（电力电子与电力传动专业论文）先进飞机电气负载管理技术研究.pdf

a b s t r a c t ni s 锄i n w i 协b l e 灯dt h a tt l 圮d i s 仃i b u t e da i r c r a f ip o w e r 趾d 卸t o m a t i cl o a d m 卸a g 锄e mt c c h l o 百e s 谢hb ea p p l i e di na d v 锄c e da h r 硪p o w e rs y s t e m ( a a p s ) b a s c d t h ed e t a i l 勰a l y s eo fa 讹m np o w c rs y s t e mc 伽l s h l l c t i 蛐锄d 胁i o n t l l i st l l e s i s d i s c u s s 豁锄dg i l l d i e st l l ef i l n c t i 伽i a l 孤a l y s i sa n dd e s i 印o ft l l ee l e c 伍cl o a dm 锄a g 锄e n t c e n t e r ( e l m c ) i nd e t a i l s e l e c 仃i cl o a dm 趾a g ec e i l _ t e r ( e l m c ) i s 卸i m p o r t a r l tc o m p o n c n ti nf l l l 6 l l i l l g 地 a u t o m a t i o fa v i 砒i o ne l c c 扛i c a il o a dc o n d la n dm 锄g e m e n t 1 1 1 ee l m c sp f i m a r yt a s ki s t 0r e c i e v e 佗i n f 0 彻a t i 觚mt l l ep s pt l l r o u 班t h eb 璐，i l lt l l es 锄et i i n e ，m o n i t o ra n d c o 曲同t l l es e c 伽db 惦o ft h ca i r c 豫彤se l e c t f i c a ls y s t e ma n dt l l es o l i ds t a n 玛p o w e r c o n 昀l e r s ( s s p c ) o f a d v 锄c e da i r c r 姐，t l l e i lt 0s 啪da l lm e i n f b m a t i o nt om cp s p d u f i n gt h ed e s i g no f t l l es y s t a l l ，m ed i s n a t i o nd e c i d e st ou t h e w a r ep l a t f o m w l l i c h i s f b 咖甜b y 坨d s p c o n 们1 l c r 锄d f p g a t o g e t l l 盯w i m t l ：屺觚a l l dp o 嘲f h l d a t a p r o c e s s i n ga b i l 毋o f t 1 1 ed s pc o n 嘶l l e r 锄dt l 垃a b 吼d a n ta n dc o n f i g u r a b l ep r o 芦啪i n gi ，o r e s o u r c e s 锄d 血ep r o g r a m m a b l ec a p a b i l 时o f 也ef p g 气m es ) ，s t e mc a i la c c o m p l i s ha l lm e t a s k sb e t 盯，s u c h 嬲c o n d i t i o i l i n gm u l t i p l ea n a l o gs i 鄹i a l s 锄dt l l ec o 咖l 锄dm 觚a g 锄e n to f m 1 1 l t i p l ed i g i t a ls i 掣l a l s s o 脚撇d e v e l o p m e n to f 也es y s t e mg r o l 】1 1 d so nm e 肛c o s i i a c c o r d i n gt ot l l e i ro w n f e 咖螂，t h e 印p l i c a t i o nm o d i l l e sa 托d i “d e di n t od i f 孤m tt a s l 【s 、：i ，i t hd i f 醯e mp f i o r i t i e s 1 1 l r o u g ht h es y s t 锄s e n ，i c e ，t l p c o s i ic 锄m a m 唾，ca l lt a s km o d i l l e s i l lo r d e rt oi l l l p r o v e t l l e e a l - t i i l l ea b i l i t yo f t l l es y s t e i n ，e v e r yt a s ki sd e s i 印酣砸mt l l ep r o g r a mm o d eo f c l 哪g e 锄d 删n p i l i i l gl 锄g u a g ec o m b i l l e d 、i t l le a c ho m 既u 咖gr t o s i nm es y s t e m ，m e r e l i a b i i 时a i l d 陀a l 垃m ea b i l 匆o ft l l es y s t e mc a l lb ei l i l p r o v e dg f e a t l y ，狮dm es o f h a r c s y s 缸nc 趾h a v eam i ) 他c l e a l l yl a y o 吨t h es o n 慨i r es y s t e mh a v eak t c re x p 锄d a b l e a b i l 姆 k e yw o r d s ：e l e c t r i c a ls y g t e i n ，e l e c m cl o a dm a l l a g ec e n t e r ，p o w e rs y s t e mp r o c e s s o r i i 西北工业大学硕士学位论文 概论 1 1 飞机电气系统概述 第一章概论 飞机电气系统由供电系统和用电设备组成，是现代飞机动力系统的一个重要组成 部分。供电系统是指电能的生产、变换、控制和输配系统，其作用是向飞机上的所有 用电设备( 如飞控系统、航电设备、武器控制、照明设施、防冰与环控系统等) 提供满 足规定技术性能的电能，保证用电设备的正常工作，使飞机能够安全飞行完成作战任 务“1 。从功能上可将飞机供电系统划分为电源系统和配电系统两大部分。 1 1 1 飞机电源系统 电源系统是电源到汇流条之间的部分，主要由主电源、二次电源、应急电源和辅 助电源组成“”。主电源由航空发动机传动的发电机和电源控制器等组成。二次电源将 主电源电能变换为另一种形式的电能。应急电源是一个独立电源，当飞行中主电源发 生故障，由应急电源向飞机上重要用电设备供电。航空蓄电池和辅助动力装置是飞机 上常用的辅助电源。 现代飞机电源的类型包括：恒速恒频交流电源( 1 1 5 v 4 0 0 h z ) 、变速恒频电源 ( v s c f ) 、变换器式变速恒频系统、高压直流系统( l v d c ) 。 下面是几种常用电力系统的综合对比表“”： 表卜1 电力系统综合对比 变频恒频混合变换器式变速高压直流系 相对权数恒速恒频系统 系统恒频系统统 可靠性3 01 2 92 7 32 7 63 0 费用 2 42 4 o1 7 81 7 o2 0 2 重量 2 01 3 21 5 2 1 5 62 0 0 维修性 2 01 0 41 9 61 9 2 2 0 o 性能 64 84 8 6 o5 6 总计1 0 06 5 38 4 78 5 49 5 8 现今广泛使用的是1 1 5 v 4 0 0 h z 的恒速恒频交流系统，但从表中可以看出高压直流 系统与其他系统相比具有更大的优势： ( 1 ) 重量轻： 西北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 效率高； ( 3 ) 易实现不中断供电； ( 4 ) 史能适应电力作动系统等高技术用电设备： ( 5 ) 与变速恒频系统相比，高压直流系统的滤波要求要小的多。 1 1 2 配电系统 配电系统是从电源汇流条到用电设备输入端的部分，飞机的配电系统由电网、配 电装置和电网保护装置组成，它的作用是将电源产生的电能传输和分配到飞机各用电 设备上去。随着飞机性能的不断提高，机载用电设备越来越多，其任务越来越繁重， 而机载用电设备对飞机安全飞行和成功执行任务起着关键或重要的作用，因而要求为 其供电的供电系统容量不断增大，系统的可靠性、安全性增高，使得配电系统的组成 及结构形式越来越复杂，技术水平越来越高。为了适应这些需要，到目前为止，飞机 配电系统按控制方式通常分为三种，即常规式配电、遥控式配电和自动配电三种。 常规配电系统在技术上已经成熟，目前应用非常广泛，但其缺点是电网重量大， 空勤人员负担重。遥控配电系统由于大部分电力线不需要敷设到驾驶舱，因而可大大 减轻电网重量，但其缺点是离散控制线过多，自动化程度不高。 在电气多路传输的先进飞机配电系统中采用了分布式汇流条和负载自动管理技 术，这种配电系统的控制方式取消了众多的离散信号控制线，由计算机通过多路传输 数据总线传递控制信号和状态信息，经固态功率控制器( s s p c ) 对用电设备进行控制和 保护，由座舱内的综合显示装置显示系统状态“1 。此配电系统采用分布式汇流调配电 方式，飞机座舱中无需设置中心配电装置，用电设备就近与配电汇流条相连，由s s p c 提供馈电保护功能。在配电系统中，微型计算机代替了飞行人员的操作，每个功率控 制器接通或断开电气负载必须按负载要求的逻辑方程进行，飞机上每一个电气负载都 对应着一个逻辑控制方程，逻辑控制方程中的每一个条件信息将通过系统飞行状态、 电源系统状态、电气负载状态等有关的物理量反映给电气负载管理中心( e l m c ) ，由集 散型控制方式下的电源系统处理机( p s p ) 寻址每一个e l m c 采集这些信息，按逻辑控制方 程解算，把解算结果的控制信息通过多路数据总线传递到e l m c ，对电气负载进行接通 断开控制。仅按电气负载的逻辑方程进行控制是不够的，还必须按整个系统所要求的 程度进行，例如负载启动顺序、负载优先级管理、故障检测和转换程序等。正常情况 下，驾驶员不需要再来监控设备的用电情况，因为这些都可以由p s p 自动完成，这就大 大减轻了飞行人员负担，实现了配电的自动化，减少了人为的故障因素。除此之外， 这种系统由于负载是接在e l m c 和r t 上的，可扩展性和可维护性好。因而是下一代先进 2 西北工业大学硕士学位论文 飞机配电系统的发展趋势“。 从国外的研究和实践来看，飞机配电系统发展的总趋势就是采用分布式配电和负 载自动化管理技术。采用分布式配电，可以大大提高配电可靠性，增强安全性，减轻 配电系统重量，提高功率使用和负载管理的效能。采用负载自动管理技术以后就可以 根据飞机发电容量的大小、供电系统的完好程度以及飞机不同的飞行阶段自动的断开 和接通用电设备，使系统具有重构的能力，从而保证飞行任务关键负载的可靠供电m 1 。 采用分布式配电和负载自动管理的多路传输技术系统，有着常规配电系统无法比拟的 优越性，因此分布式配电和负载自动管理技术代表着当今飞机供电系统的发展方向， 加强对该项技术的研究己刻不容缓 先进飞机自动配电系统具有如下特征： a ) 实现负载的自动管理 负载自动管理系统可对配电系统所要求的功率与电源系统所能供给的功率进行合 理调度分配，达到电源设备的最有效的利用，该系统可以有秩序地给分布式电力汇流 条加载或卸载，实现发电机负载的逐步建立，这可避免大负载的突加和突卸所引起的 电压波动，从而保证了供电质量。当飞机在应急状态时( 战斗损坏或故障) 可以按负载 管理的优先级卸载，保证向关键飞行负载供电，这样就可以在有限功率的条件下提高 飞机安全返航的概率。 b ) 提高供电系统的可靠性 由于先进配电系统易于采用余度和容错技术，可以使系统在单点和多点故障的情 况下仍能向负载供电。同时，由于采用了自检测( b i t ) 技术和专家诊断系统，可以及时 发现故障和预测故障。 c ) 节约空间、减轻供电系统重量 驾驶舱可除去中央配电系统，空间增大。采用的分布式汇流条、远终端和负载管 理中心均可放置得离负载较近，使功率线的长度可以根据负载分布来裁减，从而减少 了电线长度，减轻了重量。 d ) 提高配电系统的维护性 硬线电网维护上的最大困难点在于确定故障点，往往需要很复杂的人工测试过程， 既费时又费力，而先进配电系统则当飞行中发生故障后除可对故障设备进行余度转换 以保证系统正常工作外，还可由自检装置将故障信息存入故障显示装置的非易失性存 储器中，地勤人员可利用专门的地面检测设备寻找出故障以至再现故障，很快判别出 故障点，可以迅速更换故障设备。 e ) 提高配电系统的可扩展性 使用先进配电系统按照标准化、模块化和通用化进行设计，维护方便，适应性强， 西北工业大学硕士学位论文 在飞机改型，扩大功能和增加新设备时，般只需对软件作一定的修改即可完成系统 的重构，因两可降低研制费用及改型费用。先进配电系统的上述特点在a - 7 攻击机和b l 轰炸机中得到证实。 1 2 研究背景与国内外发展现状 1 2 。1 研究背景 随着电子、计算机技术的高速发展，杌载电气设备的大幅度增加，如电力作动系 统、雷达、电子干扰、红外设备等，使得供电系统容量迅猛增长，同时对电源质量和 可靠性有了更高的要求。特别是全电飞机和多电飞机供电系统提出以后，传统的辐射 式的集中配电系统在可维护性、扩展性、可靠性以及自动化程度方面均无法适应飞机 发展的需要，因而迫切要求改变现有的配电控制管理系统，研究新型的配电系统。 本专业对飞机电气多路传输系统体系结构、先进电源技术、分布式输配电结构、电气 负载自动管理技术和电气系统容错技术等进行了系统研究。在电气多路配电系统中， 一级配电是由汇流条控制器完成的，二级配电是由电气负载管理中心( e l m c ) 来管理和 控制的。随着飞机性能的不断提高，机载用电设备越来越多，其任务越来越繁重，因 而对大量的机载用电设备进行正确的供电管理和控制对飞机的安全飞行和任务的成功 执行起着关键作用，所以，研究高容错性、高可靠性的负载管理中心是当务之急。 飞机电气负载管理中心( e l m c ) 既是配电系统的一部分，也属于航空电子综合系统 的一部分，它的主要功能就是完成机上电气负载的配电管理及控制功能。 1 2 2 国外发展现状 国外很早就开始研究航空电气综合控制技术。6 0 年代，美国开始研究采用电气多 路传输系统的配电系统，并于7 0 年代在大型战略轰炸机( p 1 ) 上投入使用，8 0 年代以 后，美国于f 1 6 ，y a h 一6 4 ，b 一5 2 以及海军l a m p s 舰载直升机中使用了分布式配电及负载 自动管理技术，使飞机在可靠性、生存能力、可维护性和灵活性等方面均有很大改善 0 1 。容错供电系统的特点主要突出在以下几个方面：用固态功率控制器( s s p c ) 替代电磁 式开关；采用负载自动管理技术：以1 5 5 3 b 作为飞机电气系统的多路数据传输总线； 使用嵌入式微处理器等“”。目前，美国最先进的f 一2 2 战斗机和p 7 以反潜机都采用了 容错供电系统。9 0 年代，美国空军积极发展多电飞机，用电设备急剧增加，电源容量 相应增加，因此，必须采用分布式配电布局、负载自动管理和容错配电系统。 在国外，先进飞机配电系统已在许多新型飞机上投入使用，使飞机的供电系统技 4 西北工业大学硕士学位论文 术与飞机的航电系统、飞控系统( f b w ) 和发动机控制系统( f a d e c ) 技术处于相当水平， 提高了飞机的整体技术水平。 1 2 3 国内研究现状 我国飞机航电系统、飞控系统近年来通过对某些型号飞机的研制有了长足的进步， 而飞机配电系统技术多年来没有得到足够的重视，在国内的型号研制中没有明显的发 展，由于飞机配电系统技术的滞后阻碍着其它机载系统性能的提高，从而影响飞机的 整体性能旧1 。从近几年我国新型号飞机的研制情况看，飞机配电系统及设备的滞后发 展己对飞机的研制进程产生了许多不利的影响。要缩短这一差距，仅靠理论研究是远 远不够的，必须进行工程化研究。 其与飞机上的航电系统、飞控系统( f bw ) 和发动机控制系统( f a d e c ) 技术相比，国 内飞机配电系统技术一直处于落后状态。从7 0 年代起，我国几所高等院校就开始研究 先进飞机配电系统，但限于经费及当时的工业基础，只是从原理及方案方面跟踪国外 先进水平。8 0 年代后，相继开展了1 5 5 3 b 数据总线、发电机控制器( g c u ) 、固态功 率控制器( s s p c ) 、电气负载管理中心( e l m c ) 的研究，但只是对一些主要部件进行独立 研究，没有系统化，所以不能进行全套地面模拟系统试验研究及技术验证，因而与国 外先进配电水平仍然存在较大差距。因而迫切要求改变现有的电源控制与管理系统， 采用一套先进的电气多路传输技术，以适应新一代先进飞机的性能要求，缩小与发达 国家的差距”。 1 3 课题来源和主要研究内容 1 ) 课题来源 在上述背景下，本教研室在近几年承接了“九五”、“十五”国家重点预研项目 课题，搜集了国内外广泛的资料，有针对性地消化了c s a 飞机、i l - 7 6 飞机、b 7 4 7 飞机、a 4 0 0 m 飞机供电系统的设计思路、采用了先进的技术和各自明显的特点，完成 了负载管理中心原理样机的设计与实现，并与电源系统处理机( p s p ) 、远程终端( r t ) 、 负载仿真器等一起构成地面实验系统，积累了丰富的经验并取得了大量实质性的成果。 电气负载管理中心( e l m c ) 是飞机配电系统的一个重要部分，它监控与二级配电汇 流条相关的各个模拟量与数字量，通过1 5 5 3 b 总线将相关数据传递给p s p ，并接收来 自p s p 的控制指令，继而控制继电器以及s s p c 。这一系统的可靠性和电源的质量水平 应符合飞机的负载要求。 2 ) 主要研究内容 西北工业大学硕士学位论文概论 1 飞机电气系统总体设计方案 明确了电气系统与综合航空电子信息系统( d a i s ) 之间的关系，对飞机电气系统需 求进行分析，并进行电气系统总体方案论证设计。参考国外对先进飞机电气系统( 从e s ) 的基本要求，提出设计方法，对飞机供电系统、配电系统、控制系统以及数据总线进行 方案设计，最后从模块化、标准化和智能化的要求出发对飞机电气负载管理中心( e l m c ) 进行原理性设计。 2 e l m c 的功能需求分析 根据大型飞机设计提出的供电系统及配电系统结构，对电气负载管理中心进行了 功能分析、外部接口以及电气负载分析，明确了电气负载管理设计的目标，使其满足 飞机供电系统及容错供电系统要求。 e l m c 通过1 5 5 3 b 总线( c a n 总线) 与电源系统处理机( p s p ) 保持联系，并接收p s p 的 指令，使e l m c 对固态功率控制器( s s p c ) 分布式电力汇流条进行检测与控制，并能实 时自诊断( b i t ) 。 3 电气负载管理中心( e l m c ) 的设计 飞机电气负载管理中心( e l m c ) 是具有处理能力的分布式负载中心。在处理软件的 控制下，以供电系统处理机( p s p ) 的命令、分布式电力汇流条电压和应急模式选择器的 状态为依据，使负载管理中心的固态功率控制器和转换继电器动作。负载管理中心通 过串行总线( m i l - s t d - 1 5 5 3 b 或c a n ) 接收p s p 的指令并发送状态信息给p s p 。 完成了e l m c 的方案设计，据此将整个e l m c 划分为电源模块、c p u 中央处理模块、模 拟量采集与调理模块、继电器控制和电力二极管管理模块、状态量监测控制模块、通 信模块。 4 e l m c 软件体系设计 根据模块化、结构化的设计思想，可以把e l 眦控制中心的软件体系分为执行软件 ( 系统软件) 和应用软件( 模块软件) 两大部分：e l m c 控制中心的执行软件应当是一个嵌 入式实时操作系统( r t o s ) ，其中应用软件的运行与外部实时通道协调一致。e l m c 控制 中心的应用软件主要是指完成系统中各模块的具体工作的软件模块，在结构上体现为 是执行软件( 嵌入式实时操作系统) 的各种任务。 6 西北工业大学硕士学位论文 e l m c 方案设计 第二章e l m c 方案设计 e l l c 应该满足航空电子和现代飞机容错供电系统要求，并且达到实时性、可靠性 以及电磁兼容性要求。航空电子综合系统的发展方向是全分布式结构和信息高度综合， 下一代航空电子综合系统的突出特点将是继续沿综合化的方向发展，要求航空电子综 合系统以及航空电子综合系统的子系统具有模块化、标准化、智能化和可维护性这样 一些特点。 2 1 总体方案 2 1 1e l m c 综述 对于供电系统来说，e l h i c 必须给关键飞行和关键任务负载输送高质量和高可靠性 的电力，这些负载对可靠性及供电中断时问的要求决定了它们需要的电源不止一个， 这些负载可由一个e l m c 或者几个e l m c 供电。e l m c 的主要功能是二级配电，也就是向 分布在飞机各处的小功率负载供电。鉴于负载的数量非常多，分布范围广，因此在设 计e l m c 时，我们就应该综合考虑这些情况，保证向负载供电的可靠性。 飞机电气负载管理中心( e l m c ) 是具有处理能力的分布式负载中心。在处理软件的 控制下，以供电系统处理机( p s p ) 的命令、分布式电力汇流条电压和应急模式选择器的 状态为依据，使负载管理中心的固态功率控制器和转换继电器动作。负载管理中心通 过串行总线( m i l s t d - 1 5 5 3 b 或c a n ) 接收p s p 的指令并发送状态信息给p s p ，从而实现负 载自动管理。e 瑚c 在系统中所处的位置如图2 1 所示： 图2 1e l m c 综合控制系统 西北工业大学硕士学位论文e l m c 方案设计 入 夏薯 图2 - 2 飞机电气系统方案 负载自动管理实际上可分为两种情况。 ( 1 ) 当飞机处于正常飞行状态时，仅有飞行任务阶段数据来决定负载的通断，也就 是说，与当前飞行任务相关的负载接通，而与飞行任务无关的负载则断开。 ( 2 ) 当系统出现过载时，一般可分两级进行管理：第一级，当检测出系统过载后， 就把e l m c 从过载或故障的发电机通道转换到另一个可用的发电机通道，从而消除过载 情况。第二级，如果过载依然存在，就切除个别负载，那些和当前任务关系最小的负 载首先被切除。如果转换e l m c 会引起发电通道过载的话，将越过第一级进行处理。另 外，在进行负载自动管理时，系统应根据实际情况设置多个负载管理优先级。通常情 况下，负载管理优先级设为l ，即所有负载都能用于飞行操作。在其它优先级中，只有 那些与具体任务阶段有关的负载才能工作。由于每个优先级代表不同的用电水平，这 就使任务负载能更精确地和系统发电容量相匹配。 2 1 2e l m c 的外部结构 电气负载管理中心( e l m c ) 是先进飞机配电系统的主要部件，它负责接收电气系 统处理机( p s p ) 通过数据传输总线下达的布局命令和供电请求，并实时采集负载状态 及汇流条状态，然后解算相关的电气负载方程，经由内部的局部总线发送给固态功率 控制器( s s p c ) ，控制负载的供电，从而实现配电自动化。 e l 主要包括两部分：配电中心和控制中心，其系统功能如图2 3 所示，配电中心 西北工业大学硕士学位论文e l m c 方案设计 主要控制飞机配电系统以及供电故障信号。控制中心是整个系统的核心，通过接收外 部总线数据以及负载和汇流条信号来实时管理负载。 m i l s t d 1 5 5 3 b 数据总线 释 a c 汇流条 i i il d c 流条l il 蕈皇垫垄亟墨 | il o - d iil o “i - - - 叫- - - - _ j 图2 3e 删c 的电气负载控制图 e l m c 配电中心的功能是实现一级汇流条向配电汇流条供电；控制中心则是在处理 软件的控制下，以电源系统处理机( p s p ) 的命令、二级配电汇流条及负载当前状态和 当前飞机飞行模式的状态为依据，对负载管理中心中的固态功率控制器和转换继电器 进行动作。也需要系统能够满足实时性和稳定性的要求。 2 1 3 配电中心 1 ) 主配电中心 主配电中心由主电力汇流条( 包括主交流汇流条、主直流汇流条和主蓄电池汇流条) 组成，它直接从发电机通过相应变换获得电能。主要用于对馈电网整体的控制和保护。 具体包括： ( 1 ) 为各个智能控制终端提供电能：智能控制终端是指用于监控配电系统的控制装 置，如负载管理中心、发电机控制装置以及远程终端等； ( 2 ) 为大型负载提供电能：通常我们将电流在7 5 安培以上的负载都归类为大型负 载。主电力汇流条通过机电功率控制器( e m p c ) 为大型负载供电，e m p c 具有控制和保护 功能。 ( 3 ) 为靠近主汇流条的负载提供电能：对直接由主电力汇流条供电的负载来说，主 电力汇流条被看成负载的一部分。 2 ) 二级配电中心 主要由智能控制终端负载管理中心( e l m c ) 的配电中心组成完成将电能传输给电 气负载，并由s s p c 对电气负载进行电源控制和过载保护。e l m c 的数量与飞机类型、 电气负载总量和用电量均有关。e l m c 之间是相互独立的，只与其周边负载有关，而之 间没有任何直接联系。 9 西北工业大学硕士学位论文 e l m c 方案设计 配电中心采用基本布局，其布局图如图2 4 所示。这种布局由三个配电汇流条构 成：一个直流汇流条、一个交流汇流条、一个蓄电池汇流条。直交流汇流条与蓄电池 汇流条通过转换继电器进行交换配电。 蓄电池汇流条主要由直流汇流条供电，直流汇流条供电中断时蓄电池汇流条作为 备份电源。以满足供电中断要求。采用汇流条选择继电器以便在交流电源或直流电源 间切换，这样就等于为负载又多增加了一个电源输入，增加了系统的容错能力。蓄电 池汇流条与蓄电池和低压直流汇流条之间有两个隔离二极管，通常情况，低压直流汇 流条给蓄电池汇流条供电，当出现故障时，蓄电池给低压直流汇流条供电。 w i 口”d c - m 茑v m w 畦州v 控制中心控制中心控制中心控制中心控制中心 图2 4 二级配电中心布局 分析表明，增加冗余电源和选择继电器可以提高供电系统可靠性，提高了电气系 统的容错能力。 2 1 4 控制中心 1 ) 控制中心 飞机电气负载管理中心是具有处理能力的分布式负载中心，在处理软件的控制下， 以供电系统处理机的命令、分布式电力汇流条电压和负载优先级及状态信息为依据， 使负载管理中心的固态功率控制器和转换继电器动作。控制中心又称为电气远程终端 ( e r t ) ( 如图2 5 ) 所示，基本型的e r t 是一个单通道系统，由电源、中央处理单元、存储 器、总线接口单元、模拟输入输出、并行输入输出组成。 1 0 西北工业大学硕士学位论文e l m c 方案设计 局。 控制中心布局可分为三种：l 、单通道布局；2 ，双通道布局：3 、双电源单通道布 数据和地址总线 图2 5 单通道布局图 当一个系统由许多设备或者元器件组成时，如果在这些设备或者元器件中有任何 一个失效就将导致整个系统失效，我们称这种系统为串联结构，这种结构的可靠度r ( t ) 为： r ( t ) = r i t t ) r 2 ( t ) - - - r m t t ) 其中r ( t ) 为系统中基本单元( 基本单元可以是元器件设备，也可以是分系统) 的可 靠度。 双通道e r t 包含两个相同的单通道e 盯，两个通道的数据总线和地址总线间有一总 线连接线。图略。 双电源单通道布局： 敦据和地址总线 图2 - 6 双电源单通道布局 在一般规模较大的系统中，零件或者设备都具有一定的贮备，并联结构就是其中 的一种形式。并联结构又可分为冷贮备和热贮备。所谓冷贮备是指贮备的备件在贮备 时不参与工作，并且在贮备中不会出现失效，贮备时间的长短与以后使用时的寿命也 无关；热贮备乃是贮备的备件也参与工作，也就是说参与工作的设备数量大于实际所 必须的数量，这种系统我们叫它冗余系统。冷贮备的框图如图所示，可靠度为： 西北工业大学硕士学位论文 e l m c 方案设计 即，= 喜c 群击矿 胄( ，) = ( 兀亡矿 j - l- l7 7 其中xi 为系统中基本单元l 的失效率。热贮备的可靠性框图如图2 7 所示，其可靠 度为： 斤r = 卜 1 喝俐 1 喝俐 - - - 1 响俐 埘 啦 付 槲 1 二二卜 二) ( t = 卜 t 埘l 苷尉目尉 冷贮备热贮备 图2 7 可靠性框图 考虑3 种类型的e r t 布局。基本型的e r t ( 图2 5 ) 是一个单通道系统，由电源、中 央处理单元、存储器、总线接口单元、模拟输入输出、井行输入输出组成。可以看 出，供电电源与其他的元器件分系统属于串联结构。单通道e r t 的可靠度。 r 1 = o 9 9 9 6 3 4 9 1 2 9 ，故障率q l = 3 6 5 1 0 。设单通道e r t 的供电电源可靠度为 r p o w e r ，分系统可靠度为r 1 0 a d ： r p o w e r = o 9 9 9 9 2 ； r p o w e r r 1 0 a d = r 1 ； 于是，r l o a d = 0 9 9 9 7 1 4 8 9 0 。 双通道e r t 包含两个相同的单通道e 盯。根据可靠性理论，双通道e r t 的可靠 度：r = r m 2 + 2 c r m ( 卜r m ) r s c 。 其中，r m 为模块可靠度，r s c 为模块错误检测电路和切换电路的可靠度。c 为有效 系数，定义为存在故障的情况下，检测出故障与重构成功的概率。假定c = 1 ，r s c = 1 ， 可求双通道e r t 的可靠度r 2 ： r z = l 一( 1 一r 。) ( 1 一r - ) = o 9 9 9 9 9 9 8 6 6 7 双电源的单通道e r t ( 如图2 7 ) 是一种混合式的系统。根据可靠性理论，可求双 电源的单通道e r t 的可靠度r 3 ： r 3 = l 一( 1 一r p o w e r ) ( 1 一r p o w e r ) r 1 0 a d = o 9 9 9 7 1 4 8 8 ； 以上三种布局都采用内部并行总线方式。基本布局结构简单但可靠度最低；双通 西北工业大学硕士学位论文e l m c 方案设计 道布局结构复杂，内部模块繁多，体积庞大，可靠度最高；双电源单通道增加了一组 电源，但系统可靠度增加甚微。按照航电系统智能化，模块化发展标准，而且本系统 当前处于研制阶段，考虑以后的扩展和升级。于是将单通道进行了改进，改进后布局 如图2 8 。 内 部 总 线 图2 8 改进后单通道布局 2 8 中除电源外，其它模块均为智能模块，说明如下： ( 1 ) 外部总线为m i l _ s t d - 1 5 5 3 b ，通讯接口单元和p s p 通过外部总线来交换数据。 ( 2 ) 通讯接口单元是专用的1 5 5 3 b 通讯端口控制器。 ( 3 ) 电力监控模块监控汇流条电压和二极管状态，同时进行汇流条继电器的监控和切 换。 ( 4 ) 每个s s p c 模块可以控制1 2 个s s p c ，而实际系统需要控制1 0 0 个以上，设计成智能 化和标准化易于系统扩展。 ( 5 ) 伺服系统通讯模块与伺服系统通讯以监控伺服电机状态。 ( 6 ) 内部总线可选用c a n 等一些高速短距离总线方式。 考虑到飞机可靠性和冗余度要求，在型号飞机上进行工程应用时，至少应该使用双 通道的e r t 。电气负载管理中心的内部功能图如2 9 所示： 西北工业大学硕士学位论文e l m c 方案设计 图2 9e l m c 内部功能 2 ) 控制中心接口 e l m c 控制中心外部连接如图2 1 0 所示，配电中心模拟飞机配电系统产生各种信号 源以及故障状态，并接收控制中心命令来切换汇流条。s s p c 和伺服系统均为飞机负载 控制系统，控制中心通过它们来管理负载。控制中心和p s p 通过1 5 5 3 b 总线方式交换飞 机电气和负载数据。 图2 一l oe l m c 控制中心外部连接图 接口信号如下 控制中心和配电中心接口信号：3 路1 1 5 v 4 0 0 h z 交流、5 路2 8 v 直流、5 路2 7 0 v 直 流电压信号： 控制中心和p s p 接口信号； 控制中心和s s p c 接口信号：s s p c 状态、故障、控制信号； 控制中心和伺服系统接口信号：电机的转速、转向、状态、电流信号。 2 2 电气负载管理中心( e l m c ) 的功能和需求分析 大型飞机配电控制系统是由供电系统处理机( p s p ) 、电气负载管理中心( e l m c ) 1 4 西北工业大学硕士学位论文e l m c 方案设计 和汇流条控制器组成的分布式网络。配电系统的各个单元通过数据传输总线传递信息。 供电系统处理机控制整个电气系统，电气系统状态信息由配电系统中的电气负载管理 中心和汇流条提供给( p s p ) ，同时( e l 脱) 作为p s p 的一个终端，通过数据传输总线 与p s p 通讯。 1 ) 负载管理中心e l m c 的基本功能分析如下： a ) e l m c 通过1 5 5 3 b 总线( c n 总线) 与p s p 保持联系： e l 胍接收p s p 的指令： a 、s s p c 优先级： b 、期望的交流转换继电器位置； c 、期望的直流转换继电器位置； d 、s s p c 供电请求； e 、差动故障抑制。 e l m c 发送状态信息给p s p ： a 、汇流条电压数据：a c 、d c 、b a l v r e r y ： b 、继电器状态数据； c 、二极管状态数据； d 、s s p c 状态数据。 b ) e l 胍对s s p c 的控制： a e l m c 在内部每个循环周期对s s p c 进行优先级处理( 根据每个周期p s p 所给的优 先级) ： b e l 眦向s s p c 模块发送控制命令，取s s p c 状态数据命令：状态信号和跳闸信号： c e l m c 接收并处理来自s s p c 模块的状态数据。 c ) e l m c 对分布式电力汇流条的检测与控制： a 从本区传感器处接收继电器的状态，并根据p s p 发的对继电器的指令来控制继 电器： b 向模拟量模块发送状态数据命令：交直流汇流条、蓄电池汇流条电压数据，蓄 电池汇流条上的两个二极管的状态数据； c 接收并处理来自模拟量模块的状态数据：交直流汇流条、蓄电池汇流条电压数 据，蓄电池汇流条上的两个二极管的状态数据。 d ) e l m c 的自诊断( b i t ) a s s p c 模块的自诊断：事实上s s p c 控制模块始终对所有s s p c 实时进行着自检 测； b 完成包括c p u 、a d 采集卡和数据线通信接口卡等的自检测及模拟量模块的自 诊断。 西北工业大学硕士学位论文e l m c 方案设计 2 ) e l m c 的性能要求 供电系统的任务是提供符合规定技术性能的电能。具体到e l m c 就是尽可能保证 输出到各负载的电能符合质量要求。飞机上的某些负载对供电质量极度敏感，对电压 值及其波动，供电中断时问有严苛的定义，而e l m c 的功能就是保证向各小功率负载 供电，因此这就要求e 1 m c 在有效地获取各不同汇流条的电能参数的同时，根据参数 提供的信息作出相应的判断与控制，这一点在故障状态下体现的尤为重要。如美国军 标m i l s 1 d 7 0 4 e 就对飞机供电特性有着严格的要求。根据g l b 1 8 1 a 标准，e l m c 中 各分布式汇流条在不同阶段有不同性能指标。 除了对供电特性的要求之外，设计e l m c 时候还要必须考虑其它方面的需求，其 中，在供电系统的实际设计中，有大量的离散i ，o ，2 0 由e l m c 和g c u 分别处理，它 们的时间响应对于供电特性的满足有着重要的影响。 e l m c 与p s p 之间的通讯包含了多种信息，主要内容是e l m c 采集的状态和p s p 发 送的控制命令，它们的时间特性对供电系统的时间响应至关重要。 2 2 1e l m c 外部接口要求 e l m c 外部接口包括与主汇流条的接口、数据总线接口、离散量信号接口以及与 s s p c 的接口等，具体要求如下： e l m c 内部设置有3 个汇流条，直流汇流条、交流汇流条可以由两个直流汇流条或 交流汇流条通过转换继电器提供。蓄电池汇流条主要由直流汇流条供电，直流汇流条 供电中断时蓄电池汇流条作为备份电源。以满足供电中断要求。采用汇流条选择继电 器以便在交流电源或直流电源问切换，这样就等于为负载又多增加了一个电源输入， 增加了系统的容错能力。蓄电池汇流条与蓄电池和低压直流汇流条之间有两个隔离二 极管，通常情况，低压直流汇流条给蓄电池汇流条供电，当出现故障时，蓄电池给蓄 电池汇流条供电。另外，飞机上某些用电设备对不间断供电时间的要求比较高，它们 一般都自带有蓄电池，在正常情况下，由交流或直流汇流条供电，若汇流条出现故障， 则由自身的蓄电池供电。 e l m c 设置有1 5 5 3 b 数据总线接口，通过该接口与p s p 进行通信交联，接收p s p 传 送的负载控制命令，控制s s p c 的接通或断开，实现相应负载的供电和保护，并向p s p 传送内部汇流条以及s s p c 等的状态和故障信息。 e l m c 设置有离散信号量输入接口，用来监控飞机负载的人工通断控制信号，以 完成相应负载的供电控制。 1 6 西北工业大学硕士学位论文e l m c 方案设计 2 2 2 电气负载分析 1 负载分类 飞机电气负载按重要性可分为关键飞行负载、关键任务负载、非关键飞行负载。 1 ) 关键飞行负载：它为保证飞机飞行安全所必需的用电设备。如果这些设备失效， 不仅会引起飞行任务的中止。还会导致损毁飞机。因此，对于此种负载，要求有冗余 备份。 2 ) 关键任务负载：它为完成特定的任务所需的用电设备。其功能失效将使飞机无法 完成预定的任务。飞机上多数负载属于关键任务负载，这些负载多数具有硬件冗余或 者功能冗余。 3 ) 非关键飞行负载：指飞机上除了关键飞行负载、关键任务负载之外其它的用电设 备。 飞机按用电类型可划分为2 8 v 直流负载与交流负载。 1 ) 2 8 v 直流负载：由2 8 v 直流汇流条供电的负载。 2 ) 2 8 交流负载：由1 1 5 v 4 0 0 h z 交流汇流条供电的负载。 负载按供电对象可分为大功率负载和一般负载两类：， 1 ) 大功率负载：交流电流在7 5 a 、直流电流在1 5 a 以上的负载，这些负载直接由主 配电中心汇流条通过e m p c 供电。 2 ) 一般负载：交流电流在7 5 a 、直流电流在1 5 a 以下的负载，这些负载一般由e l i c 汇流条通过s s p c 供电，大多数负载都属于这种情况。 要做到负载的合理配置，就必须综合考虑负载的供电类型、功率大小以及负载的 位置，只有这样才能使电网的结构及控制合理简单。 2 负载管理优先级划分 合理的负载管理增加了在完成任务的前提下减小发电容量的可能性，一般可以分 为两级进行管理。第一级，当检测出系统过载后，就把e l m c 从过载的发电机通道切换 至另一个发电通道，从而消除过载：第二级，如果过载仍然存在，就切除个别负载，那 些与目前任务关系最小的负载首先被切除，因此这就需要知道当前任务各个负载的优 先级。如果转换e l l c 会引起发电通道过载，将直接进行第二级处理。 负载的卸除涉及到负载管理优先级的选择。而电气负载优先级管理的目的，就是 首先保证飞行安全和尽量完成飞行任务，在设置负载管理优先级时，须遵循下述基本 原则： 1 ) 所有的电气负载管理优先级对应的电气负载功率总和必须小于相应的电源系统 的总容量。 2 ) 在保证飞行安全的前提下，尽可能多的连接关键任务负载，以使飞机完成飞行 1 7 西北工业大学硕士学位论文e l m c 方案设计 任务。 飞机的飞行阶段可分为滑行、起飞爬升、巡航、着陆以及应急返航等几个部分， 其中每个飞行阶段又可能分为几个不同的任务方式。电气负载管理优先级的设置须考 虑不同飞行阶段的飞行任务数量及其对应的电源功率需求。通过上述分析，可得出以 下结论： 1 ) 根据飞机电源系统容量来确定电气负载管理优先级的数量。电源系统容量大且 主发电机台数多时，可设置较多的负载管理优先级。 2 ) 根据飞行阶段和飞行任务方式，每个飞行阶段内可设置不同数量的负载管理优 先级。 ， - 3 ) 每个电气负载的管理优先权根据其自身的重要性来确定。飞行关键负载具有最 高的优先权，任务关键负载次之，一般负载的供电优先权最低。 在飞机电源系统正常供电期间，每个电气负载的供电由飞行阶段和飞行任务方式 确定。当主发电机出现故障并且供电系统需要降级运行时，每个电气负载的供电由飞 行阶段内的负载管理优先级确定。任何时候飞行人员的超控负载管理优先级选择命令 具有最高优先权。 系统控制负载工作情况如下：第一种情况为全自动工作状