術(shù)守喜

（濱州學(xué)院飛行學(xué)院，山東濱州，256603）

隨著航空科技的發(fā)展，飛行電網(wǎng)的容量越來越大，機(jī)載設(shè)備越來越多，非線性用電設(shè)備在飛機(jī)電網(wǎng)中大量投運(yùn)，造成了飛機(jī)電網(wǎng)中諧波分量占的比重越來越大。諧波會(huì)對(duì)飛機(jī)電網(wǎng)造成極大危害，使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，縮短使用壽命，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起飛機(jī)電氣系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀，還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作[1]。

諧波檢測(cè)是諧波治理的前提條件，為了更好的對(duì)飛機(jī)電氣系統(tǒng)諧波進(jìn)行檢測(cè)，本文利用Matlab中電氣系統(tǒng)模塊搭建了現(xiàn)代飛機(jī)常見的用電負(fù)載模型，并對(duì)其諧波問題進(jìn)行了仿真分析。通過本文研究，能夠更好得到飛機(jī)用電設(shè)備的各次諧波含量，以便對(duì)飛機(jī)電氣系統(tǒng)諧波的治理提供更好依據(jù)。

1 飛機(jī)電氣系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)

1.1 飛機(jī)電氣系統(tǒng)的構(gòu)成

飛機(jī)電氣系統(tǒng)由供電系統(tǒng)和用電設(shè)備組成[2]。供電系統(tǒng)作為現(xiàn)代飛機(jī)極其重要的組成部分，其作用是為飛機(jī)上所有用電設(shè)備，如飛行控制系統(tǒng)、照明、武器控制、各種電子設(shè)備、防冰與環(huán)境控制系統(tǒng)等，不斷地提供滿足其所需電氣性能的電能，保證電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。系統(tǒng)中承擔(dān)電能的產(chǎn)生、控制、變換和輸配電的系統(tǒng)稱為供電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)由電源系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)兩大部分組成。飛機(jī)的電源系統(tǒng)用于產(chǎn)生和調(diào)節(jié)電能，飛機(jī)的輸配電系統(tǒng)則用以分配和管理電能。

飛機(jī)輸配電系統(tǒng)由保護(hù)裝置、配電裝置和導(dǎo)線構(gòu)成，其作用是傳輸和分配電源系統(tǒng)產(chǎn)生的電能到各個(gè)飛機(jī)用電設(shè)備[3]。輸配電系統(tǒng)參照傳輸和分配電能也可劃分為供電網(wǎng)和配電網(wǎng)：供電網(wǎng)將電能從電源輸送到配電中心；從配電中心到用電設(shè)備這一部分，則由配電網(wǎng)輸送電能。向用電設(shè)備保持穩(wěn)定且連續(xù)地供電是對(duì)飛機(jī)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基本要求。隨著電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)器件取代了傳統(tǒng)的繞線式、觸點(diǎn)式繼電器和接觸器，這種固態(tài)器件可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。電氣多路傳輸系統(tǒng)就是一種基于固態(tài)器件的計(jì)算機(jī)控制配電系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，負(fù)載并不直接連接到主匯流條上，而是接在負(fù)載管理中心上。電氣負(fù)載管理中心是一種智能化終端，它將按程序在各種飛行和供電狀態(tài)下利用固態(tài)功率控制器來控制負(fù)載的接通和斷開，并在故障情況下重新配置供電系統(tǒng)。

1.2 飛機(jī)電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.2.1 電源系統(tǒng)特點(diǎn)

作為飛機(jī)供電系統(tǒng)的子系統(tǒng)，飛機(jī)電源系統(tǒng)是對(duì)飛機(jī)上電能產(chǎn)生、控制、調(diào)節(jié)和變換電能部分的總稱。它一般由主電源、輔助電源、二次電源、外部電源及應(yīng)急電源等構(gòu)成，一般而言，飛機(jī)電源類型指的就是主電源類型。

1.2.2 配電系統(tǒng)的特點(diǎn)

飛機(jī)配電系統(tǒng)，由匯流條、饋電電纜、配電器件以及配電板等組成，負(fù)責(zé)飛機(jī)發(fā)電機(jī)和應(yīng)急電源或地面之間的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分配、控制保護(hù)和傳輸。配電系統(tǒng)向飛機(jī)各部分輸配電能必須保持穩(wěn)定可靠，保護(hù)用電設(shè)備以及管理各種電氣負(fù)載。在各個(gè)飛行階段中，不同用電設(shè)備的作用相應(yīng)改變，它們的重要性也隨之不同。負(fù)載管理方案可根據(jù)在起飛、著陸等階段中的哪個(gè)階段來實(shí)行。尤其發(fā)生故障時(shí)，管理方式就更應(yīng)該作出變化。

1.2.3 用電設(shè)備特點(diǎn)

飛機(jī)用電設(shè)備應(yīng)具有如下工作特點(diǎn)：外廓尺寸小，重量輕，可靠性高，工作的穩(wěn)定性不受諸如大氣壓力、濕度、溫度、鹽霧、電磁干擾等周圍環(huán)境變化的影響，不受機(jī)動(dòng)飛行而引起的空間位置變化、振動(dòng)和較大加速度的影響。

2 飛機(jī)電網(wǎng)諧波的來源及危害

2.1 飛機(jī)電網(wǎng)諧波來源

國(guó)際上通用的諧波定義為：諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，定義明確了諧波次數(shù)n必須是一個(gè)正整數(shù)。由于諧波是其基波的整數(shù)倍，故也常稱為高次諧波。高次諧波產(chǎn)生的根本原因是電氣系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性，即所加的電壓和產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系而造成的波形畸變。造成系統(tǒng)正弦波形崎變、產(chǎn)生高次諧波的設(shè)備和負(fù)荷稱為高次諧波源或諧波源，一切非線性的設(shè)備和負(fù)荷都是諧波源。

從飛機(jī)電氣系統(tǒng)的發(fā)電、輸配電到最終的機(jī)載設(shè)備，其復(fù)雜性和多樣性均會(huì)引起電網(wǎng)供電品質(zhì)變差，電網(wǎng)電壓畸變和設(shè)備性能退化壽命縮短等問題。

發(fā)電系統(tǒng)的諧波源主要是發(fā)電機(jī)和變頻器，發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)和工作情況帶來的諧波會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的非正弦性；變頻器將發(fā)電機(jī)輸出電能轉(zhuǎn)化為后級(jí)環(huán)節(jié)所需電能，一般有兩種方式：AC/AC或AC/DC/AC。AC/AC變頻器采用相位控制，產(chǎn)生電能含有整數(shù)次諧波和分?jǐn)?shù)次諧波；AC/DC/AC變頻器二級(jí)逆變器輸入的直流電來源于整流橋，其諧波問題也很嚴(yán)重。

配電系統(tǒng)中主要諧波源是電子式變壓整流器，產(chǎn)生諧波占所有諧波的近40%[4]。電子式變壓整流器實(shí)際是一種隔離型的直流變換器，其變壓器工作磁密一般在磁化曲線的近飽和段，磁化電流存在尖頂，因此含有奇次諧波，其大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯的飽和程度有關(guān)。

機(jī)載設(shè)備中主要的諧波源是照明加溫設(shè)備、火控設(shè)備等。飛機(jī)飛行時(shí)機(jī)體各部分接觸的冰層厚度不同，因此加溫設(shè)備加熱溫度不同，三相負(fù)荷會(huì)存在不平衡。機(jī)載武器發(fā)射裝置屬于功率極高的脈沖負(fù)荷設(shè)備，其沖擊電流帶來的諧波也會(huì)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)帶來極大的影響。

2.2 飛機(jī)電網(wǎng)諧波危害

2.2.1 對(duì)電機(jī)和變壓器的危害

諧波對(duì)電機(jī)和變壓器的影響主要是引入了附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧波電壓。如果諧波引起諧振，導(dǎo)致直流電流或低頻電流進(jìn)入變壓器，引起鐵芯嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流諧波分量就會(huì)大大增加，變壓器局部過熱會(huì)影響其性能與安全。無功的增加會(huì)使電機(jī)和變壓器及其他用電設(shè)備的容量增加，增大了電網(wǎng)系統(tǒng)成本和體積重量。

2.2.2 對(duì)配電系統(tǒng)的影響

諧波在飛機(jī)電網(wǎng)中流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定量的線路有功損耗，并且會(huì)使飛機(jī)電網(wǎng)的波形受到污染，供電的質(zhì)量下降[5]。如果在局部出現(xiàn)串聯(lián)并聯(lián)諧振情形，則會(huì)導(dǎo)致諧波放大，可能引起嚴(yán)重的飛行事故。

2.2.3 對(duì)自動(dòng)保護(hù)裝置的影響

電網(wǎng)中的諧波會(huì)改變保護(hù)繼電器的性能，引起自動(dòng)控制裝置誤動(dòng)作或拒絕動(dòng)作（特別是部分晶體管型繼電器），降低飛機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。

2.2.4 諧波對(duì)通訊電子設(shè)備的干擾

由于通信系統(tǒng)的電功率（千瓦）和飛機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)的電功率（兆瓦）之間的等級(jí)相差懸殊，因此即使電網(wǎng)中存在含量不多的諧波分量，但當(dāng)其耦合到通信線路上，也會(huì)產(chǎn)生的很大的噪聲干擾，可能進(jìn)一步產(chǎn)生信號(hào)的失真或丟失，致使通訊電子設(shè)備不能正常工作，出現(xiàn)故障。

2.2.5 諧波對(duì)人體的影響

在飛機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)中，為了減輕電網(wǎng)設(shè)備的重量會(huì)以飛機(jī)殼體代替中線。當(dāng)飛機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重地三相不對(duì)稱時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)中點(diǎn)附近的電壓異常升高的現(xiàn)象，此時(shí)，如果人處于機(jī)艙內(nèi)就可能存在一定的危險(xiǎn)。另外，電網(wǎng)諧波的電磁輻射能夠?qū)︼w機(jī)內(nèi)人員的心、腦磁場(chǎng)產(chǎn)生不良影響，這對(duì)飛行而言影響也是負(fù)面的。

3 常見飛機(jī)用電設(shè)備的仿真

本文選擇Matlab作為仿真工具，主要利用了Simulink工具包。Simulink是MATLAB下的一個(gè)軟件包，是一個(gè)結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和仿真工具。Simulink作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的建模仿真工具，可以用來仿真線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)、連續(xù)和離散的混合系統(tǒng)、多速率采樣系統(tǒng)以及單任務(wù)或多任務(wù)的離散事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。

產(chǎn)生諧波較多的飛機(jī)用電設(shè)備主要是逆變器和變壓整流器，本文主要對(duì)此進(jìn)行仿真研究。

3.1 三相逆變器模型

在高壓直流飛機(jī)電源系統(tǒng)中，飛機(jī)上部分機(jī)載設(shè)備需使用115V 400Hz恒頻交流電，通過電壓源型三相逆變器可以將270V高壓直流電轉(zhuǎn)換成恒頻交流電，逆變器仿真模型和輸出如圖1和圖2所示。

圖1 三相逆變器仿真模型

圖2 三相逆變器A相輸出電流和電壓波形

3.2 12脈波變壓整流器模型

12脈波變壓整流器將變頻交流電變換到270V高壓直流電，給環(huán)控系統(tǒng)、電機(jī)調(diào)速控制裝置、液壓電動(dòng)泵系統(tǒng)等用電負(fù)載供電。MATLAB中SimPowerSystems模塊中提供了豐富的電力電子元件，本文采用了變壓器模塊和整流橋模塊搭建其仿真模型。圖3為12脈波變壓整流器的整體模型，圖4為整流器輸出的電壓電流波形。

圖3 12脈波變壓器整流器仿真模型

圖4 12脈波變壓器整流器輸出的電壓電流波形

3.3 18脈波自耦變壓整流器模型

變頻交流電通過18脈波自耦變壓整流器轉(zhuǎn)換成28V低壓直流電，給航空電子設(shè)備、系統(tǒng)控制組件、蓄電池、直流燃油泵、點(diǎn)火器、飛行甲板顯示器等用電設(shè)備供電。采用12脈波TRU的建模方法，通過移相變壓器連接三個(gè)整流橋，搭建出18脈波ATRU的仿真模型，如圖5和圖6所示。

圖5 18脈波ATRU的仿真模型

圖6 18脈波ATRU輸出電壓和電流波形

4 整體仿真

主功率電路直接采用Universal Bridge模塊，采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制策略得到開關(guān)管控制信號(hào)，所搭建的三相逆變器模型如圖7所示。將上述所搭建的電機(jī)及負(fù)載模型相結(jié)合，即可得到的飛機(jī)變頻交流電源系統(tǒng)的仿真模型，如圖8所示。

圖7 飛機(jī)電網(wǎng)仿真模型

圖8的仿真結(jié)果說明，飛機(jī)電網(wǎng)中加入變頻器等設(shè)備后會(huì)出現(xiàn)諧波，諧波含量為2.50%。諧波次級(jí)為3、5、7、9、11，電流中各次諧波含量隨諧波次數(shù)增大而逐步減小?？梢钥吹剑蔷€性負(fù)載的加入確實(shí)會(huì)給飛機(jī)電網(wǎng)帶來諧波問題，且比普通民用電網(wǎng)的諧波問題更加嚴(yán)重。

圖8 輸出電流諧波分析

5 結(jié)論

飛機(jī)電網(wǎng)有低壓直流電網(wǎng)，高壓直流電網(wǎng)和三相四線制交流電網(wǎng)等多種類型，不管哪種飛機(jī)電網(wǎng)系統(tǒng)，其系統(tǒng)容量都相對(duì)較小，同樣情況下的諧波帶來的問題將更加嚴(yán)重。通過對(duì)飛機(jī)機(jī)載設(shè)備中產(chǎn)生諧波較嚴(yán)重的逆變器和變壓整流器進(jìn)行的仿真研究，確定了這類設(shè)備產(chǎn)生諧波的類型，為后續(xù)諧波治理奠定了基礎(chǔ)。