用電設(shè)備耐瞬態(tài)電壓探討

譚秀萍 劉鴻

如果用電設(shè)備在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中對瞬態(tài)電壓未有足夠重視并采取有效的解決措施，在實(shí)際應(yīng)用中可能會導(dǎo)致用電設(shè)備無法正常工作，甚至損壞，進(jìn)而影響到飛機(jī)的正常飛行和戰(zhàn)斗力的提高。對于航空電源來說，由于工作狀態(tài)的變化，瞬態(tài)電壓的干擾對航空電源設(shè)備同樣構(gòu)成威脅。因此，有必要對電子設(shè)備的瞬態(tài)電壓進(jìn)行分析和探討，并利用瞬態(tài)電壓干擾的抑制措施來減少瞬態(tài)電壓對電子設(shè)備的危害。

為了規(guī)范用電設(shè)備對瞬態(tài)電壓的適應(yīng)性，GJBl81—86中對用電設(shè)備耐瞬態(tài)電壓作了明確規(guī)定。本文對電子設(shè)備中瞬態(tài)電壓的產(chǎn)生機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合筆者在多項(xiàng)用電設(shè)備抗瞬態(tài)電壓干擾特性的試驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)，為提高用電設(shè)備的可靠性，對瞬態(tài)電壓的抑制措施進(jìn)行了探討，以期減小瞬態(tài)電壓對用電設(shè)備的危害。

1瞬態(tài)和瞬態(tài)電壓的產(chǎn)生

1.1瞬態(tài)的概念

穩(wěn)態(tài)：供電系統(tǒng)正常的，供電負(fù)載是固定的工作狀態(tài)，在這一工作狀態(tài)下，系統(tǒng)特性除發(fā)生應(yīng)有的變化外不發(fā)生明顯的變動。

瞬態(tài)：由于工作狀態(tài)的變化，系統(tǒng)特性發(fā)生變動時(shí)的狀態(tài)，瞬態(tài)特性往往越出穩(wěn)態(tài)范圍并在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)范圍之內(nèi)。

2瞬態(tài)電壓的產(chǎn)生

例如在供電系統(tǒng)中進(jìn)行突加、突卸負(fù)載等操作，這些工作狀態(tài)的變化將使相應(yīng)匯流條上電壓瞬間發(fā)生較大變化。隨即又進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，這種發(fā)生了較大變化的電壓即為瞬態(tài)電壓。瞬態(tài)電壓一般分為電壓浪涌和電壓尖峰。

2.1電壓浪涌

電壓浪涌是飛機(jī)電源系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)和校正時(shí)引起的電壓偏離穩(wěn)態(tài)值的變化，通常電壓浪涌持續(xù)時(shí)間較長(數(shù)十毫秒)，電壓幅值較小(幾伏至幾十伏)。電壓浪涌包括欠壓浪涌和過壓浪涌兩種。欠壓浪涌是指電壓瞬間小于穩(wěn)態(tài)值再進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)，過壓浪涌則是電壓瞬間大于穩(wěn)態(tài)值再進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。

2.2電壓尖峰

電壓尖峰是電源特性偏離了穩(wěn)態(tài)電壓和電壓浪涌，在極短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)峰值。電壓尖峰持續(xù)時(shí)間很短(微秒級)，電壓幅值較大(數(shù)百伏甚至更高)。

3耐瞬態(tài)電壓的試驗(yàn)

耐瞬態(tài)電壓試驗(yàn)是模擬實(shí)際的瞬態(tài)，利用電壓發(fā)生器給被試設(shè)備施加尖峰電壓和過、欠壓浪涌，考核被試設(shè)備耐瞬態(tài)電壓的能力。

3.1耐尖峰電壓

對采用交，直流系統(tǒng)供電的電子設(shè)備，按照1，圖的接線進(jìn)行耐尖峰電壓試驗(yàn)，在imin內(nèi)承受正、負(fù)極性尖峰電壓各50次，其中尖峰電壓發(fā)生器性能為(如圖1)。

(1)開路電壓波形如圖2所示。

(2)內(nèi)阻抗為(50+5)Ω。

進(jìn)行耐尖峰電壓試驗(yàn)的電子設(shè)備不應(yīng)發(fā)生任何故障。

3.2耐電壓浪涌

對采用交、直流系統(tǒng)供電電子設(shè)備，按圖3，的接線進(jìn)行耐過壓浪涌和欠壓浪涌試驗(yàn)。

(1)耐過壓浪涌。

用電設(shè)備應(yīng)經(jīng)受五次過壓浪涌，兩次過壓浪涌之間的時(shí)間間隔為1min。每次過壓浪涌方法為：首先電子設(shè)備在正常穩(wěn)態(tài)電壓下供電，然后使其輸入電壓增加到下列電壓，最后輸入電壓恢復(fù)到正常穩(wěn)態(tài)電壓。

交流用電設(shè)備：有效值為180V，持續(xù)lOOms。

直流用電設(shè)備：80V，持續(xù)50ms。

過壓浪涌后，被試電子設(shè)備不應(yīng)發(fā)生故障。

(2)耐欠壓浪涌。

用電設(shè)備應(yīng)經(jīng)受五次欠壓浪涌，兩次欠壓浪涌之間的時(shí)間間隔為1min，每次欠壓浪涌試驗(yàn)方法為：首先用電設(shè)備在正常穩(wěn)態(tài)電壓下供電，然后使其輸入電壓，降低到下列電壓，最后輸入電壓恢復(fù)到正常穩(wěn)態(tài)電壓。

交流用電設(shè)備：有效值為70V，持續(xù)50ms。

直流用電設(shè)備：SV，持續(xù)50ms。

欠壓浪涌時(shí)，被試電子設(shè)備應(yīng)不中斷工作。

4瞬態(tài)電壓影響的抑制

從系統(tǒng)的角度來看，飛機(jī)電源特性是供電系統(tǒng)與用電設(shè)備相互作用的結(jié)果，瞬態(tài)電壓影響的抑制也應(yīng)該從供電系統(tǒng)與用電設(shè)備兩方面采取措施。

4.1供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

(1)改進(jìn)GCU等設(shè)備的控制性能和調(diào)節(jié)時(shí)間，提高電源系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)電壓的動態(tài)品質(zhì)。盡管隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，以及先進(jìn)控制理論的運(yùn)用，發(fā)電機(jī)控制器的控制性能有了很大的提高，但如何盡可能縮短控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間，以及提高控制器調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性仍然是相關(guān)廠家積極探索的課題。

(2)對二次配電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能避免頻繁通斷大功率用電設(shè)備與對電壓變化敏感的小功率用電設(shè)備置于同一供電通道或同一級匯流條。降低這類用電設(shè)備輸入電源出現(xiàn)較大瞬變的可能性。

(3)對一些關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行不間斷供電設(shè)計(jì)。隨著多電飛機(jī)(或壘電飛機(jī))概念的提出，多余度不間斷供電設(shè)計(jì)越來越多地應(yīng)用到先進(jìn)飛機(jī)供電系統(tǒng)中。

(4)足夠大的電源系統(tǒng)容量有利于減小通斷負(fù)載引起的瞬態(tài)電壓。實(shí)際上這也是并聯(lián)供電系統(tǒng)的一大優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)供電相當(dāng)于增加了單通道的電源容量，有利于改善電源的供電品質(zhì)。

4.2用電設(shè)備設(shè)計(jì)的完善

在機(jī)上實(shí)際應(yīng)用中，對瞬態(tài)電壓敏感的用電設(shè)備多為小功率用電設(shè)備，或較大功率用電設(shè)備的一部分元件。盡管通過供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化可以消弱瞬態(tài)電壓產(chǎn)生的不利影響，但誰也不能使機(jī)上電源始終處于穩(wěn)態(tài)極限范圍內(nèi)。因此在有關(guān)用電設(shè)備的電源端采取一定措施以提高其瞬態(tài)電壓性能是非常必要的。

(1)在直流用電設(shè)備電源輸入端使用濾波器模塊、DC／DC電源模塊，(如圖4)不少DC／DC模塊在短時(shí)間內(nèi)都有較寬輸入電源變化范圍，有些甚至可以達(dá)到直流輸入電壓為80V時(shí)仍能短時(shí)間內(nèi)正常工作，因此優(yōu)良的電源模塊對提高直流用電設(shè)備耐瞬態(tài)電壓性能有重要意義。

(2)在電源輸入端增加阻容濾波環(huán)節(jié)(如圖5)，這是一種相對廉價(jià)但又十分有效的方法。雖然電壓尖峰幅值較大，但其持續(xù)時(shí)間很短、能量很小，一般采用阻容濾波的方式就足以消除其對用電設(shè)備的影響；電容c的選取一耐欠壓浪涌為準(zhǔn)，電阻R的選取主要是考慮耐過壓浪涌時(shí)的分壓，因此R、C的值應(yīng)綜合考慮過欠壓浪涌的影響和用電設(shè)備的負(fù)載電流大小來確定。

(3)瞬態(tài)電壓抑制器。

瞬態(tài)電壓抑制器是普通使用的一種新型高效的電路保護(hù)器，一般稱為TVS。用來吸收電子設(shè)備電源進(jìn)線上的尖峰脈沖。TVS實(shí)際上是一種特殊穩(wěn)壓二極管。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收一個(gè)瞬間大電流，從而把它兩端的電壓鉗制在一個(gè)預(yù)定的的數(shù)值上，保護(hù)了后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。

(4)上述方法的結(jié)合使用。

5結(jié)語

從上述分析可以看出，瞬態(tài)電壓在機(jī)上電網(wǎng)中是經(jīng)常存在的，尤其對用電設(shè)備中含有敏感元器件的影響非常嚴(yán)重，特別是高能瞬態(tài)脈沖對電子設(shè)備中的有源裝備威脅更大。為了保障用電設(shè)備和飛機(jī)飛行安全，降低瞬態(tài)電壓對用電設(shè)備之危害，必須在供電系統(tǒng)和用電設(shè)備設(shè)計(jì)之初就要考慮可能遇到的瞬態(tài)電壓影響，并進(jìn)行有效的預(yù)防和抑制，防止電子設(shè)備在使用過程中由于瞬態(tài)電壓造成的產(chǎn)品損壞。