飞机电源波形畸变对机载用电设备影响的分析与研究

陈 艳，陈 亮，陈永禄（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）



飞机电源波形畸变对机载用电设备影响的分析与研究

陈 艳，陈 亮，陈永禄
（中国飞行试验研究院，陕西西安，710089）

摘要：飞机电源系统是现代飞机的重要组成部分，其电压波形畸变直接影响到机载电子设备的工作和寿命。本文以某型民用飞机电源系统为例，介绍了飞机主交流电源系统结构和用电设备类型，在对飞机电源系统畸变参数分析的基础上，进一步研究了飞机电源波形畸变对典型用电设备的影响，希望以此对新型飞机的研制和对现役飞机的改进能提供参考。

关键词：飞机电源系统；畸变频谱；畸变系数；谐波

0　引言

当前，机载电子设备日益多样化、复杂化，飞机电源系统的供电特性直接影响到航空电子设备的工作和寿命。在供电特性各项参数中，交、直流电压畸变参数是其重要的组成部分，具体包括交直流畸变电压、交直流畸变系数、交直流畸变频谱等参数。本文以某型民用飞机电源系统和典型用电设备真实工作状态下的飞行试验数据为支撑，在对电源畸变参数进行分析的基础上，研究其参数变化对机载用电设备的影响，更真实地反应飞机电源系统波形畸变对用电设备的危害程度。

1　飞机电源系统及用电设备

1.1飞机主交流电源系统结构

此型飞机主交流发电系统由两个独立的交流电源通道（即左通道和右通道）组成，每个通道分别由发动机驱动的组合驱动发电机（IDG）提供交流电源，两个IDG分别安装在主发动机附件传动机匣上。IDG将主发动机附件传动机匣输入的变化的转速通过液压机械调速装置变换为恒速，从而发出恒频交流电。在正常运行状态，左、右IDG分别向左、右汇流条供电。发电机控制器对IDG发出的电功率进行监控，若符合电源品质要求则闭合发电机继电器将电送到左、右交流汇流条，两个主交流电源通道独立运行。

1.2机载用电设备类型

此飞机的主要用电设备包括液压系统、照明系统、空调系统、飞控系统、动力装置系统、风挡防冰系统、指示记录系统、航电系统等。根据各个用电设备工作原理，可以将众多用电设备大致分为容性负载、感性负载以及纯阻性负载。当前，随着用电设备工艺设计复杂程度的加深，用电设备中以容性负载和感性负载居多。

2　电源系统畸变参数的分析

2.1畸变系数

电源系统畸变系数包括交、直流畸变系数。交流畸变系数是指交流畸变与基波分量方均根值之比，而直流畸变系数是直流畸变与稳态直流电压之比。例如，以不低于1MHz的采样频率对交流电压畸变波形（交流电压波形中滤除基波后的瞬时波形）进行采集，采样时间取不大于1s期间最大整数个交流电压周波所对应的时间，按式（1）计算交流电压畸变，按式（2）计算交流电压畸变系数。

式中：UJJ——交流畸变，V；

TW——规定的采样时间，s；

UJJi——交流电压畸变波形，V；n ——总采样次数；

△t ——采样周期，s；

式中：kJJ——交流畸变系数；UJJ——交流畸变，V；

U1——基波电压方均根值，V。

2.2畸变频谱

电源系统畸变频谱是直流或交流畸变通过每一频率分量幅值的量化表示。例如，以不低于1MHz的采样频率采集交流电压畸变波形（从交流电压波形中滤除基波）的瞬时值，采样时间取不大于1s期间最大整数个交流电压周波所对应的时间；将所采集的数据用傅立叶变换胡算出每一频率分量的幅值即为交流电压畸变频谱。畸变频谱包括电压调制和频率调制产生的分量以及波形中的谐波和非谐波分量。图1所示为左发电机的频谱曲线。

图1　左发电机的频谱曲线

畸变系数和畸变频谱都是衡量高次谐波的存在对用电设备的影响程度。谐波有正序谐波、零序谐波与负序谐波。谐波的序列与谐波的次数关系如表1 所示：

表1　谐波的序列与次数关系

畸变系数是从总谐波的角度进行供电特性验证，畸变频谱可以直观地反应每一个高次谐波的影响。由频谱图可见，3次、5次、7次等奇次谐波幅值显著，2次、4次、6次等偶次谐波几乎不存在，这是由于在平衡的三相系统中， 由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。这也从另一方面说明了该型机三相交流电源系统三相电的平衡度较好。

3　电压畸变对机载用电设备的影响

本文针对此型民用飞机电源系统及用电设备的特征，分析了电源畸变参数对三相交流电动机、变压整流器、照明系统和机载蓄电池等典型用电设备的影响。

3.1对交流电动机的影响

液压系统中的交流电动泵，其核心装置主要是三相交流电动机，交流电动机是感性负载的代表，谐波对电动机的主要影响是引起附加损耗，其次是谐波造成的电动机转子的脉冲转矩也将使电机的转轴产生振动、噪声和谐波过电压，使电动机造成疲劳过度而损坏。由于集肤效应、磁滞、涡流等现象将随着谐波次数的增高而使得各类旋转电机的铁芯和绕组中产生的附加损耗增加，带来很大的不必要的电能损耗。

由频谱图1可见，3次谐波幅值比较明显，3次谐波属于零序谐波，零序谐波（即“3N”次谐波）产生不变的磁场，但是因为谐波频率较高，故磁性损耗大大增高而将谐波能量以热的方式放出。另外三相交流电动机各相中的3 N次谐波因其相位相同，相互累加后以3倍于相线的电流通过中性线，使中性线电流大大超过其安全电流值造成过负荷。这种状态下就有可能造成导线过热引起中性线熔断，造成各相电压不平衡，导致交流电动机不能正常工作。

由频谱图1可见，5次谐波幅值最大，5次谐波属于负序谐波，除了会引起磁性损耗、引起导线过热等危害以外，还会产生反方向旋转的磁场（相对于基波而言），而使交流电动机的力矩下降，导致交流电动机转子旋转角速度变化，影响交流电动机的正常工作。

由频谱图1可见，7次谐波幅值较大，7次谐波属于正序谐波，会产生正向旋转磁场来加大力矩，它和5次谐波等负序分量一起，可造成电动机的振动，影响交流电动机的正常工作，长时间运转会降低电动机寿命。

3.2对变压整流器的影响

飞机上的28V直流电是通过变压整流器将115V/400Hz交流电转变得到的。由于谐波的存在，造成变压器铁芯的磁通量的减少和变压器绕组中的导线的集肤效应加大，也就是最通常的铁损、铜损增加，必然造成变压器工作温度上升，形成恶性循环，降低效率。这些谐波在给整流设备，电抗器，变压器整流带来过热、振动和噪音的同时，还将造成的很大的电能损耗。

3.3对照明系统的影响

照明系统中以阻性负载居多，灯的寿命与谐波的热效应关系很大。谐波电流产生的过热会造成灯的正常的时间-电流特性曲线移位，畸变系数很大时，高次谐波含量过多，会明显缩短灯的寿命。

3.4对机载蓄电池的影响

机载蓄电池作为机上应急电源的重要组成部分，在电源系统正常工作时，由机上主直流电源系统给其充电。但机载蓄电池使用一段时间后，其容量会大大低于原出厂标定值，原因是在机载蓄电池的使用、充电过程中，由于电源系统在整流、换流的过程中，产生高次谐波，使机载蓄电池的极板表面严重氧化而充电不足，导致电能的浪费和蓄电池容量降低。

4　结束语

电源系统畸变参数的分析与评估一直是电源系统飞行试验中的一个难点，而电源系统畸变参数对用电设备的影响更是飞行试验研究的空白。本文以电源系统飞行试验为背景，结合国军标及民机标准中的规定，在飞机电源系统及用电设备的真实工作环境下，尝试、探索性地分析与研究了电源系统畸变参数对用电设备的影响，为将来飞机供电系统飞行试验评估奠定技术基础。

参考文献

［1］沈颂华 航空航天供电系统 北京：航空航天大学出版社，2005

［2］张雪 飞机供电系统畸变参数测试 硕士学位论文 西北工业大学，2007

［3］飞机供电特性GJB181A-2003，2003

［4］飞机供电特性参数测试方法 GJB 5189-2003

Analysis and research of the influence of aircraft power waveform distortion on airborne power equipmen

Chen Yan，Chen Liang，Chen Yonglu
（Chinese Flight Test Establishment，Xi’an Shaanxi，710089）

Abstract：Aircraft power system is an important part of modern aircraft，and its voltage waveform distortion directly affects the work and life of airborne electronic equipment.The civil aircraft power system as an example，introduces the aircraft main AC power system structure and electrical equipment type，in the analysis of the distortion parameters of aircraft power supply system based on，and further study of the aircraft power waveform distortion of the typical use of electrical equipment，hope to the of new aircraft development and improvement of active aircraft can provide reference.

Keywords：aircraft power supply system；distortion spectrum；distortion coefficient；harmonic

作者简介

陈艳（1983-），女，新疆乌鲁木齐人，硕士，现为中国飞行试验研究院试飞工程师，主要研究方向：电气系统试飞技术、机载试飞测试技术。