飛機直流用電設備供電兼容性測試系統設計

鄧樂武，舒武靜

(成都飛機工業(集團)有限責任公司，四川 成都 610091)

用電設備是指飛機上所有使用電能的設備、裝置和系統。用電設備一般采用的直流供電系統是額定電壓為28或270 V(電源系統調壓點的額定電壓)的直流兩線制或負線接地的系統，在該狀態下用電設備應具有規定的性能，并且不會使供電系統的供電特性超出規定的范圍。飛機電源供電特性的研究與檢查非常多，如戴衛兵根據電源系統適航的需要設計并實現了飛機電源瞬態特性測試系統[1]。飛機上的電源系統會因用電負載不同出現復雜的特性，因此，對用電設備在這些復雜特性下的供電電磁兼容性及工作情況進行檢查極其重要。本文研究了270 V直流用電設備的供電特性測試技術，并設計了由基礎電源疊加瞬變功率源的供電測試系統，通過虛擬儀器技術，采用高精度的采樣單元采集負載上的電壓或電流等，完成自動測試。

1 測量原理及系統組成

目前，飛機電源系統逐漸朝著大功率、小型化和可靠性方向發展，從飛機質量、耗費等出發也是飛機電源系統發展的必然趨勢。隨著技術的發展，飛機用電設備也將發生適應性變化，對用電設備的供電兼容性檢查也不容忽視。飛機供電特性中對270 V直流供電的穩態電壓、畸變系數、畸變頻譜、脈動幅度和電壓瞬變等作出了相應規定和要求[2]，因此，需要對在該供電特性下用電設備的供電電磁兼容性進行檢查。為了更好地進行直流270 V供電特性研究，本文設計了一套完整的直流270 V供電特性激勵及測試設備，用于模擬機上供電，對機載用電設備進行測試、評估。

直流270 V供電特性測試系統由主控單元、采樣單元、主電源和受控交變功率單元組成，具體如圖1所示。用電設備的電源供電狀態一般包括供電正常、供電非正常等[3]。主控單元根據人機交互界面設置用電設備的各種供電狀態測試參數，對主電源和受控交變功率源進行控制，為用電設備提供不同供電狀態；主電源根據主控單元信號產生相應的直流功率電壓輸出；受控交變功率源根據主控單元信號產生相應的脈動功率電壓輸出。

圖1 系統組成示意圖

2 測試系統設計

用電設備供電兼容性測試系統可設置正常穩態電壓的極限電壓和持續時間進行正常穩態電壓極限試驗，可設置穩態電壓、穩態瞬變時間、瞬變電壓和瞬變持續時間進行正常電壓瞬變試驗等。

2.1 硬件設計

測試系統中，主電源設計為180～350 V可調電壓輸出，輸出電流能力為200 A；受控交變功率源設計為0～100 V可調電壓輸出，輸出電流能力為200 A。

2.1.1 主電源

主電源可根據主控單元分配的信號產生穩態的直流功率輸出，產生穩態電壓及測試項中瞬態變化電壓中的穩態部分，配合受控交變功率源完成整套變化波形。主電源在系統工作中持續工作時間較長，輸出功率和發熱量都較大，在系統中承受最大的應力，需要做大功率長時間輸出的設計，重點考慮輸出電壓穩定性、帶載能力、功率余量和散熱處理措施的合理性設計，同時嚴格監視其溫度，一旦出現高溫，應立即進行保護。主電源工作原理圖如圖2所示。

圖2 主電源工作原理圖

圖2中，交流/直流轉換單元將輸入的三相電源通過三相和單相整流橋，得到脈動直流電壓，經過電阻緩沖，進入濾波電容，將脈動直流轉換為平滑直流電壓。直流/直流轉換單元將上一級輸入的直流電壓轉換為穩態直流電壓，電壓范圍為180～350 V。電壓調節單元將電壓控制信號和直流/直流轉換單元輸出電壓進行比較并控制PWM脈寬發生器輸出波形寬度，使輸出電壓達到設定的電壓值，如果輸出偏高，將減小PWM脈寬發生器輸出波形寬度，使輸出電壓下降；如果輸出偏低，將增大PWM脈寬發生器輸出波形寬度，使輸出電壓上升。

2.1.2 受控交變功率源

受控交變功率源可根據主控單元分配的信號產生設定寬度和上升下降沿的瞬變直流功率輸出，完成測試項目中瞬態變化電壓中的變化部分，配合主電源完成整套變化波形。受控交變功率源工作原理圖如圖3所示。

圖3 受控交變功率源工作原理圖

圖3中，交流/直流轉換單元將輸入的三相電源通過三相和單相整流橋，得到脈動直流電壓，經過電阻緩沖，進入濾波電容，將脈動直流轉換為平滑直流電壓。直流/直流轉換單元采用全橋輸出，輸出參數設定為0～100 V，最大電流為200 A?？刂浦绷?交流轉換單元的方式為線性方式，全橋輸出方式為跟隨器方式，輸出波形與主控單元控制信號波形一致，精度高。受控交變功率源增加邏輯保護單元，可以通過采集反饋的溫度、電流信號進行過流保護和溫度保護。

2.1.3 采樣單元

采樣單元模件由電壓電流隔離傳感器、抗干擾整形電路組成。采樣單元組成框圖如圖4所示。

圖4 采樣單元組成框圖

采樣單元采用非接觸方式隔離傳感采樣，采集各點的電壓值和電流值，避免高電壓大電流帶來的干擾。

2.2 軟件設計

用電設備供電兼容性測試系統由測試顯示與處理軟件和控制器軟件組成。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

測試顯示與處理軟件包括自檢模塊、通信模塊、顯示控制模塊和數據處理模塊。它提供可視化的人機交互界面，可設置正常穩態電壓的極限電壓、持續時間、瞬變電壓、瞬變時間和瞬變持續時間等，并輸出控制指令；同時，接收控制器返回的試驗數據和狀態信息，進行處理，完成設置參數與接收數據對照分析，并以圖形顯示。測試顯示與處理軟件功能模塊如圖6所示。

圖6 測試顯示與處理軟件功能模塊

控制器軟件包括自檢模塊、通信模塊、主電源控制模塊、受控交變功率源控制模塊和數據采集模塊。它控制主電源工作模式、受控交變功率源工作模式切換，并將采集的試驗數據和狀態信息發送給上位機?？刂破鬈浖δ苣K如圖7所示。

圖7 控制器軟件功能模塊

3 試驗數據分析

用電設備供電兼容性測試系統為供電設備提供正常供電、電壓瞬變和供電故障等供電狀態，并且對測試系統輸出端供電狀態和負載輸入端供電狀態進行對比，精準模擬電壓瞬變、電流畸變等，為用電設備提供不同供電狀態，以完成用電設備供電兼容性測試。測試項目選擇界面如圖8所示。電壓瞬變供電狀態下，測試系統正常電壓瞬變試驗輸出供電狀態如圖9所示。

圖8 測試項目選擇界面

圖9 正常電壓瞬變采樣圖

用電設備供電兼容性測試系統輸出端具備灌電流能力和吸電流能力，可以達到快速響應的效果，動作時間控制精準，瞬變到穩態持續時間可精確到1 ms，滿足使用要求。