一种能降低直升机电源转换时间的设计

2018-07-27余荣良尹超华

电子制作 2018年13期

余荣良，尹超华

(中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001)

1 背景

大多数直升机执行飞行任务之前，都需要使用地面电源做飞行前检查，检查完一切正常后方可起动直升机。直升机起动之后，飞行之前，需要地勤人员手动拔下地面电源插头，此时直升机上机载用电设备由地面电源供电转换至机载电源供电。GJB181对地面电源供电与机载电源供电之间的转换时间要求为不大于50ms。

由于供电系统控制逻辑大多比较复杂，多数直升机在设计初期地面电源供电转换至机载电源供电时都无法满足转换时间不大于50ms的要求，只有在设计后期通过在机载用电设备内部增加大电容或在供电系统构型中增加电源转换盒等方法来保证机载用电设备转电时正常工作。这样不但增加了机载用电设备和供电系统的重量，还提高了直升机的设计成本。

本文提出了一种能降低直升机电源转换时间的设计，该设计简单易行，没有任何负面效果，且能有效的降低直升机电源转换时间。

2 设计方法

该设计方法主要包含以下内容：

（1）供电系统初步设计时，选用两长一短设计方式的地面电源插座，其中两根长针用作地面电源的供电电源针，分别定义为电源正和电源负，短针用作地面电源的信号电源针，定义为信号正。短针比长针短约2～3cm；

（2）供电系统详细设计时，设置一个地面电源控制继电器，并将地面电源控制继电器线圈正端与短针关联，用短针的状态代表地面电源的供电状态（实际上长针才是地面电源的供电电源针，长针的状态才代表地面电源的供电状态），即短针脱开时，机载电源就开始连接机上电网，长针脱开时，地面电源才断开机上电网。

以AC311A直升机供电系统为例，地勤人员手动拔下地面电源插头时，直升机上机载用电设备由地面电源供电转换至机载电源供电，供电系统转换逻辑如图1所示。

供电系统转换逻辑中各步骤详细过程如下：

（1）步骤A：地面电源插座长针脱开地面电源插头→地面电源接触器断开；

图1 供电系统转换逻辑

（2）步骤B：地面电源插座短针脱开地面电源插头→地面电源控制继电器断开；

（3）步骤C：地面电源控制继电器断开→蓄电池接触器吸合，蓄电池连接机上电网；

（4）步骤D：地面电源控制继电器断开→发电机控制器给出发电机接触器吸合指令；

（5）步骤E：发电机控制器给出发电机并网指令→发电机接触器吸合，发电机连接机上电网；

（6）步骤F：地面电源控制继电器断开→卸载接触器断开，正常汇流条断开机上电网；

（7）步骤G：发电机接触器吸合→卸载接触器吸合，正常汇流条连接机上电网。

根据地勤人员手动拔下地面电源插头的实际情况，分析可知：

（1）步骤B优先于步骤A发生，两步骤的开始时间间隔（T）与长短针之间的长度差（D）和地勤人员手动拔下地面电源插头时的速度（V）有关，T=D/V；

（2）步骤B开始时，机载电源就开始连接机上电网，步骤A开始时，地面电源才断开机上电网，这个时间差设计是本设计方法区别与其他设计方法的关键；

（3）若发电机接触器吸合时间与蓄电池接触器吸合时间一致（实际上发电机接触器和蓄电池接触器型号一致，仅需考虑接触器个体差异，两者吸合时间差距极小，基本可认为一致），则蓄电池会比发电机早一步连接机上电网，即步骤C优先于步骤E结束，两步骤的结束时间间隔为步骤D的执行时间，即发电机控制器的响应时间；

（4）步骤A开始时，地面电源断开机上电网，应急汇流条断电；步骤C结束时，蓄电池连接机上电网，应急汇流条由蓄电池供电；步骤E结束时，发电机连接机上电网，应急汇流条由发电机供电。因此应急汇流条的转电时间为步骤C结束时间与步骤A开始时间之差；

（5）步骤A开始时，地面电源断开机上电网，正常汇流条断电；步骤F结束时，卸载接触器断开，正常汇流条也会断电；步骤G结束时，发电机已并网，且卸载接触器吸合，正常汇流条由发电机供电。因此正常汇流条的转电时间为步骤G结束时间与步骤A开始时间或步骤F结束时间之差中的较大值。

为进行电源转换时间的理论计算，我们进行如下定义：

（1）经查询接触器与继电器产品样本后取均值，定义继电器断开时间为5ms，继电器吸合时间为5ms，接触器断开时间为10ms，接触器吸合时间为15ms，发电机控制器内部转换时间为5ms（内部通过继电器转换）；

（2）定义地面电源插座短针比长针短3cm，地勤人员手动拔下地面电源插头的速度为2m/s；

（3）定义上述各步骤开始时间为Txs，结束时间为Txf，（x为步骤号，s=start，f=finish），以步骤A为例，步骤A的开始时间为Tas，结束时间为Taf；

（4）定义地面电源插座短针脱开地面电源插头的时间为时间零点。

根据上述定义，计算得知电源转换过程中主要事件与时间节点如下：

（1）地面电源插座：第0ms时地面电源插座短针脱开地面电源插头，第15ms时地面电源插座长针脱开地面电源插头；

（2）发电机：第5ms时地面电源控制继电器断开，第10ms时发电机控制器给发电机接触器吸合指令，第25ms时发电机接触器吸合，发电机连接机上电网；

（3）蓄电池：第5ms时地面电源控制继电器断开，第20ms时蓄电池接触器吸合，蓄电池连接机上电网；

（4）地面电源：第15ms时地面电源插座长针脱开地面电源插头，地面电源断开机上电网，第30ms时地面电源接触器断开；

（5）应急汇流条：第15ms时地面电源插座长针脱开地面电源插头，地面电源断开机上电网，应急汇流条断电，第20ms时蓄电池接触器吸合，蓄电池连接机上电网，应急汇流条由蓄电池供电，

第25ms时发电机接触器吸合，发电机连接机上电网，应急汇流条由发电机供电，应急汇流条转电时间：

（6）正常汇流条：第15ms时地面电源插座长针脱开地面电源插头，地面电源断开机上电网，正常汇流条断电；另外第5ms时地面电源控制继电器断开，第15ms时卸载接触器断开，正常汇流条也会断电，第25ms时发电机接触器吸合，发电机连接机上电网，第40ms时卸载接触器吸合，正常汇流条由发电机供电，正常汇流条转电时间：

通过理论计算可知，应急汇流条转电之间为5ms，正常汇流条转电时间为25ms。实际电源转换过程中，由于地勤人员手动拔下地面电源插头的速度不一样，以及继电器、接触器的断开、吸合时间会有一点差异，实际电源转换时间与理论计算可能会有一些偏差。

电源转换过程中主要事件与时间节点图如图2，图中实线表示连接机上电网，虚线表示断开机上电网。

3 实用案例

目前，本设计方法已成功应用在国产AC311A民用直升机上。该直升机选用的地面电源插座为国营117厂生产的PJ-500A型直流地面电源插座。经实际测试，AC311A直升机由地面电源转换至机载电源供电时，应急汇流条转换时间约0～5ms，已基本实现不间断供电，正常汇流条转换时间约20～25ms，满足GJB181中关于地面电源供电与机载电源供电之间的转换时间要求不大于50ms的要求。