飛機電源波形畸變對機載用電設備影響的分析與研究

陳 艷，陳 亮，陳永祿（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

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飛機電源波形畸變對機載用電設備影響的分析與研究

陳 艷，陳 亮，陳永祿
（中國飛行試驗研究院，陜西西安，710089）

摘要：飛機電源系統是現代飛機的重要組成部分，其電壓波形畸變直接影響到機載電子設備的工作和壽命。本文以某型民用飛機電源系統為例，介紹了飛機主交流電源系統結構和用電設備類型，在對飛機電源系統畸變參數分析的基礎上，進一步研究了飛機電源波形畸變對典型用電設備的影響，希望以此對新型飛機的研制和對現役飛機的改進能提供參考。

關鍵詞：飛機電源系統；畸變頻譜；畸變系數；諧波

0　引言

當前，機載電子設備日益多樣化、復雜化，飛機電源系統的供電特性直接影響到航空電子設備的工作和壽命。在供電特性各項參數中，交、直流電壓畸變參數是其重要的組成部分，具體包括交直流畸變電壓、交直流畸變系數、交直流畸變頻譜等參數。本文以某型民用飛機電源系統和典型用電設備真實工作狀態下的飛行試驗數據為支撐，在對電源畸變參數進行分析的基礎上，研究其參數變化對機載用電設備的影響，更真實地反應飛機電源系統波形畸變對用電設備的危害程度。

1　飛機電源系統及用電設備

1.1飛機主交流電源系統結構

此型飛機主交流發電系統由兩個獨立的交流電源通道（即左通道和右通道）組成，每個通道分別由發動機驅動的組合驅動發電機（IDG）提供交流電源，兩個IDG分別安裝在主發動機附件傳動機匣上。IDG將主發動機附件傳動機匣輸入的變化的轉速通過液壓機械調速裝置變換為恒速，從而發出恒頻交流電。在正常運行狀態，左、右IDG分別向左、右匯流條供電。發電機控制器對IDG發出的電功率進行監控，若符合電源品質要求則閉合發電機繼電器將電送到左、右交流匯流條，兩個主交流電源通道獨立運行。

1.2機載用電設備類型

此飛機的主要用電設備包括液壓系統、照明系統、空調系統、飛控系統、動力裝置系統、風擋防冰系統、指示記錄系統、航電系統等。根據各個用電設備工作原理，可以將眾多用電設備大致分為容性負載、感性負載以及純阻性負載。當前，隨著用電設備工藝設計復雜程度的加深，用電設備中以容性負載和感性負載居多。

2　電源系統畸變參數的分析

2.1畸變系數

電源系統畸變系數包括交、直流畸變系數。交流畸變系數是指交流畸變與基波分量方均根值之比，而直流畸變系數是直流畸變與穩態直流電壓之比。例如，以不低于1MHz的采樣頻率對交流電壓畸變波形（交流電壓波形中濾除基波后的瞬時波形）進行采集，采樣時間取不大于1s期間最大整數個交流電壓周波所對應的時間，按式（1）計算交流電壓畸變，按式（2）計算交流電壓畸變系數。

式中：UJJ——交流畸變，V；

TW——規定的采樣時間，s；

UJJi——交流電壓畸變波形，V；n ——總采樣次數；

△t ——采樣周期，s；

式中：kJJ——交流畸變系數；UJJ——交流畸變，V；

U1——基波電壓方均根值，V。

2.2畸變頻譜

電源系統畸變頻譜是直流或交流畸變通過每一頻率分量幅值的量化表示。例如，以不低于1MHz的采樣頻率采集交流電壓畸變波形（從交流電壓波形中濾除基波）的瞬時值，采樣時間取不大于1s期間最大整數個交流電壓周波所對應的時間；將所采集的數據用傅立葉變換胡算出每一頻率分量的幅值即為交流電壓畸變頻譜。畸變頻譜包括電壓調制和頻率調制產生的分量以及波形中的諧波和非諧波分量。圖1所示為左發電機的頻譜曲線。

圖1　左發電機的頻譜曲線

畸變系數和畸變頻譜都是衡量高次諧波的存在對用電設備的影響程度。諧波有正序諧波、零序諧波與負序諧波。諧波的序列與諧波的次數關系如表1 所示：

表1　諧波的序列與次數關系

畸變系數是從總諧波的角度進行供電特性驗證，畸變頻譜可以直觀地反應每一個高次諧波的影響。由頻譜圖可見，3次、5次、7次等奇次諧波幅值顯著，2次、4次、6次等偶次諧波幾乎不存在，這是由于在平衡的三相系統中， 由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。這也從另一方面說明了該型機三相交流電源系統三相電的平衡度較好。

3　電壓畸變對機載用電設備的影響

本文針對此型民用飛機電源系統及用電設備的特征，分析了電源畸變參數對三相交流電動機、變壓整流器、照明系統和機載蓄電池等典型用電設備的影響。

3.1對交流電動機的影響

液壓系統中的交流電動泵，其核心裝置主要是三相交流電動機，交流電動機是感性負載的代表，諧波對電動機的主要影響是引起附加損耗，其次是諧波造成的電動機轉子的脈沖轉矩也將使電機的轉軸產生振動、噪聲和諧波過電壓，使電動機造成疲勞過度而損壞。由于集膚效應、磁滯、渦流等現象將隨著諧波次數的增高而使得各類旋轉電機的鐵芯和繞組中產生的附加損耗增加，帶來很大的不必要的電能損耗。

由頻譜圖1可見，3次諧波幅值比較明顯，3次諧波屬于零序諧波，零序諧波（即“3N”次諧波）產生不變的磁場，但是因為諧波頻率較高，故磁性損耗大大增高而將諧波能量以熱的方式放出。另外三相交流電動機各相中的3 N次諧波因其相位相同，相互累加后以3倍于相線的電流通過中性線，使中性線電流大大超過其安全電流值造成過負荷。這種狀態下就有可能造成導線過熱引起中性線熔斷，造成各相電壓不平衡，導致交流電動機不能正常工作。

由頻譜圖1可見，5次諧波幅值最大，5次諧波屬于負序諧波，除了會引起磁性損耗、引起導線過熱等危害以外，還會產生反方向旋轉的磁場（相對于基波而言），而使交流電動機的力矩下降，導致交流電動機轉子旋轉角速度變化，影響交流電動機的正常工作。

由頻譜圖1可見，7次諧波幅值較大，7次諧波屬于正序諧波，會產生正向旋轉磁場來加大力矩，它和5次諧波等負序分量一起，可造成電動機的振動，影響交流電動機的正常工作，長時間運轉會降低電動機壽命。

3.2對變壓整流器的影響

飛機上的28V直流電是通過變壓整流器將115V/400Hz交流電轉變得到的。由于諧波的存在，造成變壓器鐵芯的磁通量的減少和變壓器繞組中的導線的集膚效應加大，也就是最通常的鐵損、銅損增加，必然造成變壓器工作溫度上升，形成惡性循環，降低效率。這些諧波在給整流設備，電抗器，變壓器整流帶來過熱、振動和噪音的同時，還將造成的很大的電能損耗。

3.3對照明系統的影響

照明系統中以阻性負載居多，燈的壽命與諧波的熱效應關系很大。諧波電流產生的過熱會造成燈的正常的時間-電流特性曲線移位，畸變系數很大時，高次諧波含量過多，會明顯縮短燈的壽命。

3.4對機載蓄電池的影響

機載蓄電池作為機上應急電源的重要組成部分，在電源系統正常工作時，由機上主直流電源系統給其充電。但機載蓄電池使用一段時間后，其容量會大大低于原出廠標定值，原因是在機載蓄電池的使用、充電過程中，由于電源系統在整流、換流的過程中，產生高次諧波，使機載蓄電池的極板表面嚴重氧化而充電不足，導致電能的浪費和蓄電池容量降低。

4　結束語

電源系統畸變參數的分析與評估一直是電源系統飛行試驗中的一個難點，而電源系統畸變參數對用電設備的影響更是飛行試驗研究的空白。本文以電源系統飛行試驗為背景，結合國軍標及民機標準中的規定，在飛機電源系統及用電設備的真實工作環境下，嘗試、探索性地分析與研究了電源系統畸變參數對用電設備的影響，為將來飛機供電系統飛行試驗評估奠定技術基礎。

參考文獻

［1］沈頌華 航空航天供電系統 北京：航空航天大學出版社，2005

［2］張雪 飛機供電系統畸變參數測試 碩士學位論文 西北工業大學，2007

［3］飛機供電特性GJB181A-2003，2003

［4］飛機供電特性參數測試方法 GJB 5189-2003

Analysis and research of the influence of aircraft power waveform distortion on airborne power equipmen

Chen Yan，Chen Liang，Chen Yonglu
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an Shaanxi，710089）

Abstract：Aircraft power system is an important part of modern aircraft，and its voltage waveform distortion directly affects the work and life of airborne electronic equipment.The civil aircraft power system as an example，introduces the aircraft main AC power system structure and electrical equipment type，in the analysis of the distortion parameters of aircraft power supply system based on，and further study of the aircraft power waveform distortion of the typical use of electrical equipment，hope to the of new aircraft development and improvement of active aircraft can provide reference.

Keywords：aircraft power supply system；distortion spectrum；distortion coefficient；harmonic

作者簡介

陳艷（1983-），女，新疆烏魯木齊人，碩士，現為中國飛行試驗研究院試飛工程師，主要研究方向：電氣系統試飛技術、機載試飛測試技術。