飛機二次電源負載特性仿真計算與檢測分析

楊 娟，李運富，楊占剛，任仁良

（1.中國民航大學工程技術(shù)訓練中心，天津 300300；2.中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300）

中國航空技術(shù)趨于自主化設(shè)計，隨著多電飛機的快速發(fā)展，航空電氣設(shè)備的種類和數(shù)量不斷增加，在翼工作安全成為關(guān)注重點[1]。飛機上二次電源設(shè)備將某種形式電能轉(zhuǎn)換為其他形式電能，如將交流轉(zhuǎn)換為直流的變壓整流器、將直流轉(zhuǎn)換為交流的變流器等。主電源是交流系統(tǒng)的飛機上有大量直流設(shè)備，現(xiàn)代飛機的直流用電設(shè)備大多采用28 V 直流電通過變壓整流器TRU（transformer rectifier unit）將115 V 或230 V 交流電轉(zhuǎn)換而來。多電飛機用電設(shè)備大幅度增加，要求提供不同類型的電能，如B737-800 機型機上裝有3 臺容量10 kV·A 的TRU，而B787 機型機上裝有4 臺TRU 用于轉(zhuǎn)換電源。

TRU 具備雙重特性，一方面自身作為飛機電網(wǎng)的負載，其交流側(cè)特性參數(shù)將反向影響飛機交流電網(wǎng)品質(zhì)的影響；另一方面，作為機上直流設(shè)備的供電電源，其直流輸出特性代表了飛機直流電網(wǎng)供電品質(zhì)。ISO1540-2006《航空電氣系統(tǒng)特性》是飛機供電系統(tǒng)設(shè)計標準，規(guī)定了供電系統(tǒng)的供電特性極限。RTCA DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件與測試規(guī)程》是世界各民機制造大國適航當局認可的環(huán)境試驗標準，規(guī)定了電氣負載與供電系統(tǒng)的兼容要求[2～5]。為確定電氣設(shè)備是否符合裝機適航條件，且在不同的供電運行狀態(tài)下能夠安全工作，需按照ISO1540-2006《航空電氣系統(tǒng)特性》和RTCA DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件與測試規(guī)程》標準完成機上設(shè)備的特性分析[6]。

1 Matlab/Simulink 數(shù)學建模及仿真計算

以飛機上常見的12 脈沖可控變壓整流器為例，其結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。假設(shè)整流單元整體的轉(zhuǎn)換比例與單個整流單元的相同，則中立點測量整流器上、下橋輸入電壓分別為

式中：eay、eby、vcy分別為整流器上橋a、b、c 相輸入電壓；eat、ebt、ect分別為整流器下橋a、b、c 相輸入電壓；em為帶通濾波器的相電壓峰值；φ1為電動勢初始相位角；ω 為角頻率。

圖1 航空變壓整流器結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of aviation TRU

引入等功率坐標旋轉(zhuǎn)變換，將三相靜止對稱坐標系（a，b，c）變換成同步旋轉(zhuǎn)坐標系（d，q，0）。同步旋轉(zhuǎn)坐標系q 軸與靜止坐標系a 軸間初始相位角為θ。同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的12 脈沖整流器交流側(cè)電壓及直流側(cè)電流分別為

式中：Vqn、Vdn分別為整流器交流側(cè)q 軸和d 軸電壓；Vdc為整流器直流側(cè)電壓；iqn、idn分別為整流器交流側(cè)q 軸和d 軸電流；idc為整流器直流側(cè)電流。

三相整流器回路方程為

式中：L 為交流側(cè)電感；R 為交流側(cè)電阻；ekn為整流器交流側(cè)輸入電壓；VN0為整流器直流側(cè)回路電壓。

單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)矩陣為

式中，sa、sb、sc分別為a、b、c 相開關(guān)函數(shù)。

對電流側(cè)電容正極節(jié)點處直流電流和負載電流的凈直流電壓的動態(tài)特性可以表示為

式中：rdc為直流濾波電阻；Ldc為直流濾波電感；Cdc為直流濾波電容；iload為負載電流；rload為阻性負載；Lload為感性負載；Vc為直流濾波電容電壓。

結(jié)合式（5）～式（8），采用拉普拉斯變換，進行求解。可得變壓整流器數(shù)學模型為

在式（9）基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink 仿真環(huán)境建立該TRU 設(shè)備傳遞模型[7-10]，如圖2 所示。圖2中仿真模塊的參數(shù)如表1 所示。通過模型仿真計算可獲取TRU 穩(wěn)態(tài)過程中交流側(cè)各次諧波含量的仿真值。

圖2 航空變壓整流器傳遞模型Fig.2 Transfer function model of aviation TRU

表1 傳遞模型參數(shù)Tab.1 Parameters of transfer function model

2 負載特性實驗檢測系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)RTCA DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件與測試規(guī)程》和ISO1540-2006《航空電氣系統(tǒng)特性》標準要求[11-12]，飛機115 V 交流用電設(shè)備工作所產(chǎn)生的直流電流含量不大于5 mA，電流諧波極限值要求如表2 所示。表2 中：I1為設(shè)備在某實驗頻率條件下以最大穩(wěn)態(tài)功率工作期間測得的設(shè)備最大基波電流；h 為諧波次數(shù)；Ih為設(shè)備在所有正常穩(wěn)態(tài)工作模式下的第h 次最大諧波電流。飛機28 V 直流用電設(shè)備工作所產(chǎn)生的紋波電流不大于最大電流的7%。為實現(xiàn)機上115 V 交流和28 V 直流用電設(shè)備的負載特性檢測任務，總體設(shè)計檢測系統(tǒng)，其框圖如圖3 所示。航空電源供電部分可按需設(shè)置參數(shù)，并獲取被測設(shè)備特性響應數(shù)據(jù)，用于進一步分析被測設(shè)備性能。整個系統(tǒng)包括硬件平臺建設(shè)部分和軟件程序設(shè)計部分。

表2 電流諧波極限值Tab.2 Values of current harmonic limits

2.1 檢測系統(tǒng)硬件平臺搭建

以某型民航客機機上變壓整流器TRU 為測試對象搭建測試系統(tǒng)硬件平臺，如圖4 所示。系統(tǒng)包括高性能交直流程控電源、人工開關(guān)控制面板、電壓和電流互感器供電電源、電壓和電流互感器、數(shù)據(jù)采集單元、上位機和被測設(shè)備[13-16]。

圖4 中：高性能交直流程控電源由上位機程序控制輸出三相115 V 交流電；人工開關(guān)控制面板根據(jù)實際被測件選擇三相交流輸入、單相交流輸入或直流輸入的具體線路；電流互感器和電壓互感器分別檢測線路實際的電流和電壓，設(shè)備響應時間小于1 μs，互感器供電電源為其提供工作電壓；數(shù)據(jù)采集單元選用采樣速度為250 kSa/s 的高速USBDAQ I/O 設(shè)備，將互感器輸出電壓信號按照設(shè)定采樣速率傳送給上位機進行數(shù)據(jù)處理和波形顯示。為了獲取TRU 電源特性，在其直流輸出側(cè)連接程控電子負載，上位機遠程控制電子負載大小。系統(tǒng)中被測件可按需更換。

圖4 檢測系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware platform structure of detection system

2.2 檢測系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計

檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計在LabVIEW 環(huán)境中開發(fā)完成，一方面提供人機操作界面，另一面方面按要求對采集卡采集數(shù)據(jù)進行處理運算，如圖5 所示。上位機具備交直流電源控制功能、數(shù)據(jù)處理與顯示功能以及直流電子負載遠程控制功能，其中，數(shù)據(jù)處理與顯示功能分為TRU 交流側(cè)特性測試部分和TRU 直流側(cè)特性測試部分。

圖5 檢測系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計Fig.5 Design of software platform for detection system

2.2.1 交直流電源控制功能設(shè)計

上位機程序中，交直流電源控制功能的實現(xiàn)是整個檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵，供電來源可根據(jù)RTCA DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件與測試規(guī)程》的要求設(shè)置電源電壓、頻率、諧波輸入和脈沖輸入等，真實再現(xiàn)飛機電源波形的實際輸出情況。該部分的軟件執(zhí)行流程如圖6 所示。

圖6 航空電源上位機軟件執(zhí)行流程Fig.6 Execution process of upper-computer software for aviation power supply

2.2.2 數(shù)據(jù)采集處理與顯示功能設(shè)計

采集卡采樣率設(shè)置為120 kHz，高于基波400 Hz 的40 次諧波頻率的2 倍以上，滿足香農(nóng)定理?；魻栯娏骰ジ衅鱄CS-LSP-20A 滿足檢測電流和輸出電壓的關(guān)系為

式中：IPN為互感器測量額定電流；Vo為額定輸出電壓。

霍爾電壓互感器CHV-25P/200 滿足檢測電壓和輸出電壓的關(guān)系為

式中，VPN為互感器測量額定電壓。

電壓和電流波形采集和分析程序如圖7 所示，該程序完成TRU 交流側(cè)電壓和電流波形信號的采集和分析計算。波形分析包括諧波分析計算、有效值計算、峰值計算和波峰系數(shù)計算，其中諧波分析部分主要實現(xiàn)總諧波失真度THD、基波、1～40 次諧波計算，并通過波形圖和頻譜圖在其前面板顯示信號分析結(jié)果。

圖7 電壓和電流波形采集和分析程序Fig.7 Acquisition and analysis program of voltage ¤t waveforms

2.2.3 直流電子負載遠程控制功能設(shè)計

TRU 直流輸出側(cè)加載和減載過程直接影響TRU 交流測線路電流。為了更好地獲取被測設(shè)備的工作特性，需完成TRU 連接負載的設(shè)置設(shè)計，并實現(xiàn)遠程控制。直流電子負載的遠程控制包括4 個軟件功能模塊：負載遠程控制設(shè)置模塊（如圖8 所示）、打開輸出模塊、負載恒流CC（constant current）模式設(shè)置模塊以及負載電流設(shè)置模塊（如圖9 所示）。

圖8 直流電子負載遠程控制設(shè)置模塊Fig.8 Remote control setting model of DC electric load

圖9 負載電流設(shè)置模塊Fig.9 Setting model of load current

3 仿真計算與實驗結(jié)果分析

3.1 交流測負載特性分析

機上用電設(shè)備工作期間，線路諧波電流可反映該設(shè)備工作對飛機電網(wǎng)的反向影響情況。在飛機適航要求中，裝機設(shè)備需要限制其諧波電流來限制其對飛機電網(wǎng)質(zhì)量的影響[17-20]。實驗測量到電源線上的第40 次諧波，此處間諧波不作測量[15]。實驗設(shè)置直流側(cè)電子負載電流為8 A。TRU 交流輸入側(cè)電流實際波形如圖10 所示，總諧波失真THD=12.62%，其中直流分量Idc=0.507 A，符合表2 的要求。第2～40 次諧波電流含量仿真計算數(shù)值與實驗實測值對比如圖11 所示。

高中政治的有效教學是新時代的要求，高中政治教師要重視課堂的有效性，積極探索創(chuàng)新適合現(xiàn)代政治教學的方法，將政治課堂生活化，采取有效的教學手段，不斷提高實際教學的效果，提高政治學習積極性，使學生得到全方面的發(fā)展，形成正確的思想觀念。高中政治是高中學科中重要的一部分，對學生的個體發(fā)展具有重要的影響。教師要不斷地開放教學思維，提高政治的教學效果，使政治能夠真正為學生的發(fā)展添動力。

圖10 TRU 交流輸入側(cè)電流實際波形Fig.10 Actual waveform of TRU current on AC input side

圖11 仿真數(shù)據(jù) 中，3rd、5th、7th、9th、11th和13th奇次諧波較為明顯，特別是11th和13th諧波，含量分別為4.52%和2.94%；偶次諧波仿真值均為0；總諧波失真為5.55%。對比仿真與實驗曲線，各次諧波含量的變化趨勢基本一致，驗證了實測平臺的有效性，但實測值普遍高于仿真數(shù)據(jù)，考慮其中的原因為仿真過程中設(shè)備內(nèi)部二極管、電感元件、濾波模塊等器件采用的數(shù)據(jù)均為設(shè)計參數(shù)，忽略了設(shè)備長年運行造成的老化現(xiàn)象，且仿真建模數(shù)學公式均為理想計算。

圖11 第2～40 次諧波電流含量仿真值和實測值對比Fig.11 Comparison between simulation and measured values of 2nd～40th harmonic current contents

根據(jù)RTCA DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件與測試規(guī)程》標準要求，機上設(shè)備諧波電流含量限制值Ihlimit需綜合考慮表2 電流諧波含量限制值和實際電壓諧波含量的影響，即設(shè)備各次電流諧波小于Ihlimit時可判定為該參數(shù)滿足標準要求。Ihlimit的計算公式為

式中：Ihlimit為表2 中的電流諧波含量限制值，單位%；Ih為實測電流諧波含量，單位%；Vh為實測電壓諧波含量，單位%。

當電流諧波分量小于10 mA 和基波的0.25%兩者中的較大值時，該次諧波通常忽略不計。本實例中，電流諧波分量10 mA，對應百分含量為0.70%，因此采用0.70%修正限制值判據(jù)。交流側(cè)諧波電壓實測值、諧波電流實測值和通過式（12）計算所得修正限制值Ihlimit如表3 所示，通過比較分析，判斷參數(shù)是否符合標準要求。

表3 實測數(shù)據(jù)中，向電網(wǎng)引入的諧波干擾主要集中在低次如5th、7th、11th、13th等奇次諧波，其中3的倍數(shù)次奇次諧波對電網(wǎng)影響較小。此外，2nd、3rd、5th、7th、11th電流諧波含量實測值超過限制值；諧波電流通過10 mA 修正，放寬了表中2nd、4th、21st、27th、39th以及大于4th的偶次諧波的測試限制數(shù)值，使得測試中4th和12th諧波的測試結(jié)果從不合格變?yōu)楹细瘛＝Y(jié)合數(shù)學模型分析，TRU 中整流模塊向電網(wǎng)注入明顯的低次奇次諧波，對電網(wǎng)電流影響較大，3的倍數(shù)次奇次諧波的影響較小。

表3 諧波電流仿真值、實測值與修正限制值Tab.3 Simulation values,measured values,and corrected limit values of harmonic current

3.3 直流測電源特性分析

任何帶負載電流調(diào)節(jié)功能的設(shè)備都可能促成電流紋波，即在穩(wěn)定狀態(tài)設(shè)備運行期間，直流電流的平均水平將可能會發(fā)生周期性變化或無規(guī)則變化，或同時發(fā)生周期性和無規(guī)則變化。被測設(shè)備TRU 直流側(cè)紋波電流波形如圖12 所示。

式中：Ipp為電路紋波電流峰峰值；P 為直流電子負載額定輸出功率，P=300 W。

圖12 TRU 直流輸出側(cè)紋波波形Fig.12 Ripple current waveform of TRU on DC output side

由式（13）可知，TRU 直流電源特性的紋波電流符合小于最大負載電流的7%的要求。

4 結(jié)語

國產(chǎn)大飛機的研制助力我國民航大國向民航強國發(fā)展，機載用電設(shè)備的自主研發(fā)、性能分析和測試標定將成為關(guān)鍵技術(shù)。飛機電源系統(tǒng)中的二次電源連接了飛機交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)，其交流側(cè)負載特性和直流側(cè)電源特性尤為關(guān)鍵。仿真計算過程中數(shù)學建模過程反映了TRU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)機理，且仿真計算結(jié)果驗證了實驗平臺的有效性，實驗結(jié)果表明，TRU 工作期間會給飛機交流電網(wǎng)引入一定量的奇次諧波干擾，特別是第11 和13 次諧波的影響明顯，其中3 的倍數(shù)次奇次諧波和偶次諧波的影響較小，可忽略不計；經(jīng)過實際諧波電壓值修正后的諧波電流限制值放寬了2nd、4th、21st、27th、39th以及大于4th的偶次諧波的限制值，使得被測設(shè)備的4th和12th諧波測試結(jié)果合格，但2nd、3rd、5th、7th、11th電流諧波含量實測值仍超過RTCA DO-160G《機載設(shè)備環(huán)境條件與測試規(guī)程》 對用電設(shè)備負載特性的限制；其直流側(cè)電源特性參數(shù)引入的紋波電流符合標準ISO1540-2006《航空電氣系統(tǒng)特性》的要求。12 脈沖TRU 設(shè)備負載特性的有效測量與分析對飛機二次電源設(shè)備的進一步深入研究具有一定參考價值。