飛機交流電源特性參數(shù)測量研究

任明翔，楊 娟

(1.中國南方航空公司 工程部,廣州 510405; 2.中國民航大學 工程技術(shù)訓練中心，天津 300300)

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飛機交流電源特性參數(shù)測量研究

任明翔1，楊 娟2

(1.中國南方航空公司 工程部,廣州 510405; 2.中國民航大學 工程技術(shù)訓練中心，天津 300300)

飛機機載電源系統(tǒng)供電品質(zhì)直接關(guān)系到飛機用電設(shè)備可靠工作和飛行安全，為此，2006年國際標準組織推出了新的機載電源標準ISO1540-2006;本文根據(jù)該標準要求，提出了一種機載電源的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性的測試的實用方法;建立了測量的數(shù)學模型；采用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計硬件測試平臺，包括功率因數(shù)可調(diào)的大功率數(shù)字化程控負載和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；基于LabVIEW開發(fā)了測試軟件；為滿足暫態(tài)特性的測量要求和精度要求，采用了NI高速高精度數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)了較高的測量精度，綜合測量誤差小于0.5%，并在暫態(tài)測量中，考慮了負載接觸器吸合時間;該測試系統(tǒng)可以用來檢驗恒頻機載交流電源的特性是否符合國際標準要求，以保證飛行安全。

機載電源；穩(wěn)態(tài)特性；瞬態(tài)特性；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集

0 引言

飛機電源的可靠性和穩(wěn)定性，直接關(guān)系到機載電氣電子設(shè)備能否可靠工作，甚至影響到飛行安全。尤其是以B787為代表的多電民航飛機的投入運行，取消了氣動和部分液壓系統(tǒng)，使機載用電設(shè)備和用電量大大增加，飛機機載電源系統(tǒng)特性是否符合要求是保障安全飛行的關(guān)鍵。因此，在飛機電源系統(tǒng)設(shè)計時，必須符合國內(nèi)國際標準[1-2]。

飛機電源系統(tǒng)的特性包括穩(wěn)態(tài)特性(Steady-state Characteristics)和瞬態(tài)特性(Transient Characteristics)。本文依據(jù)ISO1540-2006 Aerospace-Characteristics of aircraft electrical system國際機載電源標準，建立測量理論模型和測量方法，開發(fā)了測試系統(tǒng)。實際測試表明，該系統(tǒng)測量精度高，操作方便，為我國民航飛機電源系統(tǒng)特性測試提供方法和手段。

1 飛機機載交流電源系統(tǒng)的特性參數(shù)

飛機電源系統(tǒng)的特性包括穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性，根據(jù)ISO1540-2006，表1為飛機交流電源系統(tǒng)在正常供電條件下的主要特性參數(shù)。

表1 飛機交流電源系統(tǒng)的主要特性參數(shù)

1.1 穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)測量模型

1.1.1 電壓、電壓調(diào)制量、電壓不平衡值和直流分量

1)交流電壓有效URMS其為：

(1)

其中：T為電壓波形的周期，ut為t時刻電壓波形的瞬時值。

2)電壓調(diào)制量：

即在任意單位時間(1 s)內(nèi)，電壓調(diào)制包絡(luò)線上最高電壓與最低電壓的差值[3]：

(2)

式中：UA,max，UB,max，UC,max分別為A，B，C三相電壓調(diào)制包絡(luò)線上的最大值；UA,min，UB,min，UC,min分別為A，B，C三相電壓調(diào)制包絡(luò)線上的最小值。

3)電壓不平衡值：

用電設(shè)備輸入端，三相穩(wěn)態(tài)電壓有效值之間差值的最大值。

(3)

式中，max{UA,UB,UC}為UA,UB,UC中的最大相電壓值； min{UA,UB,UC}為UA,UB,UC中的最小相電壓值。

4)直流分量：

交流電壓正負半波瞬時電壓的平均值。

1.1.2 相位、頻率、諧波分量

采集卡對連續(xù)電壓信號進行采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號。頻率、相位、諧波分量的測量采用快速傅里葉變換(FFT)的方法進行分析和計算[5-7]。

采用FFT對諧波、相位、頻率等參數(shù)進行分析時，需要對連續(xù)的信號進行有限離散化處理，如果是非整周期截斷時，F(xiàn)FT算法會產(chǎn)生頻譜泄露和混疊誤差等問題，造成分析結(jié)果誤差較大。對信號前期加窗，后期引入差值算法可以很好地提高計算的精度，減少誤差[5-7]。

計算出各次諧波后，任何單次諧波含量DVn表達式為：

(4)

1.1.3 波峰系數(shù)和畸變系數(shù)

1)波峰系數(shù)：

穩(wěn)態(tài)條件下，在不小于單位時間(1 s)內(nèi)，所測的交流電壓波形的峰值和方均根值之比的絕對值[3]，通常用φ來表示，表達式為：

(5)

其中：Upk為交流電壓波形的峰值；Urms為交流電壓波形的方均根值。

2)畸變系數(shù)D：

在交流電壓或電流波形中，除了基波分量以外的其他畸變分量的方均根值[1]，用D來表示。表達式如下：

(6)

1.2 瞬態(tài)特性測量模型

在發(fā)動機、調(diào)壓器和其他設(shè)備組成的電源系統(tǒng)中，當用電設(shè)備打開或切除時，會引起電源電壓和頻率的波動，用瞬變電壓的包絡(luò)線來確定機載交流電源瞬態(tài)響應是否符合要求。圖1,圖2為交流電源在正常供電條件下的瞬態(tài)電壓響應和瞬態(tài)頻率響應的包絡(luò)線[1]。

圖1 電壓瞬變包絡(luò)線

圖2 頻率瞬變包絡(luò)線

2 測試系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計

由于要求采樣速度快，特別是瞬態(tài)特性參數(shù)測量，系統(tǒng)采用NI高速采樣卡，基于LabVIEW開發(fā)測試軟件。

2.1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

測試系統(tǒng)平臺框圖如圖3。主要包含程控負載、信號處理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機等。

圖3 機載交流電源測試系統(tǒng)硬件框圖

數(shù)據(jù)采集卡采用美國NI公司的基于USB總線的USB—6210，通道數(shù)為單端32路/差分16路，單通道最高采樣率為250 kS/s，ADC的精度為16位，可以實現(xiàn)多通道信號的實時采集。采集到數(shù)據(jù)傳送給計算機進行處理、存儲和顯示。同時，計算機通過RS485串口控制程控負載箱，實現(xiàn)測量時電源的的加載和卸載。

將飛機電源系統(tǒng)輸出的三相交流電源與程控負載相連，設(shè)計的程控負載為功率0～60 kVA、功率因素0.6～1可調(diào)[8]，滿足ISO1540-2006測試要求。電源輸出的電壓、電流信號通過信號處理電路的處理，把發(fā)電機的輸出電壓為115/200 V和0～200 A的電流，轉(zhuǎn)換到符合采集卡可以采集的范圍(±10 V)。電壓信號轉(zhuǎn)換調(diào)理電路如圖4所示。電壓傳感器采用GBT206B電流型電壓傳感器，電阻R14和電容C30的作用是補償由于電壓傳感器引起的相移。電流傳感器采用MG8型電流傳感器。

圖4 電壓信號轉(zhuǎn)換調(diào)理電路

圖5 穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)測量程序框圖

2.2 軟件設(shè)計

軟件分為穩(wěn)態(tài)參數(shù)測量和瞬態(tài)參數(shù)測量模塊。由于該測試系統(tǒng)必須具有數(shù)據(jù)采集與控制，數(shù)據(jù)分析和報表生成等功能，LabVIEW軟件在這些方面具有特出的優(yōu)點。LabVIEW內(nèi)置1000多個信號處理、分析與數(shù)學運算函數(shù)，內(nèi)置用戶界面控件，報表生成和數(shù)據(jù)存儲非常方便。

穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)參數(shù)測量程序框圖見圖5和圖6，編程采用模塊化結(jié)構(gòu)。負載運算和控制模塊完成負載功率因數(shù)和負載大小(包括平衡負載和不平衡負載)進行運算，將運算結(jié)果指令傳輸給程控負載；數(shù)據(jù)采集和分析模塊完成數(shù)據(jù)采集和分析；數(shù)據(jù)顯示和存儲模塊完成測試結(jié)果數(shù)據(jù)或圖形顯示和報表生成。

1)穩(wěn)態(tài)參數(shù)測量:

根據(jù)文獻[1]要求，設(shè)定有功功率和功率因素，分別在平衡負載和不平衡負載條件下對電源系統(tǒng)的所有穩(wěn)態(tài)參數(shù)進行測量，程序框圖見圖5。

2)瞬態(tài)參數(shù)測量：

交流電源瞬態(tài)參數(shù)測量，包括加卸載后卸載短暫過程中電壓或頻率的測量，這種瞬態(tài)過程持續(xù)的時間都很短，特別是電壓瞬變過程在0.25 s以內(nèi)，因此，必須考慮程控負載的接觸器吸合時間，應先對吸合斷開的時間做測試，數(shù)據(jù)采集時扣除相應的時間，這樣就能保證采集到完整的瞬態(tài)過程，程序框圖見圖6。

圖6 瞬態(tài)特性參數(shù)測量程序框圖

3 實驗結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計完成后，進行了測量精度校驗，由天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院進行了測量，測量結(jié)果表明，電壓、電流、功率因數(shù)等測量誤差均小于0.5%(證書編號DNJZdn1300085)。

在中國民航大學電源實驗室進行了實際測量，飛機發(fā)電機型號為976-J118航空發(fā)電機(Westinghouse Electric Corporation生產(chǎn))，額定功率為30KVA，額定電壓115/200V，頻率400 Hz。

3.1 穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)測試結(jié)果

功率因數(shù)為0.8時，在不同負載(0，25%，50%，75%，100%額定負載)下，加載和卸載參數(shù)如表2和表3。在不平衡負載(各相負載相差10%)的穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)見表4。測試結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)在不同負載穩(wěn)定狀態(tài)時， B相中輸出的直流分量都是不在表1標準要求的范圍內(nèi)，而其他的參數(shù)，包括各相的電壓、頻率、相位、波峰系數(shù)、諧波含量及電壓調(diào)制量都是在表1的標準范圍內(nèi)。

表2 功率因數(shù)是0.8加載后的穩(wěn)態(tài)參數(shù)報表

平衡負載，功率因數(shù)0.8，加載

負載百分數(shù)/%UaUbUc頻率A-B相位B-C相位C-A相位Ua波峰系數(shù)Ub波峰系數(shù)Uc波峰系數(shù)Ua總諧波畸變/%Ub總諧波畸變/%Uc總諧波畸變/%Ua最高單次諧波含量/%Ub最高單次諧波含量/%Uc最高單次諧波含量/%電壓調(diào)制量三相電壓不平衡值Ua畸變系數(shù)Ub畸變系數(shù)Uc畸變系數(shù)A相直流分量B相直流分量C相直流分量0116.69116.29115.14400.17119.3119.13121.561.411.411.412.622.682.652.12.222.052.741.563.463.393.630.06-0.190.04合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格合格合格合格合格不合格合格25114.84114.6113.33400.17119.24119.22121.531.411.411.411.731.631.751.221.231.172.681.492.472.072.080.06-0.170.07合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格合格合格合格合格不合格合格50113.52113.45112.06400.16119.27119.23121.491.411.411.411.831.741.911.121.061.072.021.472.852.372.440.06-0.180.04合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格合格合格合格合格不合格合格75112.09112.08110.58400.17119.4119.17121.421.411.411.411.941.861.781.131.041.092.631.542.572.432.900.06-0.190.03合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格合格合格合格合格不合格合格100110.45110.57108.76400.17119.41119.24121.341.411.411.411.741.691.660.960.960.931.91.813.062.192.180.04-0.170.03

表3 功率因數(shù)是0.8卸載后的穩(wěn)態(tài)參數(shù)報表

平衡負載，功率因數(shù)0.8，缷載

負載百分數(shù)/%UaUbUc頻率A-B相位B-C相位C-A相位Ua波峰系數(shù)Ub波峰系數(shù)Uc波峰系數(shù)Ua總諧波畸變/%Ub總諧波畸變/%Uc總諧波畸變/%Ua最高單次諧波含量/%Ub最高單次諧波含量/%Uc最高單次諧波含量/%電壓調(diào)制量三相電壓不平衡值Ua畸變系數(shù)Ub畸變系數(shù)Uc畸變系數(shù)A相直流分量B相直流分量C相直流分量100110.5110.65108.8400.17119.39119.2121.41.411.411.411.681.711.661.031.060.862.221.852.472.112.360.04-0.20.03合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格75112.26112.24110.71400.17119.42119.12121.451.411.411.411.811.811.81.161.191.122.831.552.581.982.360.05-0.180.04合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格合格合格合格合格不合格合格50113.55113.47112.07400.17119.25119.28121.461.411.411.411.831.741.941.131.11.12.951.482.972.462.640.06-0.190.05合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格合格合格合格合格不合格合格25114.85114.63113.34400.17119.28119.19121.521.411.411.411.741.631.71.221.221.133.041.522.562.232.570.05-0.180.05合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格合格合格合格合格不合格合格0116.7116.28115.12400.18119.27119.14121.591.411.411.412.562.632.592.032.151.992.821.583.343.313.240.05-0.180.03

表4 不平衡負載時的穩(wěn)態(tài)參數(shù)報表

不平衡負載

負載百分數(shù)/%UaUbUc頻率A-B相位B-C相位C-A相位Ua波峰系數(shù)Ub波峰系數(shù)Uc波峰系數(shù)Ua總諧波畸變/%Ub總諧波畸變/%Uc總諧波畸變/%Ua最高單次諧波含量/%Ub最高單次諧波含量/%Uc最高單次諧波含量/%電壓調(diào)制量三相電壓不平衡值Ua畸變系數(shù)Ub畸變系數(shù)Uc畸變系數(shù)A相直流分量B相直流分量C相直流分量25114.39115.06114.32400.17118.24119.25122.491.411.411.412.192.092.421.511.361.572.430.722.692.53.170.07-0.170.06合格合格合格合格合格合格不合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格合格不合格合格

3.2 瞬態(tài)參數(shù)測試結(jié)果

在功率因素等于1 的情況下，負載從空載突加到80%額定負載時的電壓和頻率響應見圖7。負載從80%額定負載突減到空載時的電壓和頻率響應見圖8。電壓和頻率瞬變在圖1電壓瞬變包絡(luò)線和圖2頻率瞬變包絡(luò)線范圍內(nèi)。

圖7 加載時的暫電壓和頻率響應

圖8 卸載時的電壓和頻率響應

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的一種飛機機載電源特性參數(shù)測試系統(tǒng)，為航空機載電源系統(tǒng)設(shè)計和發(fā)電機及調(diào)壓器等部件維修提供了檢測手段?？梢愿鶕?jù)國際和國內(nèi)的標準，對機載電源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和瞬態(tài)特性參數(shù)進行測試和驗證?；谔摂M基于技術(shù)研發(fā)的測試平臺，在控制和檢測方面具特出的優(yōu)點，操作方便，測量精度高，數(shù)據(jù)圖表顯示清晰并便于保存。

[1] ISO1540-2006 Aerospace-Characteristics of aircraft electrical system[S].ISO,2006.2;

[2]GJB181A-2003.飛機供電特性[S].總裝備部軍標出版社，2003.

[3]劉建英，任仁良. 飛機電源系統(tǒng)[M]. 北京：中國民航出版社，2013.

[4]夏國清， 馮建朝， 任仁良.基于虛擬儀器的航空逆變電源輸出特性測量研究[J].儀器儀表學報，2010(11)：2555-2560.

[5]龔仁喜，周希松，等. 基于LabVIEW的FFT加窗插值算法在諧波檢測中的應用[J]. 重慶理工大學學報(自然科學版)，2010(5):64-70.

[6]馬宏忠，宋樹平，鞠 平. 基于加窗離散傅里葉算法的諧波分析初始相位敏感性研究[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2014(12):88-94.

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Research on Measurement of AC Electrical Power System Characteristics

Ren Mingxiang1，Yan Juan2

(1.Maintenance Engineering Division,China Southern Airlines,Guangzhou 510405,China;2.Engineering Training Department, CAUC,Tianjin 300300,China)

The characteristics of aircraft power system are direct related to utilization equipment operation and fly safety. In 2006, The International Standard Organization (ISO) issued new standard ISO1540-2006 “Characteristics of aircraft electrical system”. According to the requirements of the standard, this paper puts forward a useful method to measure Steady-state Characteristics and Transient Characteristics of aircraft electrical power system. This paper founds the mathematic measuring modals; the virtual instrument technology has been adopted to design hardware measuring platform, include adjustable power factor and digital programming large loads and computer data acquisition system. Measuring software is designed based on LabVIEW. In order to satisfy measuring transient characteristics and the accuracy of measurement NI high speed and high accurate data acquisition card is used; the relative high measuring accuracy has been reached ,the total error of measurement is lower than 0.5%,in measuring transient characteristics, the response time of load contractor is took into account. This system can be used to check onboard constant frequency electrical power system whether or not meet the requirements of international standards, to ensure flight safety.

airborne electrical power; steady-state characteristics; transient characteristics; LabVIEW; data collection

2015-12-16；

2016-04-29。

中國民航局科技基金項目(MHR201003)。

任明翔(1986-)，男,碩士，工程師，主要從事機載信息和計算機測量與控制方向的研究。

1671-4598(2016)09-0019-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.006

TP273

A