徐 信，陳 聰，鄭志營

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院<航空工程學(xué)院> 江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

1 引言

飛機(jī)電源系統(tǒng)主要由電源、控制及保護(hù)裝置和供配電網(wǎng)絡(luò)等幾大部分組成。為了確保飛機(jī)在各類正?；蚍钦Ｇ闆r下都能夠可靠供電，飛機(jī)電源系統(tǒng)根據(jù)用途可分為：主電源（主要供電設(shè)備產(chǎn)生的電源）、輔助電源（輔助主電源使用的電源）、二次電源（經(jīng)轉(zhuǎn)化后使用的電源）、應(yīng)急電源（緊急情況下確保正常供電的電源）以及地面電源（飛機(jī)在地面時(shí)使用的電源）5種形式[1]。本文主要針對大中型民航飛機(jī)的主電源進(jìn)行分析，而大中型民航飛機(jī)基本上都是使用交流電源作為主要電源。

航空在快速發(fā)展，飛機(jī)中采用的各項(xiàng)技術(shù)也愈來愈自動(dòng)化、智能化，這對飛機(jī)電源系統(tǒng)的要求也變得越來越高。而交流發(fā)電機(jī)采用無刷發(fā)電機(jī)，無刷交流發(fā)電機(jī)的容量大，目前的單機(jī)容量已經(jīng)超過了250 kV·A。由于交流電源優(yōu)點(diǎn)突出，因此現(xiàn)代大中型飛機(jī)大都采用交流電源作為主電源。飛機(jī)交流電源的電壓等級有115/200 V和230/400 V兩種，以波音飛機(jī)為例，根據(jù)電壓大小而言，目前除了B787飛機(jī)的主發(fā)電機(jī)采用230/400 V外，其余機(jī)型的主發(fā)電機(jī)都是115/200 V。再根據(jù)頻率劃分，交流電源又可以劃分為變頻和恒頻兩種交流電，恒頻的額定頻率是固定的400 Hz，變頻的頻率是個(gè)范圍，一般為360 Hz～800 Hz[2]。

2 電源系統(tǒng)的控制與保護(hù)

飛機(jī)交流供電系統(tǒng)的控制與保護(hù)也是整個(gè)飛機(jī)系統(tǒng)中必不可少的重要部分。通常的做法是在監(jiān)測環(huán)節(jié)的檢測作用之下，在收到自動(dòng)保護(hù)裝置反饋傳輸來的信號時(shí)，能夠保證電源輸出裝置（發(fā)電機(jī)）與飛機(jī)電網(wǎng)安全地接通或者斷開。

2.1 對電源系統(tǒng)的控制

飛機(jī)電源系統(tǒng)的控制包含對發(fā)電機(jī)輸出的控制、對發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓以及對匯流條的控制等。控制裝置主要依據(jù)供電方式控制電網(wǎng)或發(fā)電機(jī)有關(guān)的開關(guān)元件，如發(fā)電機(jī)接觸器(generator contactor，GC)、匯流條連接斷路器（bus tie breaker，BTB）、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制繼電器(generator control relay，GCR)等，從而控制電網(wǎng)主回路和發(fā)電機(jī)之間的通斷或切換。

2.2 對電源系統(tǒng)的保護(hù)

飛機(jī)電源系統(tǒng)保護(hù)裝置的主要功能是監(jiān)測電源系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)的故障，快速切斷發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁和輸出，從而將故障區(qū)域與整個(gè)電源系統(tǒng)分開，進(jìn)而防止損壞負(fù)載設(shè)備和整個(gè)電源系統(tǒng)，以保證安全可靠地供電及飛行。當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，根據(jù)故障情況，由發(fā)電機(jī)控制組件(generator control unit，GCU)分別斷開發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繼電器和發(fā)電機(jī)輸出斷路器(generator circuit breaker，GCB)。GCR串聯(lián)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電路中，當(dāng)GCR斷開時(shí)，發(fā)電機(jī)沒有輸出電壓。如發(fā)生過壓故障時(shí)，必須斷開勵(lì)磁，以保護(hù)發(fā)電機(jī)和調(diào)壓器。GCB可以將發(fā)電機(jī)與飛機(jī)電網(wǎng)斷開，用于保護(hù)負(fù)載設(shè)備。例如：交電為主電的飛機(jī)電源系統(tǒng)包含的保護(hù)項(xiàng)目有欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、欠頻率保護(hù)、過頻率保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、過電流保護(hù)、過載荷保護(hù)、開相保護(hù)、逆相序保護(hù)和欠速保護(hù)等[3]。

3 電源系統(tǒng)的具體保護(hù)控制類型

3.1 典型的機(jī)載電源系統(tǒng)控制保護(hù)裝置

早期，國內(nèi)外一般使用的飛機(jī)電源控制與保護(hù)裝置多為繼電器型、磁放大器型及晶體管型3種。繼電器型裝置是最原始的一種控制與保護(hù)裝置，其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)簡易，但容易受到飛機(jī)的振動(dòng)、沖擊和加速度等飛行條件和飛行工作環(huán)境等因素的干擾，可靠性低、靈敏度小、功耗大，不易維護(hù)，故現(xiàn)代飛機(jī)中使用較少。磁放大器型的控制與保護(hù)裝置是一種靜止式裝置。該型裝置解決了前者裝置易受飛行條件和飛行環(huán)境影響的缺點(diǎn)，但其需要使用一個(gè)獨(dú)立的交流電源來完成功能，這使得設(shè)備變得更加復(fù)雜，造成體積重量增大，制造工藝也隨之變得復(fù)雜，故該型裝置的應(yīng)用也不甚理想。晶體管型的控制與保護(hù)裝置同前者一樣也是一種靜止式裝置。早前應(yīng)用得最為廣泛，被許多大中型飛機(jī)采用。它具有前兩種裝置都不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)存在受溫度和過電壓的影響大、線路繁雜等缺點(diǎn)[3]。

絕大多數(shù)的現(xiàn)代飛機(jī)從適航安全性角度考慮，都會(huì)采用過壓、過流、過載等保護(hù)裝置，形成冗余保護(hù)結(jié)構(gòu)，以輔助GCU實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)功能。典型的做法是在發(fā)電機(jī)輸出端增加電源保護(hù)控制裝置，該裝置利用電力電子裝置實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的輸出限制，同時(shí)使用發(fā)電機(jī)勵(lì)磁接觸器、發(fā)電機(jī)輸出接觸器的冗余控制電路，配合完成對飛機(jī)電源的各項(xiàng)保護(hù)。根據(jù)SAE ARP 4754A設(shè)備設(shè)計(jì)保證等級要求的確定和分配原則，A級設(shè)備可以由兩個(gè)獨(dú)立非相似設(shè)計(jì)的B級設(shè)備實(shí)現(xiàn)，因此是符合要求的[4]。

3.2 對控制保護(hù)裝置的要求

鑒于飛機(jī)電源系統(tǒng)的故障形式繁多，而且必須采取各類相對應(yīng)的保障措施。而有時(shí)多種原因引起的故障的表現(xiàn)形式是類似的，有時(shí)相同原因引起的故障在不同配電系統(tǒng)中的表現(xiàn)形式又是多樣的。如欠速故障或是發(fā)電機(jī)激磁回路產(chǎn)生短路，在單發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和多發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電系統(tǒng)中，故障形式為發(fā)電機(jī)欠電壓，而在多發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電系統(tǒng)中，故障形式則為故障發(fā)電機(jī)處承受的無功電流減小。再或者，有的情況下作動(dòng)器應(yīng)當(dāng)立即動(dòng)作；而有的情況下卻又要延時(shí)動(dòng)作等等?？傊?，應(yīng)當(dāng)視具體情況判斷做出具體反應(yīng)。以上情況都為飛機(jī)電源系統(tǒng)的保護(hù)加大了復(fù)雜性[5]。

為了符合航空設(shè)備能保障安全性的一般要求，除此之外，關(guān)于保護(hù)裝置的一些其他要求還有以下幾點(diǎn)[6]：（1）保護(hù)裝置應(yīng)當(dāng)精準(zhǔn)動(dòng)作：該動(dòng)作時(shí)及時(shí)做出動(dòng)作，不該動(dòng)作時(shí)不能誤動(dòng)作。（2）區(qū)域故障絕不能引起整個(gè)飛機(jī)電源系統(tǒng)的崩潰，保護(hù)裝置要能夠立即反應(yīng)或者延時(shí)動(dòng)作，并能將故障點(diǎn)與系統(tǒng)有效地隔離開，以保障整個(gè)電源系統(tǒng)有效率地正常供電。（3）始終保持對重要負(fù)載的持續(xù)供電。（4）電源系統(tǒng)即使萬一出現(xiàn)故障，也不應(yīng)當(dāng)影響到備用系統(tǒng)的正常供電，即主電與備用電之間互不干涉。

3.3 關(guān)鍵控制與保護(hù)類型

3.3.1 過壓保護(hù)電路

電源的過電壓危害是極大的，它可能使電動(dòng)機(jī)過速、過載，會(huì)使機(jī)載電子負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀設(shè)備。過電壓值越高，破壞力就越大。

圖1是一種典型的采用集成運(yùn)算放大器的過電壓保護(hù)電路，它可以分為兩個(gè)部分：敏感電路以及反延時(shí)、放大電路。敏感電路的電壓是發(fā)電機(jī)三相電壓平均值，整流后經(jīng)分壓后濾波，與穩(wěn)壓管進(jìn)行比較。反延時(shí)及放大電路是一個(gè)由集成運(yùn)算放大器組成的比例積分電路。

圖1 典型過電壓保護(hù)電路原理圖

3.3.2 欠壓保護(hù)電路

兩種情況會(huì)引起飛機(jī)電源系統(tǒng)欠壓：一是負(fù)載突然加大時(shí)，調(diào)壓器滯后所造成的瞬時(shí)電壓下降；二是由于激磁系統(tǒng)故障，例如由于激磁回路斷路而引發(fā)的?；蛘咭矔?huì)由于恒速傳動(dòng)裝置的欠速關(guān)聯(lián)引起發(fā)電機(jī)的欠速，進(jìn)而造成低電壓。前一種情況產(chǎn)生的瞬時(shí)低電壓屬于發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中的正常低電壓，保護(hù)裝置是不應(yīng)有所動(dòng)作的；后一種情況則是系統(tǒng)的故障狀態(tài)，保護(hù)裝置應(yīng)當(dāng)立即行動(dòng)，進(jìn)行保護(hù)[7]。

欠壓故障的危害不如過電壓嚴(yán)重，但是若是長時(shí)間的低電壓也會(huì)造成負(fù)載設(shè)備失效，甚至損壞。例如，在低電壓時(shí)三相電機(jī)起動(dòng)困難，電源系統(tǒng)無法正常輸出有效電壓，嚴(yán)重時(shí)還可能燒壞電機(jī)[8]。

3.3.3 頻率采集和保護(hù)電路

在電力系統(tǒng)中，頻率參數(shù)也是非常重要的指標(biāo)，當(dāng)頻率越限或者異常的情況下，用電設(shè)備非常容易損壞。本文在設(shè)計(jì)中通過過零檢測來采集頻率，并通過對采集值進(jìn)行低通濾波和均值處理來測算實(shí)際電網(wǎng)頻率是不是超過保護(hù)限值，當(dāng)超過上下死區(qū)時(shí)，啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制，及時(shí)保護(hù)電路設(shè)備，頻率采集電路見圖2。

圖2 頻率采集和保護(hù)電路

4 電源系統(tǒng)保護(hù)仿真

本文通過使用TI公司專用仿真軟件Tina-TI來對保護(hù)和測控電路進(jìn)行在線仿真，通過仿真結(jié)果指導(dǎo)接下來的實(shí)際設(shè)計(jì)。

通過軟件繪制原理圖，并配置好元器件參數(shù)，運(yùn)行輸出報(bào)警信號和中間信號，通過邏輯分析來判定，仿真結(jié)果是否和設(shè)計(jì)一致。圖3中，電壓正常范圍內(nèi)，過壓報(bào)警輸出信號為低，無過壓報(bào)警產(chǎn)生，符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 電壓在正常范圍內(nèi)

圖4中，電壓過高，過壓報(bào)警輸出信號為高，符合設(shè)計(jì)要求。在仿真中也可以發(fā)現(xiàn)，從電壓正常到過壓變化的過程中，積分負(fù)反饋也起到了延時(shí)作用，可以很好地防止電力系統(tǒng)振蕩，損壞用電設(shè)備。

圖4 電壓超過正常電壓上限

在對頻率的分析中我們應(yīng)用過零檢測電路，為防止混淆，在前端使用低通濾波器，仿真結(jié)果將原始波形和同向端波形進(jìn)行分析對比，輸出的頻率方波可以直接連接MCU進(jìn)行測量，見圖5。

圖5 頻率輸出仿真圖

5 結(jié)語

本文主要對飛機(jī)電源系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，總結(jié)了現(xiàn)階段電源測量和保護(hù)的一些設(shè)計(jì)方案，在硬件設(shè)計(jì)過程中，使用專業(yè)的仿真軟件對電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)效果達(dá)到最佳，仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)一致。

后期主要改進(jìn)的地方在頻率測量電路，在過零點(diǎn)會(huì)有振蕩產(chǎn)生，后期使用高頻隔離和帶滯回窗口的設(shè)計(jì)電路，優(yōu)化保護(hù)電路設(shè)計(jì)。