機載電源在線監測系統的研制

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(1.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191；2.中國飛行試驗研究院，西安 710089)

0 引言

機載電源的供電質量直接關系到飛機的飛行安全和機載用電設備的正常工作[1]。隨著航空技術的發展，機載用電設備日益多樣化和復雜化。在電子試驗機試飛環境中，部分機載用電設備(感性、容性)，特別是開關設備在加載或卸載時，可能會對機載電源造成瞬時沖擊、電壓跌落、諧波分量增大等現象，產生的瞬時電磁干擾可能會造成部分機載用電設備異常運行，嚴重影響著各項試驗的開展和整機的安全運行。即使單個設備已經通過了符合機載用電設備的各項電磁指標，電子試驗機掛載的設備復雜度高，難免有相互影響的情況出現，無法長時間監測機載用電設備之間對機載電源的影響。同時，當機載用電設備出現突發狀況或持續不正常運行且并未觸發機載電源繼保系統時，無法實時對此類情況進行故障的定位分析。綜上，亟需一種機載電源監測系統，能夠對機載電源工作特性和供電質量進行持續的在線監測。而目前的監測系統主要在地面環境下對機載電源或地面電源的穩態或瞬態工作特性參數進行監測[1-6]，測試時間短暫，無法預防飛機試飛過程中的偶然情況。本文研制的機載電源在線監測系統，對機載電源115 V/400 Hz三相交流、28 V直流電壓和電流進行持續在線同步采集，對采集數據進行實時的快速運算得到其多工作特性參數，并顯示和存儲，并實時判斷異常工作狀態，對異常工作點的電壓、電流進行錄波，以便后期分析。

1 系統總體設計

機載電源在線監測系統主要由高性能專用計算機、高速同步數據采集卡、電源轉換電路、信號調理電路、觸摸顯示屏及傳感器組成。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

系統通過電壓傳感器和電流傳感器將機載電源115 V/400 Hz三相交流、28 V直流的電壓信號和電流信號轉換為小信號，并通過信號調理電路，轉換為適合數據采集卡輸入范圍(-10～+10 V)的差分電壓信號，通過上位機軟件控制數據采集卡對電壓信號和電流信號進行采集，通過專用計算機對采集的數據進行分析和運算，得到機載電源的各項工作特性參數數據，進行實時顯示和存儲，并對異常工作點的電壓、電流進行錄波，以便后期分析。

系統采用DAQ-2010高速同步數據采集卡，該數據采集卡是基于PCI總線，支持4通道模擬信號的同步采集，具有14位A/D分辨率，單通道最高采樣率2 MS/s，可以為每通道提供采樣率500 kS/s，并支持差分輸入方式。監測系統配置了三塊DAQ-2010數據采集卡，分別用于三相交流電壓的同步采集，三相交流電流的同步采集和28 V直流電壓電流的同步采集。

2 系統硬件電路設計

2.1 電源轉換電路的設計

系統是外部28 V直流電源供電，通過電源轉換電路將28 V直流電壓轉換成系統內部各部分所需的工作電壓。在設計中，考慮到體積、性能與抗干擾等問題，選用DC/DC電源轉換模塊，它具有體積小、抗干擾能力強、輸出穩定、紋波小的特點。電路原理如圖2所示。

圖2 電源轉換電路

在電源轉換電路的前端串聯了保險絲F1，對系統起到過流保護；由壓敏電阻R1、TVS管D1和電容C1組成浪涌保護電路，實現對系統的過壓保護。LCM為共模電感，能夠有效地濾除共模干擾。該電路中，CF15024S24將+28 V直流電壓轉換成專用計算機的+24 V直流供電電壓，CF8024S12將+28 V直流電壓轉換成顯示屏的+12 V直流供電電壓，CD1024D15將+28 V直流電壓轉換成傳感器和信號調理電路的±15 V直流供電電壓。

2.2 交流信號調理電路

2.2.1 交流電壓信號調理電路

三相交流電壓信號調理電路如圖3所示。(此處只給出A相的電壓信號調理電路，B相和C相的電路與A相相同)。系統選用精密電流型電壓互感器TV19E，其額定電流為5 mA：5 mA。限流電阻采用24 kΩ的精密電阻，將輸入電流限制在5 mA內。經過精密采樣電阻采樣，差分運算放大器THS4130實現電壓信號的放大，使輸出的差分信號滿足數據采集卡差分輸入范圍(-10～+10 V)的電壓信號。

2.2.2 交流電流信號調理電路

三相交流電流信號調理電路如圖4所示。(此處只給出A相的電流信號調理電路，B相和C相的電路與A相相同)。系統選用穿芯式電流互感器SCT045B-A，電流變比為400:1，三相交流電流信號經過電流互感器轉換為小電流信號，再經過精密采樣電阻采樣，差分運算放大器THS4130實現電壓信號的放大，使輸出的差分信號滿足數據采集卡差分輸入范圍(-10～+10 V)的電壓信號。

圖4 交流電流信號調理電路

2.3 直流信號調理

系統對28 V直流電壓和電流的監測采用了電壓電流傳感器，通過電壓傳感器HV62將28 V直流電壓轉換為0～5 V電壓信號，通過電流傳感器HST30將28 V直流電流轉換為0～5 V電壓信號，原理如圖5所示。

圖5 直流信號調理原理圖

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件的組成

系統軟件的主要功能包括存儲路徑與存儲時間設置、數據采集、數據運算處理、波形及參數數據顯示和數據存儲5個部分。軟件功能結構如圖6所示。

圖6 軟件功能結構圖

1)存儲路徑與存儲時間功能：設置參數數據的存儲路徑和數據存儲時間(即采集時間)；

2)數據采集功能：軟件控制數據采集卡對電壓和電流進行實時地數據采集；

3)數據運算處理功能：對采集的數據通過相應的算法進行運算處理，得到各項工作特性參數數據；

4)波形及參數顯示功能：上位機界面實時顯示電壓波形、電流波形和各項工作特性參數數值；

5)數據存儲功能：對各項工作特性參數數據在設置的存儲路徑下進行實時存儲，對監測到的不滿足GJB181B-2012中正常工作特性范圍的電壓數據進行存儲，通過軟件設定電流閾值對超過閾值的電流數據進行存儲。

機載電源在線監測系統的上位機界面如圖7所示。界面以選項卡的形式對115 V/400 Hz三相交流、28 V直流的波形和工作特性參數數據進行實時顯示，清晰直觀。

圖7 上位機界面

3.2 參數運算

系統對機載電源115 V/400 Hz三相交流、28 V直流電壓和電流的采集，每通道采樣率為200 kHz，采樣周期為1 s，并結合GJB5189-2003[7]和HB6448-90[8]中提出的參數計算公式對采集的電壓和電流數據進行運算。

3.2.1 交流電壓參數運算

115 V/400 Hz三相交流電壓參數包括穩態交流電壓、電壓不平衡、電壓調制幅度、電壓相位差、峰值電壓、波峰系數、穩態頻率、直流分量、畸變系數和諧波含量。運算流程如圖8所示。

圖8 交流電壓參數運算流程

對每1 s周期內的采樣數據做如下運算：

1)對采集的瞬時電壓數據求方均根值，得到各相的穩態交流電壓；兩相之間穩態交流電壓之差的最大值為電壓不平衡；

2)對采集的瞬時電壓數據求每一半波的方均根值，求出各相中最大方均根植與最小方均根值之差的最大值為電壓調制幅度；

3)通過快速傅里葉變換(FFT)，得到穩態頻率、直流分量和n次諧波、畸變頻譜，諧波的總失真THD和畸變系數；

4)對采集的瞬時電壓數據進行數字低通濾波，然后按以下公式求取相位差：

5)對采集的瞬時電壓數據作頻譜分析得到峰值電壓，與穩態交流電壓之比為波峰系數。

3.2.2 直流電壓參數運算

直流電壓參數包括穩態直流電壓、畸變系數、脈動幅值。運算流程如圖9所示。

圖9 直流電壓參數運算流程圖

對每1 s周期的采樣數據做如下運算：

1)對采集的瞬時電壓數據求平均值，得到穩態電壓；

2)對瞬時電壓數據求最大值和最小值，結合穩態直流電壓得到直流電壓脈動幅值；

3)對采集的瞬時電壓數據進行FFT變換，得到直流畸變和畸變系數。

3.3.3 電流參數運算流程

系統監測交流電流為求1 s的瞬時電流的方均根值；監測直流電流為求1 s的瞬時電流的平均值。

4 實驗結果與分析

采用本文研制的機載電源在線監測系統，在中國飛行試驗研究院某型電子試驗機上做了實驗。由于系統持續采集時間長，數據量大，本文取其中的1 s數據作為實驗結果予以分析。

4.1 三相交流電壓實驗結果與分析

系統對115 V/400 Hz三相交流電壓工作特性參數的實驗結果如表1、表2所示。表1中，U為穩態交流電壓；θ為電壓相位差；UJZ為交流電壓直流分量；f為穩態頻率；Fi為波峰系數；UJP為峰值電壓；表2中，Uε為電壓不平衡；UTZ為電壓調制幅度；kJJ為畸變系數。

表1 115 V/400 Hz三相交流電壓實驗結果1

表2 115 V/400 Hz三相交流電壓實驗結果2

系統對三相交流電壓進行20次諧波數據運算，上位機界面得到如圖10所示的各相的諧波及諧波失真數據。在各次諧波頻率時的畸變幅值最大，由圖10中數據可以計算出，在各次諧波處畸變幅值均小于-20 dB，滿足正常工作特性的范圍。

圖10 諧波與諧波失真

從表1、表2和圖10中數據可以得出，在這1 s時間內的機載電源115 V/400 Hz三相交流電壓的工作特性參數滿足GJB181B-2012[9]標準中正常工作特性的要求。

4.2 直流電壓實驗結果與分析

28 V直流電壓參數的實驗結果如表3所示。UZ為穩態直流電壓；UZM為直流電壓脈動幅值；kZJ為直流畸變系數。

從表3中數據可以看出，在這1 s時間內的機載電源28 V直流電壓工作特性參數滿足GJB181B-2012標準中正常工作特性的要求。

表3 28 V直流的實驗結果

4.3 電流實驗結果與分析

國軍標GJB181B-2012中對電流的正常工作范圍沒有相關規定，系統對電流的監測主要是得到穩態交流電流和穩態直流電流。系統通過設定電流閾值對泵負載和接觸器負載做了相關的電流實驗。

機載電源接入一個泵負載時，系統監測得到一個泵負載時的穩態交流電流為13.86 A。通過設定電流閾值10 A，得到一個泵負載的穩態電流波形圖，如圖11所示。

圖11 一個泵負載穩態電流波形圖

系統監測八個泵負載時的穩態交流電流為111.10 A，監測九個泵負載時的穩態交流電流為125.00 A。通過設定電流閾值190 A，得到在八個泵負載基礎上再啟動一個泵負載的電流波形圖，如圖12所示。從圖12中可以看出在泵負載啟動的瞬間交流電流增大，然后逐漸趨于平穩，達到一個穩態值。

圖12 泵負載啟動電流波形圖

機載電源28 V直流接入一個接觸器負載時，系統監測的穩態直流電流從3.46 A變為4.35 A。如圖13所示是啟動接觸器瞬間28 V直流的電流波形圖。從圖13中可以看出在接觸器接入的瞬間有一個瞬態電流沖擊，然后達到穩態值。

圖13 啟動接觸器電流波形圖

5 結論

本文研制的機載電源在線監測系統，采用高性能專用計算機和高速同步數據采集卡，實現對機載電源115 V/400 Hz三相交流、28 V直流的工作特性和供電質量的持續在線監測。系統在某型電子試驗機上進行了實驗，監測結果實時、準確，對機載電源提高可靠性和故障分析定位具有重要的意義。