某飛行臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)直流供電系統(tǒng)改造

段小維　劉國(guó)波

摘 要：在分析某飛行臺(tái)原有直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、用電需求及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)于空臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)27VDC直流供電系統(tǒng)進(jìn)行全面的改造及重新設(shè)計(jì)，在保證飛行試驗(yàn)過程安全的基礎(chǔ)上，充分考慮被試系統(tǒng)各系統(tǒng)及設(shè)備用電需求，采用多冗余度備份設(shè)計(jì)，為飛行臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的直流電源供給，為飛行臺(tái)安全高效的完成飛行試驗(yàn)任務(wù)提供保障。

關(guān)鍵詞：直流供電系統(tǒng)；整體電源；自動(dòng)切換；多冗余度設(shè)計(jì)

1 概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)臺(tái)（簡(jiǎn)稱飛行臺(tái)），是專為航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)而改裝的試驗(yàn)平臺(tái)，一般用大型多發(fā)轟炸機(jī)或運(yùn)輸機(jī)改裝而成，被試發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在專用的機(jī)身吊艙內(nèi)，或者取代飛行臺(tái)飛機(jī)的一臺(tái)已定型的發(fā)動(dòng)機(jī)，用于在真實(shí)大氣條件下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研制試飛和取證試飛，是新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中不可缺少的重大技術(shù)設(shè)施。而28V直流供電系統(tǒng)作為飛行臺(tái)整個(gè)任務(wù)系統(tǒng)的主控電源，從飛行臺(tái)安全角度獨(dú)立于飛機(jī)本機(jī)電源系統(tǒng)之外，為被試發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、控制，測(cè)試系統(tǒng)采集器和大部分傳感器及幾乎所有其它安全試驗(yàn)輔助系統(tǒng)的控制部分提供電源供給。其可靠性，穩(wěn)定性，供電品質(zhì)及抗干擾能力直接影響整個(gè)試驗(yàn)過程的安全性和試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性、準(zhǔn)確性，是整個(gè)任務(wù)系統(tǒng)及試驗(yàn)過程中的基礎(chǔ)、保障、支撐。

某飛行臺(tái)原有的直流供電系統(tǒng)為二次電源系統(tǒng)，是把機(jī)上主交流電源系統(tǒng)正常匯流條的三相115V/400Hz交流電、分別經(jīng)過8個(gè)變壓整流器變成27V直流電源，然后又經(jīng)過反流割斷器，分別送到直流配電裝置。由于該系統(tǒng)為該飛行臺(tái)建立之初俄羅斯原裝系統(tǒng)，其電源變壓及控制設(shè)備均采用老式模擬變壓調(diào)壓設(shè)備，缺少必要的防干擾設(shè)備及措施，從而導(dǎo)致該套系操作復(fù)雜，體積大，重量重，噪聲大，使用工作年限長(zhǎng)，工作性能不可靠，電磁干擾大，電壓波形畸變大，已經(jīng)嚴(yán)重的影響到發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)，根本不能滿足現(xiàn)代電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)空臺(tái)性能試驗(yàn)的需求，需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造。

本文在分析某飛行臺(tái)原有直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、用電需求及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)于該飛行臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)27VDC電源及直流供電系統(tǒng)進(jìn)行全面的改造，在保證飛行試驗(yàn)過程安全的基礎(chǔ)上，充分考慮被試系統(tǒng)各系統(tǒng)及設(shè)備用電要求，為空臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的直流電源供給，為飛行臺(tái)安全高效的完成飛行試驗(yàn)任務(wù)提供保障。

2 飛行臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)直流供電系統(tǒng)需求分析

作為某飛行臺(tái)被試系統(tǒng)的主控電源供給，其使用主要可分為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供電和設(shè)備及系統(tǒng)控制供電兩大部分，如圖1所示。

其中電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)供電需要功率較大，使用時(shí)間較短，如某型發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電機(jī)要求最高瞬時(shí)電流達(dá)600A，起動(dòng)時(shí)間幾十秒鐘。該部分供電要求電源共給安全，穩(wěn)定，可靠即可，對(duì)于以氣源起動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)來說并不需要。

設(shè)備及系統(tǒng)控制部分則對(duì)電源的品質(zhì)要求較高，特別是對(duì)全電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)控制部分的供電品質(zhì)、穩(wěn)定性、抗干擾能力會(huì)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作安全性及其狀態(tài)及其測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性及、準(zhǔn)確性。為了滿足電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)及相關(guān)測(cè)試設(shè)備對(duì)于電源品質(zhì)及使用的要求，其供電需要在系統(tǒng)安全穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上具備較小的紋波系數(shù)，較好的抗干擾能力及較低的負(fù)載效應(yīng)。該部分設(shè)備功率一般不大。

另外作為整個(gè)任務(wù)系統(tǒng)的主控電源，為了保證實(shí)驗(yàn)過程中被試發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)的安全性，防止斷電引起的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)失控，無法操作、監(jiān)控，安全保障系統(tǒng)失靈等一系列的可能不安全因素及狀態(tài)的出現(xiàn)，27VDC電源系統(tǒng)還應(yīng)該具備安全備份供電的多冗余安全保障設(shè)計(jì)，以防止實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中的意外及不安全事故的發(fā)生。

3 飛行臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

27VDC供電系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案：

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電源供給部分使用時(shí)間短，功率大，并且對(duì)于以氣源起動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)來說該部分供電并不需要，若采用整體電源則其體積重量均較大。為了保證空臺(tái)對(duì)于電機(jī)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)需求，采取對(duì)該飛行臺(tái)原電源系統(tǒng)進(jìn)行部分保留的措施，保留原機(jī)2，4，6，8號(hào)四臺(tái)變壓整流器，四臺(tái)28V變壓整流器輸出的功率為800A，可以滿足現(xiàn)有型號(hào)被試發(fā)動(dòng)機(jī)需求。

針對(duì)該供電系統(tǒng)的任務(wù)需求可知27VDC電源控制供電部分功率需求不太大，但其對(duì)供電品質(zhì)，穩(wěn)定性、可靠性、電磁兼容性及抗干擾能力均有較高的要求。因此對(duì)該部分供電進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，新研一體化免維護(hù)整體電源。

在充分分析現(xiàn)有供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用電需求及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，考慮備份應(yīng)急供電的條件下，設(shè)計(jì)完成任務(wù)系統(tǒng)27V直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)正常供電狀況下，起動(dòng)之前，由機(jī)載的蓄電瓶為整體控制電源提供控制電源供給，按壓電源起動(dòng)按鈕之后，新研一體化整體電源直接將原機(jī)匯流條115V/400HZ供電轉(zhuǎn)化為可用27V供電，在其起動(dòng)并有正常輸出之后，電源內(nèi)部控制電自動(dòng)切換到直流穩(wěn)壓電源的輸出線路上。同時(shí)，大功率繼電器J1，J2吸合，電源兩路輸出電流經(jīng)J1，J2常開觸點(diǎn)直接供給任務(wù)艙及吊艙用電線纜及設(shè)備，系統(tǒng)停止供電后電源內(nèi)部控制電自動(dòng)切換到蓄電瓶供電匯流條線路上。

當(dāng)整體控制電源出現(xiàn)故障或者欠壓過流保護(hù)之后，大功率繼電器J1，J2斷開，此時(shí)若是原機(jī)2，4，6，8號(hào)四臺(tái)變壓整流器保留部分起動(dòng)狀態(tài)下則由原電源系統(tǒng)保留部分經(jīng)匯流條經(jīng)J1，J2繼電器常閉觸點(diǎn)完成對(duì)于任務(wù)艙及吊艙用電設(shè)備的電源供給，并且機(jī)上蓄電瓶充放電轉(zhuǎn)換電路自動(dòng)轉(zhuǎn)到充電狀態(tài)對(duì)機(jī)上蓄電瓶進(jìn)行充電。

電源切換過程由蓄電瓶經(jīng)二極管對(duì)任務(wù)艙供電部分實(shí)現(xiàn)不間斷供電，由于蓄電瓶電壓設(shè)計(jì)點(diǎn)略低于電源及變流機(jī)，因此在切換過程完成后二極管自動(dòng)切斷蓄電瓶供電。

對(duì)于電機(jī)起動(dòng)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，起動(dòng)前起動(dòng)保留部分原2，4，6，8號(hào)四臺(tái)變壓整流器，電流經(jīng)匯流條及線纜直接為吊艙起動(dòng)電機(jī)供電，若變壓整流器故障，則機(jī)上蓄電瓶充放電電路轉(zhuǎn)換至放電狀態(tài)，由蓄電瓶經(jīng)供電匯流條經(jīng)線纜直接為吊艙起動(dòng)電機(jī)供電。

本直流供電系統(tǒng)特點(diǎn)：

（1）保留原機(jī)部分27VDC供電系統(tǒng)作為燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)起動(dòng)電機(jī)電源供給，在保證使用要求情況下，使得新研一體電源體積重量大大減少。同時(shí)該部分電源還可作為現(xiàn)代電調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的冗余備份電源供給。

（2）新研27VDC控制電源供給系統(tǒng)與保留原機(jī)部分27VDC供電系統(tǒng)及原機(jī)應(yīng)急蓄電瓶供電系統(tǒng)相互冗余備份，可實(shí)現(xiàn)故障情況下的自動(dòng)切換，可充分保障應(yīng)急情況下空臺(tái)的飛行安全要求。

（3）保留原機(jī)部分27VDC供電系統(tǒng)與原機(jī)應(yīng)急蓄電瓶供電系統(tǒng)相互冗余備份，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，可充分保障應(yīng)急情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)電源供給。

（4）新研電源為一體化整體電源直接將原機(jī)匯流條115V/400HZ電源經(jīng)轉(zhuǎn)化為可用27V電源供給設(shè)備及系統(tǒng)控制供電部分，供電可靠，穩(wěn)定，體積及重量較小，便于安裝。

（5）新研27VDC控制電源直接提供兩路輸出分別完成任務(wù)系統(tǒng)吊艙內(nèi)設(shè)備及任務(wù)艙內(nèi)設(shè)備的電源供給，減少不必要的控制信號(hào)衰減，減少干擾，便于應(yīng)用操作。

（6）任務(wù)艙內(nèi)各操作臺(tái)分別自控供電，便于各操作臺(tái)各系統(tǒng)設(shè)備根據(jù)需要就近連接取電及控制，避免了原空臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)各系統(tǒng)及設(shè)備供電相互交錯(cuò)，混亂不清，及一些誤操作情況的出現(xiàn)。

（7）整個(gè)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，便于操作維護(hù)，具備較高的安全性，穩(wěn)定性，可滿足空臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)直流用電要求。

4 27VDC整體化控制電源設(shè)計(jì)

該直流27V穩(wěn)壓電源是將原機(jī)交流115V/400HZ交流電變化成隔離穩(wěn)定直流電，方框圖如圖3，該設(shè)計(jì)方案技術(shù)成熟、先進(jìn)、可靠，基本原理是將交流進(jìn)行相控整流，在進(jìn)行DC/DC變換，在輸出端將紋波進(jìn)行衰減后并聯(lián)輸出DC27V。該電源前端使用的是移相控制技術(shù)，減小輸入的諧波含量，提高功率因素，相控整流輸出為平滑270V直流，作為DC/DC模塊的輸入端，每個(gè)整流模塊的輸出為20A，共五個(gè)模塊并聯(lián)，輸出電流自動(dòng)均流，這樣大大提高了電源的可靠性。為了很好的解決電源輸出紋波，在DC/DC電源輸出端增加RAM紋波衰減器，RAM紋波衰減器是有源濾波與無源濾波相結(jié)合的電路，可以衰減低頻的輸入基波及其諧波和開關(guān)組件所產(chǎn)生的高頻噪聲（DC至20M），效率達(dá)到90%，不需調(diào)節(jié)，該電源具備異地遠(yuǎn)程控制功能。可滿足系統(tǒng)對(duì)于27VDC的供電要求。

5 結(jié)束語

本文在充分考慮空臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)各設(shè)備及系統(tǒng)用電要求及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用整體免維護(hù)電源為核心，實(shí)現(xiàn)冗余自動(dòng)切換保障設(shè)計(jì)方案，完成了空臺(tái)任務(wù)系統(tǒng)27V直流供電系統(tǒng)的改造。經(jīng)過飛行臺(tái)幾十個(gè)架次的飛行試驗(yàn)證明，該直流供電系能夠?yàn)榭张_(tái)任務(wù)系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的直流電源供給，為飛行臺(tái)安全高效的完成飛行試驗(yàn)任務(wù)提供強(qiáng)有力的保障！

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作者簡(jiǎn)介：段小維（1985-），女，碩士，工程師，主要研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)電氣控制技術(shù)。