電負載系統設計與研究

摘 要：為了驗證飛機的定型試飛過程中，飛機的電源系統、APU電源系統在滿載及超載情況下的性能是否滿足有關設計要求的目的，研制了一套電負載控制系統，用來提取并且消耗飛機電源系統的剩余功率，從而達到了驗證飛機的電源系統、APU電源系統的性能的目的。

關鍵詞：電負載；APU；電源系統；數據采集；虛擬儀器

引言

在飛機的定型試飛過程中，根據相關設計要求，需要在滿載及超載情況下，驗證飛機電源系統、APU電源系統的性能是否滿足有關設計要求。為此，借鑒以往電負載系統研制的經驗以及取得的成果，通過科學計算和分析，制定了電負載控制系統的方案，設計了電負載控制系統。

1 電負載系統簡介

電負載系統的主要由控制系統和蒸發耗能系統組成。系統的控制電源為直流28V，負載消耗為三相115V/400Hz。控制系統自動采集負載的電流、電壓和消耗功率，并且按照預先設定好的加載程序進行自動加載，能夠實現自動和手動加載的切換，并且具備緊急情況下自動切除負載和應急排放熱水的功能。

電負載系統工作原理是控制系統通過上位機實時采集飛機電源系統的剩余功率，并且向上位機發出指令，蒸發耗能系統消耗飛機電源系統的剩余功率，將電能轉換成為熱能，消耗飛機電源系統和飛機APU系統，達到驗證其性能的目的。

1.1 控制子系統

控制子系統由直流28V供電，主要實現負載加載控制、負載參數及負載系統參數采集、冷卻系統控制、應急情況控制以及自檢功能。控制子系統主要由相關的接觸器、繼電器、濾波器以及控制計算機等組成，這些控制器件統一安裝在飛機客艙的控制柜內，控制計算機作為中心控制單元，負責采集壓力、溫度、電流、電壓、流量等各個傳感器的實時數據，并對數據進行分析處理，判斷整個系統的實時狀態，接收用戶命令，實現開關量、模擬量控制等功能。

控制子系統具有自動、手動加載控制的功能；具有自檢、告警以及應急斷電功能；能夠保證罐中負載消耗平衡，在負載不平衡時，能夠自動切斷負載單元；具有可視化操作界面，實時顯示飛機消耗功率；能夠及時采集壓力、溫度、電流、電壓、液位等，并能及時作出響應，改變系統工作狀態；當采集到各個蒸發罐的液位傳感器低于設定值時，控制系統發出指令，補水泵從補水罐箱對其進行補水，使其達到設定值；當檢測到補水罐的液位低于設定值時，控制系統發出指令，給出報警信號；當蒸發罐和補水罐的液位均低于設定值時，系統自動斷電；在緊急情況下，該系統能自動放掉熱水。

1.2 蒸發耗能系統

蒸發耗能系統由補水排水子系統和負載子系統組成。能夠實現能量轉換，自動排放高溫水蒸氣。

補水排水子系統主要由補水分系統、應急排水分系統以及注水、排水分系統等組成。補水分系統由補水罐、補水泵以及液位傳感器等組成。當液位傳感器采集到各個蒸發罐的液位低于設定值時，則自動啟動補水泵，由補水罐向蒸發罐組輸水，使其達到設定的液位值。應急排水分系統由應急排水泵、單向閥以及單向插板閥等組成，用于在飛機應急著陸前，排放掉蒸發罐內的熱水。

負載子系統實現電負載的分配和消耗。負載子系統主要由安裝在蒸發罐里面的60個負載元件組成。每個負載元件的功率1KVA，絕緣層熱穩定性不小于300°，絕緣電阻不小于20MΩ，每相電負載最小負載1KVA、共20KVA，均分在三個電加熱器罐里，為保證負載消耗平衡，每次加載最小功率3KVA，總共可以實現60KVA的負載消耗。在出現負載不平衡時，系統具有自動切除功能。系統結構原理圖如圖1所示。

2 電負載系統設計

2.1 硬件設計

電負載系統硬件組成主要由工控機、西門子PLC、傳感器（電壓、電流、液位等）、交流接觸器、斷路器、采集板卡等組成。圖2為控制系統硬件結構圖。

2.2 軟件設計

系統軟件由兩部分構成，分別是一體化工作站（上位機）程序和可編程控制器（下位機）程序。上位機主要用于監控整個系統詳細的工作過程，跟據預先設定好的規律，執行相對應的加載規律，上位機具有友好的工作界面，操作界面，并且能夠實時監測到加載的負載以及整個系統的運行狀況。下位機程序主要采用的是梯形圖進行編程，主要采集補水罐和蒸發罐的液位信號，接收上位機指令，實現負載自動加載、補水泵控制和報警斷電等功能。整個系統有條不紊的進行。

3 電負載系統實驗

在完成了軟件調試、控制機柜的接線以及外部線路接線工作以后，對電負載系統進行了地面聯試實驗，進行了地面長時間加載實驗，首先進行了系統自檢工作，自檢完成后，模擬飛機剩余功率進行自動加載以及卸載規律設定，進行了長達4小時的實驗，實驗過程順利，實驗結果表明：系統能夠按照預先設定的模擬飛機的加載、卸載規律進行工作，并且在水蒸氣狀態下，蒸發耗能系統能夠將高溫水蒸氣排出；模擬了飛機上故障情況，該系統能夠緊急卸載以及緊急排水。

經過一系列的地面聯試實驗和分析，電負載系統功能完善，長時間工作運行穩定可靠，達到了設計要求。

4 結束語

文章設計的電負載控制系統已經應用在飛行試驗中，該系統自動化程度高，操作方便簡單，并且能夠準確測量飛機發電機的剩余功率，根據采集到飛機的剩余功率，自動加載電負載單元，達到了驗證飛機的電源系統、APU電源系統的性能的目的。

參考文獻

[1]王亞曉.飛機電源地面試驗測試系統的設計與實現[D].西安：西北工業大學，2004：20-22.

[2]王建新，楊世風，隋美麗.LabWindows/CVI測試技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

[3]高亞奎，支超有.多線程虛擬儀器測試軟件的開發[J].計算機測量與控制，2003，11（12）：986-987.

作者簡介：茍婷婷（1985-），女，陜西西安人，工程師，碩士，研究方向：試驗機設計改裝與方法研究。

蘭莎莎（1982-），女，陜西西安人，工程師，本科，研究方向：試驗機設計改裝與方法研究。