基于SSPC的负载自动管理技术

刘晓羽

摘 要： 随着飞机上用电设备的增多以及多电飞机概念的引入，常规配电方式及电网保护技术已经不能满足大规模用电负载的需要。电力电子技术的发展为自动配电技术提供了可能。基于固态功率控制器SSPC进行负载管理和电路保护，可根据负载控制方程自动管理负载。通过分布式配电技术实现负载就近取电，采用分层式总线布局代替传统控制线路，从而减轻了电网的重量。

关键词： 电力电子； 固态功率控制器； 自动管理； 分层式总线结构

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）08?0103?02

SSPC?based automatic management technology of electrical loads

LIU Xiao?yu

（AICC Tongfei Academy Co.， Ltd.， Zhuhai 519040， China）

Abstract： With a greater amount of electrical equipments mounted on modern aircraft， especially with the concept introduction of more electric aircraft， the conventional power distribution and grid protection technique can meet the requirements of massive electricity load， but the power electronic technology provides possibilities for automatic power distribution. SSPC is used in load management and circuit protection system， which can automatically manage the electrical load according to the load control equations. The whole system weight can be reduced by the distributed power distribution technology to get power nearby and hierarchical bus architecture to replace the traditional control wires.

Keywords： power electronics； SSPC； automatic management； hierarchical bus architecture

目前飞机上常规式的配电方式中，通常将主配电盒设置在距离发电机较近的位置，从主配电盒再向其他用电设备较为集中位置的次级配电盒供电。将对用电设备的控制线引入飞机驾驶舱内，由断路器实现对电网的保护，控制器件集中在驾驶舱顶部操纵板或中央操纵台上，飞行员通过手动操纵控制器件进行用电设备的控制。一方面增加了飞行员的负担，另一方面因为驾驶舱集成了众多的控制板、断路器板，并且需要大量控制线的引入，体积和重量也较大。基于固态功率控制器（SSPC）的自动配电系统，采用双余度分层式总线布局，通过安装在飞机上的电气负载管理中心与电源系统处理机PSP经由数据总线进行交互，能够根据飞机不同飞行阶段、发电机状态、负载状态、汇流条配置、负载供电优先级等信息，解算负载控制的逻辑方程，从而自动控制用电负载的配电。

1 固态功率控制器

传统的断路器有热断路器、磁断路器或热磁断路器[1]。现役飞机上的配电系统大多采用直流28 V、交流115 V的供电体制。随着多电飞机以及全电飞机概念的引入，军用飞机的供电体制向着高压直流270 V的方向发展，民用飞机的供电体制向着变频230 V发展[2]，而传统的断路器不能适应较高的电压体制，并且对断路器的监控比较复杂，也不能进行远程控制。固态功率控制器（SSPC）是一种基于MOSFET或IGBT功率半导体器件[2]。固态功率控制器集成了传统断路器与继电器的功能，但与传统的断路器相比，固态功率控制器具有响应迅速，控制简单，能够实现自检测和状态监控等优点。并且由于传统继电器的电磁式部件接通和断开时在触点位置容易产生电弧和火花，触点易于磨损，而SSPC由电力电子器件和集成电路组成，能够克服这一缺点，而且其电源需求小，电磁干扰弱。SSPC通过检测电流来实现故障保护，比传统断路器的热保护更为灵敏，从而在一定程度上能够减轻故障引起的后果。典型的SSPC内部原理框图如图1所示[2]。

2 基于SSPC的负载自动管理技术

某型飞机由两台发动机驱动的交流发电机作为主电源，一台辅助动力装置APU驱动的发电机作为辅助电源，一组蓄电池组作为应急电源。机上二次电源为一台静止变流器和两台变压整流器。两台交流发电机采用转换供电的方式，正常工作时分别向各自的汇流条供电，在任一台发电机失效后，可由另一台发电机向两个主汇流条供电。变压整流器用于将交流115 V，400 Hz主交流电转为28 V直流电向机上直流负载供电，静止变流器用于将蓄电池的28 V直流电转换为交流115 V，400 Hz交流电，供交流应急负载使用。辅助电源用于无地面电源时的地面维护和主发电机的空中再起动以及起飞爬升和地面滑行时的辅助供电，蓄电池为应急电源，在主电源及辅助电源失效后，保证用于紧急着陆的应急负载的供电。互为备份的两台汇流条功率控制器用于单个主电源故障时，将两个主交流汇流条并联，并能监测汇流条的状态，通过ARINC629数据总线向电源系统处理机（PSP）传递汇流条状态信息。机上设置4个电气负载管理中心（ELMC），分别安装在驾驶舱左、右设备柜和机身中后部用电设备相对集中的区域，ELMC通过其电气远程终端（ERT）经由数据总线与PSP交互，向PSP发出负载的状态信息，并接收来自PSP的控制信号。数据总线结构采用分层式总线布局，电气系统的控制采用单独的双余度ARINC629数据总线，通过电源系统处理机（PSP）连接到航电ARINC629数据总线见图2。

PSP对于航电数据总线是一个远程终端，对于电气控制总线则是总线控制器。两台PSP互为备份，对整个电气系统控制。PSP利用发电机控制器GCU、汇流条功率控制器BPCU向PSP提供发电机及汇流条的状态信息，航电系统经由航电数据总线传来实时的飞行状态信息，ELMC反馈的负载状态信息等信息通过软件解算负载控制方程，向ELMC发出控制指令，实现对电气负载的供电控制，替代传统使用继电器的手动控制。通过实时信息控制负载的通断，可达到对电源有效的利用[4]。同时，PSP经由航电ARINC629数据总线将电网状态信息以及自动控制指令信息反馈到发动机指示和机组警告系统（EICAS）显示器上，从而提高系统的人机功效。

ELMC与PSP经由ARINC629数据总线进行交互，每个ELMC内嵌一个电气远程终端ERT，由ERT内部微处理机进行总线接口管理。根据所管理负载数量的不同，每个ELMC中有不同数量的SSPC。SSPC控制器件从ERT接收控制信号，控制机上负载的供断电，对负载提供过流保护并向ERT输出SSPC状态。ELMC中的配电模块PDC采用多路电源输入，能够实现供电转换，正常时由主电源供电，在主电源故障的情况下通过转换供电汇流条进行供电。由于ELMC安装在用电设备较为集中的区域，由主配电盒向ELMC供电，实现了分布式配电技术，减少了馈电线的长度，从而减轻了电网重量。

3 结 语

在负载自动管理系统中，采用分布式配电技术，负载就近取电，电源系统处理机解算负载控制方程，通过双余度数据总线传递控制信号，由SSPC进行负载控制和电网保护。同时，由于采用模块化设计及分层式总线布局，电气系统控制采用单独双余度数据总线，由PSP作为远程终端加载在航电数据总线上，因此负载管理系统具有极大的扩展性。在飞机更改构型时，对于负载管理系统而言仅需更改负载控制软件，而无须协调航电系统的更改，从而缩短了研制周期，节约了成本。

参考文献

[1] 王楠寿，郑作棣.飞机设计手册（第16分册电气系统设计）[M].北京：航空工业出版社，1999.

[2] WEIMER J A. Power management and distribution for the more electric aircraft [C]// Proceedings of the 30th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. [S.l.]： [s.n.]， 1995： 273?277.

[3] IZQUIERDO D， BARRADO A， RAGA C， et al. Protection devices for aircraft electrical power distribution systems： a survey [C]// 34th Annual Conference on Industrial Electronics. Orlando， FL： IEEE， 2008： 903?908.

[4] BOLDT T R， DUNN G I， HLANKINS D E， et al. Advanced aircraft electrical system control technology demonstrator? phase I： requirements analysis & preliminary design [EB/OL]. [2014?08?15]. http：// www.stormingmedia.us/22/22.

[5] 严冬超.飞机供电系统[M].北京：国防工业出版社，2010.

[6] 万波，吴伟国.飞机固态二次配电装置SPDA的余度设计[J].现代电子技术，2012，35（20）：128?131.