試驗機供電改裝中的瞬態(tài)干擾電壓抑制

譚秀萍，張 琦，石 娟，白欣鵬

（中國飛行試驗研究院 改裝部，陜西 西安 710089）

1 引言

近年來，隨著我國航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，很多新研制的設備亟待裝機進行試飛驗證，而我院具備載機試飛驗證平臺的資源優(yōu)勢，因此進行驗證試飛的改裝任務也隨之增多。被試設備的用電量由小到大，由原來利用飛機剩余電量就可滿足試飛驗證需求，發(fā)展到必須加裝輔助電源才能滿足新研制設備的用電要求，用電功率高達100 kVA 左右。

在試驗機平臺改裝中，大功率供電系統(tǒng)經常選用接觸器、繼電器為設備供電的控制器件，由于接觸器線圈為感性負載，開關在接通、斷開及轉換的過程中產生的瞬態(tài)干擾電壓可達幾百伏到幾千伏，如果不加以抑制，抑制效果將變差，瞬態(tài)干擾會造成設備電源電壓的不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的電壓就成了一種干擾源，它可以通過電源線或向外輻射的方式疊加到其他電子設備的輸入電壓上，結果可能會導致電子設備保護器件的誤動作，監(jiān)控設備運行不正常，數(shù)據(jù)丟失甚至損壞電子設備，給電子設備的正常工作造成很大的影響，因此對沒有脈沖抑制器的元器件必須加裝干擾抑制電路。在有些情況下，開關器件即使帶有脈沖抑制器，其輸出點的干擾電壓仍超出國軍標的規(guī)定范圍。

2 瞬態(tài)及干擾電壓產生的原因

2.1 瞬態(tài)過程

當供電系統(tǒng)或供電負載處于正常的工作狀態(tài)下，系統(tǒng)特性除發(fā)生固有變化外不發(fā)生明顯變動，這是穩(wěn)態(tài)過程。當供電系統(tǒng)或供電負載工作狀態(tài)發(fā)生變化，系統(tǒng)特性發(fā)生了瞬態(tài)突變，此時系統(tǒng)特性往往超出穩(wěn)態(tài)值范圍，并在規(guī)定的時間內逐漸恢復到穩(wěn)定狀態(tài)范圍內，這是瞬態(tài)過程[1]。

2.2 瞬態(tài)干擾電壓產生的原因

不管是在交流電路還是直流電路中，不論是機械開關還是電子開關，只要開關的狀態(tài)發(fā)生變化都會發(fā)生供電電源突然與負載接通或斷開的情況引起電路中的電流和電壓發(fā)生躍變[2]。以有電感負載的電路為例，對常用的MZJ-200 接觸器外加28 V 直流電源進行了測試，電路如圖1 所示。

圖1 電器圖

工作過程：當開關K 接通，D 點的輸出電壓波形基本滿足要求；為什么接通開關時沒有尖峰電壓？還是因為很小沒有超過規(guī)定范圍？開關K 斷開時，在A、B 和D 點出現(xiàn)脈沖頻率較高（幾千赫茲到幾萬赫茲），幅度較大（100 V～500 V）的瞬態(tài)電壓。如果單從A、C、D 抑制干擾電壓，效果不太好，在B 點進行有效抑制后，不但接觸器線圈處的瞬態(tài)電壓抑制了，A、D 點處的瞬態(tài)電壓也會消失。

通過實驗說明，在直流感性負載電路中，當開關K 把電路斷開時發(fā)生瞬態(tài)過程，電路中電流的變化率di（t）/dt 很大，在感性負載的兩端會出現(xiàn)很高的反向電壓VL（t），即VL（t）=-Ldi（t）/dt，此電壓在微秒數(shù)量級可達到供電電壓的10～100 倍。這個反向電動勢疊加在開關兩端，如果電壓＞300 V，觸點間隙被擊穿引起火花放電，此時會產生很強的高頻脈沖干擾。觸點閉合時，因觸點的彈跳，使觸點之間產生閉合-分離-閉合過程的重復。此過程引起的電壓瞬變比觸點斷開時更為嚴重。供電導線的電感、負載、觸點的抖動、異常閉合導致觸點電阻變化，也是瞬態(tài)干擾產生的原因。

3 瞬態(tài)干擾電壓抑制方法

下面介紹幾種能有效抑制瞬態(tài)干擾的線路，并對其線路的組成、抑制原理、元器件參數(shù)的選擇及適用進行簡單介紹。

3.1 穩(wěn)壓管對抑制電路

穩(wěn)壓管對抑制電路如圖2 所示，其中VZ=1.1V0，IZmax＞1.5I0.

圖2 穩(wěn)壓管對抑制電路圖

穩(wěn)壓管對抑制電路適合交、直流電路，背對背串接的穩(wěn)定管對對感性負載瞬態(tài)抑制電路。當加在穩(wěn)壓管對兩端的瞬態(tài)電壓高于一個穩(wěn)壓管如VZ1的穩(wěn)壓電壓VZ1時，穩(wěn)壓管VZ2處于正向導通，VZ1處于反向擊穿。把感性負載兩端的瞬態(tài)電壓牽制在穩(wěn)壓電壓VZ1與二極管正向導通電壓之和處[2]。

3.2 硅瞬變吸收二極管抑制電路

硅瞬變吸收二極管抑制電路如圖3 所示，其中VZ＞2V0，IZmax＞1.5I0.

圖3 硅瞬變吸收二極管抑制電路圖

硅瞬變吸收二極管抑制電路適合直流電路，硅瞬變吸收二極管的工作有點像普通的穩(wěn)壓管，簡稱TVS 管，是鉗位型的干擾吸收器件，具有極快的響應時間（亞納秒級）和相當高的浪涌吸收能力。當它的兩端經受瞬間的高能量沖擊時，它能以極快的速度把兩端之間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收一個瞬間大電流，從而將其兩端電壓鉗制在一個預定的數(shù)值上，以保護后面的電路元件不受瞬態(tài)高電壓的沖擊[2]。

3.3 電阻抑制電路

電阻抑制電路如圖4 所示，適合交、直流電路。

圖4 電阻抑制電路圖

電阻的選取原則R=（1－3）RL，開關K 斷開時，感性負載上的電流流經并聯(lián)電阻R，形成感性負載釋放儲能的回路，這時感性負載上的電流變化率di（t）/dt 比沒有并聯(lián)電阻R 時減小了很多，降低了感性負載上的瞬態(tài)電壓幅值[2]。

3.4 R-C 網絡抑制電路

R-C 網絡抑制電路如圖5 所示，普遍用于交直流開關設備、變壓器、電機和其他場合的R-C 感性負載瞬態(tài)抑制電路。也廣泛應用于保護開關觸點，避免在開關觸點之間產生飛弧現(xiàn)象，導致開關觸點的損壞。開關斷開后，感性負載和R-C網絡組成頻率很低的過阻尼振蕩電路，重復發(fā)生磁場能轉變?yōu)殡妶瞿?，電場能又轉變?yōu)榇艌瞿艿倪^程，適當?shù)剡x取參數(shù)R=0.2RL，C=L/4R2，可控制電路自由阻尼振蕩的頻率，如此往復，電路的自由振蕩停止下來。

圖5 R-C 網絡抑制電路圖

4 實際應用

利用上面介紹的幾種抑制電路，結合實際工作采取合適的方法，有效地解決了工作中經常出現(xiàn)的瞬態(tài)干擾問題。

4.1 對普通感性開關元器件的抑制方法

實驗證明，抑制開關K 接通或斷開感性負載電路引起的瞬態(tài)干擾，對接觸器主觸點和控制開關K 觸點，因瞬態(tài)過程發(fā)生輝光放電和飛弧放電降低使用壽命和技術性能，最有效的方法是在感性負載兩端加裝合適的抑制網絡，同時也能保護開關觸點的完好，如圖6 所示。

圖6 示意圖

4.2 觸點滅弧方法

上述實驗證明，在觸點兩端加裝合適的抑制網路，以降低觸點兩端的電壓為目的，也能有效解決瞬態(tài)干擾，如圖7所示。

圖7 示意圖

4.3 實際應用

有些情況下，即使帶有抑制電路的接觸器，其輸出電源的品質也不一定能達到使用要求。這種情況下，可根據(jù)上述的基本方法，通過下面幾個途徑來解決：①對接觸器的線圈做個檢測，是否因抑制電路不好引起的干擾疊加到主觸點上，通過對感性開關元器件的抑制方法進行抑制；②可以在主觸點兩端加裝抑制電路，減小兩觸點之間的電壓差，使主觸點在吸合的過程中，減小飛弧放電引起的瞬態(tài)干擾電壓；③在設備的輸入端加裝高頻濾波器濾除高頻信號或加裝大功率穩(wěn)壓器裝置，使輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定的電壓值之內。

例如在某大型試驗機平臺改裝中，供電系統(tǒng)選用了帶有抑制功能的直流270 V 接觸器作為被試設備用電的開關元件。在開關K 接通的瞬間，其主觸點的瞬態(tài)干擾電壓幅值達到450 V，是由什么原因產生的？當時在施工中使用了270 V懸浮雙線制，線徑70 平方的傳輸線給被試設備供電，是否由于傳輸線的自感感應電壓疊加到主觸點？超出了國軍標寬度小于50 μs 的尖峰信號電壓（瞬變值）在直流電源線上的幅度不應超過額定直流電壓的+50%的范圍，而在開關K斷開時的電壓幅值在規(guī)定的范圍，如圖8 所示。

圖8 270 V 電源供電示意圖

對270 V 電源輸出品質進行檢查，輸出電壓符合要求。270 V 接觸器觸點在吸合或斷開瞬間產生電弧現(xiàn)象，原因有以下幾點：①此次電壓高于270 V，電流大于0.4 A，觸點間被擊穿產生放電現(xiàn)象；②觸點閉合比觸點斷開產生的電弧現(xiàn)象更嚴重；③電弧的大小與接觸器品質有關。為解決此問題，對接觸器的電感線路進行檢測，如圖9 所示。

圖9 波形圖

在開關K 接通時，最高電壓振幅值55 V，其寬度10～16 μs（60 000 Hz）的瞬態(tài)干擾電壓。是不是由于55 V 的脈沖電壓影響的？通過在接觸器線圈兩端加裝的穩(wěn)壓二極管后，使線圈電壓抑制在30 V，而此時接觸器主觸點輸出電壓幅值與原狀態(tài)沒有太大變化，此方法不可行。

在設備的輸入端加裝穩(wěn)壓抑制管，效果很好。但當負載功率很大（38 kW）時，穩(wěn)壓抑制裝置的最大穩(wěn)定電流應高于負載電流50%左右，而大功率穩(wěn)壓抑制裝置很難選擇到，此方案不可行。在接觸器主觸點兩端加裝一個合適的電阻，以減小主觸點兩端的電壓差后，經過控制線路內的延時繼電器JI 延時2 s 再吸合接觸器主觸點后短接電阻，目的是降低因高壓產生的飛弧干擾電壓，并通過電阻回路吸收干擾電壓，如圖10 所示。

圖10 示意圖

當開關K 接通后，J2 工作，使其觸點接通，270 V 電流通過電阻R、J2 的3、2 觸點和被試設備構成回路，使接觸器主觸點輸出端的電壓升高，減小觸點兩端的電壓差，另一路28 V 電流通過J2 的5、6 觸點，使延時繼電器J1 工作，2 s 后延時繼電器J1 的2、3 吸合，使接觸器線圈工作，接觸器的主觸點吸合后短接電阻，瞬態(tài)干擾電壓通過電阻R 被吸收。

電阻R 的選擇：為防止發(fā)生電弧，應將觸點間的瞬態(tài)電流限制在最小電弧維持電流約0.4 A 之下，因此電阻R 應滿足下式：V0/IA＜R＜R負，IA為最小電弧維持電流，取0.4 A；V0為電源電壓270 V，R負為負載電阻。

經計算R 應大于675 Ω（電阻若過熱應考慮功率參數(shù)），支路電流和接觸器主觸點兩端的電壓差應盡可能小。經實驗本電路選擇電阻值為750 Ω，接觸器主觸點輸出端瞬態(tài)干擾電壓被抑制在300 V 左右，如圖11 所示，滿足被試設備工作用電要求。

圖11 接觸器主觸點吸合時的輸出波形

5 結論

在試驗機供電系統(tǒng)改裝中，感性負載和觸點電弧是引起瞬態(tài)干擾電壓的重要因素。目前我們仍大量使用沒有反峰抑制的接觸器、繼電器，對這類的控制器件，必須在電感線圈兩端加裝抑制線路，否則對飛機或電子設備會造成很大危害。因抑制線路會使接觸器、繼電器的釋放時間延長，因此在用于轉換電路時，應選擇響應時間快的抑制線路，轉換時間應在50 ms 內，抑制點還可選在設備的輸入端和接觸器觸點兩端，根據(jù)上述的抑制方法，結合實際情況，選擇適合的抑制線路和相匹配的抑制元器件，就可達到預期的效果。