飛機270 V直流電源供電特性參數校準方法實現與驗證

王建強

(航空工業北京長城計量測試技術研究所,北京 100095）

0 引言

飛機供電特性參數主要描述機載用電設備電源輸入端的供電參數的品質。良好的飛機電源供電特性應具有電壓穩定性好、波形畸變小、諧波含量低,以及瞬態變化范圍窄、非正常工作極限與正常供電差別小等特點。因此飛機供電特性參數中的穩態參數、畸變參數、諧波參數(直流電源系統中為脈動參數)、瞬態參數和非正常工作極限參數,是飛機供電質量評價的核心,也是飛機電源供電特性測試系統測試的重點和關鍵。

270 V高壓直流供電系統是20世紀70年代發展起來的一種新型電源,當前已經在F-22A,F-35等飛機上應用,具有良好的應用前景。高壓直流電源系統的特點是發電機結構簡單、工作可靠、并聯方便,主電源和二次電源內部損耗小、效率高,電網質量輕、對人體的危害較小[1-2]。針對上述電源系統,相關主機廠研制了飛機270 V直流電源供電特性測試系統,用于發電機試驗臺和電網試驗臺的性能測試。該系統主要測試飛機供電系統中直流電壓、電流等動、靜態參數特性以及分析供電品質,具有采集速率高、數據量大、準確度高、通道數多、使用方便等特點。測試系統主要由計算機、數據采集模塊、信號調理模塊及相應的傳感器等部分組成。將調理后的模擬信號輸入數據采集模塊,完成各種動、靜態參數的測試[3]。

為了確保測量值的準確可靠,GJB 5109-2004《裝備計量保障通用要求 檢測與校準》明確規定,武器裝備研制、使用、維護等過程中的測試系統必須經過校準后才能投入使用。針對飛機270 V直流電源供電特性測試系統校準需求,基于寬帶精密放大、高偏置電壓放大和寬帶分壓等技術,研制了校準裝置;根據GJB 5189-2003《飛機供電特性參數測試方法》、GJB 5558-2006《飛機供電特性測試要求》、GJB 181B-2012《飛機供電特性》等標準進行了校準方法的研究[4-6],并基于LabVIEW開發平臺,編寫校準程序,最終形成了飛機270 V直流電源供電特性測試系統的校準系統,實現了對穩態參數和瞬態參數的校準,確保飛機270 V直流電源供電特性測試系統量值的準確性、可靠性、統一性,進而保證飛機的研究、生產以及將來的維護質量。

1 校準裝置組成原理

校準裝置組成原理如圖1所示,計算機控制任意波形發生模塊,基于直接數據合成技術計算需要輸出的波形并輸出至寬帶功率放大器,其中寬帶功率放大器A主要完成高偏置信號放大,實現畸變和脈動信號的輸出,寬帶功率放大器B主要完成高精度高增益信號放大,實現幅度瞬變信號的輸出[7]。輸出的校準信號經過寬帶分壓模塊衰減后由高精度數據采集模塊進行采集,計算機對數據進行后處理得到校準信號的標準值,通過與被測采集系統的數據進行對比,完成校準[8]。

圖1 校準裝置組成Fig.1 Diagram of calibration device composition

2 校準程序設計

根據GJB 5189-2003《飛機供電特性參數測試方法》、GJB 5558-2006《飛機供電特性測試要求》、GJB 181B-2012《飛機供電特性》等標準研究校準方法,基于LabVIEW開發平臺,編寫校準程序。

校準程序按照功能主要分為兩個部分:①儀器控制部分,包括任意波發生模塊和高速高精度A/D模塊;②數據處理、分析以及顯示部分,該部分對直流電壓畸變頻譜信號進行加窗截斷并實現短時傅里葉變換,從而得到頻譜信息。

實際編程過程中,按照功能的關聯程度將軟件規劃為三個部分:穩態直流電壓和瞬變直流電壓輸出單元、直流電壓畸變頻譜和直流電壓脈動輸出單元、信號的采集分析單元。

2.1 穩態直流電壓和瞬變直流電壓輸出

穩態直流電壓和直流電壓瞬變在輸出電壓的特征上具有一致性,且二者經過任意波形發生器模塊模擬后的信號均通過高增益放大器進行放大和輸出[9-10],因此將二者合并為軟件的一個單元,其流程圖如圖2所示。

圖2 穩態直流電壓和直流電壓瞬變單元流程圖Fig.2 Flow chart of steady-state DC voltage and DC voltage transient unit

2.2 直流電壓畸變頻譜和直流電壓脈動輸出

直流電壓畸變頻譜和直流電壓脈動在輸出電壓的特征上具有一致性[11],且二者經過任意波形發生器模塊模擬后的信號均通過低增益、高偏置電壓放大器進行放大和輸出,因此將二者合并為軟件的一個單元,流程圖如圖3所示。

圖3 直流電壓畸變和脈動單元流程圖Fig.3 Flow chart of DC voltage distortion and ripple unit

2.3 信號的采集和分析

信號采集和分析單元根據不同的信號類型,按照不同的采樣率和采樣時間運行,并調用不同的后處理算法,可以得到穩態、瞬態、畸變和脈動不同的校準信號標準值[12-14],其中,穩態直流電壓信號主要通過低通濾波并求取均值的算法獲得;瞬態直流電壓輸出時會提供觸發信號,使校準裝置的采集功能與測試系統的采集得以同步,信號采集和分析單元以足夠的采樣率獲得瞬態直流電壓標準信號的變化過程,并與測試系統得到的波形進行對比;畸變和脈動信號通過短時傅里葉變換算法獲得,選擇窗函數的原則是:讀取頻率值時選擇矩形窗函數,讀取幅度值時選擇布萊克曼窗函數。

信號的采集與分析功能軟件的流程圖如圖4所示。

圖4 信號采集和分析單元流程圖Fig.4 Flow chart of signal acquisition and analysis unit

3 驗證試驗

按照相關標準編制現場驗證試驗大綱,針對某型戰機電源系統試驗臺進行了該校準系統的功能和技術參數的驗證試驗[15-16]。試驗結果表明該測試系統主要技術指標滿足相關標準要求,畸變測量功能由于采樣率的設置問題有不符合要求的測試點,提高采樣率之后即能達到標準要求。

3.1 穩態直流電壓功能驗證

穩態直流電壓輸出范圍為100～350 V,在穩態直流電壓為額定值時,最大允許相對誤差在±0.5%范圍內。

運行專用校準軟件,飛機高壓直流供電特性測試系統校準裝置按照標準值逐點輸出,被測設備和監測設備的測量數據如表1所示。

表1 穩態直流電壓輸出Tab.1 Steady state DC voltage output

如表1所示,按照穩態直流電壓的測量范圍(100～350 V)選取十個測量點進行了校準試驗,出現的最大誤差為-0.014%,滿足相關標準“在穩態直流電壓為額定值時,測量的相對誤差應在±0.5%以內”的要求。

3.2 直流電壓畸變頻譜功能驗證

直流電壓畸變頻率(f)范圍為10 Hz～100 kHz。當f≤50 kHz時,畸變頻譜幅值誤差在±2 dB范圍內;當f＞50 kHz時,畸變頻譜幅值誤差在±5 dB范圍內。

運行專用校準軟件,控制校準裝置按表2逐點輸出畸變信號分量,被測設備和監測設備的測量結果見表3。

表2 直流電壓畸變頻譜Tab.2 DC voltage distortion spectrum

表3 直流電壓畸變頻譜測量結果Tab.3 Measurement result of DC voltage distortion spectrum

直流電壓畸變頻譜測試中,將10 Hz至100 kHz頻段內的交流小信號與270 V直流信號疊加輸入測試系統。標準要求測試系統“畸變頻譜幅值(以方均根值1.0 V為基準的分貝數)的誤差為:頻率不超過50 kHz時,誤差不超過±2 dB,頻率大于50 kHz時,誤差不超過±5 dB”。對比測試系統的測量值與校準裝置的標準值可知,被測系統的20 kHz頻點超過最大誤差限值,這是由于測試系統在20 kHz處的頻率分辨力不足,在設置為20 kHz時,實測為頻率19.825 kHz的幅值,導致結果不滿足要求,當提高采樣頻率或增加采樣點數后,均可使該頻點校準結果滿足要求。

試驗發現:其他條件無變化時,只要采樣率達到信號頻率的20倍以上,就容易獲得10-5量級頻譜頻率分析準確度和10-3以上的幅度的分析準確度,繼續提升采樣率無法顯著提高直流電壓畸變頻譜信號的測量準確度,故應考慮其他因素的影響,如測試系統的信噪比等。

通過對標準信號添加噪聲的方式,驗證測試系統對噪聲的敏感程度。其他條件不變的情況下,當標準信號信噪比由20 dB提高至110 dB,測試系統計算得到的直流電壓畸變頻譜信號的頻率誤差ef、幅度誤差ev和相位誤差eΦ均有顯著提升,變化規律如圖5所示。

圖5 信噪比對畸變頻譜測量誤差的影響Fig.5 Influence of SNR on measurement error of distorted spectrum

3.3 直流電壓脈動功能驗證

直流電壓脈動的頻率范圍為1.2～16.8 kHz,幅值最大允許誤差在±3%范圍內。

運行專用校準軟件,校準裝置根據表4的測試項輸出直流電壓脈動信號,被測設備和監測設備的測量結果如表5所示。

表4 直流電壓脈動Tab.4 DC voltage ripple

表5 直流270 V脈動測量結果Tab.5 Measurement result of DC voltage ripple

直流電壓脈動類似于交流電源系統中的諧波,由于270 V直流電壓由400 Hz交流電壓整流得到,因此脈動信號的頻率均為400 Hz頻率的諧波小信號,由表5測試結果可知,該測試系統的直流電壓脈動測量功能滿足“幅值最大允許誤差在±3%范圍內”的要求。

3.4 直流電壓瞬變功能驗證

直流電壓輸出范圍為0～350 V,當電壓最大時,最大允許相對誤差在±1%范圍內。

運行校準軟件,按照表6的測試項輸出直流電壓瞬變信號,被測設備和監測設備的測量數據見表7。

表6 直流電壓瞬態Tab.6 DC voltage transient

表7 直流電壓瞬態測量結果Tab.7 Measurement result of DC voltage transient

測試系統得到的波形如圖6和圖7所示。

圖6 直流電壓瞬變波形圖1Fig.6 Waveform 1 of DC voltage transient

圖7 直流電壓瞬變波形圖2Fig.7 Waveform 2 of DC voltage transient

根據GJB 5189-2003《飛機供電特性參數測試方法》的相關規定,針對直流電壓瞬變信號,在最大極限范圍時,測量的相對誤差應在±1%范圍內,比較表6和表7的標準值與測量值可知,瞬變電壓幅度最大誤差為-0.03%,滿足標準要求。

4 結束語

本研究針對飛機270直流電源供電特性測試系統的實際校準需求,結合GJB5189-2003《飛機供電特性參數測試方法》等相關標準,進行了測試系統校準項目和校準方法的研究。結果表明,基于寬帶精密放大和分壓技術可以解決大動態范圍交直流疊加信號的溯源問題。下一階段,隨著多電/全電飛機技術的突破,飛機電源功率密度日益增大,機載用電設備數量增加,電源供電特性也相應發生了顯著變化,如采用交流、直流結合的電源系統,同時,單個用電設備負載增加,為飛機電源供電品質提出了新的挑戰。新一代啟動發電系統對電源供電特性測試系統和校準裝置都提出了新的要求,尤其在應對浪涌電流、電源諧波、電壓不平衡、電壓畸變和電壓瞬態特性問題等方面,應提早部署,統籌安排測試和計量技術的研究進程[17]。