雙輸出航空供電電源交直流變換及其控制方法研究

張慶勝

（濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣系，河南濟源,459000）

0 引言

航空供電電源系統(tǒng)承擔著飛機上所有的用電設(shè)備，它需要提供絕對的可靠性、安全性以及不間斷供電等任務(wù)，而且航空供電系統(tǒng)的優(yōu)劣及可靠性對航空載人及飛機安全有著很重要的作用，該電源系統(tǒng)是一系列操作系統(tǒng)的唯一電源，如通信導(dǎo)航、飛行控制和武器裝備。因此，航空電源系統(tǒng)是不可替代的。航空供電系統(tǒng)是地面保障不可缺少的設(shè)備。其功能是檢查飛機的地面起動和機載設(shè)備的電氣化。航空電源系統(tǒng)分為應(yīng)急工作狀態(tài)、正常工作狀態(tài)和非正常工作狀態(tài)三種狀態(tài)。根據(jù)不同的工作狀態(tài)，可以相互轉(zhuǎn)換，主要工作步驟是保護工作和改造工作。其次，轉(zhuǎn)換工作是指電源在正常狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換，是由操作指導(dǎo)系統(tǒng)控制的，是轉(zhuǎn)換工作的重要組成部分。不間斷電源是一種新的電力供應(yīng)模式。在過去，電源中斷主要是由于兩個原因造成的，一個是由于電源系統(tǒng)短路造成的，另一個是由于電源之間的切換造成的。電源切換包括飛機主電源、主電源和應(yīng)急電源之間的切換，以及地面電源和飛機之間的切換，在航空電源系統(tǒng)中，了能由于電源電路中的繼電器所需的時間而導(dǎo)致電源中斷。

1 航空供電電源系統(tǒng)內(nèi)容分析

1.1 供電系統(tǒng)的負荷分級分析

機場作為符合區(qū)域供電系統(tǒng)及其分支機構(gòu)的機場供電單元，根據(jù)自身的實際情況確定具體的供電負荷水平。根據(jù)機場建設(shè)標準，按照《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》負荷分類的規(guī)定選擇機場供電系統(tǒng)的負荷水平，根據(jù)機場供電系統(tǒng)一級負荷的比例，將供電區(qū)域作為一個整體來考慮。機場供電系統(tǒng)負荷水平的選擇需要充分考慮系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性。負荷水平的選擇應(yīng)盡可能保證供電系統(tǒng)的安全，降低水平傳播的能量損失，以減少經(jīng)濟損失。作為地方立體交通系統(tǒng)的重要交通樞紐，支線機場供電系統(tǒng)的負荷主要集中在導(dǎo)航臺站、航站樓以及航管樓。供電系統(tǒng)的主要負荷占區(qū)域機場電力負荷的絕大部分，因此，根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》關(guān)于負荷水平的相關(guān)規(guī)定確定，機場作為一個整體已達到批準的第一負荷水平。

1.2 供電電源相關(guān)內(nèi)容分析

1.2.1 一級負荷供電系統(tǒng)雙電源供電

民航支線機場可以根據(jù)機場的實際情況增加應(yīng)急電源的安裝。為了提高民航饋線機場供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，在選擇第一負荷水平時，選擇了兩個獨立的供電點。機場供電設(shè)計人員應(yīng)時刻注意電壓并網(wǎng)問題。目前，大部分地區(qū)的主網(wǎng)電壓都是以接入網(wǎng)絡(luò)的方式進行的，所以，部分電力行業(yè)從電網(wǎng)回到傳輸線，建立兩個獨立的供電工作不能順利進行。因此，民航支線機場的雙重供電可以來自不同的電網(wǎng)。

1.2.2 應(yīng)急電源

所謂應(yīng)急電源，它可以在發(fā)電機的獨立上進行正常工作，也可以通過獨立于正常電源的專用電源線或蓄電池供電。例如，機場中央變電所的主應(yīng)急電源可以使用快速自啟動柴油發(fā)電機，類似于航站樓和空中交通管制大樓等建筑物，可以用于電源穩(wěn)定、安全性高的蓄電池或在eps系統(tǒng)設(shè)計中。機場供電系統(tǒng)還包括高低壓配電系統(tǒng)，在高壓供電系統(tǒng)的接線工作中，機場分支供電系統(tǒng)的設(shè)計人員可以選擇單母線接單電源，也可以從低壓側(cè)獲得備用電源的一次負載，以確保其與二次負載水平的匹配。在正常情況下，很難使用低壓側(cè)的單母線接線，變壓器可以采用單母線或單母線分段接線的形式。

2 航空供電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置

我們在分析“航空航天供電系統(tǒng)”系統(tǒng)配置時。根據(jù)配置材料要求，在滿足二次供電保證的情況下，應(yīng)急電源應(yīng)由兩臺柴油發(fā)電機組提供，架空線路容易受到樹木和交叉區(qū)施工的影響而停電。結(jié)合臺站的工程情況，15km以內(nèi)的線路容易受到雷擊，因此，采用雙機配置不僅可以延長備用支撐時間，而且可以保證市場供電中斷時雙機作為唯一備用電源的可靠性。綜上所述，柴油發(fā)電機的配置不僅滿足配置要求，而且在實際運行過程中也是必要的。

為進一步闡明先進飛機供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置，分析其功能和組成，以民用大型客機B787為例進行分析，其供電系統(tǒng)如圖1所示，包括發(fā)電機、變換器、配電、固態(tài)功率控制器和無刷直流電動機等各種部件。以下是整個供電系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及配置。

圖1 航空供電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 關(guān)于航空供電電源系統(tǒng)的優(yōu)化舉措

3.1 雙向直流變換設(shè)計

當雙向直流變換器系統(tǒng)的輸入電壓或負載發(fā)生變化時，將影響直流變換器系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性。為了調(diào)節(jié)輸出電壓，需要設(shè)計一個雙向直流變換器的閉環(huán)反饋系統(tǒng)來調(diào)節(jié)器件的輸出電壓。雙向直流變換器系統(tǒng)是閉環(huán)的，反饋系統(tǒng)的總體方案如圖2所示。硬件部分由雙向全橋直流變換電路、信號采集電路和驅(qū)動電路組成，軟件部分由主程序、死區(qū)控制程序和移相pwm產(chǎn)生程序組成。

圖2 雙向直流變換系統(tǒng)

雙向直流變換器系統(tǒng)的基本原理:f2812的adc模塊采集雙向全橋直流變換器的電壓信號。通過f2812內(nèi)置ev模塊處理后，通過gpio模塊pwm1-8接口輸出移相可調(diào)的pwm波形，驅(qū)動電路放大后，驅(qū)動雙向全橋dc/dc變換器調(diào)整輸出電壓。

3.2 方案設(shè)計

飛機起飛過程中還有一個問題需要重視“功率切斷”我們將魯棒控制以及智能控制兩個理論進行結(jié)合，應(yīng)用于航空以及地面電源轉(zhuǎn)換控制中，從而來實現(xiàn)航空以及地面兩個電源的直流轉(zhuǎn)換。變流器技術(shù)改造過程中是可以通過同步控制技術(shù)來進行降低過電流以及過電壓來提高航空電源系統(tǒng)以及記載電源設(shè)備的使用壽命。

飛機地面供電設(shè)備的計算機核心是飛機總線控制計算機，該計算機運行良好，即使在極其惡劣的生態(tài)環(huán)境下也可以保持正常的工作來提供良好的穩(wěn)定性。每臺計算機均均采用高科技以及高性能的器件來進行對電路、接口電路以及傳感器的處理，數(shù)據(jù)由傳感器進行采集，計算機來處理，根據(jù)檢測信號的參數(shù)各項指標來預(yù)防電源即將發(fā)生的故障以及故障原因，使飛機的供電系統(tǒng)更加完善。

3.3 軟件更新設(shè)計

軟件系統(tǒng)中采用了獨立的故障診斷模塊以及獨立的數(shù)據(jù)采集模塊。故障診斷模塊是對供電電源系統(tǒng)出現(xiàn)的問題及時作出診斷，并及時找出故障原因并排除故障。數(shù)據(jù)采集模塊包括對數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)輸入。兩個模塊都使用VC語言進行編寫，編寫好的界面可以實時監(jiān)測測量結(jié)果，使程序?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)計。航空電子地面電源采用c++語言編程，既有先進的編程功能，也有低級匯編語言功能，這兩個模塊是航空供電電源系統(tǒng)重要的模塊應(yīng)及時更新保持兩個模塊正常的運行。

4 雙輸出航空供電電源需要注意的問題

我們應(yīng)該重視備用供電電源自動投入，以用來提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定以及安全性，也應(yīng)務(wù)必重視備用供電電源自動投入的要求，在母線分段斷路器上進行備用供電電源自動投入的安裝，應(yīng)注意低壓柴油發(fā)電機系統(tǒng)接入作用。如果供電電源系統(tǒng)出現(xiàn)問題，務(wù)必第一時間去解決供電系統(tǒng)可能會出現(xiàn)的任何問題。除外，電力系統(tǒng)的電源之間也是能設(shè)置機電聯(lián)合鎖的，不過不是緊急情況不要采取并網(wǎng)運行，柴油發(fā)電機和外部變流技術(shù)之間是可以采取四極開關(guān)的，要最大限度去減少機場供電系統(tǒng)的經(jīng)濟損失，降低電力資源消耗，做好節(jié)能工作，避免與外部網(wǎng)計費模式搞混。供電電源系統(tǒng)的設(shè)計人員應(yīng)考慮引入接線工作得靈活性，確保機場供電系統(tǒng)能夠根據(jù)機場運行和發(fā)展的需要進行動態(tài)調(diào)節(jié)，以滿足非事故情況下能夠提供部分重要負荷的用電可能性。

5 結(jié)語

在航空電源的轉(zhuǎn)換過程中，尤其是保障系統(tǒng)運行當中斷電情況是無可避免的，現(xiàn)在不中斷供電的應(yīng)用僅能在電源工作正常中進行實現(xiàn)，結(jié)合智能控制理論，利用成熟的技術(shù)以及可靠的裝備，來進行航空電源不中斷電源的實現(xiàn)改進方案。通過地面供電電源技術(shù)的提升，地面電源向航空電源系統(tǒng)的無縫過渡也已經(jīng)得到了實現(xiàn)，航空電源供電可靠性得到了質(zhì)的飛躍。針對航空電源系統(tǒng)測試平臺的控制技術(shù)進行了透徹的分析以及研究，深入了解了該技術(shù)的優(yōu)勢特點，可為航空電源系統(tǒng)測試平臺的開發(fā)提供有效的參考，進一步促進航空工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。