直升机直流电源转电方法研究

敖文翔，刘搏，余荣良，齐丛生

（中国直升机设计研究所，江西景德镇，333001）

0 引言

直升机供电电源可以分为地面电源和机载电源，地面电源用于直升机的地面维护和起动，机载电源用于直升机飞行时的正常供电和应急供电，转电即指地面电源供电与机载电源供电之间的转换。

2014年10月，某型直升机转电时出现通信系统间断时间长故障[1]；2018年1月，某型直升机飞参记录仪转电时出现中断故障[2]；2018年10月，某型直升机拔地面电源插头出现综显掉电问题[3]。经过对故障的分析与排查，最终将以上故障原因定位为转电时间过长。国军标GJB181中对转电时间要求为不大于50ms[4]，而由于直升机供电系统中储能电容的存在及其控制逻辑比较复杂，在设计初期难以满足GJB181对转电时间的要求。

解决储能电容的方法一般是增加隔离二极管和泄放电阻，该方法会影响系统工作环境，降低系统的安全可靠性，影响因素包括增加线路压降、增加系统能耗、加重电子元器件热负担等。而对于复杂控制逻辑暂时没有好的解决方法，一般为了保证设备转电时正常工作，会在系统中增加电容或电源转换盒，使得系统重量增大，设计成本增高。

储能电容对转电时间的影响在于增加了接触器的释放判定时间，文献[5]提出了一种新型的直升机直流电源系统转电控制电路，该电路能有效减小接触器的释放判定时间，从而缩短转电时间，减小储能电容的影响。文献[6]设计了一种新型的地面电源插座，依托于该设计能缩短汇流条脱并网的时间差，从而有效减小直升机电源转电时间，该设计简单易行且没有任何负面效果。

1 机理分析

■1.1 理想转电过程

某型直升机直流电源系统组成包括直流电机MG，接触器1P、2P、3P，常规汇流条PP1，应急汇流条PP2，充放电控制器和蓄电池组，系统结构框图如图1所示。

图1 直流电源结构框图

机载电源供电时，接触器1P、2P的1、2触点吸合接通，常规汇流条PP1和应急汇流条PP2由发电机供电。

机载电源供电转为地面电源供电时，蓄电池组接通，3P的1、2触点吸合接通，直流电机断电，接触器1P、2P先后失电释放，应急汇流条PP2由发电机供电转为蓄电池组供电，转电完成。

在理想状态下转电时间应为3P吸合时间与2P释放时间之和，而一般接触器吸合时间≤20ms，释放时间≤15ms，则有转电时间T≤35ms，完全满足GJB181A中转电时间不大于50ms的规定。

■1.2 实际转电过程

实际上机载设备内部大多装有储能电容，目的是为了抗50ms断电，储能电容会在断电时向常规汇流条PP1馈电，导致汇流条电压缓慢降低，如图2所示。

图2 实际工况原理框图

而接触器释放电压范围为1.5V～7V，只有当PP1电压缓慢降到7V以下时，2P线圈才开始释放，因此在实际工况下转电时间：

T= T1+ T2+ T3

其中T1为2P释放时间，T2为3P吸合时间，T3为PP1掉电时间。

2 改进方案

■2.1 隔离储能电容

为了使储能电容不影响机上电源系统，应将储能电容与机上汇流条进行隔离，一般在机上对直流电源系统进行2个方面改装，具体如图3所示。

图3 改装电路图

（1）在汇流条PP1与容性负载之间增加隔离二极管。其中增加隔离二极管D1以防止常规大负载向汇流条馈电，增加隔离二极管D2以防止配电装置向汇流条馈电。

（2）在汇流条PP1上增加泄放电阻R1。在转电过程中，R1能将PP1上的电能转换成热能释放，从而缩短转电时间。

将上述改装方案在机上实施测得转电时间为30ms左右，未有设备掉电现象，符合GJB181A中转电时间不大于50ms的规定。而该方法的缺点是会影响系统工作环境，降低系统的安全可靠性，影响因素包括增加线路压降、增加系统能耗、加重电子元器件热负担等。

■2.2 转电控制电路优化设计

通过增加隔离二极管和泄放电阻来缩短转电时间的方法弊端明显，储能电容对转电时间的影响在于增加了接触器2P的释放判定时间，即汇流条PP1掉电时间T3，若接触器2P能在汇流条PP1电压降到7V之前释放，就能减小PP1掉电时间T3，从而缩短转电时间，减小储能电容的影响。

文献[5]中设计的转电控制电路可以通过改变比较电压U2来控制接触器2P的释放判定时间，即汇流条PP1掉电时间T3，且U2越高，T3越小，转电时间就越短，如图4所示。

图4 转电控制电路原理框图

PP1汇流条电压U1首先经过稳压、滤波处理，之后送入比较电路同设定的比较电压U2进行比较。考虑到该控制电路的适用性，比较电压U2应高于接触器释放电压最高值，否则无法缩短转电时间；同时应低于用电设备正常工作电压最小值，否则会引发误触动。而由接触器释放电压范围1.5V～7V，和电气设备额定工作电压范围22V～29V，可得比较电压U2的范围为7V

（1）当系统正常工作时，U1＞U2，光耦电路导通，接触器2P得电吸合。

（2）当系统开始转电时，电压U1下降，当U1＜U2时，光耦电路断开，接触器2P失电断开，3P得电吸合，转电完成。

考虑到电压越低掉电越慢，汇流条PP1前期掉电比较快，掉电时间主要集中在电压缓降的低电压区等特点，文献[5]将比较电压设为15V，通过实验室试验和机上试验，对该设计电路进行验证：

（1）实验室试验

试验条件：(a)在PP1汇流条上连接1个1000μF大电容；

(b)输出负载分别设置空载、5A和10A。

试验内容：PP2汇流条转电时间。

试验结果见表1。

表1

（2）机上试验

试验条件：飞机正常试飞过程中转电；

试验内容：PP2汇流条转电时间；

试验结果：转电时间为14.75ms。

由试验结果可知，当比较电压U2设置为15V时，转电控制电路可以将系统转电时间控制在50ms以内，满足GJB181对转电时间的要求。并且在地面开车与试飞中，直流电源系统转电过程中全机各系统工作正常，无用电设备断电与重起现象。

该转电控制电路的优势在于响应快，可靠性高，当电路发生故障时，光耦电路处于导通状态，不影响转电过程，因此该控制电路不会降低直流电源系统可靠性。

■2.3 地面电源插座优化设计

转电是指地面电源供电与机载电源供电之间的转换，前面内容考虑的是机载电源供电转为地面电源供电时的转电优化，此章节考虑的则是地面电源供电转为机载电源供电时的转电优化。

文献[6]设计了一种新型的地面电源插座来降低直升机电源转电时间，以某型民用直升机为例，设计的供电系统结构如图5所示。

图5 直升机供电系统结构设计框图

转电时间实际上就是汇流条脱并网的时间差，正常情况下，地面电源脱开后，汇流条脱网仅需要一个地面电源接触器的动作，而汇流条并网要经过一系列的接触器和控制器的动作。

该设计方法的关键点在于两长一短的地面电源插座，两根长针为供电电源针，代表地面电源的供电状态，短针则为转电信号针。短针会比长针提前脱开，代表汇流条脱网开始时间会比并网开始时间提前，从而缩短脱并网的时间差，减小转电时间，汇流条脱并网动作过程如图6所示。

图6 汇流条脱并网流程图

图6中字母A到G分别代表各个控制器或接触器的动作过程，定义短针脱开时间为T0，短针与长针脱开时间差为T1，A过程动作时间为TA，以此类推。

根据接触器与继电器产品样本数据可知：接触器的工作性能均值为吸合时间TC、TE、TG=15ms，释放时间TA、TF=10ms；控制器（通过继电器动作）的工作性能均值为动作时间TB、TD=5ms。再定义短针完全脱开时t=0，则：

（1）T1=ΔL/V=15ms，其中文献[6]设计的长短针长度差ΔL=3cm，工作人员拔地面电源插头平均速度V=2m/s；

（2）正常汇流条脱网时间Tzt=min{T1+TA，TB+TF}=15ms；

（3）正常汇流条并网时间Tzb=TB+TD+TE+TG=40ms；

（4）应急汇流条脱网时间Tyt= T1+TA=25ms；

（5）应急汇流条并网时间Tyb=TB+TC=20ms。

则有正常汇流条脱并网时间差即其转电时间为25ms，应急汇流条转电时间为5ms，均满足GJB181对转电时间不大于50ms的要求。

实际上接触器和继电器动作时间以及工作人员拔插头的速度会对转电时间带来细微偏差，但通过测试及验证，偏差影响可以忽略不计，且该设计已成功应用在国产某型民用直升机上。

3 结论

直升机直流电源系统转电时间在设计初期难以满足GJB181要求的原因在于储能电容的存在及其复杂控制逻辑。

对于储能电容，增加隔离二极管和泄放电阻的改装方法虽然能够有效减小转电时间，但该方法会影响系统工作环境，降低系统的安全可靠性，影响因素包括增加线路压降、增加系统能耗、加重电子元器件热负担等。

储能电容对转电时间的影响在于增加了接触器的释放判定时间，文献[5]设计的转电控制电路能够监测汇流条的电压变化，通过设定比较电压可以控制接触器的释放时间，从而缩短转电时间。

复杂控制逻辑对转电时间的影响在于延长了汇流条并网的时间，文献[6]设计的地面电源插座，能够使汇流条并网开始时间提前，从而缩短汇流条脱并网的时间差，减小转电时间。