民用飛機(jī)直流開關(guān)電弧效應(yīng)仿真分析

孫鑒非+劉麥玲+胡林權(quán)+劉湛+柴焱

【摘 要】本文首先介紹了民用飛機(jī)控制板開關(guān)運(yùn)行過程中電弧效應(yīng)對系統(tǒng)可能造成的不良影響，以及電弧效應(yīng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后基于MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境，建立了基于MAYR方程的仿真模型，對開關(guān)電弧效應(yīng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并給出初步分析結(jié)果，最后驗(yàn)證分析結(jié)果的有效性。

【關(guān)鍵詞】開關(guān)電弧；MAYR；仿真分析

0 引言

電弧效應(yīng)是所有電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須面對和解決的問題[1]。根據(jù)不同電氣系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，電弧大致可以分為交流電弧與直流電弧兩類。其中，直流電弧因并沒有交流電弧有自然電流過零的特性，其電弧效應(yīng)產(chǎn)生的危害和隱患甚至?xí)蟆Ｓ绕湓诿裼蔑w機(jī)領(lǐng)域，存在大量的直流開關(guān)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，因此直流開關(guān)回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量，極大的影響著整個(gè)飛機(jī)電氣系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因此，直流電弧開關(guān)電弧效應(yīng)，長久以來都是民用飛機(jī)電氣設(shè)計(jì)人員研究的痛點(diǎn)和焦點(diǎn)所在。

所以為了規(guī)避直流開關(guān)電弧效應(yīng)，對民用飛機(jī)電氣系統(tǒng)造成不利影響，在民用飛機(jī)直流開關(guān)回路設(shè)計(jì)過程中，有必要對直流開關(guān)電弧效應(yīng)進(jìn)行軟件建模，分析其造成的影響程度大小，并結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性，給出相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1 直流開關(guān)電弧效應(yīng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在電弧物理數(shù)學(xué)模型研究領(lǐng)域，國外研究人員早在1939年，就提出了最初的凱西（Cassie）模型。Cassie模型數(shù)學(xué)機(jī)理是將電弧燃燒熄滅的物理過程，等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)的隨輸入電壓、輸入電流波動(dòng)的動(dòng)態(tài)電阻，將其代入所涉及回路中進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，最終得到電弧在回路中的運(yùn)行特性。該模型對電弧的諸多物理參數(shù)進(jìn)行了假設(shè)，可以對交流電弧進(jìn)行一定程度定性、定量的分析。但是其不能體現(xiàn)直流電壓與直流點(diǎn)就對電弧動(dòng)態(tài)特性的影響，因此對直流電弧的適應(yīng)性相對較差。

在Cassie模型的基礎(chǔ)上，針對開關(guān)直流電弧的特殊性，國外研究人員進(jìn)一步提出了梅爾（MAYR）電弧模型。MAYR電弧模型，假設(shè)電弧在確定的圓柱形氣流通道內(nèi)放電，假定圓柱體在電弧放電時(shí)間段內(nèi)體積恒定，直徑不變。以開關(guān)斷開瞬間，回路的剩余能量為初始條件，能量的傳到是利用空氣電離的特性常數(shù)，對開關(guān)電弧從產(chǎn)生、持續(xù)最后熄滅的過程進(jìn)行數(shù)學(xué)解析，最終擬合得到開關(guān)電弧持續(xù)過程中的電壓電流曲線。MAYR模型目前已經(jīng)在直流開關(guān)電弧效應(yīng)的研究中得到了廣泛的應(yīng)用，是目前比較成熟的電弧模型。

隨著20世紀(jì)90年代以來計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，研究人員開始考慮將電弧的物理數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)仿真軟件有機(jī)結(jié)合。利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大計(jì)算能力，輔助進(jìn)行電弧這一非線性電氣現(xiàn)象的研究。其中，MATLAB/SIMULINK軟件作為一款相對成熟的電氣仿真軟件，以其強(qiáng)大的模塊化電氣接口、優(yōu)異的數(shù)學(xué)運(yùn)算速度，一直以來受到了相關(guān)設(shè)計(jì)人員的廣泛青睞。因此，本文以MATLAB/SIMLINK為仿真環(huán)境，利用MAYR電弧數(shù)學(xué)模型，對民用飛機(jī)28V直流開關(guān)回路電弧效應(yīng)進(jìn)行建模，并給出初步仿真分析結(jié)果。

2 基于MATLAB軟件直流開關(guān)電弧效應(yīng)仿真分析

本文所構(gòu)架的基于MATLAB軟件直流開關(guān)電弧效應(yīng)仿真模型如圖1所示。在主回路中，供電電源采用飛機(jī)28V直流電源，在電源輸入端串入電感，模擬飛機(jī)線路中寄生電感以及阻抗參數(shù)。主回路負(fù)載是單個(gè)直流步進(jìn)電機(jī)閥門，因該模型是研究直流開關(guān)電弧效應(yīng)，所以無需對負(fù)載側(cè)的控制策略做完整的模擬，僅需將電機(jī)以及控制部分模型簡化為如圖1所示的等效電感、電阻和電容模塊。開關(guān)電弧模型在圖面顯示上示意為一個(gè)開關(guān)式樣，內(nèi)部封裝了基于MAYR模型的電弧數(shù)學(xué)模型，主旨建模思路是將開關(guān)關(guān)斷瞬間，負(fù)載側(cè)電感電容儲存的瞬態(tài)能量值作為MAYR模型的輸入，根據(jù)所假設(shè)直流電弧的物理參數(shù)，對電弧運(yùn)行時(shí)電壓電流特性進(jìn)行測算。

本文基于該仿真模型，對28V步進(jìn)電機(jī)閥門負(fù)載關(guān)斷時(shí)開關(guān)電弧效應(yīng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。初始電源電壓都加載在負(fù)載側(cè)，開關(guān)本身視作無電阻導(dǎo)線，不承受電壓。在0.02S時(shí)，開關(guān)開始由開通轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)，由于步進(jìn)電機(jī)繞組的電感電流無法突變，電感上存儲了一定量的電感能，因此在關(guān)斷瞬間產(chǎn)生了約80V的反電勢，反電勢與電源電壓一起由開關(guān)關(guān)斷所產(chǎn)生的電弧承受。此時(shí)，開關(guān)在硬件接觸上，已經(jīng)從回路斷開，但是由于電感能量泄放需要，開關(guān)觸點(diǎn)之間拉出電弧，電弧電流在極短時(shí)間內(nèi)，隨著反電勢電壓的下降而減小，最終電感電流通過電弧釋放完畢。

3 結(jié)語

本文基于MAYR電弧數(shù)學(xué)模型，以及MATLAB電氣仿真環(huán)境，搭建了基于民用飛機(jī)直流開關(guān)關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電弧回路仿真模型，并進(jìn)行了初步仿真。通過仿真結(jié)果可以看出，在負(fù)載側(cè)存在感性元件的情況下，開關(guān)關(guān)斷瞬間，會(huì)產(chǎn)生四五倍電源電壓的反電勢電壓，隨著電感能量的釋放，開關(guān)電弧所承受的電壓和電流，經(jīng)過極短時(shí)間下降到穩(wěn)定值。在此期間，電弧放電能量，隨著航線運(yùn)營時(shí)間的增長，開關(guān)作動(dòng)次數(shù)的增加，必然會(huì)對直流開關(guān)造成不可逆的影響。因此，有必要設(shè)計(jì)緩沖回路，對開關(guān)電弧能量釋放過程進(jìn)行優(yōu)化，從而延長民用飛機(jī)直流開關(guān)使用壽命。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]