負載量變化對飛機直流電壓波動的影響分析

榮 譽

(長沙航空職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410124)

負載量變化對飛機直流電壓波動的影響分析

榮 譽

(長沙航空職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410124)

飛機電網電壓波動幅度大小影響著電子設備的正常工作或性能的發(fā)揮。飛機電子設備對電源的電壓精度、穩(wěn)定度、中斷供電時間都有嚴格的要求，供電系統(tǒng)的電壓波動可能使電子設備偏離正常工作，進而由于系統(tǒng)交聯(lián)，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。主要從電壓穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)變化兩個角度出發(fā)，研究了負載量變化對電壓波動的影響，進而影響到電子設備性能的發(fā)揮。

電壓波動；負載量；穩(wěn)態(tài)

隨著航空工業(yè)突飛猛進，航空工業(yè)強國其飛機電源的發(fā)展也很快。由于現(xiàn)代新型飛機電子設備的大幅度增加，對電源系統(tǒng)的要求不斷提高，從而促進了飛機電網供電系統(tǒng)的發(fā)展。國外許多廠家為適應這種需求，爭上新技術、新材料、新工藝，形成了專業(yè)化、系列化生產體系，并且瞄準飛機的發(fā)展趨勢、預測飛機用電需要而進行研制。飛機供電系統(tǒng)的發(fā)展，多電飛機的概念越來越得到大家的認可，在多電飛機中，主要采用電能來代替原來飛機中的機械能、液壓能和風能，以提高系統(tǒng)的可靠性和可維修性?，F(xiàn)在的電力電子技術、微處理器技術、電氣傳動以及控制技術的發(fā)展為多電飛機的發(fā)展奠定了基礎。而隨著飛機上用電設備的不斷增加，飛機電網供電電壓的穩(wěn)定性將直接影響飛行安全，所以在研制新飛機和對現(xiàn)役飛機進行改進時，都要對飛機電網的電壓波動情況進行嚴格測試，測試參數(shù)主要包括電壓、電流、頻率、相間不平衡、相位差等。本文從低壓直流供電系統(tǒng)出發(fā)，分析了負載量的大小對飛機電壓波動的影響情況。

1 背景介紹

隨著電子設備技術和測控技術的飛速發(fā)展，原先在飛機上無法測量的參數(shù)如今都可以進行精確測量，特別是高速數(shù)據采集系統(tǒng)的發(fā)展，大大促進了短時激變參數(shù)的測量分析，并對機上各種參數(shù)采集處理以及考核標準都有很大的促進作用，電壓波動的各種參數(shù)也得以快速精確測量，供電品質關于電壓波動的相應標準也進行了更新?lián)Q代。

我國對飛機供電品質中關于電壓波動的限定在以前主要是依據GJB181-1986這個標準，它的更新版本是GJB181A-2003飛機供電特性，新版主要增加了直流供電的相關內容，并對電壓波動參數(shù)提出了更嚴格的要求，本文也采用該新標準來考核電壓波動情況。而對于電壓波動參數(shù)的試驗測試方法，主要依據GJB5189-2003飛機供電特性參數(shù)測試方法，該標準對參數(shù)測試和設施要求都進行了明確。測試在研飛機和對現(xiàn)役飛機的供電系統(tǒng)進行改進時，需依據相關標準或相關的設計規(guī)范對用電設備和電網的波動等參數(shù)進行嚴格測試，以保證飛機電氣系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

飛機電氣系統(tǒng)的工作分為穩(wěn)態(tài)工作和瞬態(tài)工作兩個階段，對應于該兩個階段的電壓分別稱為穩(wěn)態(tài)電壓和瞬態(tài)電壓。穩(wěn)態(tài)電壓是指供電系統(tǒng)正常的、供電負載是固定的工作狀態(tài)，在這一工作狀態(tài)下，系統(tǒng)特性在任意長時間間隔內都保持在正常工作穩(wěn)態(tài)特性極限之內；而瞬態(tài)電壓則是由于工作狀態(tài)的變化，如供電模式的非正常轉換、突加和突卸負載等操作，這些工作狀態(tài)的變化將使相應匯流條上電壓瞬間發(fā)生較大變化，隨即又進入穩(wěn)態(tài)，瞬態(tài)特性往往越出穩(wěn)態(tài)極限范圍并在規(guī)定的時間范圍內恢復到穩(wěn)態(tài)極限范圍之內。一般來說，引起直流電壓波動的因素主要包括直流發(fā)電機控制器的校正作用、負載變化的作用以及整流引起的電壓波動等。

2 電壓波動測試標準和方法

GJB5189-2003規(guī)定，對電壓波動的測試，在穩(wěn)態(tài)時需測試穩(wěn)態(tài)電壓、脈動幅度、畸變系數(shù)和畸變頻譜，在瞬態(tài)時需測試直流電壓的瞬變特性。

穩(wěn)態(tài)測量時，穩(wěn)態(tài)直流電壓是指規(guī)定時間內采集到的電壓瞬時值的平均值，電壓脈動幅度是指穩(wěn)態(tài)直流電壓和瞬時直流電壓最大差值的絕對值，直流畸變是指直流電壓中交流電壓分量的均方根值，直流畸變系數(shù)是指直流畸變與穩(wěn)態(tài)直流電壓的比值，畸變頻譜是指直流畸變通過每一頻率分量的幅值的量化表示。

瞬態(tài)測量時，瞬變特性分為正常瞬變和非正常瞬變。正常瞬變是指超出穩(wěn)態(tài)極限但保持在規(guī)定的正常瞬變極限之內的瞬變，在正常瞬變試驗時，用電設備在試驗過程中及經試驗后正常穩(wěn)態(tài)供電時均應能正常工作。非正常瞬變是由于非正常擾動使電壓超出正常瞬變極限并最后回到穩(wěn)態(tài)極限的瞬變，經過非正常瞬變試驗后，用電設備應不發(fā)生任何故障，并在恢復正常供電后能夠繼續(xù)正常工作。

2.1 直流28V電壓測試標準

(1)直流穩(wěn)態(tài)電壓：22.0～29.0V；

(2)直流電壓脈動幅度：28V直流電壓脈動幅值最大1.5V；

(3)直流畸變系數(shù)：28V直流電壓畸變系數(shù)最大0.035；

(4)電壓瞬變：28V直流電壓應在GJB181A-2003中相應圖示范圍內；

(5)畸變頻譜：28V直流電壓應在GJB181A-2003中相應圖示范圍內。

2.2 直流28V電壓測試方法

(1)直流電壓瞬變參數(shù)分析

直流電壓瞬變參數(shù)的測試主要是用于測量直流用電設備在加、卸載過程中產生的瞬態(tài)欠、過壓浪涌。直流電壓瞬變是指電壓值超出穩(wěn)態(tài)極限，并在一定時間內回到穩(wěn)態(tài)極限的短暫的變化狀態(tài)。當電壓超出穩(wěn)態(tài)極限時，繪制瞬態(tài)電壓的變化曲線填充到GJB181A-2003規(guī)定的直流電壓的過壓或欠壓包絡線圖中，以檢驗參數(shù)是否符合標準。該包絡線如圖1所示：

(2)直流電壓畸變頻譜分析

直流電壓畸變頻譜是指直流畸變通過每一頻率分量幅度的量化表示，在對直流電壓畸變頻譜作測試時，按照GJB5189-2003規(guī)定的采樣頻率對直流電壓進行連續(xù)采樣，采集穩(wěn)態(tài)時直流電壓中的交流電壓分量，將所采集的數(shù)據用離散傅里葉變換算法計算出每一頻率分量的幅度，即求得直流電壓畸變頻譜。繪制直流電壓畸變頻譜圖填充到GJB181A-2003規(guī)定的直流電壓最大畸變頻譜包絡線圖中，以檢驗參數(shù)是否符合標準。該畸變頻譜如圖2所示：

圖2 28V直流系統(tǒng)最大畸變頻譜

3 電壓波動試驗分析

利用飛機直流供電系統(tǒng)地面模擬試驗的試驗模型，在試驗室室溫條件下對電壓波動情況進行試驗，試驗分別測試了直流供電電網處于穩(wěn)態(tài)工作和瞬態(tài)工作時在各種試驗條件下的電壓波動參數(shù)。

3.1 28V直流供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測試

(1) 28V直流供電系統(tǒng)空載試驗

對28V直流供電系統(tǒng)不加任何負載進行試驗，穩(wěn)態(tài)工作時測得穩(wěn)態(tài)電壓為28.925V，最大脈動幅值為0.567V，畸變系數(shù)為0.0043，直流脈動幅度和直流畸變頻譜如圖3和圖4所示，各項參數(shù)都在正常范圍內，電壓的波動屬于正常范圍，供電穩(wěn)定性滿足要求，機上28V電子設備供電電源符合要求。

圖3 28V直流系統(tǒng)空載電壓脈動

圖4 28V直流系統(tǒng)空載電壓畸變頻譜

(2) 28V直流供電系統(tǒng)過載200%試驗

對28V直流供電系統(tǒng)進行過載200%試驗，測得穩(wěn)態(tài)電壓為28.892V，最大脈動幅值為1.927V，畸變系數(shù)為0.0049，直流脈動幅度和直流畸變頻譜如圖5和圖6所示，對比參數(shù)，穩(wěn)態(tài)電壓脈動幅值超出1.5V的穩(wěn)態(tài)脈動極限值，高頻段的噪聲明顯增加，電壓的波動已超出正常范圍，供電穩(wěn)定性已經無法滿足要求，在此電壓下的長時間工作可能造成機上電子設備壽命降低或損壞。

圖5 28V直流系統(tǒng)過載200%電壓脈動

圖6 28V直流系統(tǒng)過載200%電壓畸變頻譜

從脈動幅度、畸變頻譜及畸變系數(shù)的試驗結果可以看出，當負載量增大時，穩(wěn)態(tài)電壓會逐漸降低，最大脈動幅值增大，畸變系數(shù)增大，并且畸變頻譜在中頻段的交流分壓增多，參數(shù)開始向極限值靠近，當負載量超過一定的范圍時，電壓波動就超出了正常值，供電穩(wěn)定性就不能滿足機上供電系統(tǒng)和用電設備的要求。

3.2 28V直流供電系統(tǒng)瞬態(tài)測試

對28V直流供電系統(tǒng)進行負載變化20%～170%～20%的瞬態(tài)測試。28V直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓極限是22.0～29.0V，瞬變期間正常電壓的范圍在18.0～50.0V之間。在負載由20%負載突加到170%負載時，欠壓瞬變開始，電壓迅速下降，電壓值最低達到9.836V的極限，在0.01s內電壓迅速上升，0.03s后就進入正常電壓范圍。在負載由170%負載突卸到20%負載時，過壓瞬變開始，電壓迅速升高，電壓值最高達到43.437V的極限，在0.01s內電壓迅速下降，0.03s內就進入正常電壓范圍。

測得過欠壓瞬變圖分別如圖7、圖8所示，突卸負載時的過壓瞬變在正常瞬變包絡線范圍內，瞬變過程的電壓波動在可接受范圍內，供電穩(wěn)定性滿足要求；但在欠壓瞬變時，最低電壓9.836V已經遠遠超出了正常瞬變的最低18V的極限值，電壓曲線超出包絡線范圍，供電穩(wěn)定性已經不能滿足要求。

圖7 28V直流系統(tǒng)過壓瞬變

圖8 28V直流系統(tǒng)欠壓瞬變

從實驗數(shù)據來看，突加突卸負載量大小的變化對瞬態(tài)測試時電壓波動幅度的影響很大，對供電穩(wěn)定性有較直接的影響。

4 結論

本文針對電壓波動影響供電穩(wěn)定性的情況，主要考察了負載量變化造成的電壓波動，及其可能對電子設備和供電品質造成的影響。在供電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工作期間，負載量的增加一般都會導致電壓波動的加劇，降低供電穩(wěn)定性，這是個不利影響，隨著設計的優(yōu)化和技術的進步，應逐步減弱這種不利影響。除了考察負載量變化對電壓波動的影響外，在以后的工作中，還可以考察發(fā)電機轉速變化、負載與轉速聯(lián)合變化等試驗方式，對電壓波動影響情況進一步深入研究，以驗證飛機上更多復雜條件下電壓波動和供電穩(wěn)定性的情況。

飛機電網電壓波動與電子設備工作情況是互相關聯(lián)的，一方面供電電網的電壓波動可能造成電子設備的過壓、欠壓等故障，另一方面電子設備的工作電壓不正常又會引起電源的擾動，兩者相互影響。改善飛機電網供電電壓穩(wěn)定性不是一個簡單的供電設備設計問題，而是一個包括發(fā)電、配電和用電設備在內的綜合設計問題。因此，要想綜合提高供電穩(wěn)定性，還應該從飛機電氣系統(tǒng)頂層設計出發(fā)進行綜合考慮，整體規(guī)劃，才能整體提高飛機電網的供電質量。

[1] 嚴東超.飛機供電系統(tǒng)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社，2010.

[2]GJB181A-2003. 飛機供電特性[S].

[3]GJB5189-2003.飛機供電特性參數(shù)測試方法[S].

[4] 王宏霞 張曉斌.GJB5189-2003《飛機供電特性參數(shù)測試方法》簡介[J]. 航空標準化與質量，2005,(1).

[5] 鄭先成, 張曉斌, 宋先紅. 飛機電氣系統(tǒng)直流電壓畸變信號檢測及處理方法[J]. 測控技術，2006, (1).

[6] 鄭澤煜, 張涇周, 劉征科,等. 航空供電系統(tǒng)畸變測試系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 計算機測量與控制，2010, (5).

[編校：楊 琴]

The Analysis of Load Change's Impact on Dc Voltage Fluctuations of the Plane

Rong Yu

(ChangshaAeronauticalVocationalandTechnicalCollege,ChangshaHunan410124)

The aircraft electrical voltage fluctuation amplitude influences normal work or performance exertion of the aircraft electronic equipments. Since the airplane electronic equipments have a strict request for electrical voltage accuracy, stability and electrical supply interruption distance，a voltage fluctuation may make the electrical equipments deviate its normal work, and furthermore, the system associating will cause the descending of the system stability. This paper mainly analyses the voltage transformation in the constant state and instant state，and studies the influence on the aircraft electrical voltage fluctuation and electronic equipment performance while the load is changing.

electrical voltage fluctuation；load；steady state

2015-01-07

榮譽(1983- )，男，湖北武漢人，助理實驗師，研究方向為航材管理。

TM31

A

1671-9654(2015)01-052-06