一種航空直流配電單元的研究與設(shè)計(jì)

汪 宇，龍 根，馬思源

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，湖北 武漢 430079）

0 引 言

飛機(jī)供電系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)兩部分。其中，電源系統(tǒng)由主電源、二次電源、應(yīng)急電源和輔助電源組成，通過整流、逆變等變流方式，為機(jī)上用電設(shè)備提供不同類型的交直流電源[1]。

本項(xiàng)目中，每臺(tái)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)配套一臺(tái)發(fā)電機(jī)供機(jī)上用電設(shè)備使用，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)提供獨(dú)立通道的供電線路供載機(jī)任務(wù)系統(tǒng)使用，發(fā)電機(jī)輸出的2路115 V/400 Hz交流電通過整流方式變?yōu)?路270 V直流電，供3路直流負(fù)載使用。

直流配電單元的主要功能是實(shí)現(xiàn)2路整流單元輸出270 V直流的接入，并向3路用電設(shè)備供電，具備過壓過欠壓保護(hù)、過流保護(hù)等保護(hù)功能。根據(jù)需要合理分配高壓直流電能，實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)載間的切換，提高供電可靠性。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及主要功能模塊設(shè)計(jì)

高壓直流配電單元主要由控制電源模塊、主電路模塊、采樣模塊及主控模塊等4部分組成，原理如圖1所示。

圖1 高壓直流配電單元總體架構(gòu)圖

控制電源模塊將來自平臺(tái)上的DC 28 V電源通過濾波電路、防反向隔離、欠壓浪涌電路以及過壓浪涌電路等電路處理后，再經(jīng)過電源模塊轉(zhuǎn)化成3.3 V電源、5 V電源和±15 V電源供控制電路使用。

主電路模塊主要實(shí)現(xiàn)DC 270 V電能分配，其中并網(wǎng)單元的主要功能是負(fù)載切換和2路直流電源并網(wǎng)運(yùn)行。正常工作模式下，接觸器1給SSPC1和SSPC2供電，接觸器2給SSPC3供電，并網(wǎng)單元主開關(guān)處于分位。當(dāng)其中任一路供電回路故障，故障回路接觸器分閘，并網(wǎng)單元主開關(guān)合閘，實(shí)現(xiàn)負(fù)載切換。接觸器1、接觸器2和并網(wǎng)單元主開關(guān)同時(shí)合閘，2路直流電源并網(wǎng)運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)是增大供電容量，減小輸出電壓波動(dòng)。

智能接觸器SSPC在接觸器的觸點(diǎn)端，增加了滅弧電路。功率開關(guān)閉合、斷開的瞬間，通過時(shí)序電路對(duì)固態(tài)開關(guān)進(jìn)行通、斷控制，防止功率開關(guān)閉合、斷開瞬間產(chǎn)生電弧，從而有效減少電弧對(duì)電路造成干擾，延長觸點(diǎn)的使用壽命，同時(shí)有效避免傳統(tǒng)滅弧電路的漏電現(xiàn)象，提高繼電器/接觸器的安全性和可靠性。SSPC原理如圖2所示。

圖2 智能接觸器SSPC原理圖

智能接觸器SSPC控制部分主要接收來自BPCU的控制信號(hào)，并根據(jù)接收到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)隔離驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器線圈的供電。同時(shí)，對(duì)線路電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，根據(jù)采集的線路流值控制接觸器的導(dǎo)通/斷開，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的過流保護(hù)。

采樣模塊主要為將需要采集的電壓經(jīng)分壓后通過隔離采集芯片進(jìn)行采集，然后通過微處理器和AD芯片進(jìn)行處理。本次設(shè)計(jì)采集利用精密儀表放大器放大差分信號(hào)，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移增益及設(shè)置靈活等特點(diǎn)[2]。電流采集采用高精度互感器進(jìn)行，使用調(diào)理電路調(diào)理互感器的信號(hào)，然后通過微處理器和AD芯片進(jìn)行處理，電路如圖3、圖4所示。

主控單元具有接收并顯示直流配電單元的電源參數(shù)、負(fù)載狀態(tài)及自檢等信息，同時(shí)具有交流接觸器控制、交流電參數(shù)采集、本地/遠(yuǎn)程切換、以太網(wǎng)接口以及總線通信的功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的系統(tǒng)軟件在滿足功能性的同時(shí)，更要保證其可靠性。滿足可靠性的軟件設(shè)計(jì)包括：使用看門狗技術(shù)，使程序跑飛后能夠復(fù)位；復(fù)位后進(jìn)行斷點(diǎn)恢復(fù)，使相關(guān)狀態(tài)及控制輸出恢復(fù)到復(fù)位前的狀態(tài)；對(duì)總線設(shè)置命令的參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行合理性檢查，拒絕接收不合理參數(shù)；要求對(duì)IO口電平檢測進(jìn)行有效性確認(rèn)，防止抖動(dòng)干擾等。軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 電壓采樣電路圖

圖4 電流采樣電路圖

軟件結(jié)構(gòu)圖描述的組件，實(shí)為一系列軟件單元的集合。圖5中涉及的組件有：GP_RawProcess，初級(jí)處理組件，主要功能包括電流的AD數(shù)據(jù)采集、短路檢測和任務(wù)管理；GP_AdvProcess，高級(jí)處理組件，主要功能包括電流計(jì)算和過流檢測算法；GP_Status，工作狀態(tài)組件，主要功能包括狀態(tài)更新、異常判斷、錯(cuò)誤狀態(tài)的判斷和糾正、異常復(fù)位后的狀態(tài)恢復(fù)；GP_eCAN，CAN接口組件，主要功能包括CAN接口初始化和CAN發(fā)送；GP_EEPROM，EEPROM組件，主要功能包括EEPROM擦除寫入和EEPROM數(shù)據(jù)讀取。

3 過流保護(hù)算法及仿真

過流保護(hù)和過電壓保護(hù)是兩種基本保護(hù)。過電壓保護(hù)原理較簡單，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行電壓達(dá)到過電壓保護(hù)門限值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。

過流保護(hù)按I2t反時(shí)限保護(hù)曲線進(jìn)行，反時(shí)限保護(hù)曲線為[3]：

其中，T為反時(shí)限保護(hù)時(shí)間，tp為設(shè)定的時(shí)間參數(shù)，I為當(dāng)前的電流值；IP為額定電流值。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)圖

反時(shí)限保護(hù)動(dòng)作時(shí)間隨輸入電流變化而變化。當(dāng)輸入電流超過保護(hù)值后，保護(hù)將被啟動(dòng)。輸入的電流越大，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越短[4]。反時(shí)限保護(hù)8條保護(hù)曲線可選擇或定制為其他曲線，保護(hù)電流—時(shí)間曲線表如表1所示。

表1 過流保護(hù)曲線電流-時(shí)間關(guān)系表（曲線1為默認(rèn)值） /s

圖6是曲線1模擬仿真的結(jié)果。根據(jù)工程實(shí)際需要，選擇曲線1為最終保護(hù)曲線。

圖6 過流保護(hù)曲線

4 結(jié) 論

本文針對(duì)負(fù)載對(duì)直流電源的特殊要求，研究并設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高的直流配電單元。簡要介紹了該配電單元的系統(tǒng)構(gòu)架和軟件結(jié)構(gòu)，并對(duì)過流保護(hù)功能進(jìn)行了理論計(jì)算和模擬仿真。該配電單元各種指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，并對(duì)后期高壓大功率直流配電單元的研制積累了經(jīng)驗(yàn)。