飞机直流用电设备供电兼容性测试系统设计

2018-11-05邓乐武舒武静

新技术新工艺 2018年10期

邓乐武，舒武静

(成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川成都 610091)

用电设备是指飞机上所有使用电能的设备、装置和系统。用电设备一般采用的直流供电系统是额定电压为28或270 V(电源系统调压点的额定电压)的直流两线制或负线接地的系统，在该状态下用电设备应具有规定的性能，并且不会使供电系统的供电特性超出规定的范围。飞机电源供电特性的研究与检查非常多，如戴卫兵根据电源系统适航的需要设计并实现了飞机电源瞬态特性测试系统[1]。飞机上的电源系统会因用电负载不同出现复杂的特性，因此，对用电设备在这些复杂特性下的供电电磁兼容性及工作情况进行检查极其重要。本文研究了270 V直流用电设备的供电特性测试技术，并设计了由基础电源叠加瞬变功率源的供电测试系统，通过虚拟仪器技术，采用高精度的采样单元采集负载上的电压或电流等，完成自动测试。

1 测量原理及系统组成

目前，飞机电源系统逐渐朝着大功率、小型化和可靠性方向发展，从飞机质量、耗费等出发也是飞机电源系统发展的必然趋势。随着技术的发展，飞机用电设备也将发生适应性变化，对用电设备的供电兼容性检查也不容忽视。飞机供电特性中对270 V直流供电的稳态电压、畸变系数、畸变频谱、脉动幅度和电压瞬变等作出了相应规定和要求[2]，因此，需要对在该供电特性下用电设备的供电电磁兼容性进行检查。为了更好地进行直流270 V供电特性研究，本文设计了一套完整的直流270 V供电特性激励及测试设备，用于模拟机上供电，对机载用电设备进行测试、评估。

直流270 V供电特性测试系统由主控单元、采样单元、主电源和受控交变功率单元组成，具体如图1所示。用电设备的电源供电状态一般包括供电正常、供电非正常等[3]。主控单元根据人机交互界面设置用电设备的各种供电状态测试参数，对主电源和受控交变功率源进行控制，为用电设备提供不同供电状态；主电源根据主控单元信号产生相应的直流功率电压输出；受控交变功率源根据主控单元信号产生相应的脉动功率电压输出。

图1 系统组成示意图

2 测试系统设计

用电设备供电兼容性测试系统可设置正常稳态电压的极限电压和持续时间进行正常稳态电压极限试验，可设置稳态电压、稳态瞬变时间、瞬变电压和瞬变持续时间进行正常电压瞬变试验等。

2.1 硬件设计

测试系统中，主电源设计为180～350 V可调电压输出，输出电流能力为200 A；受控交变功率源设计为0～100 V可调电压输出，输出电流能力为200 A。

2.1.1 主电源

主电源可根据主控单元分配的信号产生稳态的直流功率输出，产生稳态电压及测试项中瞬态变化电压中的稳态部分，配合受控交变功率源完成整套变化波形。主电源在系统工作中持续工作时间较长，输出功率和发热量都较大，在系统中承受最大的应力，需要做大功率长时间输出的设计，重点考虑输出电压稳定性、带载能力、功率余量和散热处理措施的合理性设计，同时严格监视其温度，一旦出现高温，应立即进行保护。主电源工作原理图如图2所示。

图2 主电源工作原理图

图2中，交流/直流转换单元将输入的三相电源通过三相和单相整流桥，得到脉动直流电压，经过电阻缓冲，进入滤波电容，将脉动直流转换为平滑直流电压。直流/直流转换单元将上一级输入的直流电压转换为稳态直流电压，电压范围为180～350 V。电压调节单元将电压控制信号和直流/直流转换单元输出电压进行比较并控制PWM脉宽发生器输出波形宽度，使输出电压达到设定的电压值，如果输出偏高，将减小PWM脉宽发生器输出波形宽度，使输出电压下降；如果输出偏低，将增大PWM脉宽发生器输出波形宽度，使输出电压上升。

2.1.2 受控交变功率源

受控交变功率源可根据主控单元分配的信号产生设定宽度和上升下降沿的瞬变直流功率输出，完成测试项目中瞬态变化电压中的变化部分，配合主电源完成整套变化波形。受控交变功率源工作原理图如图3所示。

图3 受控交变功率源工作原理图

图3中，交流/直流转换单元将输入的三相电源通过三相和单相整流桥，得到脉动直流电压，经过电阻缓冲，进入滤波电容，将脉动直流转换为平滑直流电压。直流/直流转换单元采用全桥输出，输出参数设定为0～100 V，最大电流为200 A。控制直流/交流转换单元的方式为线性方式，全桥输出方式为跟随器方式，输出波形与主控单元控制信号波形一致，精度高。受控交变功率源增加逻辑保护单元，可以通过采集反馈的温度、电流信号进行过流保护和温度保护。

2.1.3 采样单元

采样单元模件由电压电流隔离传感器、抗干扰整形电路组成。采样单元组成框图如图4所示。

图4 采样单元组成框图

采样单元采用非接触方式隔离传感采样，采集各点的电压值和电流值，避免高电压大电流带来的干扰。

2.2 软件设计

用电设备供电兼容性测试系统由测试显示与处理软件和控制器软件组成。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

测试显示与处理软件包括自检模块、通信模块、显示控制模块和数据处理模块。它提供可视化的人机交互界面，可设置正常稳态电压的极限电压、持续时间、瞬变电压、瞬变时间和瞬变持续时间等，并输出控制指令；同时，接收控制器返回的试验数据和状态信息，进行处理，完成设置参数与接收数据对照分析，并以图形显示。测试显示与处理软件功能模块如图6所示。

图6 测试显示与处理软件功能模块

控制器软件包括自检模块、通信模块、主电源控制模块、受控交变功率源控制模块和数据采集模块。它控制主电源工作模式、受控交变功率源工作模式切换，并将采集的试验数据和状态信息发送给上位机。控制器软件功能模块如图7所示。

图7 控制器软件功能模块

3 试验数据分析

用电设备供电兼容性测试系统为供电设备提供正常供电、电压瞬变和供电故障等供电状态，并且对测试系统输出端供电状态和负载输入端供电状态进行对比，精准模拟电压瞬变、电流畸变等，为用电设备提供不同供电状态，以完成用电设备供电兼容性测试。测试项目选择界面如图8所示。电压瞬变供电状态下，测试系统正常电压瞬变试验输出供电状态如图9所示。