模块化设计在航空地面电源开发中的应用研究*

季嘉伟 赵徐成 孙国文

(空军勤务学院航空四站系 徐州 221000)

模块化设计在航空地面电源开发中的应用研究*

季嘉伟 赵徐成 孙国文

(空军勤务学院航空四站系 徐州 221000)

针对航空地面电源保障装备设计存在的种类繁多、体积过大、功能单一等问题,提出了一种地面电源装备模块化设计方法,给出其详细设计流程。通过该方法的应用,设计了通用模块化电源装备,使航空地面电源实现了小型化、多功能化、通用化。

地面电源; 模块化; 设计

Class Number TJ02

1 引言

美军的MASS项目中的航空地面保障装备按其功能设计成为各种功能模块,还有通用的载体和框架[1]。装备的模块化和多功能化使装备的数量、体积和重量都得到了大幅度的减少。另外,装备的模块化使得装备的可靠性、维修性、保障性也得到大量的提高。装备的研发、制造、维护费用也大大降低。而我军四站保障装备的模块化设计生产也在陆续展开,模块化保障装备将实现四站装备的小型化、通用化、多功能化,大大提高四站保障能力。

航空地面电源是用来给飞机起动和飞机系统自检所用。给飞机起动需要低压大电流直流电源,而飞机内部系统自检需要三相中频交流电和三相工频交流电[2]。而现有的航空地面电源车只能输出直流电或者交流电一种电源,无法满足航空地面电源的通用化保障,即一台航空地面电源通过功能模块的切换,以实现多机种的航空地面电源综合保障。所以航空地面电源的模块化设计就显得尤为重要,通过模块化设计能满足各型飞机的地面电源通用化保障。

2 航空地面电源模块化概念

航空地面电源模块化是为了提高装备的保障能力,分析系统的功能、性能、几何结构,划分结构模块并构建模块体系,再利用各模块组合成系统的全过程。航空地面电源模块化的宗旨是效益。模块化是一种思想方法,其最终目的是通过模块化设计方法对地面电源进行设计,满足飞机的电源保障需求的同时降低地面电源研制成本,实现最佳经济效益。模块化的关键技术是系统的模块划分与模块组合[3]。装备模块划分与模块配置是实施模块化技术的核心问题[4]。模块划分与组合过程如图1所示。

按照上述设计思想,模块化设计首先是根据保障装备的总需求,将总需求划分为一系列子需求;根据子需求完成从装备需求域到模块功能域的映射[5],由于模块结构是模块功能的载体,所以再由模块功能域到结构域的映射,继而由子模块的结构综合集成为整体设计结构[6]。

3 电源功能模块设计

3.1 电源功能模块设计思路

在航空地面电源的实际设计过程中,需按照需求、功能与结构的映射对航空地面电源进行模块划分[7]。

1) 保障需求分析。航空地面电源的保障需求分析是模块化整体设计的出发点所在。主要采用部队调研、查阅资料等方法,确定地面电源装备的保障任务需求,并按照GJB572A-2006[8](飞机外部电源供电特性及一般要求)等一定的标准,将其分解为若干子需求。

2) 功能模块设计。将子任务需求进行映射到功能设计,得到完成相应子任务需要地面电源保障装备具备的基本功能,然后再根据相关性将基本功能进行聚合,得到功能模块。地面电源功能模块设计的核心是功能的分解和基本功能的聚合。根据子任务需求分析,航空地面电源需要三相115V/400Hz功能输出、三相AC36V功能输出、单相AC115V/400Hz功能输出、DC28V/56V功能输出、DC28V/70V功能输出和DC270V功能输出,可由AC 115V/400Hz功能模块、DC 270V功能模块和DC 28V/56V/70V功能模块组合实现。

3) 功能模块结构设计。在功能模块设计的基础上进行实体模块的标准化设计,其实质是对电源功能模块进行综合设计成电源模块保障装备的过程。模块化设计的优越性在于可以实现模块的灵活组合[9],因此,模块实体构建时要考虑到地面电源保障装备特性优化,具体的需要优化装备的可靠性、维修性和保障性。为了实现实体模块设计的灵活性,应使接口尽量标准化,便于联接和分离,同时模块之间保持相对独立性,保持耦合性最小原则[10]。

3.2 电源功能模块组成结构

功能模块组成结构由AC 115V/400Hz子模块(简称115V/400Hz子模块)、DC 270V子模块(简称DC 270V子模块)、DC 28V/56V/70V子模块(简称DC 28V子模块)和输入输出电缆箱4部分组成。其中系统原理框图如图2所示。

115V/400Hz子模块采用三相工频输入,对三相工频电源进行整流、滤波,并经PWM脉宽调制,将直流逆变为400Hz电源,再经变压器隔离和滤波电路后输出三相115V/400Hz电压。电源采用多环控制,电压控制外环采用有效值电压负反馈、电流瞬时正反馈来控制电压稳态和瞬态性能;电压控制内环采用电压瞬时值负反馈、输出电流谐波负反馈控制波形品质。电源的输出共分为3路,分别为115V三相四线输出、36V/三相三线输出和115V单相输出,其中115V三相四线输出采用双路输出,每一路有独立的输出控制。

DC270V子模块采用三相工频输入,对三相工频电源进行整流、滤波,并经PWM脉宽调制,将直流逆变为高频PWM调制波,再经变压器隔离、高频整流、滤波后输出直流电压。该子模块由九个DC270V/40A二级子模块并联组成。DC270V/40A二级子模块采用无主从并联的控制方式,并具有自动均流和截流功能。当某个二级子模块故障时,可自动退出系统,使得输出供电更加可靠。此系统为双路270V输出,每一路有独立的输出控制。

DC 28V子模块采用三相工频输入,对三相工频电源进行整流、滤波,并经PWM脉宽调制,将直流逆变为高频PWM调制波,再经变压器隔离、高频整流、滤波后输出直流电压。该子模块由9个DC28V/200A二级子模块组成。其中DC28V/200A电源由1个DC28V/200A二级子模块组成,2个DC28V/800A电源分别由4个DC28V/200A二级子模块并联组成。这3个电源配合输出切换装置后,可以输出2类电压,分别为28V/56V输出和28V/70V输出。28V/56V输出是在输出过程中受控于用电设备,先输出28V后输出56V。28V/70V输出是输出28V电压的同时也输出0V～70V电压。

输入输出电缆箱将工频输入电缆、中频和直流输出电缆集中收放其中。

4 电源控制模块方案设计

4.1 硬件框架

电源模块采用统一的硬件控制模式,将电源模块分为115V/400Hz子模块、DC28V/56V/70V子模块、DC270V子模块和输入输出电缆箱。这四个模块具有自己独立的控制,且控制模式相近。控制系统实时监测主回路的电压、电流、频率、波形等参数并进行实时控制,控制系统通过485接口完成与主回路的数据交换,并通过CAN接口将电源的输出电压、输出电流等参数上传给显示单元。

显示单元实时接收控制电路发送的数据并在屏幕上显示,显示单元具有一定的设置功能,在获取权限后,可通过CAN接口给控制电路下发少量控制命令。可在屏幕上查询电源的状态及历史故障。

电源的硬件框图如图3所示。

4.2 软件方案

本电源模块控制程序流程见图4。当电源模块系统运行参数工作范围变化时,控制程序可以修正设置参数以满足要求。每当电源模块在工作过程中出现故障时,都可以进行排故处理。对电源模块在起动、合闸和停机过程中的运行参数检测后,通过各子程序的控制进行工作运行,电压频率一旦出现非正常情况可自动切断输出供电或自动停机。

5 结语

本文利用模块化设计的方法,针对航空地面电源保障通用化问题,运用模块化电源的静变电源技术,设计了多功能、小型化的航空地面模块化电源。然而,由于模块化设计是一个动态的、综合的系统工程[11],涉及内容复杂,文中仅仅对设计内容和设计流程进行了分析,后续还需要对设计模型库、设计评价体系[12]等问题进行研究,进一步提高航空地面电源装备模块化设计的创新性和效率。

[1] 王保成.外军地面装备保障[D].徐州：空军勤务学院,2013.

[2] 赵徐成,蒋超.航空地面电源装备与保障[D].徐州：空军勤务学院,2015.

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[4] 叶永进.装备类产品模块化快速设计方法及关键技术研究[D].重庆:重庆大学硕士论文,2010:7-10.

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[6] 祁卓娅.机械产品模块化设计方法研究[D].北京:机械科学研究院硕士学位论文,2006:12-16.

[7] 贾冰,张雷,吴兵.模块化设计在风力发电机开发中的应用[J].机械设计与制造工程,2015,44(2):80-82.

[8] 国防科学技术工业委员会.GJB572A-2006.飞机外部电源供电特性及一般要求[S].北京：中国标准出版社,2006-12-15.

[9] 张宝辉.模块化总体设计研究[D].长沙：国防科学技术大学硕士学位论文,2004:10-15.

[10] 贾延林.模块化设计[M].北京：机械工业出版社,1993.

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[12] 纪海.基于网络的机械产品三维参数化和模块化设计系统的研发[D].北京:北京信息科技大学硕士学位论文,2008:23-30.

Application of Modular Design Method in Development of Aero Ground Power Supply

JI Jiawei ZHAO Xucheng SUN Guowen

(Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000)

There are lots of issues in the design for the traditional aero ground power supply equipment, such as the variety of species, too large volume and sole function. To solve these problems, this paper proposes a method for modular design in aero ground power supply equipment, and focuses on detail design processes. This paper designs generalized and modularized power supply equipment in order to realize miniaturization, multi-function and generalization for aero ground power supply equipment.

ground power, modular, design

2016年10月1日,

2016年11月17日

季嘉伟,男,硕士研究生,研究方向:控制科学与工程。赵徐成,男,博士研究生,研究方向:控制科学与工程。孙国文,男,硕士研究生,研究方向:控制科学与工程。

TJ02

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.004