航空地面電源車供電性能的分析與研究
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張大為，劉 迪，劉 鐵
（1．海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺264001;2．海軍航空工程學(xué)院飛行器工程系，山東煙臺264001）
摘要：航空設(shè)備對電源的電壓精度、穩(wěn)定度、中斷供電時間都有嚴格的要求，短時間的供電中斷都可能使電子設(shè)備無法正常工作，從而影響相關(guān)聯(lián)的其他飛機系統(tǒng)，危及飛行安全。從航空電源車的供電結(jié)構(gòu)、對電壓波形的要求以及線纜壓降補償技術(shù)等方面進行分析，最大限度采用成熟技術(shù)和利用可靠裝備，進行基于不中斷供電技術(shù)的航空地面電源車改進方案研究。
關(guān)鍵詞：電源車；靜變器；諧波；逆變器；濾波器；整流器
中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A 文章編號：1006 - 2394( 2015) 09 - 0039 - 02
0 引言
航空地面電源車系統(tǒng)承擔(dān)著向機載所有用電設(shè)備提供安全、可靠和不間斷供電的任務(wù)，是飛行控制、通信導(dǎo)航、武備與任務(wù)等系統(tǒng)的唯一能源。電源車系統(tǒng)工作性能的優(yōu)劣及可靠性，對飛機完成遂行作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù)和保障飛行安全，具有不可替代的作用。航空電源車主要采用車載或拖車式移動電站給飛機供電，可產(chǎn)生115 V/200 V、400 Hz三相中頻交流電源，直流輸出是將三相交流電經(jīng)變壓、整流、濾波轉(zhuǎn)換為28 V直流電。電源車供電具有機動靈活、自動化程度高、操作簡單、保障能力強等特點；地面靜態(tài)電源廣泛應(yīng)用了電力電子行業(yè)的尖端技術(shù)，具有高性能、低污染、高效利用電能的特點。其工作原理是將50 Hz工頻電源通過整流變?yōu)橹绷麟娫�，然后�?jīng)由IGBT組成的具有脈寬調(diào)制型的逆變器，逆變成115 V/200 V、400 Hz的高品質(zhì)交流電源，該電源用于向飛機和機載設(shè)備提供起動、檢查或維修電能，是機電必需的地勤保障設(shè)備。靜態(tài)電源供電具有穩(wěn)定性好、維護簡單、使用方便等特點。
1 航空地面電源車的發(fā)展趨勢
航空地面電源車系統(tǒng)容易實現(xiàn)不中斷供電，飛機主電源若采用直流電源，可以大幅度減少供電中斷的可能性，系統(tǒng)的容量和體積將增加很多，發(fā)達國家的飛機制造公司提出了發(fā)展飛機高壓直流供電系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)由于電壓提高，使得配電系統(tǒng)質(zhì)量減輕，同時還保留了低壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)點，能夠適應(yīng)機電傳動系統(tǒng)和全電飛機發(fā)展的要求。通過研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的400 Hz交流系統(tǒng)相比，就對人身安全而言，270 V直流電更安全一些�？偠灾�，高壓直流供電系統(tǒng)將使得新一代飛機供電方式、飛機操控方式發(fā)生革命性的變革，尤其就飛機供電系統(tǒng)不中斷供電而言，將會帶來較大幅度地改善與提高。飛機采用固態(tài)配電系統(tǒng)是提高不中斷供電性能指標的另一發(fā)展趨勢。固態(tài)功率控制器(SSPC)是集斷路器線路保護功能和固態(tài)繼電器可靠性于一體的智能開關(guān)裝置，它采用功率MOSFET作為開關(guān)器件，具有開關(guān)速度快、無觸點、無電弧、電磁干擾小、可靠性高以及便于計算機控制等特點。在固態(tài)配電系統(tǒng)中，由于采用固態(tài)功率控制器代替了普通開關(guān)或自動保護開關(guān)，故電網(wǎng)短路時不會使電網(wǎng)電壓急劇下降，造成供電中斷。
2航空地面電源車的供電結(jié)構(gòu)
航空地面電源車供電結(jié)構(gòu)采用分散式供電方式，分散式供電的可靠性較高、承受故障的能力較強。目前，電源車供電主要是采用移動式分散供電，電源車供電主要應(yīng)用于民航機場和航空場站。根據(jù)其輸出特性，電源車可分為交流電源車、直流電源車，以及交直流兩用電源車三種，主要采用車載或拖車式移動電站給飛機供電。電源車主要選用無刷發(fā)電機，可產(chǎn)生115 V/200 V、400 Hz三相交流電源，交流頻率由電子調(diào)速器自動調(diào)節(jié)；28 V直流電源由三相全控橋硅整流、阻容濾波后獲得。在進行供電時，各個供電點將380 V、50 Hz市電分散接人各個飛機站位點，交流靜變電源利用整流與斬波技術(shù)和變頻技術(shù)將其轉(zhuǎn)換為115 V/200 V、400 Hz電源供飛機使用；直流靜變電源為各個站點飛機提供28 V直流電源供飛機使用。若使用長輸出電纜，在帶有負載的情況下線路壓降明顯，可根據(jù)負載電流按比例調(diào)高電壓進行補償。由于分散式供電方式供電站點多、供電線路長，容易造成線路電能損耗。因此采用高壓傳輸方式送電，克服了線路電能損耗導(dǎo)致的終端電壓降低的缺陷，保證了各分站點的供電品質(zhì)。航空地面電源車分散式供電結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
3航空地面電源車對電壓波形的要求
ISO采用總諧波含量和單次諧波含量作為衡量電壓波形的標準�？傊C波含量和畸變系數(shù)在表達式上是一致的，但受負載性質(zhì)、發(fā)電機結(jié)構(gòu)以及其他因素的影響，特別是電力電子設(shè)備的非線性負載特性以及交流電壓調(diào)制、頻率調(diào)制等因素的影響，實際的交流畸變電壓中不僅包括基波整數(shù)倍次的諧波分量，而且還包括非整數(shù)倍次的非諧波分量。因此，采用諧波含量分析方法所得的結(jié)果無法反映實際的電壓成分特性，采用畸變系數(shù)更為合理。半波整流和大量電力電子設(shè)備的使用給飛機交流電網(wǎng)帶來了直流分量污染，該分量可能會影響用電設(shè)備的正常工作，因此ISO對這一參數(shù)進行了限制。ISO對偏離系數(shù)進行了限制，但一般諧波含量或畸變系數(shù)已經(jīng)基本包含了對偏離系數(shù)的要求，通過計算也可以得到，只要滿足諧波含量的要求就不會超出偏離系數(shù)規(guī)定的范圍。
航空地面電源對交流電源電壓波形的要求如表1所示。
4航空地面電源車的線纜壓降補償技術(shù)
基于安全考慮，航空地面電源應(yīng)與飛機保持一定距離，地面電源與飛機的供電電纜存在固有線路電抗，當飛機電源系統(tǒng)突加大負載后，造成線纜的壓降升高，影響了遠端輸出端的電壓幅值，機載用電設(shè)備以遠端輸出端作為電源輸入，所以當線纜壓降過大時會影響航空地面電源供電質(zhì)量。對于交流電源系統(tǒng)，當負載不平衡時，由于各相流過的電流不同造成各相線纜壓降不同，在遠端輸出端則加劇了輸出電壓的不平衡度，故在大功率應(yīng)用場合應(yīng)考慮對線纜壓降進行補償。線纜壓降與線纜固有電抗有關(guān)，為降低線纜壓降可以采用多條線纜并行輸電的方式，相當于加粗導(dǎo)體以降低其電抗。線纜除了呈現(xiàn)出阻性電抗外還有分布式的電感量，相與相之間的耦合關(guān)系會導(dǎo)致即使各相負載一致而各相電纜壓降仍不一致的情況，故建議采用對稱線纜結(jié)構(gòu)。由于各相線纜的對稱性，所以任意兩相之間的耦合情況是一樣的，且相與相之間的互感部分抵消，從而降低了每一相的線路電抗。線纜壓降補償有多種方案，每種方案各有優(yōu)缺點，線纜參數(shù)補償方案精度高，但同時需要精確測量線纜參數(shù)，而且在測試線纜參數(shù)過程中比較繁瑣；遠端電壓反饋補償方法精度比較高，但對反饋線接觸可靠性要求也隨之提高；按輸出功率分段補償?shù)姆桨负唵畏奖悖珳蚀_性不高。應(yīng)結(jié)合具體實際，靈活采取不同方案去實現(xiàn)線纜壓降的補償。
5結(jié)論
在航空電源轉(zhuǎn)換過程中，出現(xiàn)供電中斷的情況是不可避免的，這對飛機的安全構(gòu)成了嚴峻的挑戰(zhàn)。本文從航空電源車的供電結(jié)構(gòu)、對電壓波形的要求以及線纜壓降補償技術(shù)等方面進行了分析，最大限度采用成熟技術(shù)和利用可靠裝備，進行基于不中斷供電技術(shù)的航空地面電源車改進方案研究。
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