楊 娟，李運(yùn)富，楊占剛，任仁良

（1.中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300；2.中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

中國(guó)航空技術(shù)趨于自主化設(shè)計(jì)，隨著多電飛機(jī)的快速發(fā)展，航空電氣設(shè)備的種類和數(shù)量不斷增加，在翼工作安全成為關(guān)注重點(diǎn)[1]。飛機(jī)上二次電源設(shè)備將某種形式電能轉(zhuǎn)換為其他形式電能，如將交流轉(zhuǎn)換為直流的變壓整流器、將直流轉(zhuǎn)換為交流的變流器等。主電源是交流系統(tǒng)的飛機(jī)上有大量直流設(shè)備，現(xiàn)代飛機(jī)的直流用電設(shè)備大多采用28 V 直流電通過(guò)變壓整流器TRU（transformer rectifier unit）將115 V 或230 V 交流電轉(zhuǎn)換而來(lái)。多電飛機(jī)用電設(shè)備大幅度增加，要求提供不同類型的電能，如B737-800 機(jī)型機(jī)上裝有3 臺(tái)容量10 kV·A 的TRU，而B(niǎo)787 機(jī)型機(jī)上裝有4 臺(tái)TRU 用于轉(zhuǎn)換電源。

TRU 具備雙重特性，一方面自身作為飛機(jī)電網(wǎng)的負(fù)載，其交流側(cè)特性參數(shù)將反向影響飛機(jī)交流電網(wǎng)品質(zhì)的影響；另一方面，作為機(jī)上直流設(shè)備的供電電源，其直流輸出特性代表了飛機(jī)直流電網(wǎng)供電品質(zhì)。ISO1540-2006《航空電氣系統(tǒng)特性》是飛機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了供電系統(tǒng)的供電特性極限。RTCA DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件與測(cè)試規(guī)程》是世界各民機(jī)制造大國(guó)適航當(dāng)局認(rèn)可的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了電氣負(fù)載與供電系統(tǒng)的兼容要求[2～5]。為確定電氣設(shè)備是否符合裝機(jī)適航條件，且在不同的供電運(yùn)行狀態(tài)下能夠安全工作，需按照ISO1540-2006《航空電氣系統(tǒng)特性》和RTCA DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件與測(cè)試規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)完成機(jī)上設(shè)備的特性分析[6]。

1 Matlab/Simulink 數(shù)學(xué)建模及仿真計(jì)算

以飛機(jī)上常見(jiàn)的12 脈沖可控變壓整流器為例，其結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。假設(shè)整流單元整體的轉(zhuǎn)換比例與單個(gè)整流單元的相同，則中立點(diǎn)測(cè)量整流器上、下橋輸入電壓分別為

式中：eay、eby、vcy分別為整流器上橋a、b、c 相輸入電壓；eat、ebt、ect分別為整流器下橋a、b、c 相輸入電壓；em為帶通濾波器的相電壓峰值；φ1為電動(dòng)勢(shì)初始相位角；ω 為角頻率。

圖1 航空變壓整流器結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of aviation TRU

引入等功率坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，將三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系（a，b，c）變換成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d，q，0）。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系q 軸與靜止坐標(biāo)系a 軸間初始相位角為θ。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的12 脈沖整流器交流側(cè)電壓及直流側(cè)電流分別為

式中：Vqn、Vdn分別為整流器交流側(cè)q 軸和d 軸電壓；Vdc為整流器直流側(cè)電壓；iqn、idn分別為整流器交流側(cè)q 軸和d 軸電流；idc為整流器直流側(cè)電流。

三相整流器回路方程為

式中：L 為交流側(cè)電感；R 為交流側(cè)電阻；ekn為整流器交流側(cè)輸入電壓；VN0為整流器直流側(cè)回路電壓。

單極性二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)矩陣為

式中，sa、sb、sc分別為a、b、c 相開(kāi)關(guān)函數(shù)。

對(duì)電流側(cè)電容正極節(jié)點(diǎn)處直流電流和負(fù)載電流的凈直流電壓的動(dòng)態(tài)特性可以表示為

式中：rdc為直流濾波電阻；Ldc為直流濾波電感；Cdc為直流濾波電容；iload為負(fù)載電流；rload為阻性負(fù)載；Lload為感性負(fù)載；Vc為直流濾波電容電壓。

結(jié)合式（5）～式（8），采用拉普拉斯變換，進(jìn)行求解。可得變壓整流器數(shù)學(xué)模型為

在式（9）基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink 仿真環(huán)境建立該TRU 設(shè)備傳遞模型[7-10]，如圖2 所示。圖2中仿真模塊的參數(shù)如表1 所示。通過(guò)模型仿真計(jì)算可獲取TRU 穩(wěn)態(tài)過(guò)程中交流側(cè)各次諧波含量的仿真值。

圖2 航空變壓整流器傳遞模型Fig.2 Transfer function model of aviation TRU

表1 傳遞模型參數(shù)Tab.1 Parameters of transfer function model

2 負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)RTCA DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件與測(cè)試規(guī)程》和ISO1540-2006《航空電氣系統(tǒng)特性》標(biāo)準(zhǔn)要求[11-12]，飛機(jī)115 V 交流用電設(shè)備工作所產(chǎn)生的直流電流含量不大于5 mA，電流諧波極限值要求如表2 所示。表2 中：I1為設(shè)備在某實(shí)驗(yàn)頻率條件下以最大穩(wěn)態(tài)功率工作期間測(cè)得的設(shè)備最大基波電流；h 為諧波次數(shù)；Ih為設(shè)備在所有正常穩(wěn)態(tài)工作模式下的第h 次最大諧波電流。飛機(jī)28 V 直流用電設(shè)備工作所產(chǎn)生的紋波電流不大于最大電流的7%。為實(shí)現(xiàn)機(jī)上115 V 交流和28 V 直流用電設(shè)備的負(fù)載特性檢測(cè)任務(wù)，總體設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)，其框圖如圖3 所示。航空電源供電部分可按需設(shè)置參數(shù)，并獲取被測(cè)設(shè)備特性響應(yīng)數(shù)據(jù)，用于進(jìn)一步分析被測(cè)設(shè)備性能。整個(gè)系統(tǒng)包括硬件平臺(tái)建設(shè)部分和軟件程序設(shè)計(jì)部分。

表2 電流諧波極限值Tab.2 Values of current harmonic limits

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建

以某型民航客機(jī)機(jī)上變壓整流器TRU 為測(cè)試對(duì)象搭建測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)，如圖4 所示。系統(tǒng)包括高性能交直流程控電源、人工開(kāi)關(guān)控制面板、電壓和電流互感器供電電源、電壓和電流互感器、數(shù)據(jù)采集單元、上位機(jī)和被測(cè)設(shè)備[13-16]。

圖4 中：高性能交直流程控電源由上位機(jī)程序控制輸出三相115 V 交流電；人工開(kāi)關(guān)控制面板根據(jù)實(shí)際被測(cè)件選擇三相交流輸入、單相交流輸入或直流輸入的具體線路；電流互感器和電壓互感器分別檢測(cè)線路實(shí)際的電流和電壓，設(shè)備響應(yīng)時(shí)間小于1 μs，互感器供電電源為其提供工作電壓；數(shù)據(jù)采集單元選用采樣速度為250 kSa/s 的高速USBDAQ I/O 設(shè)備，將互感器輸出電壓信號(hào)按照設(shè)定采樣速率傳送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和波形顯示。為了獲取TRU 電源特性，在其直流輸出側(cè)連接程控電子負(fù)載，上位機(jī)遠(yuǎn)程控制電子負(fù)載大小。系統(tǒng)中被測(cè)件可按需更換。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware platform structure of detection system

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在LabVIEW 環(huán)境中開(kāi)發(fā)完成，一方面提供人機(jī)操作界面，另一面方面按要求對(duì)采集卡采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，如圖5 所示。上位機(jī)具備交直流電源控制功能、數(shù)據(jù)處理與顯示功能以及直流電子負(fù)載遠(yuǎn)程控制功能，其中，數(shù)據(jù)處理與顯示功能分為T(mén)RU 交流側(cè)特性測(cè)試部分和TRU 直流側(cè)特性測(cè)試部分。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)Fig.5 Design of software platform for detection system

2.2.1 交直流電源控制功能設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序中，交直流電源控制功能的實(shí)現(xiàn)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，供電來(lái)源可根據(jù)RTCA DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件與測(cè)試規(guī)程》的要求設(shè)置電源電壓、頻率、諧波輸入和脈沖輸入等，真實(shí)再現(xiàn)飛機(jī)電源波形的實(shí)際輸出情況。該部分的軟件執(zhí)行流程如圖6 所示。

圖6 航空電源上位機(jī)軟件執(zhí)行流程Fig.6 Execution process of upper-computer software for aviation power supply

2.2.2 數(shù)據(jù)采集處理與顯示功能設(shè)計(jì)

采集卡采樣率設(shè)置為120 kHz，高于基波400 Hz 的40 次諧波頻率的2 倍以上，滿足香農(nóng)定理?；魻栯娏骰ジ衅鱄CS-LSP-20A 滿足檢測(cè)電流和輸出電壓的關(guān)系為

式中：IPN為互感器測(cè)量額定電流；Vo為額定輸出電壓。

霍爾電壓互感器CHV-25P/200 滿足檢測(cè)電壓和輸出電壓的關(guān)系為

式中，VPN為互感器測(cè)量額定電壓。

電壓和電流波形采集和分析程序如圖7 所示，該程序完成TRU 交流側(cè)電壓和電流波形信號(hào)的采集和分析計(jì)算。波形分析包括諧波分析計(jì)算、有效值計(jì)算、峰值計(jì)算和波峰系數(shù)計(jì)算，其中諧波分析部分主要實(shí)現(xiàn)總諧波失真度THD、基波、1～40 次諧波計(jì)算，并通過(guò)波形圖和頻譜圖在其前面板顯示信號(hào)分析結(jié)果。

圖7 電壓和電流波形采集和分析程序Fig.7 Acquisition and analysis program of voltage ¤t waveforms

2.2.3 直流電子負(fù)載遠(yuǎn)程控制功能設(shè)計(jì)

TRU 直流輸出側(cè)加載和減載過(guò)程直接影響TRU 交流測(cè)線路電流。為了更好地獲取被測(cè)設(shè)備的工作特性，需完成TRU 連接負(fù)載的設(shè)置設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。直流電子負(fù)載的遠(yuǎn)程控制包括4 個(gè)軟件功能模塊：負(fù)載遠(yuǎn)程控制設(shè)置模塊（如圖8 所示）、打開(kāi)輸出模塊、負(fù)載恒流CC（constant current）模式設(shè)置模塊以及負(fù)載電流設(shè)置模塊（如圖9 所示）。

圖8 直流電子負(fù)載遠(yuǎn)程控制設(shè)置模塊Fig.8 Remote control setting model of DC electric load

圖9 負(fù)載電流設(shè)置模塊Fig.9 Setting model of load current

3 仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 交流測(cè)負(fù)載特性分析

機(jī)上用電設(shè)備工作期間，線路諧波電流可反映該設(shè)備工作對(duì)飛機(jī)電網(wǎng)的反向影響情況。在飛機(jī)適航要求中，裝機(jī)設(shè)備需要限制其諧波電流來(lái)限制其對(duì)飛機(jī)電網(wǎng)質(zhì)量的影響[17-20]。實(shí)驗(yàn)測(cè)量到電源線上的第40 次諧波，此處間諧波不作測(cè)量[15]。實(shí)驗(yàn)設(shè)置直流側(cè)電子負(fù)載電流為8 A。TRU 交流輸入側(cè)電流實(shí)際波形如圖10 所示，總諧波失真THD=12.62%，其中直流分量Idc=0.507 A，符合表2 的要求。第2～40 次諧波電流含量仿真計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖11 所示。

高中政治的有效教學(xué)是新時(shí)代的要求，高中政治教師要重視課堂的有效性，積極探索創(chuàng)新適合現(xiàn)代政治教學(xué)的方法，將政治課堂生活化，采取有效的教學(xué)手段，不斷提高實(shí)際教學(xué)的效果，提高政治學(xué)習(xí)積極性，使學(xué)生得到全方面的發(fā)展，形成正確的思想觀念。高中政治是高中學(xué)科中重要的一部分，對(duì)學(xué)生的個(gè)體發(fā)展具有重要的影響。教師要不斷地開(kāi)放教學(xué)思維，提高政治的教學(xué)效果，使政治能夠真正為學(xué)生的發(fā)展添動(dòng)力。

圖10 TRU 交流輸入側(cè)電流實(shí)際波形Fig.10 Actual waveform of TRU current on AC input side

圖11 仿真數(shù)據(jù) 中，3rd、5th、7th、9th、11th和13th奇次諧波較為明顯，特別是11th和13th諧波，含量分別為4.52%和2.94%；偶次諧波仿真值均為0；總諧波失真為5.55%。對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)曲線，各次諧波含量的變化趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了實(shí)測(cè)平臺(tái)的有效性，但實(shí)測(cè)值普遍高于仿真數(shù)據(jù)，考慮其中的原因?yàn)榉抡孢^(guò)程中設(shè)備內(nèi)部二極管、電感元件、濾波模塊等器件采用的數(shù)據(jù)均為設(shè)計(jì)參數(shù)，忽略了設(shè)備長(zhǎng)年運(yùn)行造成的老化現(xiàn)象，且仿真建模數(shù)學(xué)公式均為理想計(jì)算。

圖11 第2～40 次諧波電流含量仿真值和實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.11 Comparison between simulation and measured values of 2nd～40th harmonic current contents

根據(jù)RTCA DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件與測(cè)試規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)要求，機(jī)上設(shè)備諧波電流含量限制值Ihlimit需綜合考慮表2 電流諧波含量限制值和實(shí)際電壓諧波含量的影響，即設(shè)備各次電流諧波小于Ihlimit時(shí)可判定為該參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。Ihlimit的計(jì)算公式為

式中：Ihlimit為表2 中的電流諧波含量限制值，單位%；Ih為實(shí)測(cè)電流諧波含量，單位%；Vh為實(shí)測(cè)電壓諧波含量，單位%。

當(dāng)電流諧波分量小于10 mA 和基波的0.25%兩者中的較大值時(shí)，該次諧波通常忽略不計(jì)。本實(shí)例中，電流諧波分量10 mA，對(duì)應(yīng)百分含量為0.70%，因此采用0.70%修正限制值判據(jù)。交流側(cè)諧波電壓實(shí)測(cè)值、諧波電流實(shí)測(cè)值和通過(guò)式（12）計(jì)算所得修正限制值Ihlimit如表3 所示，通過(guò)比較分析，判斷參數(shù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，向電網(wǎng)引入的諧波干擾主要集中在低次如5th、7th、11th、13th等奇次諧波，其中3的倍數(shù)次奇次諧波對(duì)電網(wǎng)影響較小。此外，2nd、3rd、5th、7th、11th電流諧波含量實(shí)測(cè)值超過(guò)限制值；諧波電流通過(guò)10 mA 修正，放寬了表中2nd、4th、21st、27th、39th以及大于4th的偶次諧波的測(cè)試限制數(shù)值，使得測(cè)試中4th和12th諧波的測(cè)試結(jié)果從不合格變?yōu)楹细?。結(jié)合數(shù)學(xué)模型分析，TRU 中整流模塊向電網(wǎng)注入明顯的低次奇次諧波，對(duì)電網(wǎng)電流影響較大，3的倍數(shù)次奇次諧波的影響較小。

表3 諧波電流仿真值、實(shí)測(cè)值與修正限制值Tab.3 Simulation values,measured values,and corrected limit values of harmonic current

3.3 直流測(cè)電源特性分析

任何帶負(fù)載電流調(diào)節(jié)功能的設(shè)備都可能促成電流紋波，即在穩(wěn)定狀態(tài)設(shè)備運(yùn)行期間，直流電流的平均水平將可能會(huì)發(fā)生周期性變化或無(wú)規(guī)則變化，或同時(shí)發(fā)生周期性和無(wú)規(guī)則變化。被測(cè)設(shè)備TRU 直流側(cè)紋波電流波形如圖12 所示。

式中：Ipp為電路紋波電流峰峰值；P 為直流電子負(fù)載額定輸出功率，P=300 W。

圖12 TRU 直流輸出側(cè)紋波波形Fig.12 Ripple current waveform of TRU on DC output side

由式（13）可知，TRU 直流電源特性的紋波電流符合小于最大負(fù)載電流的7%的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的研制助力我國(guó)民航大國(guó)向民航強(qiáng)國(guó)發(fā)展，機(jī)載用電設(shè)備的自主研發(fā)、性能分析和測(cè)試標(biāo)定將成為關(guān)鍵技術(shù)。飛機(jī)電源系統(tǒng)中的二次電源連接了飛機(jī)交流電網(wǎng)和直流電網(wǎng)，其交流側(cè)負(fù)載特性和直流側(cè)電源特性尤為關(guān)鍵。仿真計(jì)算過(guò)程中數(shù)學(xué)建模過(guò)程反映了TRU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)機(jī)理，且仿真計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TRU 工作期間會(huì)給飛機(jī)交流電網(wǎng)引入一定量的奇次諧波干擾，特別是第11 和13 次諧波的影響明顯，其中3 的倍數(shù)次奇次諧波和偶次諧波的影響較小，可忽略不計(jì)；經(jīng)過(guò)實(shí)際諧波電壓值修正后的諧波電流限制值放寬了2nd、4th、21st、27th、39th以及大于4th的偶次諧波的限制值，使得被測(cè)設(shè)備的4th和12th諧波測(cè)試結(jié)果合格，但2nd、3rd、5th、7th、11th電流諧波含量實(shí)測(cè)值仍超過(guò)RTCA DO-160G《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件與測(cè)試規(guī)程》 對(duì)用電設(shè)備負(fù)載特性的限制；其直流側(cè)電源特性參數(shù)引入的紋波電流符合標(biāo)準(zhǔn)ISO1540-2006《航空電氣系統(tǒng)特性》的要求。12 脈沖TRU 設(shè)備負(fù)載特性的有效測(cè)量與分析對(duì)飛機(jī)二次電源設(shè)備的進(jìn)一步深入研究具有一定參考價(jià)值。