飛機270 V直流電源供電特性參數(shù)校準方法實現(xiàn)與驗證

王建強

(航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所,北京 100095）

0 引言

飛機供電特性參數(shù)主要描述機載用電設(shè)備電源輸入端的供電參數(shù)的品質(zhì)。良好的飛機電源供電特性應(yīng)具有電壓穩(wěn)定性好、波形畸變小、諧波含量低,以及瞬態(tài)變化范圍窄、非正常工作極限與正常供電差別小等特點。因此飛機供電特性參數(shù)中的穩(wěn)態(tài)參數(shù)、畸變參數(shù)、諧波參數(shù)(直流電源系統(tǒng)中為脈動參數(shù))、瞬態(tài)參數(shù)和非正常工作極限參數(shù),是飛機供電質(zhì)量評價的核心,也是飛機電源供電特性測試系統(tǒng)測試的重點和關(guān)鍵。

270 V高壓直流供電系統(tǒng)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型電源,當前已經(jīng)在F-22A,F-35等飛機上應(yīng)用,具有良好的應(yīng)用前景。高壓直流電源系統(tǒng)的特點是發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、并聯(lián)方便,主電源和二次電源內(nèi)部損耗小、效率高,電網(wǎng)質(zhì)量輕、對人體的危害較小[1-2]。針對上述電源系統(tǒng),相關(guān)主機廠研制了飛機270 V直流電源供電特性測試系統(tǒng),用于發(fā)電機試驗臺和電網(wǎng)試驗臺的性能測試。該系統(tǒng)主要測試飛機供電系統(tǒng)中直流電壓、電流等動、靜態(tài)參數(shù)特性以及分析供電品質(zhì),具有采集速率高、數(shù)據(jù)量大、準確度高、通道數(shù)多、使用方便等特點。測試系統(tǒng)主要由計算機、數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊及相應(yīng)的傳感器等部分組成。將調(diào)理后的模擬信號輸入數(shù)據(jù)采集模塊,完成各種動、靜態(tài)參數(shù)的測試[3]。

為了確保測量值的準確可靠,GJB 5109-2004《裝備計量保障通用要求 檢測與校準》明確規(guī)定,武器裝備研制、使用、維護等過程中的測試系統(tǒng)必須經(jīng)過校準后才能投入使用。針對飛機270 V直流電源供電特性測試系統(tǒng)校準需求,基于寬帶精密放大、高偏置電壓放大和寬帶分壓等技術(shù),研制了校準裝置;根據(jù)GJB 5189-2003《飛機供電特性參數(shù)測試方法》、GJB 5558-2006《飛機供電特性測試要求》、GJB 181B-2012《飛機供電特性》等標準進行了校準方法的研究[4-6],并基于LabVIEW開發(fā)平臺,編寫校準程序,最終形成了飛機270 V直流電源供電特性測試系統(tǒng)的校準系統(tǒng),實現(xiàn)了對穩(wěn)態(tài)參數(shù)和瞬態(tài)參數(shù)的校準,確保飛機270 V直流電源供電特性測試系統(tǒng)量值的準確性、可靠性、統(tǒng)一性,進而保證飛機的研究、生產(chǎn)以及將來的維護質(zhì)量。

1 校準裝置組成原理

校準裝置組成原理如圖1所示,計算機控制任意波形發(fā)生模塊,基于直接數(shù)據(jù)合成技術(shù)計算需要輸出的波形并輸出至寬帶功率放大器,其中寬帶功率放大器A主要完成高偏置信號放大,實現(xiàn)畸變和脈動信號的輸出,寬帶功率放大器B主要完成高精度高增益信號放大,實現(xiàn)幅度瞬變信號的輸出[7]。輸出的校準信號經(jīng)過寬帶分壓模塊衰減后由高精度數(shù)據(jù)采集模塊進行采集,計算機對數(shù)據(jù)進行后處理得到校準信號的標準值,通過與被測采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行對比,完成校準[8]。

圖1 校準裝置組成Fig.1 Diagram of calibration device composition

2 校準程序設(shè)計

根據(jù)GJB 5189-2003《飛機供電特性參數(shù)測試方法》、GJB 5558-2006《飛機供電特性測試要求》、GJB 181B-2012《飛機供電特性》等標準研究校準方法,基于LabVIEW開發(fā)平臺,編寫校準程序。

校準程序按照功能主要分為兩個部分:①儀器控制部分,包括任意波發(fā)生模塊和高速高精度A/D模塊;②數(shù)據(jù)處理、分析以及顯示部分,該部分對直流電壓畸變頻譜信號進行加窗截斷并實現(xiàn)短時傅里葉變換,從而得到頻譜信息。

實際編程過程中,按照功能的關(guān)聯(lián)程度將軟件規(guī)劃為三個部分:穩(wěn)態(tài)直流電壓和瞬變直流電壓輸出單元、直流電壓畸變頻譜和直流電壓脈動輸出單元、信號的采集分析單元。

2.1 穩(wěn)態(tài)直流電壓和瞬變直流電壓輸出

穩(wěn)態(tài)直流電壓和直流電壓瞬變在輸出電壓的特征上具有一致性,且二者經(jīng)過任意波形發(fā)生器模塊模擬后的信號均通過高增益放大器進行放大和輸出[9-10],因此將二者合并為軟件的一個單元,其流程圖如圖2所示。

圖2 穩(wěn)態(tài)直流電壓和直流電壓瞬變單元流程圖Fig.2 Flow chart of steady-state DC voltage and DC voltage transient unit

2.2 直流電壓畸變頻譜和直流電壓脈動輸出

直流電壓畸變頻譜和直流電壓脈動在輸出電壓的特征上具有一致性[11],且二者經(jīng)過任意波形發(fā)生器模塊模擬后的信號均通過低增益、高偏置電壓放大器進行放大和輸出,因此將二者合并為軟件的一個單元,流程圖如圖3所示。

圖3 直流電壓畸變和脈動單元流程圖Fig.3 Flow chart of DC voltage distortion and ripple unit

2.3 信號的采集和分析

信號采集和分析單元根據(jù)不同的信號類型,按照不同的采樣率和采樣時間運行,并調(diào)用不同的后處理算法,可以得到穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、畸變和脈動不同的校準信號標準值[12-14],其中,穩(wěn)態(tài)直流電壓信號主要通過低通濾波并求取均值的算法獲得;瞬態(tài)直流電壓輸出時會提供觸發(fā)信號,使校準裝置的采集功能與測試系統(tǒng)的采集得以同步,信號采集和分析單元以足夠的采樣率獲得瞬態(tài)直流電壓標準信號的變化過程,并與測試系統(tǒng)得到的波形進行對比;畸變和脈動信號通過短時傅里葉變換算法獲得,選擇窗函數(shù)的原則是:讀取頻率值時選擇矩形窗函數(shù),讀取幅度值時選擇布萊克曼窗函數(shù)。

信號的采集與分析功能軟件的流程圖如圖4所示。

圖4 信號采集和分析單元流程圖Fig.4 Flow chart of signal acquisition and analysis unit

3 驗證試驗

按照相關(guān)標準編制現(xiàn)場驗證試驗大綱,針對某型戰(zhàn)機電源系統(tǒng)試驗臺進行了該校準系統(tǒng)的功能和技術(shù)參數(shù)的驗證試驗[15-16]。試驗結(jié)果表明該測試系統(tǒng)主要技術(shù)指標滿足相關(guān)標準要求,畸變測量功能由于采樣率的設(shè)置問題有不符合要求的測試點,提高采樣率之后即能達到標準要求。

3.1 穩(wěn)態(tài)直流電壓功能驗證

穩(wěn)態(tài)直流電壓輸出范圍為100～350 V,在穩(wěn)態(tài)直流電壓為額定值時,最大允許相對誤差在±0.5%范圍內(nèi)。

運行專用校準軟件,飛機高壓直流供電特性測試系統(tǒng)校準裝置按照標準值逐點輸出,被測設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備的測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)直流電壓輸出Tab.1 Steady state DC voltage output

如表1所示,按照穩(wěn)態(tài)直流電壓的測量范圍(100～350 V)選取十個測量點進行了校準試驗,出現(xiàn)的最大誤差為-0.014%,滿足相關(guān)標準“在穩(wěn)態(tài)直流電壓為額定值時,測量的相對誤差應(yīng)在±0.5%以內(nèi)”的要求。

3.2 直流電壓畸變頻譜功能驗證

直流電壓畸變頻率(f)范圍為10 Hz～100 kHz。當f≤50 kHz時,畸變頻譜幅值誤差在±2 dB范圍內(nèi);當f＞50 kHz時,畸變頻譜幅值誤差在±5 dB范圍內(nèi)。

運行專用校準軟件,控制校準裝置按表2逐點輸出畸變信號分量,被測設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備的測量結(jié)果見表3。

表2 直流電壓畸變頻譜Tab.2 DC voltage distortion spectrum

表3 直流電壓畸變頻譜測量結(jié)果Tab.3 Measurement result of DC voltage distortion spectrum

直流電壓畸變頻譜測試中,將10 Hz至100 kHz頻段內(nèi)的交流小信號與270 V直流信號疊加輸入測試系統(tǒng)。標準要求測試系統(tǒng)“畸變頻譜幅值(以方均根值1.0 V為基準的分貝數(shù))的誤差為:頻率不超過50 kHz時,誤差不超過±2 dB,頻率大于50 kHz時,誤差不超過±5 dB”。對比測試系統(tǒng)的測量值與校準裝置的標準值可知,被測系統(tǒng)的20 kHz頻點超過最大誤差限值,這是由于測試系統(tǒng)在20 kHz處的頻率分辨力不足,在設(shè)置為20 kHz時,實測為頻率19.825 kHz的幅值,導(dǎo)致結(jié)果不滿足要求,當提高采樣頻率或增加采樣點數(shù)后,均可使該頻點校準結(jié)果滿足要求。

試驗發(fā)現(xiàn):其他條件無變化時,只要采樣率達到信號頻率的20倍以上,就容易獲得10-5量級頻譜頻率分析準確度和10-3以上的幅度的分析準確度,繼續(xù)提升采樣率無法顯著提高直流電壓畸變頻譜信號的測量準確度,故應(yīng)考慮其他因素的影響,如測試系統(tǒng)的信噪比等。

通過對標準信號添加噪聲的方式,驗證測試系統(tǒng)對噪聲的敏感程度。其他條件不變的情況下,當標準信號信噪比由20 dB提高至110 dB,測試系統(tǒng)計算得到的直流電壓畸變頻譜信號的頻率誤差ef、幅度誤差ev和相位誤差eΦ均有顯著提升,變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 信噪比對畸變頻譜測量誤差的影響Fig.5 Influence of SNR on measurement error of distorted spectrum

3.3 直流電壓脈動功能驗證

直流電壓脈動的頻率范圍為1.2～16.8 kHz,幅值最大允許誤差在±3%范圍內(nèi)。

運行專用校準軟件,校準裝置根據(jù)表4的測試項輸出直流電壓脈動信號,被測設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備的測量結(jié)果如表5所示。

表4 直流電壓脈動Tab.4 DC voltage ripple

表5 直流270 V脈動測量結(jié)果Tab.5 Measurement result of DC voltage ripple

直流電壓脈動類似于交流電源系統(tǒng)中的諧波,由于270 V直流電壓由400 Hz交流電壓整流得到,因此脈動信號的頻率均為400 Hz頻率的諧波小信號,由表5測試結(jié)果可知,該測試系統(tǒng)的直流電壓脈動測量功能滿足“幅值最大允許誤差在±3%范圍內(nèi)”的要求。

3.4 直流電壓瞬變功能驗證

直流電壓輸出范圍為0～350 V,當電壓最大時,最大允許相對誤差在±1%范圍內(nèi)。

運行校準軟件,按照表6的測試項輸出直流電壓瞬變信號,被測設(shè)備和監(jiān)測設(shè)備的測量數(shù)據(jù)見表7。

表6 直流電壓瞬態(tài)Tab.6 DC voltage transient

表7 直流電壓瞬態(tài)測量結(jié)果Tab.7 Measurement result of DC voltage transient

測試系統(tǒng)得到的波形如圖6和圖7所示。

圖6 直流電壓瞬變波形圖1Fig.6 Waveform 1 of DC voltage transient

圖7 直流電壓瞬變波形圖2Fig.7 Waveform 2 of DC voltage transient

根據(jù)GJB 5189-2003《飛機供電特性參數(shù)測試方法》的相關(guān)規(guī)定,針對直流電壓瞬變信號,在最大極限范圍時,測量的相對誤差應(yīng)在±1%范圍內(nèi),比較表6和表7的標準值與測量值可知,瞬變電壓幅度最大誤差為-0.03%,滿足標準要求。

4 結(jié)束語

本研究針對飛機270直流電源供電特性測試系統(tǒng)的實際校準需求,結(jié)合GJB5189-2003《飛機供電特性參數(shù)測試方法》等相關(guān)標準,進行了測試系統(tǒng)校準項目和校準方法的研究。結(jié)果表明,基于寬帶精密放大和分壓技術(shù)可以解決大動態(tài)范圍交直流疊加信號的溯源問題。下一階段,隨著多電/全電飛機技術(shù)的突破,飛機電源功率密度日益增大,機載用電設(shè)備數(shù)量增加,電源供電特性也相應(yīng)發(fā)生了顯著變化,如采用交流、直流結(jié)合的電源系統(tǒng),同時,單個用電設(shè)備負載增加,為飛機電源供電品質(zhì)提出了新的挑戰(zhàn)。新一代啟動發(fā)電系統(tǒng)對電源供電特性測試系統(tǒng)和校準裝置都提出了新的要求,尤其在應(yīng)對浪涌電流、電源諧波、電壓不平衡、電壓畸變和電壓瞬態(tài)特性問題等方面,應(yīng)提早部署,統(tǒng)籌安排測試和計量技術(shù)的研究進程[17]。