某型飛機交流電源系統改裝

孫丹丹，趙淵昉

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安710089）

近年來，隨著探測雷達發射距離的增大，其發射功率也隨之增大。某型飛機現有的剩余電量不能滿足雷達試飛的功率需要。針對這一問題，決定對某型飛機的交流電源系統進行研究改裝，以使其滿足試飛需求。某型飛機現有兩臺交流發電機，一臺主用（左交流發電機），另一臺備用（右交流發電機），兩臺發電機均處于單相（115 V/400 Hz）輸出狀態，當主交流發電機正常工作時，輸出額定電壓115 V/400 Hz單相交流電。備用交流發電機處在空載狀態，不向機載設備供電。當主用發電機失效時，電路自動轉換到備用發電機供電。

通過研究分析該型飛機交流電源系統的工作方式，決定在不改變原機供電模式的情況下，改變備用交流發電機的輸出狀態，將原輸出的單相交流電源更改為三相115 V/400 Hz交流電源，就可以成為某型探測雷達的試飛平臺。

1 交流電源系統改裝方案

1.1 電樞繞組接點關系

某型飛機原機發電機是同步交流發電機，其電樞繞組一般為Y形連接，輸出為三相115 V/400 Hz交流電。由于載機設備的用電類型為單相115 V/400 Hz交流電，因此飛機原狀態中電樞繞組采用了△形連接，如圖1所示。從圖1中可以看出，發電機的電樞繞組有6個接線點，分別為A、B、C、X、Y、Z。原機電樞繞組連接方式為：A、Z接線柱相連，B、X接線柱相連，C、Y接線柱相連并接地。載機設備通過B、C輸出端引取單向115 V交流電。

圖1 △形電樞繞組形式

由于雷達被試設備所需電源類型為三相115 V/400 Hz交流電，所以需要將原機電樞繞組更改為Y形連接，如圖2所示。將X、Y、Z接線柱相連并接地，從A、B、C接線柱輸出115 V交流電。電樞繞組的轉換通過轉換控制電路來實現。

圖2 Y形電樞繞組形式

1.2 調壓保護控制器的功能和原理介紹

原交流發電機配套的控制保護器為晶體調壓器和控制保護器，交流發電機改為三相輸出后，需拆除原控制保護器，加裝與現輸出狀態相匹配的調壓控制保護設備。新型調壓保護控制器將調壓和控制保護功能整合在一個設備中。

1.2.1 主要技術指標

主要技術要求指標如下。

調壓精度：0%～100%負載，±2%；100%～150%負載，±3%；150%～200%負載，±4.5%。

過壓保護：動作點電壓為（125±3）V。130 V，不大于3 s；140 V，不大于0.5 s；150 V，不大于0.32 s；160 V，不大于0.22 s；170 V，不大于0.16 s；180 V，不大于0.12 s。

欠壓保護：97～107 V，3～5 s。

欠頻保護：當發電機輸出電壓的頻率低于（360±10）Hz時，自動切斷負載接觸器。

1.2.2 新型調壓保護控制器的功能

通過改變發電機勵磁電流的方法來調節發電機輸出電壓，保證發電機輸出電壓穩定；當出現欠壓和過壓時，經一定延時后，輸出動作信號斷開發電機勵磁回路并將負載從電網中切除；欠頻敏感電路感受永磁機頻率，當頻率低于一定值時，斷開發電機勵磁回路并將負載從電網中切除。

1.2.3 基本工作原理

當發電機的轉子由飛機發動機驅動，高速旋轉時，永磁機的三相電樞繞組會在永久磁極所產生的旋轉磁場中產生感應電勢，其空載電壓約30～33 V。永磁機的三相輸出經整流放大電路后輸出一個直流電，給激磁機的激磁繞組，使之產生磁場。激磁機的三相電樞繞組在激磁機所產生的磁場中旋轉感應出三相電勢，經三相半波整流后供給發電機激磁繞組，從而使發電機的電樞繞組建立三相交流電壓。也就是說激磁電流Ij是建立發電機三相交流電壓U的基礎，激磁電流Ij與發電機三相交流電壓U成正比關系。通過改變激磁電流Ij的大小，就可調節三相交流電壓U的大小。

引取發電機輸出電壓U，經過變壓整流電路輸出直流分量電壓U2，U2經過放大整形電路后輸出與U2成反比的電流I，為激磁機提供激磁電流。當U電壓升高時，U2電壓升高，電流I減小，激磁電流Ij減小，電壓U降低，從而達到調節輸出電壓自調節的目的。

引取發電機輸出電壓U作為輸入，當發電機出現欠頻、欠壓、過壓時，通過放大、延時電路后，輸出一個控制信號，斷開勵磁電流并切除負載，工作原理如圖3所示。

圖3 調壓保護控制器工作原理圖

1.3 應急情況下的供電轉換

改裝后的交流電源系統在正常供電的情況下，由左交流電源系統給機載設備提供單相115 V/400 Hz單相交流電，右交流電源系統給任務系統設備提供115 V/400 Hz三相交流電。為與原機應急狀態保持一致，需要確保在左交流發電系統工作失效時，能夠自動將任務系統設備從右交流發電系統中切除，并且將左交流發電系統的機載設備自動轉交給右交流發電系統進行供電。由于右交流發電系統輸出是115 V/400 Hz三相交流電源，而機載設備輸入電源類型為115 V/400 Hz單相交流電源。所以，需要完成飛機在應急狀態下，右交流發電系統的輸出電源類型和用電負載的同時轉換。

為實現輸出電源類型的轉換，在右交流發電機與機載設備電路之間加裝一臺輸入為三相115 V/400 Hz，輸出為單相115 V/400 Hz的電源轉換器，這樣可以確保左發故障時，右發電源系統可以輸出單相交流電源供機載設備使用。

為實現用電負載的轉換，抽引原機的左發電源故障信號，在左發電源系統故障時，自動切斷任務系統設備，將右發電源系統的使用權轉交給機載設備，工作原理如圖4所示。

圖4 應急供電轉換原理圖

1.4 地面三相電源的改裝

由于任務系統設備在實際裝機試飛前，需要進行大量的地面試驗，所以，需要為任務系統專門加裝一套地面供電系統，確保任務系統設備地面用電需求。

任務系統設備地面用電主要由地面電源車提供功率來源。為了能夠將地面電源車的輸出功率傳送至任務設備，在飛機右機身處加裝了一個三相地面電源插座。

為了避免地面三相交流電源與機上三相交流電源的相序不一致而導致的設備損壞或者設備無法正常工作，在任務系統引電匯流條前端加裝了相序保護器，確保在相序不匹配時，地面電源車無法將電源輸送至機上匯流條。

當地面電源車接通后，地面三相交流電源系統與機上右發交流系統通過機地轉換控制設備同時掛靠在115 V交流匯流條上。當飛機右發交流系統具備狀態，滿足向電網供電條件時，機地轉換控制設備自動切斷地面電源車，改為由右發交流系統向機上任務設備供電，工作原理如圖5所示。

圖5 地面三相電源工作原理圖

2 系統地面試驗

在系統改裝完成后，對系統進行地面試驗，以驗證系統是否能正常工作。右交流發電機改為三相輸出后，檢查發電機輸出品質和發動機正常工作情況。

2.1 試驗過程總述

準備工作：在發電機表面貼溫度片，用于感受發電機表面溫度。將溫度信號接到溫度顯示器。

檢查項目：發電機表面溫度、穩態電壓、電源頻率、波形。

載功率為0～10 kVA。接通模擬負載1工作開關，右交發載荷3kVA，工作2 min；再接通模擬負載2工作開關，右交發載荷6 kVA，工作2min；再接通模擬負載3工作開關，右交發載荷9 kVA，工作2 min；再接通模擬負載4工作開關，右交發載荷10 kVA，工作2min。

2.2 試驗過程

左右發動機開車，檢查交流電源系統供電控制程序（空載）。

準備工作：地面三相115 V電源是否接入網路接上28 V地面電源車，三相115 V地面電源車，艙外的“地面三相電源”信號燈亮，接通機柜上地面三相電源開關，機柜上“地面三相電源”信號燈亮。接通機上地面28 V開關。

起動右發動機，查看右交流發電機是否能向網路輸電，并自動切除三相地面電源。接通原機“右交流發電機接通”開關，“右交流發電機故障”信號燈亮，當右發動機轉數在15 000 r/min（發電機7 800 r/min）時，按下“交流發電機接通網絡”按鈕，“右交流發電機故障”信號燈滅，表示右交流發電機向網路供電。機柜上的“地面三相電源”信號燈滅，“機上三相電源”燈亮，表示地面電源轉機上供電線路正常。機柜上的電壓表有指示，“應急電源”信號燈亮。斷開原機“右交流發電機接通”開關。

再起動左發動機，當“左、右直流發電機”向機上網路供電后，拔下28 V地面電源插頭，接通機柜上和駕駛艙的“任務總電源”開關，對應的信號燈亮。接通原機“左、右交流發電機接通”開關，“左、右交流發電機故障”信號燈亮，當左、右交流發電機滿足供電要求時，按下“交流發電機接通網絡”按鈕，“左、右交流發電機故障”信號燈滅，機柜上的電壓表有指示。接通“變壓器”開關，原右交流電源電壓表、頻率表有相應的指示（測電源品質），表示左右交流供電系統正常。

斷開原機“左交流發電機接通”開關，“任務總電源”信號燈熄滅，“交流應急電源”信號燈亮。原機115 V單相設備仍能正常工作，原機右發單相電流表有指示，表示當左交流發電機失效時，先切除任務系統供電后，由右交流發電機給原機設備供電。

當電源系統都正常工作時，分別斷開“左右直流發電機”開關，若“左右直流發電機故障”信號燈亮，“任務總電源”信號燈熄滅。表示左右直流發電機有一臺失效時，可切除任務總系統供電。

當電源系統都正常工作時，若“左右交流發電機故障”信號燈亮，原機115 V單相設備仍能正常工作，表示原機115 V單相設備由原機變流機提供。

2.3 右交流發電機地面加載試驗

右交流發電機改為三相輸出后，檢查發電機輸出品質和發動機正常工作情況。

準備工作：在發電機表面貼溫度片，用于感受發電機表面溫度，將溫度信號接到溫度顯示器。

檢查項目：發電機表面溫度、穩態電壓、電源頻率、波形。

加載功率為0～10 kVA。接通液冷泵工作開關，右交發載荷3 kVA，工作2 min；再接通液冷加溫工作開關，右交發載荷6 kVA，工作2 min；再接通通信電源分配單元工作開關，右交發載荷9 kVA，工作2min；再接通雷達115 V工作開關，右交發載荷10 kVA，工作2min。

2.4 交流電源系統供電控制程序檢查

準備工作：確認地面三相115 V交流電源接入網路。起動右發動機，驗證右交流發電機是否能向機上網絡輸電，并自動切除三相地面電源。

再起動左發動機，驗證在左、右發同時啟動的情況下，系統是否是由左發電機向機載設備供電，右發電機向任務系統設備提供三相交流電源。

斷開左發電系統，驗證當左交流發電系統失效時，系統能夠自動切除任務系統，由右交流發電機通過變壓器向原機設備提供單相交流電源。

斷開左右直流發電機系統，驗證當左右直流發電機有一臺失效時，可切除任務系統設備。

同時斷開左右交流發電系統，驗證當左右交流發電機均故障時，原機115 V單相設備仍由原機變流機提供。

2.5 右交流發電機地面加載試驗

右交流發電機改為三相輸出后，檢查發電機輸出品質和發動機正常工作情況。

準備工作：在發電機表面貼溫度片，用于感受發電機表面溫度，將溫度信號接到溫度顯示器。

檢查項目：發電機表面溫度、穩態電壓、電源頻率、波形。

加載功率為0～10 kVA。接通模擬負載1工作開關，右交發載荷3kVA，工作2 min；再接通模擬負載2工作開關，右交發載荷6 kVA，工作2min；再接通模擬負載3工作開關，右交發載荷9 kVA，工作2min；再接通模擬負載4工作開關，右交發載荷10 kVA，工作2min。

加載功率及工作時間如表1所示。試驗結果如表2所示。

表1 加載功率及工作時間

表2 試驗結果

3 總結

改裝后的電源系統電壓、頻率穩定，輸出電源品質及功率滿足任務系統用電需求。其改裝流程可以為后續類似試驗平臺電源系統改裝提供借鑒。