民用飛機大功率模擬電負載系統設計

孫科徐敦

（中國商飛民用飛機試飛中心，上海 201323）

0 引言

民用飛機動力裝置、APU系統及電源系統表明符合性試飛要求飛機發電機在試飛過程中輸出達到并維持額定功率滿載運行，以此驗證飛機動力裝置、APU系統及電源系統工作特性、冷卻能力等，由于試驗機加裝設備用電功率較小并具備實時波動的特點，因此，需加裝模擬電負載系統，通過控制不同模擬負載接入或切出飛機電網，使飛機發電機輸出功率滿足試飛科目要求。

本文立足于試飛科目需求，介紹了一套基于水冷散熱的大功率模擬電負載系統設計方案，系統具備參數采集、自動加減載、應急保護及散熱等功能，可滿足試飛要求。

1 系統總體設計

根據試飛科目需求，在充分考慮系統功能、安全性的前提下，開展模擬電負載系統設計，模擬電負載系統原理圖如圖1所示：

圖1 模擬電負載系統原理框圖

不同的負載組按照邏輯自動接入或切出飛機電網，可實現飛機發電機不同目標輸出功率的快速調節，同時兼顧飛機發電機輸出功率三相不平衡指標；系統采用水冷及風冷相結合的散熱方式同時解決地面試驗及飛行試驗的試驗需求，可解決系統加載功率大及加載時間長產生的散熱問題，并采用多種應急保護措施，大大提高了飛行試驗的安全性。

2 系統詳細設計

模擬電負載系統由參數采集子系統、負載自動加減載控制及顯示子系統、應急保護子系統及散熱子系統4個部分組成。

2.1 參數采集子系統

參數采集子系統用于采集飛機發電機輸出功率信息、散熱系統工作狀態信息。

飛機發電機功率信號采集通過霍爾電壓傳感器及霍爾電流傳感器實現，可在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規則波形的電壓及電流，為保證采樣通道之間的同步性，信號采集模塊可支持多路并行差分采集的隔離電壓采集模塊，每個通道的輸入信號經調理后，由模數轉換器（ADC）對其采樣，每個通道均帶有獨立的信號通路和模數轉換器，可對所有路通道同步采樣。

散熱系統溫度及水循環系統工作狀態信息通過加裝的熱電偶、熱電阻、壓力傳感器、流量傳感器、液位高度傳感器以及對應的模擬信號采集板卡實現。

2.2 負載自動加減載控制及顯示子系統

阻性負載按照從大到小的順序依次排列，并存儲到內存空間中。將計算出的需補償的各相阻性負載值大小與實際的負載序列進行比較，若大于當前比較阻性負載值，則將對應三相/單相接觸器狀態置1并存儲，直至所有阻性負載比較完畢，可得到一個擬加載的接觸器狀態01序列，該序列可通過專用數字I/O模塊轉化為數字I/O信號輸出加減載指令。

2.3 應急保護子系統

在應急情況下，應急保護子系統可實現模擬電負載系統快速卸載，實現與飛機電源系統的隔離，保證試驗機的飛行安全。

飛機發電機異常掉電時，飛機電源系統將自動重構，由其余發電機自動接入并向飛機電網供電，當檢測到被試發電機掉電時，模擬電負載系統將自動卸載，防止電網重構時模擬負載加載影響其余發電機。檢測到散熱系統水溫超過門限值時將觸發卸載，卸載后散熱系統水溫不再升高。駕駛艙、試飛工程師工作臺以及模擬電負載系統主控機箱一鍵卸載開關接通時將觸發卸載。

2.4 散熱子系統

散熱子系統包括水冷散熱和風冷散熱兩部分。當左右兩側泵同時開啟時，水冷散熱可實現水循環功能，當水循環流過中間負載箱時可對負載箱內部負載元件進行散熱。系統水冷散熱示意圖如圖2所示。

圖2 水冷散熱示意圖

由于客艙前后水箱間距較大，而飛行過程中飛機具有一定的仰角，這將導致前后水箱之間存在一定的高度差，進而出現液位高度差較大的情況，因此水循環邏輯采用小循環加液位調節的方式。

將水箱分為兩組，內側水箱為一組，外側水箱為一組，水循環過程中采用內、外循環切換的方式，將大大減小水箱之間的液位高度差。同時，水循環過程中，系統將實時比較同組水箱之間液位高度差，當高度差超過門限值時，將自動關閉液位較高的水箱的進水口，直至水箱間液位高度達到平衡時再重新打開該水箱進水口，實現將水箱液位高度調節平衡的目的。同時，通過不斷控制左右兩側主管路電動球閥開度，可達到左右兩側主管路循環水流量的調節，減小客艙前部與后部總水量的差異。系統液位變化和流量變化如圖3所示。

圖3 散熱水液位及流量變化示意圖

3 試驗結果

通過飛行試驗驗證，該系統可使飛機發電機保持滿載運行4.5 h，系統加載精度滿足設計指標（±3kVA）。VFG功率變化如圖4所示。

圖4 主發電機輸出功率

表1 發電機輸出功率誤差

使用6 t水進行循環散熱，采用小循環結合液位調節的循環模式，實現在整個試飛科目飛行剖面下（飛機起飛、爬升、滾轉、模擬復飛等飛行工況）管路兩側散熱水循環流動，滿載4.5 h過程中水溫持續升高。滿載加載過程中散熱水溫變化如下圖5所示。

圖5 散熱水溫變化

4 結語

本文針對試飛科目加載功率大、加載時間長、負載波動頻繁、散熱功能及安全性要求高等特點，設計了一套模擬電負載系統，并在試飛科目中獲得了良好的應用。系統設計與應用實現了多個方面的技術創新。系統采用專用算法對飛機發電機輸出功率進行了濾波處理，根據該算法濾波后的功率值加載；系統水循環散熱控制采用內外循環切換、液位自動調節以及流量自動調節等水循環控制邏輯，實現在整個試飛科目飛行剖面下兩側散熱水循環流動；系統實時監控飛機發電機運行狀態、模擬電負載系統運行狀態，當任一環節出現異常情況時可自動觸發系統隔離，防止故障狀態進一步惡化，實現對整個試飛科目的全方位保護，增加系統運行的安全性。