基于虛擬儀器技術(shù)的飛機(jī)供電系統(tǒng)諧波分析

戰(zhàn)祥新+郝世勇+司劍飛+姚銀虎

摘 ?要： 傅里葉變換是分析飛機(jī)供電系統(tǒng)諧波含量等參數(shù)的主要方法，但該方法計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差。在此通過(guò)分析國(guó)軍標(biāo)諧波參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，構(gòu)建了簡(jiǎn)單實(shí)用的程序分析飛機(jī)供電系統(tǒng)諧波。相對(duì)傳統(tǒng)分析方法可以快速得到供電系統(tǒng)的諧波特征參數(shù)，使用方便、實(shí)時(shí)性好。通過(guò)傳感器、信號(hào)采集模塊等建立了某型飛機(jī)地面電源測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)采集的系統(tǒng)波形采用LabVIEW諧波分析程序，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的諧波含量等特征參數(shù)，判斷出該系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器; 供電系統(tǒng); 諧波分析程序; 電源測(cè)試系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN98?34; TP724 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2014）24?0115?03

Harmonic analysis of airplane power supply system based on virtual instrument technology

ZHAN Xiang?xin， HAO Shi?yong， SI Jian?fei， YAO Yin?hu

（Qingdao Branch， Naval Aeronautical Engineering Academy， Qingdao 266041， China）

Abstract： The Fourier transform is the main method for analyzing harmonic component and other parameters of airplane power supply system， but it has the disadvantages of more calculation and poor real?time performance. A simple and practical program was established in this paper to analyze harmonic of airplane power supply on the basis of virtual instrument technology by analyzing the military standard of harmonic parameters， which can quickly get the characteristic parameters of harmonic wave in power supply. The program has convenient application and perfect real?time performance. A ground testing system of power supply for a certain airplane was built up with sensors and signal acquisition module. With the harmonic analysis program LabVIEW for acquired system waveform， the real?time harmonic content and other characteristic parameters can be displayed and the power supply quality of the system can be judged.

Keywords： virtual instrument; power supply system; harmonic analysis program; power supply test system

現(xiàn)代飛機(jī)的發(fā)展，多電技術(shù)是一個(gè)重要的發(fā)展方向，越來(lái)越多的飛機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)采用電能作為工作能源。而應(yīng)用電能的電力電子器件及非線性負(fù)載的廣泛使用，給飛機(jī)供電系統(tǒng)造成了大量諧波干擾和波形畸變，嚴(yán)重干擾飛機(jī)無(wú)線電等航電設(shè)備的正常工作，影響了飛機(jī)的安全飛行。為此，各國(guó)都制定了一些相應(yīng)的飛機(jī)供電標(biāo)準(zhǔn)，如RTCA?DO?160E，GJB181?1986，GJB181A?2003等，對(duì)諧波含量及諧波檢測(cè)提出了要求[1?3]。如何準(zhǔn)確、快速的完成諧波含量分析以便于采取相應(yīng)的處理措施，就成為保證飛機(jī)供電質(zhì)量的一個(gè)首要任務(wù)。

1 ?飛機(jī)供電系統(tǒng)諧波分析及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

諧波通常是指一個(gè)周期電氣量（比如交流電壓、交流電流等）的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍數(shù)。理想的飛機(jī)供電系統(tǒng)中，電壓和電流都是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其額定頻率為400 Hz，由于大容量的變壓整流器、變流器、大功率無(wú)線電設(shè)備等非線性負(fù)載的影響，供電系統(tǒng)中不可避免地產(chǎn)生諧波分量。當(dāng)諧波含量達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使供電系統(tǒng)的波形發(fā)生畸變，對(duì)飛機(jī)的用電設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。

1.1 ?諧波電壓含量和諧波電流含量

諧波電壓含量和諧波電流含量分別定義為：

[UH=n=2MU2n] ? ? ? ? ? （1）

[IH=n=2MI2n] ? ? ? ? ? （2）

式中：[Un]為第n次諧波電壓有效值;[In]第n次諧波電流有效值;[M]諧波的最高次數(shù)。

1.2 諧波電壓總諧波畸變率和電流總諧波畸變率[4]

電壓總諧波畸變率[THDu]和電流總諧波畸變率[THDi]分別定義為：

[THDu=UHU1×100%] ? ? ?（3）

[THDi=IHI1×100%] ? ? ? （4）

式中：[U1]為信號(hào)的基波電壓有效值;[I1]為信號(hào)的基波電流有效值;[n]次諧波電壓含有率[HRUn]和[n]次諧波電流含有率[HRIn]分別定義為：

[HRUn=UnU1×100%] ? ? ?（5）

[HRIn=InI1×100%] ? ? ? （6）

1.3 ?交流畸變系數(shù)

根據(jù)GJB5189?2003《飛機(jī)供電特性參數(shù)測(cè)試方法》，交流畸變系數(shù)的定義是交流畸變與電壓基波分量方均根值之比，測(cè)試時(shí)應(yīng)先求出交流畸變，即交流波形除基波以外電壓的方均根值[4]，按式（7）計(jì)算：

[UJJ=1TWi=1n（uJJi）2?Δt] ? ? ? ? ? （7）

式中：[UJJ]為交流畸變，單位為V;[TW]為小于并最接近1 s期間整數(shù)個(gè)電壓周波所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，單位為s;[uJJi]為交流畸變波形采樣點(diǎn)的電壓瞬時(shí)值，單位為V;[n]為總采樣次數(shù)（[n?Δt≈TW]）;[i]為采樣序列，[i=1，2，???，n]; [Δt]為采樣周期，單位為s。

交流畸變系數(shù)的計(jì)算公式為：

[kJJ=UJJU1] ? ? ? ? ? （8）

式中：[kJJ]為交流畸變系數(shù);[UJJ]為交流畸變，單位為V;[U1]為基波分量方均根值，單位為V。

1.4 ?波峰系數(shù)

波峰系數(shù)的定義：按規(guī)定的采樣頻率同時(shí)采集穩(wěn)態(tài)時(shí)三相電壓瞬時(shí)值，采集時(shí)間各相均取大于并最接近1 s期間整數(shù)個(gè)電壓周波所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，并且各相采集起始瞬間的時(shí)間差互不超過(guò)1個(gè)電壓周波所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。測(cè)量并計(jì)算各相每個(gè)半波電壓波形峰值的絕對(duì)值與方均根值之比的極值[4]。

按式（8）計(jì)算其波峰系數(shù)為：

[Fi=UpiUi] ? ? ? ? ?（9）

式中：[Fi]為波峰系數(shù);[Upi]為每半波的峰值電壓，單位為V;[Ui]為對(duì)應(yīng)半波電壓的方均根值，單位為V。

從所得一系列[Fi]中求出極值。

按所規(guī)定的采樣頻率采集穩(wěn)態(tài)交流畸變波形瞬時(shí)值，采集時(shí)間取穩(wěn)態(tài)交流電壓所對(duì)應(yīng)的時(shí)間[TW]：將所采集的數(shù)據(jù)用離散傅里葉變換算法計(jì)算出每一頻率分量的幅度即為交流畸變頻譜。

國(guó)軍標(biāo)對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)中諧波含量等參數(shù)都做了相應(yīng)要求，如國(guó)軍標(biāo)GJB181A?2003規(guī)定：變頻交流供電系統(tǒng)正常工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)特性范圍為畸變系數(shù)0.05最大，波峰系數(shù)為1.31～1.51;GJB572?88 中要求飛機(jī)地面電源供電相電壓波形總諧波含量不超過(guò)基波電壓的5%，單次諧波含量不超過(guò)基波電壓的4%等。因而準(zhǔn)確的測(cè)量分析供電系統(tǒng)的諧波參數(shù)是否合格是衡量飛機(jī)供電質(zhì)量的一個(gè)重要方面。

2 ?諧波分析方法

由于諧波具有非線性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，影響因素復(fù)雜，因此對(duì)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和分析都比較困難。目前應(yīng)用最多的是基于傅立葉變換（FFT）的諧波分析法。

飛機(jī)供電系統(tǒng)屬中頻系統(tǒng)，諧波檢測(cè)很難實(shí)現(xiàn)同步采樣和采樣數(shù)據(jù)的整數(shù)倍截?cái)啵現(xiàn)FT諧波檢測(cè)結(jié)果存在柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏現(xiàn)象，使檢測(cè)出來(lái)的頻率、幅值和相位不準(zhǔn)，無(wú)法滿足系統(tǒng)諧波分析的要求[5]。為了提高分析效果，必須改進(jìn)變換方法，如通過(guò)插值補(bǔ)點(diǎn)來(lái)改變信號(hào)抽樣率、通過(guò)加窗函數(shù)來(lái)減少頻譜泄露和通過(guò)插值修正來(lái)減小柵欄效應(yīng)等方法，在一定程度上彌補(bǔ)誤差。但這又增加了計(jì)算的數(shù)據(jù)量、分析變換的復(fù)雜性。

3 ?基于虛擬儀器的供電系統(tǒng)諧波分析

傳統(tǒng)諧波分析方法數(shù)據(jù)分散、計(jì)算量大、編程復(fù)雜、實(shí)時(shí)性差。LabVIEW軟件是基于虛擬儀器技術(shù)的圖形化編程語(yǔ)言，利用LabVIEW軟件提供的函數(shù)及子VI可以很容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的諧波分析[6]。例如，對(duì)一標(biāo)準(zhǔn)的10 Hz方波信號(hào)進(jìn)行諧波分析，其程序框圖如圖1所示。

通過(guò)LabVIEW軟件中的FFT分析函數(shù)，可以得到該方波的頻譜圖，如圖2所示。同時(shí)，可以計(jì)算出各次諧波電壓的含有率[HRUn]、電壓總諧波畸變率[THDu]、波峰系數(shù)等指標(biāo)。

對(duì)某型飛機(jī)地面電源供電測(cè)試系統(tǒng)，應(yīng)用諧波分析程序，分析結(jié)果如圖4所示。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

應(yīng)用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，可以很容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)供電系統(tǒng)的諧波分析，避免傳統(tǒng)測(cè)試分析系統(tǒng)計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差的特點(diǎn)。通過(guò)傳感器、信號(hào)采集模塊等構(gòu)建飛機(jī)供電測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)采集的系統(tǒng)波形采用LabVIEW分析軟件進(jìn)行諧波分析，可以迅速快捷的得出系統(tǒng)的諧波含量等特征參數(shù)，判斷出系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB181?1986 飛機(jī)供電特性及對(duì)用電設(shè)備的要求[S].北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1986.

[2] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB572?88 飛機(jī)地面電源供電特性及一般要求[S].北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1988.

[3] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB181A?2003 飛機(jī)供電特性[S].北京：中國(guó)人民解放軍總裝備部，2003.

[4] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB5189?2003 飛機(jī)供電特性參數(shù)測(cè)試方法[S].北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，2003.

[5] 房國(guó)志，楊超，趙洪.基于FFT和小波包變換的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40（5）：75?79.

[6] 唐求，王耀南，郭斯羽.電力系統(tǒng)諧波及其檢測(cè)方法研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（5）：29?33.