基于Multisim飞机直接电力起动电气性能仿真研究

（海军航空工程学院青岛校区，青岛 266041）

0 引言

航空燃气涡轮发动机直接电力起动需要完成三个任务：起动、点火及油气调节。其中，起动主要是控制起动电动机安全、快速地把发动机带动起来。对飞机发动机来讲，其转动惯量很大，自立转速很高，用起动机带动发动机这一过程必须配合好，否则很容易起动失败[1～3]，而二者配合关系集中反映在起动过程各种电气参数，主要包括起动机电枢电流及电枢端电压的变化规律是否正常。本文重点开展线路接触电阻及电源供电电压因素对起动电气性能影响研究，对提高部队一线技术人员故障分析能力及排除能力具有一定的指导意义。

1 接触电阻影响因素研究

1.1 接触电阻影响因素仿真分析

飞机电气控制线路一般由汇流条、保护装置、控制电门、继电器、插销及控制设备组成。具体模型如图1所示。其中，控制设备端电压记为U端。由于线路有接触电阻，因此端电压U端并不等于汇流条电压U汇，而是由式(1)决定。当接触电阻过大，达到某个临界值，则端电压就会由于无法达到设备最低工作电压而不工作，导致系统故障发生。

为研究接触电阻对起动电气性能的影响，通过在电枢回路串入不同的电阻Rc来模拟线路接触电阻，建立仿真研究电路，如图2所示。其中，R1为起动电阻，R2为励磁电阻，R3，R4为电源内阻。起动机参数设置如图3所示。通过仿真，分别得到Rc=0Ω，Rc=0.01Ω，Rc=0.02Ω，Rc=0.03Ω时起动机电枢端电压和电枢电流随起动时间变化的波形分别如图4～图7所示。

图1 线路接触电阻构成

图2 接触电阻对起动电气性能影响研究电路

图3 电动机参数设置

图4 Rc=0Ω时电枢端电压和电枢电流波形

图5 Rc=0.01Ω电枢端电压和电枢电流波形

图6 Rc=0.02Ω电枢端电压和电枢电流波形

图7 Rc=0.03Ω电枢端电压和电枢电流波形

由图4～图7对比可知，电枢回路中一个很小的接触电阻将对电枢端电压和电枢电流造成很大的影响，且随着线路接触电阻的增大，电枢端电压和电枢电流急剧下降。随着接触电阻的增大，通过在10.05s测取电枢端电压和电枢电流，发现电枢电流由无接触电阻时的930.4A依次减小为810.1A、707.5A和629.9A，即接触电阻每增加0.01Ω，电枢电流减小100A左右；同时，电枢端电压也同步减小，从而严重影响了起动性能。

1.2 电气线路带载能力检测研究

为防止接触电阻对起动性能造成影响，保持电气线路处于良好的性能状态，有必要对飞机电气线路带载能力进行检测。以电磁阀、电动机构等执行机构为例，由于电流是其核心参数，因此可通过给电气线路搭载同原设备电流相同的模拟负载，搭建完整的电气线路，在电气线路通电情况下，检测模拟负载两端的端电压，通过判断端电压水平，间接判断线路接触电阻状况，检测设备电路工作原理如图8所示。负载开关根据被测设备的正常工作电流选择不同大小的模拟负载。为了判断线路性能状态，在测量过程中，将线路性能状态分为正常、警告、危险及故障四个等级，以空载电压为基础，依据端电压测试结果，判断线路性能状态，测量示意图及线路性能状态等级如图9所示。通过经常性测试及数据记录，判断电气线路性能长期的、渐进的变化趋势，给出预先维护的指导性数据，防止事故发生，做到防患于未然。

图8 电气线路带载能力检测设备原理图

图9 电气线路带载能力检测示意图

2 供电电压影响因素仿真分析

起动供电电压的波动将对起动电气性能产生影响。当供电电压过高时，将不能保证发动机的安全柔和起步，当供电电压过低时，发动机将不能快速起动或起动失败，起动附件将无法正常工作。以机上电瓶电压变化对起动电气性能的影响为例，一般情况下，电瓶电压不会出现过高的情况，在飞机上由于蓄电池自放电等原因造成电瓶电压过低的情况很普遍。因此通过不同程度的降低电瓶电压来模拟电瓶电压过低的情况，来研究电瓶电压降低对起动电气性能的影响。在图2所示的起动仿真电路中，单纯改变蓄电瓶供电电压，分别选取29V、26V、23V和20V四个不同的电瓶电压。通过仿真，分别得到起动机电枢端电压和电枢电流分别如图10～图13所示。

由图10～图13可知，电瓶电压的降低将对电枢端电压和电枢电流造成很大的影响，且随着电瓶电压的降低，电枢端电压和电枢电流下降明显，在10.05s观测电枢端电压和电枢电流，发现电枢电流由正常的930.4A依次降为848.8A、750.8A和652.9A，即电瓶电压每降低3V，电枢电流减小100A左右；同时电枢端电压也随电枢电流依次降低，从而严重影响了起动性能。因此，为了预防电瓶电压过低对起动性能的影响，维护人员应该适时对电瓶电压进行检测。

图10 U供=29V时电枢端电压和电枢电流波形

图11 U供=26V电枢端电压和电枢电流波形

图12 U供=23V电枢端电压和电枢电流波形

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图13 U供=20V电枢端电压和电枢电流波形

3 结束语

借助仿真软件，通过比较分析不同接触电阻及供电电压下起动电流及电枢电压数据，研究了接触电阻及供电电压对起动性能的影响。分析表明，线路接触电阻及供电电压的微小变化将导致电枢电流剧烈减小，不利于飞机的正常起动。维护过程中必须关注接触器等大功率器件老化状况及供电电压的波动。通过对飞机电气线路带载能力机理的分析，在明确电气线路带载能力维护目标的基础上，通过开发电气线路带载能力检测仪器，实现对线路性能状态的判断，对相关电气线路故障的预防具有较高的参考价值。

[1]郝世勇,王华新,于春风.基于PLC的飞机电气附件综合检测仪的研制[J].自动化技术与应用,2011,30(6),61-63.

[2]于春风,郝世勇,于守淼.基于PLC的飞机起动系统综合检测仪的研制[J].自动化技术与应用,2012,31(8),64-66.

[3]战祥新,郝世勇,于春风.飞机发动机起动系统在线检查仪的研制[J].电子设计工程,2015,23(15),96-98.