蔣 茜， 沈佳茜， 楊善水， 王 莉

(南京航空航天大學 自動化學院， 江蘇 南京 210000)

0 引言

航空航天供電系統(tǒng)是我院本科生的一門重要課程，因為一般院校接觸到有關(guān)航空知識并不多，所以關(guān)于這類課程一直沒有開設(shè)系統(tǒng)實驗課程。本文介紹一種航空航天供電系統(tǒng)的模塊化、標準化結(jié)構(gòu)，分析形成該供電系統(tǒng)的接口，有利于構(gòu)成各種形式的電網(wǎng)，可用于各種結(jié)構(gòu)形式的電網(wǎng)設(shè)計和開發(fā)，為飛機供電系統(tǒng)的快速組合和集成設(shè)計提供參考，并為開發(fā)飛機供電系統(tǒng)的實驗系統(tǒng)提供支持[1]。

對于航空航天供電的教學而言，軟件與硬件的相連點，即邏輯控制是一個重點。文獻[2]、[3]分析了A320和B737的供電系統(tǒng)，包括電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和邏輯控制，對本文的電網(wǎng)設(shè)計具有很大的參考價值。文獻[4]探討了在270 V高壓直流供電體制上如何實現(xiàn)分布式自動配電和負載自動管理技術(shù),但對270 V高壓直流固態(tài)配電技術(shù)的研究還有許多不完善的地方。文獻[5]系統(tǒng)闡述了如何在LabVIEW軟件平臺上搭建出多通道的飛機電網(wǎng)并對其實現(xiàn)邏輯控制，但該文獻在與硬件相連的實時控制技術(shù)上還未進一步進行探索。雖然目前對于電網(wǎng)邏輯的研究已有不少，但是對于電網(wǎng)的模塊化處理卻鮮有研究。用模塊化的思想來看待電網(wǎng)能使得電網(wǎng)邏輯更加明晰，在實驗操作時，模塊化的實驗平臺不僅使得實驗操作更便捷，而且能使得學生對電網(wǎng)邏輯的概念更加深刻，從而激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維，使其可以利用模塊單元搭建出更多電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

本文在綜合了各種典型機型特點的基礎(chǔ)上，運用模塊化思想，設(shè)計單通道飛機電網(wǎng)，形成構(gòu)成電網(wǎng)的最小模塊單元。然后，在LabVIEW軟件平臺上用最小模塊單元搭建出四種典型電網(wǎng)，并實現(xiàn)對它們的邏輯控制。

1 典型飛機的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

典型飛機是指B737、A320和蘇-27，B737和A320是典型的客機，蘇-27是典型的戰(zhàn)斗機。這三種飛機的電網(wǎng)包含一般飛機電網(wǎng)所具有的特征。

1.1 B737電網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究

B737飛機的主電源系統(tǒng)是CSCF恒速恒頻交流電源系統(tǒng), 這是現(xiàn)代飛機上應(yīng)用最廣泛的一種供電系統(tǒng)。B737飛機的電網(wǎng)是雙發(fā)結(jié)構(gòu)，有交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)兩部分。交流電源系統(tǒng)由左右兩臺主交流發(fā)電機供電，這兩臺發(fā)電機是飛機上的主電源，承擔了飛機上全部電負載。直流電源系統(tǒng)是通過三臺變壓整流器從主電源獲得28V直流電。

交流電源系統(tǒng)里有兩臺主交流發(fā)電機、一臺APU輔助動力裝置傳動的備用交流發(fā)電機、一臺靜變流機INV和地面交流電源。直流電源系統(tǒng)里有三臺變壓整流器、充電機、飛機電瓶和地面直流電源[3，6]。

1.2 A320電網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究

A320飛機是一種基于雙通道供電系統(tǒng)的150座大型客機，其電源系統(tǒng)也采用的是CSCF技術(shù)。A320飛機的電網(wǎng)是雙發(fā)結(jié)構(gòu)，包括交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)。

在交流電源系統(tǒng)中，由兩臺發(fā)動機的發(fā)電機、APU發(fā)電機或者一個外部電源來供電。組合傳動發(fā)電機IDG安裝于相關(guān)發(fā)動機的附件齒輪箱上，由CSD和發(fā)電機組成；APU發(fā)電機位于機尾APU艙內(nèi)；外接電源插座置于前起落架艙前方[2]。

在直流電源系統(tǒng)中，直流電由交流電源系統(tǒng)通過TRU轉(zhuǎn)換得到或直接由電瓶作為備用電源供電來得到。在緊急情況下，應(yīng)急發(fā)電機由沖壓空氣渦輪RAT增壓的藍液壓系統(tǒng)驅(qū)動，可以部分地向交流系統(tǒng)和直流電源系統(tǒng)供電[2，7]。

1.3 蘇-27電網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究

蘇-27戰(zhàn)斗機是前蘇聯(lián)蘇霍伊設(shè)計局研制的雙座雙發(fā)全天候空中優(yōu)勢第四代重型戰(zhàn)斗機。

蘇-27飛機電源系統(tǒng)主要包括:交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)和地面供電系統(tǒng)。

2 單通道飛機電網(wǎng)設(shè)計

因為B737、A320、蘇-27這三種機型的電網(wǎng)具有一定的相似處，故而可以對其進行歸納總結(jié)，得出它們共有的特征結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)成為本文設(shè)計電網(wǎng)的理論基礎(chǔ)。

2.1 單發(fā)電網(wǎng)模塊圖的設(shè)計

一個完整的電網(wǎng)中至少要有一個TRU將發(fā)電機發(fā)出的交流電整流為直流電，也至少要有一個INV將電網(wǎng)中的直流電逆變?yōu)榻涣麟?。所以所設(shè)計的單發(fā)電網(wǎng)里有一臺IDG、一個TRU、一個INV以及一個BAT，IDG發(fā)出的交流電與INV逆變得到的交流電可以給所有的交流負載供電，BAT發(fā)出的直流電與TRU整流得到的直流電可以給所有的直流負載供電。

如圖1所示，所設(shè)計的電網(wǎng)可以將IDG發(fā)出的交流電先流經(jīng)交流負載，再由TRU整流為直流電，供給直流負載并給BAT充電，當IDG出故障時，可由BAT供電給直流負載并經(jīng)INV將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，而且所設(shè)計的電網(wǎng)預留出了與其他電網(wǎng)模塊相連接的接口，從而可以由多個單發(fā)電網(wǎng)相連為多發(fā)電網(wǎng)。

圖1 單發(fā)電網(wǎng)供電系統(tǒng)單線圖

2.2 單發(fā)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

單發(fā)電網(wǎng)由兩個模塊組成，一個是單通道交流電網(wǎng)模塊，另一個是單通道直流電網(wǎng)模塊。這兩個電網(wǎng)模塊是通過交流匯流條AC BUS兩邊的接觸器和斷路器彼此相連，以及DC ESS BUS和DC BAT BUS兩邊的接觸器彼此相連，從而組成了圖1所示的單發(fā)電網(wǎng)。

1) 單通道交流電網(wǎng)

單通道交流電網(wǎng)的組成如圖2所示。此交流單通道模塊包括一個交流匯流條AC BUS、一個變壓整流器TRU、一個直流匯流條DC BUS、一個直流主匯流條DC ESS BUS、若干接觸器BTB和若干斷路器CB。

組合傳動發(fā)電機IDG經(jīng)接觸器GB連接交流匯流條AC BUS， AC BUS經(jīng)接觸器BTB1和斷路器CB1連接變壓整流器TRU，TRU經(jīng)接觸器TRUB連接直流匯流條DC BUS， DC BUS經(jīng)接觸器BTB4連接直流主匯流條DC ESS BUS。DC ESS BUS提供了連接其他單通道模塊的端口，端口上連接有接觸器BTB5、BTB6， AC BUS提供了連接其他單通道模塊的端口，端口上連接有接觸器BTB2、BTB3以及斷路器CB2、CB3。

圖2 單通道交流電網(wǎng)單線圖

2) 單通道直流電網(wǎng)

單通道直流電網(wǎng)的組成如圖3所示。此直流單通道模塊包括一個交流匯流條AC BUS、一個逆變器INV、一個直流蓄電池匯流條DC BAT BUS、一個蓄電池BAT，若干接觸器BTB和若干斷路器CB。

交流匯流條AC BUS經(jīng)斷路器CB4和接觸器INVB連接逆變器INV。INV經(jīng)斷路器CB5和接觸器BTB9連接直流蓄電池匯流條DC BAT BUS。DC BAT BUS連接蓄電池BAT并提供了連接其他單通道模塊的端口，端口上連接有接觸器BTB10、BTB11。

AC BUS提供了連接其他單通道模塊的端口，端口上連接有接觸器BTB7、BTB8以及斷路器CB6、CB7。

圖3 單通道直流電網(wǎng)單線圖

3 飛機配電系統(tǒng)模塊化研究

飛機模塊化電網(wǎng)實驗裝置主要由模塊化設(shè)計的發(fā)電系統(tǒng)模塊與電網(wǎng)模塊搭建而成，其中電網(wǎng)模塊由若干模塊化設(shè)計的交流單通道模塊和直流單通道模塊相互連接組成。模塊間只需簡單硬件連接就可以搭建起多通道復雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并且可以根據(jù)設(shè)計拓撲自主增添模塊。

飛機模塊化電網(wǎng)實驗裝置的整體包括模塊化設(shè)計的發(fā)電系統(tǒng)模塊與電網(wǎng)模塊，其中發(fā)電系統(tǒng)模塊用于模擬飛機的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機由原動機驅(qū)動，結(jié)合發(fā)電機調(diào)壓器。電網(wǎng)模塊用于模擬飛機的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，控制器模塊用于模擬對飛機的發(fā)電系統(tǒng)及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的管理功能。其中電網(wǎng)模塊由若干模塊化設(shè)計的交流單通道模塊和直流單通道模塊相互連接組成，交流單通道模塊和直流單通道模塊是電網(wǎng)模塊的最小功能單元。

發(fā)電系統(tǒng)模塊中的發(fā)電機組將產(chǎn)生的交流電由發(fā)電機調(diào)壓器AVR對調(diào)節(jié)點電壓進行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)。其中，發(fā)電機調(diào)壓器采用開放式結(jié)構(gòu)，即采用通道擴展裝置，它可以將單通道的交流輸出擴展為多通道的交流輸出，形成一源多通道狀態(tài)。這樣不僅可以模擬單臺發(fā)電機電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)，還可以模擬多臺發(fā)電機的發(fā)電系統(tǒng)。

配電系統(tǒng)由多個單通道的交流和直流電網(wǎng)以及控制器組成，整個配電系統(tǒng)受一臺匯流條功率控制器(由工控機模擬)控制。

交流單通道模塊由交流匯流條AC BUS、變壓整流器TRU、直流匯流條DC BUS、直流主匯流條DC ESS BUS、接觸器和斷路器組成。其中，變頻電源來自于發(fā)電系統(tǒng)，TRU為6脈沖變壓整流器。

直流單通道模塊由交流匯流條AC BUS、逆變器INV、直流蓄電池匯流條DC BAT BUS、蓄電池BAT、接觸器和斷路器組成。其中，蓄電池為鎘鎳蓄電池，通過通道擴展裝置分成多路輸出。

4 基于LabVIEW的電網(wǎng)演示軟件

在理論研究結(jié)果成立的基礎(chǔ)上，需開發(fā)軟件來設(shè)置實驗環(huán)境以便教學。所開發(fā)的軟件需能夠模擬飛機電網(wǎng)的多種狀態(tài)，并實現(xiàn)電網(wǎng)的邏輯控制以及幾個狀態(tài)間的切換。

4.1 軟件介紹

LabVIEW是一種圖形編程語言，它能為設(shè)計者提供一個非常簡潔、輕松的圖形化設(shè)計環(huán)境，并具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和程序可擴展性，因此選擇基于LabVIEW來開發(fā)軟件。搭建模型時，新建的每個VI都由前面板和程序框圖組成，前面板為控制邏輯展示部分，程序框圖為邏輯語言編寫部分。在新建VI前需先新建自定義控件，用不同顏色表示不同狀態(tài)。前面板的界面搭建與程序框圖中的程序編寫相結(jié)合，達到最終的演示效果。

4.2 電網(wǎng)演示軟件的邏輯控制

根據(jù)對于飛機配電系統(tǒng)的模塊化研究，運用交流單通道模塊和直流單通道模塊可以搭建出四種典型電網(wǎng)，即1AC1DC電網(wǎng)、1AC2DC電網(wǎng)、2AC1DC電網(wǎng)和2AC2DC電網(wǎng)。

(1)1AC1DC電網(wǎng)由一個單通道交流電網(wǎng)和一個單通道直流電網(wǎng)組成，為單發(fā)電網(wǎng)。發(fā)電機共有三種狀態(tài)：0(不工作)、1(工作)和2(故障)。接觸器共有兩種狀態(tài)：0(斷開)、1(閉合)。在示波器中，低電平即10 V以下表示狀態(tài)“0”，高電平即20 V以上表示狀態(tài)“1”。

(2)1AC2DC電網(wǎng)由一個單通道交流電網(wǎng)和兩個單通道直流電網(wǎng)組成，為單發(fā)電網(wǎng)。發(fā)電機共有三種狀態(tài)：0(不工作)、1(工作)和2(故障)。接觸器共有兩種狀態(tài)：0(斷開)、1(閉合)。在示波器中，低電平即10 V以下表示狀態(tài)“0”，高電平即20 V以上表示狀態(tài)“1”。

(3)2AC1DC電網(wǎng)由兩個單通道交流電網(wǎng)和一個單通道直流電網(wǎng)組成，為雙發(fā)電網(wǎng)。發(fā)電機共有三種狀態(tài)：0(不工作)、1(工作)和2(故障)。接觸器共有兩種狀態(tài)：0(斷開)、1(閉合)。在示波器中，低電平即10 V以下表示狀態(tài)“0”，高電平即20 V以上表示狀態(tài)“1”。

(4)2AC2DC電網(wǎng)由兩個單通道交流電網(wǎng)和兩個單通道直流電網(wǎng)組成，為雙發(fā)電網(wǎng)。發(fā)電機共有三種狀態(tài)：0(不工作)、1(工作)和2(故障)。接觸器共有兩種狀態(tài)：0(斷開)、1(閉合)。在示波器中，低電平即10 V以下表示狀態(tài)“0”，高電平即20 V以上表示狀態(tài)“1”。

比如，針對2AC1DC電網(wǎng)結(jié)構(gòu)而言，一共有4種模態(tài)：兩臺發(fā)電機不工作、兩臺發(fā)電機均工作、一臺工作一臺故障、兩臺發(fā)電機均故障，這4種模態(tài)均由后臺程序賦值來設(shè)置。

當兩臺發(fā)電機都不工作的時候，后臺程序中所有部件值賦“0”，從而使得全部部件處于不工作的狀態(tài)。當兩臺發(fā)電機均工作的時候，發(fā)電機供電給主匯流條并且經(jīng)整流成直流電給蓄電池充電，有電流流過的部件后臺程序賦值“1”，使這些部件處于工作狀態(tài)。

當一臺發(fā)電機故障一臺發(fā)電機工作的時候，工作的那臺發(fā)電機供電給主交流匯流條和底下的直流匯流條，蓄電池給故障那臺發(fā)電機底下的主直流匯流條，按照對于電網(wǎng)在這一模態(tài)的邏輯分析在后臺給部件具體賦值。當兩臺發(fā)電機均故障的時候，電網(wǎng)中的主直流匯流條由蓄電池供電，主交流匯流條由蓄電池經(jīng)逆變器逆變的交流電所供給。

所開發(fā)的電網(wǎng)演示軟件后臺均包含如上電網(wǎng)邏輯的設(shè)置，由發(fā)電機組的狀態(tài)切換來實現(xiàn)所設(shè)置的各個電網(wǎng)狀態(tài)的切換，從而可以演示多種狀態(tài)下電網(wǎng)的運行狀態(tài)。最后開發(fā)出了完整的實驗裝置。

5 實驗裝置硬件平臺

圖4為整體實驗裝置示意圖，交流單通道模塊和直流單通道模塊均以掛箱的形式呈現(xiàn)，各個模塊上的各個主要部件均為獨立體，需靠學生按照電網(wǎng)邏輯原理用導線將模塊掛箱上的器件相連。這樣有助于學生對單通道交流、直流電網(wǎng)的深刻理解，搭建多通道電網(wǎng)時，學生只需在多個掛箱間用導線相連接即可完成。這樣既能使硬件實驗操作與原理緊密貼靠，又方便學生進行實驗操作。

顯示器和工控機用來進行程序編寫和顯示電網(wǎng)界面，軟件不僅用來控制實驗臺，也用于與實驗硬件進行對比，方便學生進行實驗操作。模塊掛箱可以根據(jù)實驗特定要求加以增減。

圖4 整體實驗裝置示意圖

6 結(jié)語

本文提出了一種飛機模塊化配電系統(tǒng)，它是在模塊化思想的基礎(chǔ)上搭建的典型電網(wǎng)。本文還分析了該系統(tǒng)的硬、軟件構(gòu)成及特點，作為一套教學實驗裝置不僅彌補了目前高校在航空航天供電系統(tǒng)方面的空缺，而且提出的模塊化思想，使得學生能更清晰明了地了解航空電源系統(tǒng)。