(tǒng)運(yùn)行允許溫升ΔTc設(shè)為175 K，所需散熱最小排量[7]為

(2)

式中：Q為排風(fēng)量；K為系數(shù)，K=0.053；P為負(fù)載總功率，P=50 kW。計(jì)算得到散熱所需最小排量為15.2 m3/min，考慮到風(fēng)機(jī)效率及負(fù)載模擬裝置整體的散熱風(fēng)阻，按照風(fēng)機(jī)實(shí)際工作效率25%折算風(fēng)機(jī)排量[7]，可得實(shí)際所需風(fēng)機(jī)排量為60.8 m3/min，即所選風(fēng)機(jī)排量不小于60.8 m3/min可滿足負(fù)載模擬裝置散熱要求。綜合考慮負(fù)載模擬裝置組成部件的空間布置及后續(xù)改進(jìn)升級(jí)需求，最終選擇的風(fēng)機(jī)額定排量為108 m3/min，根據(jù)式(2)可推算出使用該風(fēng)機(jī)后，溫升最高為98.1 K。

2.3 控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 控制策略及人機(jī)界面

負(fù)載模擬裝置通過1臺(tái)可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)及外圍繼電器線路控制接觸器進(jìn)行負(fù)載的加卸載，功率輸入采用分段式組合控制，可任意組合各種功率輸入。

操作者通過控制屏將加卸載指令輸入PLC，PLC通過內(nèi)部編寫的程序計(jì)算出該指令下所需負(fù)載的大小，然后PLC發(fā)出控制相應(yīng)規(guī)格的接觸器吸合和斷開的指令，通過繼電器線路控制相應(yīng)負(fù)載分組開關(guān)和接觸器的開斷，最終實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載的加卸載功能。試驗(yàn)期間，負(fù)載模擬裝置內(nèi)置的1臺(tái)電參數(shù)測(cè)量儀會(huì)對(duì)線路進(jìn)行測(cè)量并實(shí)時(shí)反饋實(shí)際測(cè)量的運(yùn)行值，包括：電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率、功率因數(shù)等，控制保護(hù)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 控制保護(hù)系統(tǒng)工作原理

負(fù)載模擬裝置具備就地和遙控兩種控制模式。遙控模式時(shí)，使用網(wǎng)線連接控制計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)中的操作軟件對(duì)負(fù)載容量、功率因數(shù)等進(jìn)行設(shè)置，在負(fù)載加載后可在軟件界面中查看實(shí)際加載狀況，其他參數(shù)及報(bào)警信息也可綜合顯示。軟件界面如圖2所示。

圖2 遙控模式控制界面

2.3.2 報(bào)警保護(hù)功能設(shè)計(jì)

電阻管和電抗器作為負(fù)載模擬裝置的主要部件，其性能狀態(tài)對(duì)裝置運(yùn)行安全和試驗(yàn)精度至關(guān)重要。因此，除了通過開關(guān)對(duì)負(fù)載模擬裝置過流、過載和短路進(jìn)行保護(hù)外，還在電阻管和電抗器區(qū)域安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載區(qū)域溫度，當(dāng)溫度超過設(shè)定保護(hù)值時(shí)，觸發(fā)裝置報(bào)警。

風(fēng)機(jī)是負(fù)載模擬裝置保護(hù)功能的重要部件。為了保證負(fù)載模擬裝置在試驗(yàn)時(shí)能夠性能穩(wěn)定地長時(shí)間運(yùn)行，在裝置啟停時(shí)設(shè)置風(fēng)機(jī)與控制保護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)鎖，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)后才可以進(jìn)行加載負(fù)載的操作，否則操作無效。操作界面會(huì)提醒操作者先啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，通過安裝在風(fēng)機(jī)出口處的氣流開關(guān)檢測(cè)風(fēng)向是否正確；如果風(fēng)向錯(cuò)誤，系統(tǒng)報(bào)警。試驗(yàn)完成后，當(dāng)操作者按下停機(jī)按鈕，模擬負(fù)載立即卸載，但風(fēng)機(jī)仍會(huì)繼續(xù)延時(shí)運(yùn)行2 min，對(duì)負(fù)載模擬裝置進(jìn)行散熱，直至停止運(yùn)行。

2.4 結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)

負(fù)載模擬裝置主要部件包括負(fù)載元件、冷卻風(fēng)機(jī)、控制單元等，其主要部件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 負(fù)載模擬裝置主要部件設(shè)計(jì)框圖

結(jié)合船舶環(huán)境條件，負(fù)載模擬裝置箱體結(jié)構(gòu)采用鋼質(zhì)鈑金形式，箱體具有防雨功能，進(jìn)風(fēng)和散熱網(wǎng)帶有防雨孔，箱體內(nèi)部分隔為高溫負(fù)載區(qū)域與常溫控制區(qū)域，高溫負(fù)載區(qū)采用下部進(jìn)風(fēng)、上部出風(fēng)的強(qiáng)制冷卻方式，底部裝有1臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，可將機(jī)組帶載時(shí)產(chǎn)生的熱量及時(shí)排出箱體，保證負(fù)載在安全溫度下運(yùn)行

負(fù)載模擬裝置外形尺寸為1 500 mm×1 100 mm×2 200 mm，重量為1 120 kg，箱體帶有吊裝吊鉤和底部叉車間隙，便于在試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行移動(dòng)。負(fù)載模擬裝置箱體結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 負(fù)載模擬裝置箱體結(jié)構(gòu)布置

3 船用直升機(jī)電源負(fù)載模擬裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

通過與實(shí)船的船用直升機(jī)電源裝置進(jìn)行對(duì)接，對(duì)船用直升機(jī)電源負(fù)載模擬裝置樣機(jī)進(jìn)行功能考核。負(fù)載模擬裝置通過4根導(dǎo)體截面積為300 mm2的單芯電纜與中頻電源連接，負(fù)載模擬裝置風(fēng)機(jī)及控制電源通過市電AC 380 V電壓、50 Hz頻率供電。

試驗(yàn)項(xiàng)目包括分擋測(cè)試、負(fù)載精度測(cè)試、功率因數(shù)可調(diào)測(cè)試、滿負(fù)荷測(cè)試。

試驗(yàn)時(shí)，通過1臺(tái)外接的功率分析儀讀取船用直升機(jī)電源電壓、電流、頻率、功率因數(shù)，功率分析儀的電流信號(hào)通過3個(gè)分別固定在單相電纜上的鉗形電流探頭實(shí)現(xiàn)；電壓信號(hào)通過3個(gè)單獨(dú)的電壓探頭在負(fù)載模擬裝置主匯流排位置進(jìn)行采集。分擋加載精度試驗(yàn)記錄如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果與負(fù)載模擬裝置自帶電參數(shù)測(cè)量儀的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，加載精度最大誤差為0.63 kW，小于1 kW，滿足設(shè)計(jì)要求。在功率因數(shù)可調(diào)測(cè)試中，功率因數(shù)預(yù)設(shè)為0.8時(shí)，試驗(yàn)過程中功率因數(shù)也一直穩(wěn)定在0.802～0.808之間，滿足設(shè)計(jì)要求。

滿負(fù)荷測(cè)試試驗(yàn)開始和結(jié)束后，對(duì)負(fù)載模擬裝置電阻管安裝區(qū)域的溫度進(jìn)行記錄，試驗(yàn)開始前環(huán)境溫度為20.8 ℃，滿負(fù)荷運(yùn)行8 h后測(cè)量最高溫度為109.0 ℃，負(fù)載模擬裝置散熱性能良好，與設(shè)計(jì)階段的理論計(jì)算基本一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 分擋加載精度試驗(yàn)記錄 kW

4 結(jié) 語

在闡述船用直升機(jī)電源系統(tǒng)重要性的基礎(chǔ)上，提出船用直升機(jī)電源負(fù)載模擬裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)。船用直升機(jī)電源負(fù)載模擬裝置設(shè)計(jì)時(shí)，負(fù)載分組與負(fù)載模擬和加載精度密切相關(guān)，需重點(diǎn)關(guān)注；散熱風(fēng)機(jī)容量的選擇不僅關(guān)系到裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行，也是決定裝置體積重量的決定性因素之一，選擇時(shí)需要綜合考慮，合理選型。建議在其他類似負(fù)載模擬裝置的設(shè)計(jì)工作中重點(diǎn)關(guān)注上述兩點(diǎn)。