某型飞机交流电源系统改装

孙丹丹，赵渊昉

（中国飞行试验研究院，陕西 西安710089）

近年来，随着探测雷达发射距离的增大，其发射功率也随之增大。某型飞机现有的剩余电量不能满足雷达试飞的功率需要。针对这一问题，决定对某型飞机的交流电源系统进行研究改装，以使其满足试飞需求。某型飞机现有两台交流发电机，一台主用（左交流发电机），另一台备用（右交流发电机），两台发电机均处于单相（115 V/400 Hz）输出状态，当主交流发电机正常工作时，输出额定电压115 V/400 Hz单相交流电。备用交流发电机处在空载状态，不向机载设备供电。当主用发电机失效时，电路自动转换到备用发电机供电。

通过研究分析该型飞机交流电源系统的工作方式，决定在不改变原机供电模式的情况下，改变备用交流发电机的输出状态，将原输出的单相交流电源更改为三相115 V/400 Hz交流电源，就可以成为某型探测雷达的试飞平台。

1 交流电源系统改装方案

1.1 电枢绕组接点关系

某型飞机原机发电机是同步交流发电机，其电枢绕组一般为Y形连接，输出为三相115 V/400 Hz交流电。由于载机设备的用电类型为单相115 V/400 Hz交流电，因此飞机原状态中电枢绕组采用了△形连接，如图1所示。从图1中可以看出，发电机的电枢绕组有6个接线点，分别为A、B、C、X、Y、Z。原机电枢绕组连接方式为：A、Z接线柱相连，B、X接线柱相连，C、Y接线柱相连并接地。载机设备通过B、C输出端引取单向115 V交流电。

图1 △形电枢绕组形式

由于雷达被试设备所需电源类型为三相115 V/400 Hz交流电，所以需要将原机电枢绕组更改为Y形连接，如图2所示。将X、Y、Z接线柱相连并接地，从A、B、C接线柱输出115 V交流电。电枢绕组的转换通过转换控制电路来实现。

图2 Y形电枢绕组形式

1.2 调压保护控制器的功能和原理介绍

原交流发电机配套的控制保护器为晶体调压器和控制保护器，交流发电机改为三相输出后，需拆除原控制保护器，加装与现输出状态相匹配的调压控制保护设备。新型调压保护控制器将调压和控制保护功能整合在一个设备中。

1.2.1 主要技术指标

主要技术要求指标如下。

调压精度：0%～100%负载，±2%；100%～150%负载，±3%；150%～200%负载，±4.5%。

过压保护：动作点电压为（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。

欠压保护：97～107 V，3～5 s。

欠频保护：当发电机输出电压的频率低于（360±10）Hz时，自动切断负载接触器。

1.2.2 新型调压保护控制器的功能

通过改变发电机励磁电流的方法来调节发电机输出电压，保证发电机输出电压稳定；当出现欠压和过压时，经一定延时后，输出动作信号断开发电机励磁回路并将负载从电网中切除；欠频敏感电路感受永磁机频率，当频率低于一定值时，断开发电机励磁回路并将负载从电网中切除。

1.2.3 基本工作原理

当发电机的转子由飞机发动机驱动，高速旋转时，永磁机的三相电枢绕组会在永久磁极所产生的旋转磁场中产生感应电势，其空载电压约30～33 V。永磁机的三相输出经整流放大电路后输出一个直流电，给激磁机的激磁绕组，使之产生磁场。激磁机的三相电枢绕组在激磁机所产生的磁场中旋转感应出三相电势，经三相半波整流后供给发电机激磁绕组，从而使发电机的电枢绕组建立三相交流电压。也就是说激磁电流Ij是建立发电机三相交流电压U的基础，激磁电流Ij与发电机三相交流电压U成正比关系。通过改变激磁电流Ij的大小，就可调节三相交流电压U的大小。

引取发电机输出电压U，经过变压整流电路输出直流分量电压U2，U2经过放大整形电路后输出与U2成反比的电流I，为激磁机提供激磁电流。当U电压升高时，U2电压升高，电流I减小，激磁电流Ij减小，电压U降低，从而达到调节输出电压自调节的目的。

引取发电机输出电压U作为输入，当发电机出现欠频、欠压、过压时，通过放大、延时电路后，输出一个控制信号，断开励磁电流并切除负载，工作原理如图3所示。

图3 调压保护控制器工作原理图

1.3 应急情况下的供电转换

改装后的交流电源系统在正常供电的情况下，由左交流电源系统给机载设备提供单相115 V/400 Hz单相交流电，右交流电源系统给任务系统设备提供115 V/400 Hz三相交流电。为与原机应急状态保持一致，需要确保在左交流发电系统工作失效时，能够自动将任务系统设备从右交流发电系统中切除，并且将左交流发电系统的机载设备自动转交给右交流发电系统进行供电。由于右交流发电系统输出是115 V/400 Hz三相交流电源，而机载设备输入电源类型为115 V/400 Hz单相交流电源。所以，需要完成飞机在应急状态下，右交流发电系统的输出电源类型和用电负载的同时转换。

为实现输出电源类型的转换，在右交流发电机与机载设备电路之间加装一台输入为三相115 V/400 Hz，输出为单相115 V/400 Hz的电源转换器，这样可以确保左发故障时，右发电源系统可以输出单相交流电源供机载设备使用。

为实现用电负载的转换，抽引原机的左发电源故障信号，在左发电源系统故障时，自动切断任务系统设备，将右发电源系统的使用权转交给机载设备，工作原理如图4所示。

图4 应急供电转换原理图

1.4 地面三相电源的改装

由于任务系统设备在实际装机试飞前，需要进行大量的地面试验，所以，需要为任务系统专门加装一套地面供电系统，确保任务系统设备地面用电需求。

任务系统设备地面用电主要由地面电源车提供功率来源。为了能够将地面电源车的输出功率传送至任务设备，在飞机右机身处加装了一个三相地面电源插座。

为了避免地面三相交流电源与机上三相交流电源的相序不一致而导致的设备损坏或者设备无法正常工作，在任务系统引电汇流条前端加装了相序保护器，确保在相序不匹配时，地面电源车无法将电源输送至机上汇流条。

当地面电源车接通后，地面三相交流电源系统与机上右发交流系统通过机地转换控制设备同时挂靠在115 V交流汇流条上。当飞机右发交流系统具备状态，满足向电网供电条件时，机地转换控制设备自动切断地面电源车，改为由右发交流系统向机上任务设备供电，工作原理如图5所示。

图5 地面三相电源工作原理图

2 系统地面试验

在系统改装完成后，对系统进行地面试验，以验证系统是否能正常工作。右交流发电机改为三相输出后，检查发电机输出品质和发动机正常工作情况。

2.1 试验过程总述

准备工作：在发电机表面贴温度片，用于感受发电机表面温度。将温度信号接到温度显示器。

检查项目：发电机表面温度、稳态电压、电源频率、波形。

载功率为0～10 kVA。接通模拟负载1工作开关，右交发载荷3kVA，工作2 min；再接通模拟负载2工作开关，右交发载荷6 kVA，工作2min；再接通模拟负载3工作开关，右交发载荷9 kVA，工作2 min；再接通模拟负载4工作开关，右交发载荷10 kVA，工作2min。

2.2 试验过程

左右发动机开车，检查交流电源系统供电控制程序（空载）。

准备工作：地面三相115 V电源是否接入网路接上28 V地面电源车，三相115 V地面电源车，舱外的“地面三相电源”信号灯亮，接通机柜上地面三相电源开关，机柜上“地面三相电源”信号灯亮。接通机上地面28 V开关。

起动右发动机，查看右交流发电机是否能向网路输电，并自动切除三相地面电源。接通原机“右交流发电机接通”开关，“右交流发电机故障”信号灯亮，当右发动机转数在15 000 r/min（发电机7 800 r/min）时，按下“交流发电机接通网络”按钮，“右交流发电机故障”信号灯灭，表示右交流发电机向网路供电。机柜上的“地面三相电源”信号灯灭，“机上三相电源”灯亮，表示地面电源转机上供电线路正常。机柜上的电压表有指示，“应急电源”信号灯亮。断开原机“右交流发电机接通”开关。

再起动左发动机，当“左、右直流发电机”向机上网路供电后，拔下28 V地面电源插头，接通机柜上和驾驶舱的“任务总电源”开关，对应的信号灯亮。接通原机“左、右交流发电机接通”开关，“左、右交流发电机故障”信号灯亮，当左、右交流发电机满足供电要求时，按下“交流发电机接通网络”按钮，“左、右交流发电机故障”信号灯灭，机柜上的电压表有指示。接通“变压器”开关，原右交流电源电压表、频率表有相应的指示（测电源品质），表示左右交流供电系统正常。

断开原机“左交流发电机接通”开关，“任务总电源”信号灯熄灭，“交流应急电源”信号灯亮。原机115 V单相设备仍能正常工作，原机右发单相电流表有指示，表示当左交流发电机失效时，先切除任务系统供电后，由右交流发电机给原机设备供电。

当电源系统都正常工作时，分别断开“左右直流发电机”开关，若“左右直流发电机故障”信号灯亮，“任务总电源”信号灯熄灭。表示左右直流发电机有一台失效时，可切除任务总系统供电。

当电源系统都正常工作时，若“左右交流发电机故障”信号灯亮，原机115 V单相设备仍能正常工作，表示原机115 V单相设备由原机变流机提供。

2.3 右交流发电机地面加载试验

右交流发电机改为三相输出后，检查发电机输出品质和发动机正常工作情况。

准备工作：在发电机表面贴温度片，用于感受发电机表面温度，将温度信号接到温度显示器。

检查项目：发电机表面温度、稳态电压、电源频率、波形。

加载功率为0～10 kVA。接通液冷泵工作开关，右交发载荷3 kVA，工作2 min；再接通液冷加温工作开关，右交发载荷6 kVA，工作2 min；再接通通信电源分配单元工作开关，右交发载荷9 kVA，工作2min；再接通雷达115 V工作开关，右交发载荷10 kVA，工作2min。

2.4 交流电源系统供电控制程序检查

准备工作：确认地面三相115 V交流电源接入网路。起动右发动机，验证右交流发电机是否能向机上网络输电，并自动切除三相地面电源。

再起动左发动机，验证在左、右发同时启动的情况下，系统是否是由左发电机向机载设备供电，右发电机向任务系统设备提供三相交流电源。

断开左发电系统，验证当左交流发电系统失效时，系统能够自动切除任务系统，由右交流发电机通过变压器向原机设备提供单相交流电源。

断开左右直流发电机系统，验证当左右直流发电机有一台失效时，可切除任务系统设备。

同时断开左右交流发电系统，验证当左右交流发电机均故障时，原机115 V单相设备仍由原机变流机提供。

2.5 右交流发电机地面加载试验

右交流发电机改为三相输出后，检查发电机输出品质和发动机正常工作情况。

准备工作：在发电机表面贴温度片，用于感受发电机表面温度，将温度信号接到温度显示器。

检查项目：发电机表面温度、稳态电压、电源频率、波形。

加载功率为0～10 kVA。接通模拟负载1工作开关，右交发载荷3kVA，工作2 min；再接通模拟负载2工作开关，右交发载荷6 kVA，工作2min；再接通模拟负载3工作开关，右交发载荷9 kVA，工作2min；再接通模拟负载4工作开关，右交发载荷10 kVA，工作2min。

加载功率及工作时间如表1所示。试验结果如表2所示。

表1 加载功率及工作时间

表2 试验结果

3 总结

改装后的电源系统电压、频率稳定，输出电源品质及功率满足任务系统用电需求。其改装流程可以为后续类似试验平台电源系统改装提供借鉴。