飛機(jī)直流用電設(shè)備供電兼容性測試系統(tǒng)設(shè)計

鄧樂武，舒武靜

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

用電設(shè)備是指飛機(jī)上所有使用電能的設(shè)備、裝置和系統(tǒng)。用電設(shè)備一般采用的直流供電系統(tǒng)是額定電壓為28或270 V(電源系統(tǒng)調(diào)壓點的額定電壓)的直流兩線制或負(fù)線接地的系統(tǒng)，在該狀態(tài)下用電設(shè)備應(yīng)具有規(guī)定的性能，并且不會使供電系統(tǒng)的供電特性超出規(guī)定的范圍。飛機(jī)電源供電特性的研究與檢查非常多，如戴衛(wèi)兵根據(jù)電源系統(tǒng)適航的需要設(shè)計并實現(xiàn)了飛機(jī)電源瞬態(tài)特性測試系統(tǒng)[1]。飛機(jī)上的電源系統(tǒng)會因用電負(fù)載不同出現(xiàn)復(fù)雜的特性，因此，對用電設(shè)備在這些復(fù)雜特性下的供電電磁兼容性及工作情況進(jìn)行檢查極其重要。本文研究了270 V直流用電設(shè)備的供電特性測試技術(shù)，并設(shè)計了由基礎(chǔ)電源疊加瞬變功率源的供電測試系統(tǒng)，通過虛擬儀器技術(shù)，采用高精度的采樣單元采集負(fù)載上的電壓或電流等，完成自動測試。

1 測量原理及系統(tǒng)組成

目前，飛機(jī)電源系統(tǒng)逐漸朝著大功率、小型化和可靠性方向發(fā)展，從飛機(jī)質(zhì)量、耗費等出發(fā)也是飛機(jī)電源系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)用電設(shè)備也將發(fā)生適應(yīng)性變化，對用電設(shè)備的供電兼容性檢查也不容忽視。飛機(jī)供電特性中對270 V直流供電的穩(wěn)態(tài)電壓、畸變系數(shù)、畸變頻譜、脈動幅度和電壓瞬變等作出了相應(yīng)規(guī)定和要求[2]，因此，需要對在該供電特性下用電設(shè)備的供電電磁兼容性進(jìn)行檢查。為了更好地進(jìn)行直流270 V供電特性研究，本文設(shè)計了一套完整的直流270 V供電特性激勵及測試設(shè)備，用于模擬機(jī)上供電，對機(jī)載用電設(shè)備進(jìn)行測試、評估。

直流270 V供電特性測試系統(tǒng)由主控單元、采樣單元、主電源和受控交變功率單元組成，具體如圖1所示。用電設(shè)備的電源供電狀態(tài)一般包括供電正常、供電非正常等[3]。主控單元根據(jù)人機(jī)交互界面設(shè)置用電設(shè)備的各種供電狀態(tài)測試參數(shù)，對主電源和受控交變功率源進(jìn)行控制，為用電設(shè)備提供不同供電狀態(tài)；主電源根據(jù)主控單元信號產(chǎn)生相應(yīng)的直流功率電壓輸出；受控交變功率源根據(jù)主控單元信號產(chǎn)生相應(yīng)的脈動功率電壓輸出。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

用電設(shè)備供電兼容性測試系統(tǒng)可設(shè)置正常穩(wěn)態(tài)電壓的極限電壓和持續(xù)時間進(jìn)行正常穩(wěn)態(tài)電壓極限試驗，可設(shè)置穩(wěn)態(tài)電壓、穩(wěn)態(tài)瞬變時間、瞬變電壓和瞬變持續(xù)時間進(jìn)行正常電壓瞬變試驗等。

2.1 硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)中，主電源設(shè)計為180～350 V可調(diào)電壓輸出，輸出電流能力為200 A；受控交變功率源設(shè)計為0～100 V可調(diào)電壓輸出，輸出電流能力為200 A。

2.1.1 主電源

主電源可根據(jù)主控單元分配的信號產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)的直流功率輸出，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)電壓及測試項中瞬態(tài)變化電壓中的穩(wěn)態(tài)部分，配合受控交變功率源完成整套變化波形。主電源在系統(tǒng)工作中持續(xù)工作時間較長，輸出功率和發(fā)熱量都較大，在系統(tǒng)中承受最大的應(yīng)力，需要做大功率長時間輸出的設(shè)計，重點考慮輸出電壓穩(wěn)定性、帶載能力、功率余量和散熱處理措施的合理性設(shè)計，同時嚴(yán)格監(jiān)視其溫度，一旦出現(xiàn)高溫，應(yīng)立即進(jìn)行保護(hù)。主電源工作原理圖如圖2所示。

圖2 主電源工作原理圖

圖2中，交流/直流轉(zhuǎn)換單元將輸入的三相電源通過三相和單相整流橋，得到脈動直流電壓，經(jīng)過電阻緩沖，進(jìn)入濾波電容，將脈動直流轉(zhuǎn)換為平滑直流電壓。直流/直流轉(zhuǎn)換單元將上一級輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)態(tài)直流電壓，電壓范圍為180～350 V。電壓調(diào)節(jié)單元將電壓控制信號和直流/直流轉(zhuǎn)換單元輸出電壓進(jìn)行比較并控制PWM脈寬發(fā)生器輸出波形寬度，使輸出電壓達(dá)到設(shè)定的電壓值，如果輸出偏高，將減小PWM脈寬發(fā)生器輸出波形寬度，使輸出電壓下降；如果輸出偏低，將增大PWM脈寬發(fā)生器輸出波形寬度，使輸出電壓上升。

2.1.2 受控交變功率源

受控交變功率源可根據(jù)主控單元分配的信號產(chǎn)生設(shè)定寬度和上升下降沿的瞬變直流功率輸出，完成測試項目中瞬態(tài)變化電壓中的變化部分，配合主電源完成整套變化波形。受控交變功率源工作原理圖如圖3所示。

圖3 受控交變功率源工作原理圖

圖3中，交流/直流轉(zhuǎn)換單元將輸入的三相電源通過三相和單相整流橋，得到脈動直流電壓，經(jīng)過電阻緩沖，進(jìn)入濾波電容，將脈動直流轉(zhuǎn)換為平滑直流電壓。直流/直流轉(zhuǎn)換單元采用全橋輸出，輸出參數(shù)設(shè)定為0～100 V，最大電流為200 A。控制直流/交流轉(zhuǎn)換單元的方式為線性方式，全橋輸出方式為跟隨器方式，輸出波形與主控單元控制信號波形一致，精度高。受控交變功率源增加邏輯保護(hù)單元，可以通過采集反饋的溫度、電流信號進(jìn)行過流保護(hù)和溫度保護(hù)。

2.1.3 采樣單元

采樣單元模件由電壓電流隔離傳感器、抗干擾整形電路組成。采樣單元組成框圖如圖4所示。

圖4 采樣單元組成框圖

采樣單元采用非接觸方式隔離傳感采樣，采集各點的電壓值和電流值，避免高電壓大電流帶來的干擾。

2.2 軟件設(shè)計

用電設(shè)備供電兼容性測試系統(tǒng)由測試顯示與處理軟件和控制器軟件組成。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

測試顯示與處理軟件包括自檢模塊、通信模塊、顯示控制模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。它提供可視化的人機(jī)交互界面，可設(shè)置正常穩(wěn)態(tài)電壓的極限電壓、持續(xù)時間、瞬變電壓、瞬變時間和瞬變持續(xù)時間等，并輸出控制指令；同時，接收控制器返回的試驗數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，進(jìn)行處理，完成設(shè)置參數(shù)與接收數(shù)據(jù)對照分析，并以圖形顯示。測試顯示與處理軟件功能模塊如圖6所示。

圖6 測試顯示與處理軟件功能模塊

控制器軟件包括自檢模塊、通信模塊、主電源控制模塊、受控交變功率源控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。它控制主電源工作模式、受控交變功率源工作模式切換，并將采集的試驗數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息發(fā)送給上位機(jī)?？刂破鬈浖δ苣K如圖7所示。

圖7 控制器軟件功能模塊

3 試驗數(shù)據(jù)分析

用電設(shè)備供電兼容性測試系統(tǒng)為供電設(shè)備提供正常供電、電壓瞬變和供電故障等供電狀態(tài)，并且對測試系統(tǒng)輸出端供電狀態(tài)和負(fù)載輸入端供電狀態(tài)進(jìn)行對比，精準(zhǔn)模擬電壓瞬變、電流畸變等，為用電設(shè)備提供不同供電狀態(tài)，以完成用電設(shè)備供電兼容性測試。測試項目選擇界面如圖8所示。電壓瞬變供電狀態(tài)下，測試系統(tǒng)正常電壓瞬變試驗輸出供電狀態(tài)如圖9所示。

圖8 測試項目選擇界面

圖9 正常電壓瞬變采樣圖

用電設(shè)備供電兼容性測試系統(tǒng)輸出端具備灌電流能力和吸電流能力，可以達(dá)到快速響應(yīng)的效果，動作時間控制精準(zhǔn)，瞬變到穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間可精確到1 ms，滿足使用要求。