飞机电源综合试验系统浪涌电压检测台的研制

关键词：飞机电源综合试验系统

源自：《测控技术》 2010年10月刊

谭众1 ，王武勇2
1.哈尔滨东安发动机（集团）有限公司
2.北京中科泛华测控技术有限公司应用工程师

Implement of Surge Voltage Test-bed for Airplane Power Supply
TanZhong1，WangWuyong2
(1.AVIC Harbin DongAn Engine (Group) Corporation Ltd.), Harbin 150066, China)
Abstract: The traditional surge voltage test-bed couldn’t capture and record voltage transients, and the results are difficult to carry on statistical analysis. To overcome the above deficiency, a new set of surge voltage test-bed is developed in the paper based on VI technology, and the design of load switching circuit and surge voltage calculation algorithm based on parabolic interpolation method are presented. Practical application shows that the system has a high degree of automation and is easy to operate, at the same time the measurement result is accurate.
Key Words：Airplane power supply; Surge voltage; Parabolic interpolation method

1前言
安全可靠的航空电源是飞机在执行飞行和战斗任务时的重要保障。衡量飞机电源品质好坏的方法是:在地面上，按照HB6448-90[1] 和GJB181-86[2]规定的测量和计算方法，对要求的各项参数进行全面测试并评定结果是否合格。一般需要测量的参数包括：静态参数、浪涌电压（动态电压）、动态频率、变速过程、电压调制、频率调制、波形分析、保护器动作时间测试等。
在这些参数中，浪涌电压是反映飞机电源性能的重要指标。浪涌电压是交流发电机在负载突加或突减时电压变化过程，该过程持续时间约20～100ms,传统的测试方法采用人工加载,难以捕获瞬态变化。而该系统以虚拟仪器技术为核心，采用基于PXI总线的高速数据采集卡和数字I/O卡,通过计算机自动加减载,可实时获得电压变化中各时刻采样值,并自动绘制直观的浪涌电压变化曲线。
2模拟负载与加载控制部分的实现
交流瞬态浪涌电压是在交流发电机负载的突加或突减过程中产生的，因此飞机电源综合试验系统浪涌电压检测台的模拟负载箱应能模拟飞机实际飞行中供电系统的负载组合情况，应提供多种模式的投切控制以完成供电系统的负载突加、突卸等试验。负载的容量应能模拟系统100％负载突加、突卸，负载大小分配应合理，能满足飞机上不同汇流条加载的需要。
2.1 模拟负载箱的组成
模拟负载包含直流负载箱和交流阻性负载箱。

直流阻性负载箱

模拟直流阻性负载网络部分由两个完全相同的负载网络组成，输出连接采用公共母线输出。继电器控制采用公共地线独立控制。直流负载箱结构如图1，可方便的自由
机载用直流发电机

图1直流阻性负载箱
组成1A～600A任意不同容量的负载以满足实际测量的需求。
b．交流阻性负载箱
交流阻性负载网络由三个独立负载组和交流接触器组成，以保证交流阻性负载的三相投切的同步。负载网络的输出连接采用公共母线排连接接线。交流负载箱结构如图2，可提供1～110KVA三相交流阻性负载组合以满足实际测试需要。

图2交流负载箱
2.2负载投切控制电路的设计
   由于发电机在负载突加或突减时电压变化过程持续时间约为ms级,因此负载的投切及电压测量通过计算机控制交直流接触器的通断自动进行，这就克服了以往靠人工操作造成动态过程难以捕获的缺点，从而极大的提高了测试的准确度。根据交直流负载箱的设计要求，计算机至少应提供19路开关量信号控制负载箱控制柜中交直流接触器的吸合，从而完成负载的自动投加。
2.2.1 DO卡的选择
本系统需要自动控制19路负载的投/切，同时考虑到硬件扩展裕度，最终选择了NI公司的32路数字量输出卡NI PXI-6514。该卡输出开关量电压范围为5V～35V，具有良好的隔离效果，隔离电压可达5000V，一百多毫安的漏极电流足以驱动普通继电器正常动作。当外接不同的负载时对应的电路图如图3、图4所示。

图3 外接阻性负载的电路

图4 外接感性(交流)负载的电路
2.2.2 负载驱动电路
由于PXI-6514输出的开关量信号不足以驱动负荷箱控制柜中的大功率接触器动作，因此必须设计驱动电路。负载驱动电路如图5所示。PXI-6514输出的开关量直接控制继电器通、断，这些继电器又进一步控制负荷箱控制柜中的大功率接触器动作，从而完成负载自动投加或切除。

图5   开关量输出电路
图中，DOOUT1～DOOUT32为DO卡输出开关量，OUTxa、OUTxb为各继电器常开触点信号，D1～D32为泄流二极管。继电器的电源及采集卡的VDD均接+24V，根据继电器线圈电流的大小选择R1～R32的阻值均为10KΩ。电路中的继电器选用833H-1C-C。
当PXI-6514相应位输出开关量为1时，相应继电器常开触点吸合，后级所接的大功率接触器的触点吸合，控制所接的负载加入。否则为0时，切除该路所接负载。
测量不同机型浪涌电压时，PXI-6514的输出信号根据航标HB6448—90的要求、各机型的额定负载大小以及负荷箱的实际配置情况决定。
3. 数据采集部分的实现
   数据采集部分用于实现被测信号的调理和采集。相应的硬件电路包括信号调理电路和数据采集卡。
3．1 信号调理电路设计
该部分电路用于将发电机的原始输出调理成与数据采集卡输入相匹配的电压信号。包括调理直流、交流电压的幅值；将各电流信号转换为电压信号；预滤波和信号隔离等。对于电压信号，通过电阻分压把原始的电压信号转换成幅值在±10V内的电压信号，为保证精度，经带通滤波和电压跟随器后进入数据采集卡。电流信号先经霍尔传感器后，再经信号调理电路进入数据采集卡。
3．2 数采卡的选型及操作
在该系统中，总共需要对23路模拟信号进行采集，且采样速度要求较高（每通道大于80KHz[1]），但不要求各信号同步采集。为此，考虑到系统以后的可扩展性，选用了两块NI公司16通道高速数据采集卡PXI-6250，它单通道采样时的最高采样率为1.25MHz，可外接16通道单端或8通道差分输入进行轮番采样。此外，该卡上还带有4095字节的缓冲用于高速信号采集，同时提供有1、10、100的可编程增益，使用起来非常灵活。
对该数采卡的操作可通过调用厂家提供的相关函数来实现。
4. 瞬态浪涌电压的测试方法
4.1瞬态浪涌电压的测试原理
浪涌电压分为过压浪涌和欠压浪涌。求出过压浪涌包络线最高峰的连续最大三点或欠压浪涌包络线最低谷的连续最小三点，按抛物线插值法求出峰值即为过压浪涌电压或欠压浪涌电压极值。
抛物线插值法原理如下[3]：
设给定函数，。已知在个互异节点的值。求n次插值多项式，使满足
     （1）
为此，可构造n次插值多项式如下：

               （2）
时，有
                    （3）
称为二次插值（抛物线插值）多项式。几何意义则表示通过三点的一条抛物线。
设抛物线方程为，已知三点，由抛物线插值法有，则
由最值定理，当时，有最值存在。即当时，最大值。
因此求连续最大的三个瞬态浪涌电压值，按纵坐标由大到小排序后，用抛物线插值法，抛物线的顶点值就是正、负浪涌电压值。
4.2 浪涌电压测试流程
浪涌电压测试时首先输出控制信号控制负荷箱，将10％P负载突加到85％P负载或将85％P 负载突减到10％P负载，同时系统进行采样，按单路波峰波谷采样方式，采集并求出瞬态过程每周期的电压峰值，将峰值电压除以即得瞬态浪涌电压。求出过压、欠压浪涌包络线最高峰、最低谷的连续最大三点，按抛物线插值法求出峰（谷）值即为浪涌过压极值，再绘制过压浪涌曲线（卸载时）或欠压浪涌曲线（加载时），对照GJB181－86要求的限制曲线即可检验浪涌过程是否合格。流程图如图6所示。
5 动态电压测试结果分析
对于瞬态浪涌电压的测试，一般通过绘制动态过程电压变化曲线并填充至MIL-STD-704C要求的限制曲线中以检验参数是否合格。即先求出动态过程每周波电压有效值，然后绘制有效值变化的包络线。在

图 6 浪涌电压测试流程
该系统中就是采用了这种方法求得交流电压(有效值)浪涌曲线的。通过计算机突加载、减载，测得过压、欠压曲线如图7所示，浪涌曲线均在要求的限制曲线范围之内，完全满足要求。
浪涌电压测试结果