陳 艷，陳 亮，陳永祿（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

?

飛機(jī)電源波形畸變對(duì)機(jī)載用電設(shè)備影響的分析與研究

陳 艷，陳 亮，陳永祿
（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西西安，710089）

摘要：飛機(jī)電源系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)的重要組成部分，其電壓波形畸變直接影響到機(jī)載電子設(shè)備的工作和壽命。本文以某型民用飛機(jī)電源系統(tǒng)為例，介紹了飛機(jī)主交流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和用電設(shè)備類型，在對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)畸變參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了飛機(jī)電源波形畸變對(duì)典型用電設(shè)備的影響，希望以此對(duì)新型飛機(jī)的研制和對(duì)現(xiàn)役飛機(jī)的改進(jìn)能提供參考。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)電源系統(tǒng)；畸變頻譜；畸變系數(shù)；諧波

0　引言

當(dāng)前，機(jī)載電子設(shè)備日益多樣化、復(fù)雜化，飛機(jī)電源系統(tǒng)的供電特性直接影響到航空電子設(shè)備的工作和壽命。在供電特性各項(xiàng)參數(shù)中，交、直流電壓畸變參數(shù)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(shù)、交直流畸變頻譜等參數(shù)。本文以某型民用飛機(jī)電源系統(tǒng)和典型用電設(shè)備真實(shí)工作狀態(tài)下的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐，在對(duì)電源畸變參數(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究其參數(shù)變化對(duì)機(jī)載用電設(shè)備的影響，更真實(shí)地反應(yīng)飛機(jī)電源系統(tǒng)波形畸變對(duì)用電設(shè)備的危害程度。

1　飛機(jī)電源系統(tǒng)及用電設(shè)備

1.1飛機(jī)主交流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此型飛機(jī)主交流發(fā)電系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的交流電源通道（即左通道和右通道）組成，每個(gè)通道分別由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的組合驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（IDG）提供交流電源，兩個(gè)IDG分別安裝在主發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣上。IDG將主發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣輸入的變化的轉(zhuǎn)速通過(guò)液壓機(jī)械調(diào)速裝置變換為恒速，從而發(fā)出恒頻交流電。在正常運(yùn)行狀態(tài)，左、右IDG分別向左、右匯流條供電。發(fā)電機(jī)控制器對(duì)IDG發(fā)出的電功率進(jìn)行監(jiān)控，若符合電源品質(zhì)要求則閉合發(fā)電機(jī)繼電器將電送到左、右交流匯流條，兩個(gè)主交流電源通道獨(dú)立運(yùn)行。

1.2機(jī)載用電設(shè)備類型

此飛機(jī)的主要用電設(shè)備包括液壓系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、動(dòng)力裝置系統(tǒng)、風(fēng)擋防冰系統(tǒng)、指示記錄系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等。根據(jù)各個(gè)用電設(shè)備工作原理，可以將眾多用電設(shè)備大致分為容性負(fù)載、感性負(fù)載以及純阻性負(fù)載。當(dāng)前，隨著用電設(shè)備工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的加深，用電設(shè)備中以容性負(fù)載和感性負(fù)載居多。

2　電源系統(tǒng)畸變參數(shù)的分析

2.1畸變系數(shù)

電源系統(tǒng)畸變系數(shù)包括交、直流畸變系數(shù)。交流畸變系數(shù)是指交流畸變與基波分量方均根值之比，而直流畸變系數(shù)是直流畸變與穩(wěn)態(tài)直流電壓之比。例如，以不低于1MHz的采樣頻率對(duì)交流電壓畸變波形（交流電壓波形中濾除基波后的瞬時(shí)波形）進(jìn)行采集，采樣時(shí)間取不大于1s期間最大整數(shù)個(gè)交流電壓周波所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，按式（1）計(jì)算交流電壓畸變，按式（2）計(jì)算交流電壓畸變系數(shù)。

式中：UJJ——交流畸變，V；

TW——規(guī)定的采樣時(shí)間，s；

UJJi——交流電壓畸變波形，V；n ——總采樣次數(shù)；

△t ——采樣周期，s；

式中：kJJ——交流畸變系數(shù)；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(tǒng)畸變頻譜是直流或交流畸變通過(guò)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(shí)值，采樣時(shí)間取不大于1s期間最大整數(shù)個(gè)交流電壓周波所對(duì)應(yīng)的時(shí)間；將所采集的數(shù)據(jù)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?；冾l譜包括電壓調(diào)制和頻率調(diào)制產(chǎn)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(fā)電機(jī)的頻譜曲線。

圖1　左發(fā)電機(jī)的頻譜曲線

畸變系數(shù)和畸變頻譜都是衡量高次諧波的存在對(duì)用電設(shè)備的影響程度。諧波有正序諧波、零序諧波與負(fù)序諧波。諧波的序列與諧波的次數(shù)關(guān)系如表1 所示：

表1　諧波的序列與次數(shù)關(guān)系

畸變系數(shù)是從總諧波的角度進(jìn)行供電特性驗(yàn)證，畸變頻譜可以直觀地反應(yīng)每一個(gè)高次諧波的影響。由頻譜圖可見(jiàn)，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(tǒng)中， 由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。這也從另一方面說(shuō)明了該型機(jī)三相交流電源系統(tǒng)三相電的平衡度較好。

3　電壓畸變對(duì)機(jī)載用電設(shè)備的影響

本文針對(duì)此型民用飛機(jī)電源系統(tǒng)及用電設(shè)備的特征，分析了電源畸變參數(shù)對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)、變壓整流器、照明系統(tǒng)和機(jī)載蓄電池等典型用電設(shè)備的影響。

3.1對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的影響

液壓系統(tǒng)中的交流電動(dòng)泵，其核心裝置主要是三相交流電動(dòng)機(jī)，交流電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載的代表，諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的主要影響是引起附加損耗，其次是諧波造成的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的脈沖轉(zhuǎn)矩也將使電機(jī)的轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲和諧波過(guò)電壓，使電動(dòng)機(jī)造成疲勞過(guò)度而損壞。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等現(xiàn)象將隨著諧波次數(shù)的增高而使得各類旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵芯和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加，帶來(lái)很大的不必要的電能損耗。

由頻譜圖1可見(jiàn)，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(chǎn)生不變的磁場(chǎng)，但是因?yàn)橹C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(dòng)機(jī)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(guò)中性線，使中性線電流大大超過(guò)其安全電流值造成過(guò)負(fù)荷。這種狀態(tài)下就有可能造成導(dǎo)線過(guò)熱引起中性線熔斷，造成各相電壓不平衡，導(dǎo)致交流電動(dòng)機(jī)不能正常工作。

由頻譜圖1可見(jiàn)，5次諧波幅值最大，5次諧波屬于負(fù)序諧波，除了會(huì)引起磁性損耗、引起導(dǎo)線過(guò)熱等危害以外，還會(huì)產(chǎn)生反方向旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)（相對(duì)于基波而言），而使交流電動(dòng)機(jī)的力矩下降，導(dǎo)致交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度變化，影響交流電動(dòng)機(jī)的正常工作。

由頻譜圖1可見(jiàn)，7次諧波幅值較大，7次諧波屬于正序諧波，會(huì)產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)加大力矩，它和5次諧波等負(fù)序分量一起，可造成電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，影響交流電動(dòng)機(jī)的正常工作，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)降低電動(dòng)機(jī)壽命。

3.2對(duì)變壓整流器的影響

飛機(jī)上的28V直流電是通過(guò)變壓整流器將115V/400Hz交流電轉(zhuǎn)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(dǎo)線的集膚效應(yīng)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(huán)，降低效率。這些諧波在給整流設(shè)備，電抗器，變壓器整流帶來(lái)過(guò)熱、振動(dòng)和噪音的同時(shí)，還將造成的很大的電能損耗。

3.3對(duì)照明系統(tǒng)的影響

照明系統(tǒng)中以阻性負(fù)載居多，燈的壽命與諧波的熱效應(yīng)關(guān)系很大。諧波電流產(chǎn)生的過(guò)熱會(huì)造成燈的正常的時(shí)間-電流特性曲線移位，畸變系數(shù)很大時(shí)，高次諧波含量過(guò)多，會(huì)明顯縮短燈的壽命。

3.4對(duì)機(jī)載蓄電池的影響

機(jī)載蓄電池作為機(jī)上應(yīng)急電源的重要組成部分，在電源系統(tǒng)正常工作時(shí)，由機(jī)上主直流電源系統(tǒng)給其充電。但機(jī)載蓄電池使用一段時(shí)間后，其容量會(huì)大大低于原出廠標(biāo)定值，原因是在機(jī)載蓄電池的使用、充電過(guò)程中，由于電源系統(tǒng)在整流、換流的過(guò)程中，產(chǎn)生高次諧波，使機(jī)載蓄電池的極板表面嚴(yán)重氧化而充電不足，導(dǎo)致電能的浪費(fèi)和蓄電池容量降低。

4　結(jié)束語(yǔ)

電源系統(tǒng)畸變參數(shù)的分析與評(píng)估一直是電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)中的一個(gè)難點(diǎn)，而電源系統(tǒng)畸變參數(shù)對(duì)用電設(shè)備的影響更是飛行試驗(yàn)研究的空白。本文以電源系統(tǒng)飛行試驗(yàn)為背景，結(jié)合國(guó)軍標(biāo)及民機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，在飛機(jī)電源系統(tǒng)及用電設(shè)備的真實(shí)工作環(huán)境下，嘗試、探索性地分析與研究了電源系統(tǒng)畸變參數(shù)對(duì)用電設(shè)備的影響，為將來(lái)飛機(jī)供電系統(tǒng)飛行試驗(yàn)評(píng)估奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］沈頌華 航空航天供電系統(tǒng) 北京：航空航天大學(xué)出版社，2005

［2］張雪 飛機(jī)供電系統(tǒng)畸變參數(shù)測(cè)試 碩士學(xué)位論文 西北工業(yè)大學(xué)，2007

［3］飛機(jī)供電特性GJB181A-2003，2003

［4］飛機(jī)供電特性參數(shù)測(cè)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(jiǎn)介

陳艷（1983-），女，新疆烏魯木齊人，碩士，現(xiàn)為中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院試飛工程師，主要研究方向：電氣系統(tǒng)試飛技術(shù)、機(jī)載試飛測(cè)試技術(shù)。