（电力电子与电力传动专业论文）大型飞机电气负载管理中心的设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t e l e c t r i cl o a dm a n a g e m e n tc e n t e r ( e l m c ) i sa ni m p o r t a n tp a r to f a d v a n c e d a i r c r a f tp o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt op o w e rl a y o u ti n s t r u c t i o na n d l o a d sp o w e rr e q u e s to ft h ep o w e rs y s t e mp r o c e s s o ro s p la n dt h es t a t u so f e l e c t r i cl o a d ，e l m cr e a l i z e sa u t o m a t i cp o w e rd i s t r i b u t i o na n da u t o m a t i c m a n a g e m e n to fe l e c t r i cl o a db ys h e d d i n ge l e c t r i cl o a d st ok e e pt h el o a dl e v e l b e l o wp o w e rs u p p l yl e v e l a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s eo ft h ea d v a n c e da i r c r a f tp o w e rs y s t e ma n dt h e r e q u i r e m e n to ft h ef t e p s ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h ef u n c t i o n , s t r u c t u r ea n dt h e c a p a b i l i t yt a r g e to f e l m c a n db r i n gf o r w a r da nf e a s i b l ep r o j e c t d u r i n gt h ep r o c e s so ft h ed e s i g l l b a s e do nt h ew i d e l yr e s e a r c h o nt h e t e c h n o l o g yo fi n t e r n a la n do v e r s e a s ，a ni d e at h a ta d o p tp c 1 0 4a sp l a t f o r mi s g i v e n t h ev x w o r k sr t o s i sb u i l tu po nt h i sp l a t f o r m 8 2 5 5c h i pi s a d o p t e dt o e x t e n di op o r t t h i sd e s i g nn o to n l ye n s u r e st h er e a l - t i m ec o l l e c t i o na n di s s u a n c e o fd i g i t a l d o ，b u ta l s oe n h a n c e st h em a i n t a i n a b i l i t ya n dt h ee x p a n s i b i l i t yo ft h e s y s t e m + i nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，b a s e do nf u n c t i o nd e m a n do fe l m ca n d c h a r a c t e r i s t i co fv x w o r k s t a s km o d u l e sa n dt a s kp r i o r i t i e sa f ea s s i g n e d ，e l e c t r i c l o a de q u a t i o n sa r eu s e dt op r o c e s ss t a t u ss i g n a l sa n dc o n t r o lc o m m a n d s a n d 15 5 3d a t ab u si su s e dt oc o m m u n i c a t i o nw i t hp s p f i n a l l y , t h e r ei sas p e c i f i cs u m m a r i z eo nt h ed e v e l o p e de l m ca n dat e s tf o r t h es y s t e m t h ee v a l u a t i n ga n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee l m co n b a s i so f p c 1 0 4a n dr t o sc a nd i s t r i b u t et h ep o w e r a u t o m a t i c a l l ya n dm a n a g et h e l o a d sb yi t s e l f i ti sa l s oh i g h l yr e a l - t i m e ，r e l i a b l ea n df a u l t - t o l e r a n tc o m p a t i b l e k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o a dm a n a g e m e n tc e n t e r s o l i ds t a t u sp o w e rc o n t r o l l e r s r e a l - t i m em u l t i t a s ko p e r a t i o ns y s t e m m ，一s t d 1 5 5 3 bb u s p c 1 0 4 e l e c t r i cl o a de q u a t i o n 西北工业大学硕士学位论文第一覃绪论 第一章绪论 本章主要介绍先进飞机供电系统中电气负载管理中心的研制背景、发展 与应用前景。简单叙述了本文所做的主要研究工作，并概述了本课题的难点、 关键技术及取得的成果。 1 研究背景 随着航空技术的迅速发展，航空电子、武器、飞控系统越来越完善，飞 机性能有了大幅度的提高，用电设备和用电曩剧增，对供电质量也提出了新 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，采用先进的分 布式配电系统和负载自动管理技术，来适应新一代先进飞机发展的性能要求。 国外一些技术发达的国家，如美国、英国、法国等在航空航天领域己普 遍使用了分布式配电和负载自动管理技术。8 0 年代以后，美国先后在f 1 6 、 a h 一6 4 以及海军l a m p s 舰载直升机中充分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、可维护性以及灵活性等方面均有很大 改善。美国发展中的新一代飞机f - 2 2 ，其供电系统由2 7 0 v 高压直流发电系 统、固态电气逻辑系统和通用多路传输系统三大部分组成，采用了可编程的 固态开关、m i l - s t d - 1 5 5 3 b 总线、微处理机和负载自动管理、自检测( b i t ) 和故障隔离、系统重构来提高控制和保护供电系统的能力口钔。 相比之下，我国对飞机容错供电系统及其相关技术的研究起步较晚，而 且，资金、器材和技术资料等的短缺使得这方面的研究进展缓慢。目前，我 国的飞机电气系统仍然采用常规配电方式，常规配电系统虽然在技术上已经 非常成熟，但其缺点是显而易见的( 电缆重量太重、空勤人员负担过重等) ， 不能适应新一代飞机的供电要求。 先进飞机配电系统则采用了多路传输技术，【2 1 电气多路传输系统是一种 基于i 司态器件( 与传统的绕线式、触点式继电器和接触器相比，固态器件可 以用计算机进行控制) 的计算机控制配电系统，在该系统中，负载并不直接 接到主汇流条上，而是接在负载管理中心上。问电气负载管理中心( e l m c ) 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 是具有处理能力的分布式负载中心，它将按程序在各种飞行和供电状态下利 用固态功率控制器( s s p c ) 控制负载的接通和断开，并在故障情况下重新配 置供电系统。显然，在这种配电方式下，微型计算机全部或部分代替飞行人 员的操作，进行负载自动控制和管理，减轻了飞行人员的负担，从而提高了 系统的自动化和可靠性。综上所述，电气多路传输方式是配电系统今后几年 的发展趋势。 本课题研究是在“九五”、“十五”重点预研课题的基础上，以我国某大 型飞机电气负载为对象，完成负载管理中心( e l m c ) 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，进行各项实验。 1 2 先进飞机配电系统概述 1 2 1 飞机配电系统 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，因而就要求为其配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、遥控式配州卅和自动配电三种。 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 6 1 。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。而在自动化配电系统中，由于采用了分布式汇流条和负载自动管理 技术，用电设备可以就近与配电汇流条相连，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，经固态功率控制器对负载进行控制和保护，这 种配电系统可以大大减轻导线重量，提高配电可靠性及自动化程度，减轻飞 行人员负担，因而足下一代先进飞机配电系统的发展趋势【”。 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 先进飞机配电系统简介 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 配电和负载自动管理技术。采用分布式配电技术，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 以及飞机不同飞行阶段自动地断开和接通用电设备。使系统具有重构的能力， 从而保证飞行和任务关键负载的可靠供电。采用分布式配屯和负载自动管理 的自动化配电系统，有着常规配电系统无法比拟的优越性，是下一代先进飞 机配电系统的发展趋势，它具有如下特征： l 、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 率进行合理地调度和分配，达到对电源设备最有效地利用：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，避免了 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，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。 2 、提高供电系统的可靠性 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，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。 3 、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、远程终 端和负载管理中心均可离负载较近地放置，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。 4 、提高配电系统的维护性 硬线电网维护上的最大困难在于确定故障点，往往需要很复杂的人工测 试过程，既费时又费力。而在先进飞机配电系统中，当飞机发生故障时，除 了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 西北工业大学硕士学位铯文 第一章绪论 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，提高了配电系统的维护性。 5 、提高配电系统的可操作性 采用了负载的自动管理技术，系统能够根据飞机当前的飞行状态、电源 状态和负载状态进行合理配电，特别是在故障状态下能够自动选择合适的汇 流条，并根据负载等级自动加载和卸载，大大减轻了飞行员的操作任务：同 时，配电系统可以向飞行员提供直观详尽的配电系统状态信息和操作指令信 息，从而提高了系统的可操作性。 6 、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，在飞机改型，扩大功能和增加新设各时，一般只需对软件作一定 的修改即可完成系统的重构，从而降低了研制费用及改型费用。 1 2 3 配电系统结构分析 根据电气系统数据总线与航空电子系统数据总线的关系以及电气系统的 控制方式，配电系统可以采用不同的电气系统结构，下面对多种配电系统结 构进行了分析，并拟订了本系统中将要采用的配电系统结构，为后续的分析 设计搭建了结构框架。 1 2 3 1 按电气系统与航空电子系统数据总线的关系划分 根据电气综合控制系统数据总线与航空电子系统数据总线的关系来划 分，可以有三种结构形式的总线结构方案。 l 、非综合的总线结构：在这种总线结构中，电气控制系统不通过任何多 路数据总线与航空电子系统相连。 2 、综合的总线结构：在这种总线结构中，电气控制系统与航空电子系统 连接在同一总线上。航空电子系统处理机作为整个数据总线的总线控制器使 用，另外还实现航空电子系统的功能。供电系统处理机p s p 与之分享同一个 数据总线，并且管理着电气系统的e l m c 和r t 。 3 、分层的总线结构：在这种总线结构中，电气控制系统有独立的数据总 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 线，但通过内部总线处理器和航空电子总线相连。和前两种结构的主要区别 是p s p 接在隔离的航空电子系统数据总线和容错供电系统数据总线之间。 p s p 对于航空电子系统总线来说是一个r t ，而在容错供电系统数据总线上是 一个总线控制器( b c ) 。 1 2 3 2 按电气系统的控制方式划分 根据综合控制系统对飞机电气系统的控制方式来划分，可以有三种结构 形式的系统控制方案： 1 、集中控制方式 在这种控制方式下，各台发电机分别由相应的发电机控制器g c u 控制， 飞机输配电系统和电气负载由一台中央计算机集中控制。当输电系统结构较 复杂或电气负载数量大时，所需控制点的数量就较多，中央计算机环扫描控 制的速度就慢。另外，若中央计算机失效，整个控制系统无法工作，即所谓 的“集中控制、危险集中”。因而集中控制仅可用于采用集中配电方式的小型 或轻型飞机上，无法进一步实现电气系统的综合化控制。 2 、集散控制方式 在这种控制方式下，电源系统的发电机由相应的c , - c u 控制，飞机输配 电系统由供电处理机( p s p ) 集中管理，p s p 完成电源汇流条布局控制、电 气负载优先级选择、解算电气负载供电请求方程等功能。主配电中心、二级 配电中心分别由相应的智能远程终端( r t ) 和负载管理中心( e l m c ) 控制， 各e l m c 或r t 通过电气数据总线相连。p s p 通过电气数据总线向局部控制 器发送控制命令和接收系统状态信息。 3 、分布式控制方式 在这种控铕4 方式下，发电机、主配电中心和二级配电中心分别由相应的 g c u 、r t 和e l m c 控制。r t 完成主配电中心电源汇流条的布局控制，e l m c 完成电气负载优先级选择、解算电气负载供电请求方程等功能。各终端通过 电气数据总线实现信息共享，系统中没有p s p 向各终端发送控制命令。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1飞机电气系统三种控制方式的比较 控制方式系统结构可靠性实时性 输配电方式系统综合化 集中控制较简单 由 较差集中配电不适台 集散控制复杂 中 较好分布式汇流条 适合 分布控制复杂高好分布式汇流条适合 三种控制方式的性能比较如表1 - 1 所示，由表可知，集散控制、分布式 控制方式系统适用于采用分布式汇流条布局的输配电系统，并可实现飞机电 气系统的综合化控制。 综合三种控制方式的特点，结合大型飞机的系统需求，大型飞机配电系 统的结构采用了集散控制方式，主要由以下几部分组成：用于负载管理的电 气负载管理中心( e l m c ) 、用于监控发电机等供电设备的发动机控制单元 ( g c u ) 、用于显示和控制任务的电气系统处理机( p s p ) 、用于大功率控制 的远程终端( r t ) 和用于整个配电系统通讯的1 5 5 3 b 总线。如图1 1 所示。 甲甲翠 | i i 尚曲掣 引甲w 丌甲引 图l l 大型飞机配电系统结构原理圈 1 3 课题完成的主要研究工作 l 、负载管理中心的需求分析 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、外部接口分析以及电气负载分析，明确了电气负载管理 中心的设计目标，使其满足先进飞机供电系统及容错供电系统的要求。 2 、电气负载管理中心的方案设计 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 依据电气负载管理中心( e l m c ) 概要设计中提出的功能要求，完成了 e l m c 的方案设计，据此将整个e l m c 划分为电气远程终端( e r t ) 模块、 固态功率控制器( s s p c ) 监控模块、分布式汇流条监控模块和通讯模块。 3 、电气负载管理中心的硬件设计 针对需求分析提出的指标和功能，对电气负载管理中心进行硬件实现， 为系统的上层软件设计提供一个基本的硬件平台。 4 、电气负载管理中心的软件设计 电气负载管理中心是一个智能终端，依靠应用软件自动管理负载以及与 配电系统中其它终端( p s p ) 实现通讯，本文通过对应用任务的分析，建立 了多任务调度策略，并实现了主要任务的模块化设计；该部分还对通讯过程 中的各类数据码传输格式做了较为严格的定义说明，从而保证了数据通信的 顺利完成。同时，应用程序具有一定的灵活性，以适应功能及任务的调整。 1 4 难点与关键技术 1 、软件平台的搭建及应用软件的编写 h l 电气负载管理中心作为配电系统的智能终端，要能够自主管理相应负 载的加卸载，并且采集汇流条状态信息及负载信息，在地面能够进行系统自 检测。要满足各种负载的供电要求，对软件的实时性要求很高，于是采用实 时多任务操作系统来作为系统软件平台，并且要合理划分任务，进行多任务 调度，在应用软件中还要能够对采集信息进行防差错处理，以保证控制动作 的准确性。软件平台的合理构建及应用软件的编写是系统的关键所在。 2 、数字i o 扩展实现及数字量采集的可靠性 电气负载管理中心管理着很多固态功率控制器，一个s s p c 就拥有控制、 跳闸及电流状态三个信号，几十个s s p c 合在一起有很多开关量的采集及控 制，仅依靠系统本身数据总线不能做到状态量的实时采集与命令发布，这就 需要对数字i o 进行扩展，并且保证实时性和准确性，这是e l m c 设计的关 键所在，是系统执行机构稳定可靠运行的保证。 3 、固态功率控制器的研制 固态器件的研制及应用是先进飞机供电系统的标志，固态功率控制器 7 西北工业大学硕士学位论丈 第一章绪论 ( s s p c ) 是电气负载管理中心的执行器件，s s p c 不仅要能实现数字信号控 制，并且应具有保护及状态反馈的功能，保证s s p c 功能实现的同时，要提 高器件的可靠性和抗干扰性等，这是设计的难点所在。 4 、系统总线接口设计 3 3 1 作为电气负载管理中心的外部总线，1 5 5 3 b 总线提供了e l m c 与p s p 之间的数据通讯通道，设计中要编写1 5 5 3 通讯卡在v x w o r k s 下的驱动程序， 并且按照任务要求编写接口控制文件( i c d ) ，严格按照任务要求在相应周期 传输数据。通讯程序设计是整个系统软件设计的关键，是系统软件流畅运行 的保证。 5 、系统双余度实现 作为负载管理中心，系统本身的可靠性要保证，不能因为系统器件( c p u 或者电源) 本身故障而造成系统停止工作，从而负载成了不可控制状态，为 了保证余度，采用两个处理器，例如，两个处理器中任何一个都可控制整个 数据处理过程，丽另一个处理器工作于备份状态，而且当工作的那个处理器 故障时能自动转换至工作状态【”。 1 5 研究成果 按照大型飞机先进配电系统的设计要求，现已完成了负载管理中心 ( e l m c ) 原理样机的设计，e l m c 通过对二级汇流条的智能控制，实现了 对负载的多余度供电，加之固态功率控制器( s s p c ) 的应用，能够实时反馈 负载供电信息并发布新的供电布局指令。与电源系统处理机( p s p ) 进行了 联合调试，e l m c 作为p s p 的远程终端，通过1 5 5 3 b 总线实时接收p s p 发 布的供电布局命令，并实时反馈负载供电信息以及e l m c 工作状况。该系统 完成了负载管理中心的功能要求，并与p s p 、r t 及负载仿真器搭建了大型飞 机先进配电系统的地面仿真系统，为后面的发展完善并形成最终产品提供了 可靠方便的实验平台。 1 6 小结 本章首先介绍了课题的选题背景，探讨了国内外飞机配电技术的发展状 况，指出了我国发展先进的配电系统的必要性和紧迫性，然后对飞机配电系 8 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 统做了简要的介绍，并指出了采用分布式配电和负载自动管理技术的先进飞 机配电系统所具有的特点及优势，最后总结了本设计完成的工作及设计中的 难点及重点，从而明确了本文的研究问题和设计目标。 & ；i l x , 3 k 大学硕士学位论文 第二章电气负载管理中。需求分析 第二章电气负载管理中心需求分析 本章首先构建了大型飞机供电系统的系统结构，然后对e l m c 的控制对 象负载进行了分析，并根据容错供电系统要求及大型飞机的配电布局对 电气负载管理中心进行功能及性能分析，从而完成电气负载管理中心的需求 分析。 2 1 大型飞机的供电系统分析 2 1 1 大型飞机电源系统 根据y x - j b 0 7 5 0 0 0 2 中发动机的配置情况，电源系统采用四通道的构型， 其电源种类根据大型飞机用电设备系统的要求设有115 v 恒频交流电源分系 统、2 8 5 v 直流二次电源分系统、辅助电源分系统、交直流应急电源分系统、 外部电源分系统、专用电源分系统和配电分系统组成。系统的原理框图见图 2 1 。 大型飞机的电源系统包括交流主电源、直流二次电源、应急电源、辅助 电源、外部电源和专用电源，分别介绍如下： 1 ) 交流主电源是1 1 5 v 4 0 0 h z 恒速恒频电源，采用四通道布局，飞机左 侧为l 号、2 号通道，右侧为3 号、4 号通道，每个通道由组合传动发电机 ( i d g ) 。发电机控制装置( g c u ) 、主接触器、电流互感器、发电机控制开 关等组成。单通道额定电压为1 2 0 v ；额定频率为4 0 0 h z ；额定容量暂定为 9 0 k v a 。采用分离( 非并联) 可转换汇流条供电方式。各交流主汇流条之间 的转换控常4 和逻辑由p c u 及p s p 完成。 2 ) 根据交流主电源的通道设置情况，2 8 5 v 直流二次电源系统为四通道 结构每个通道由变压整流器( t r u ) 、控制保护器、接触器等组成，变压整 流器额定输出电流为2 0 0 a ( 暂定) 。四台变压整流器分别由四个交流发电通道 的主汇流条供电，l 号、2 号并联，组成左侧系统，3 号、4 号并联，组成右 侧系统。 3 ) 大型飞机的应急电源系统由交流应急电源和直流应急电源组成。交流 应急电源采用静止变流器将蓍电池的直流电变换成为单相交流电为飞机上 6 西北工业大学硕士学位论文第二章电气负载管理中。需求分析 濠 姑 斌蔗 艇毫 辖 斟 礤 冀 s c u 枯 工 i l c 3斌 虫 暄 舞 堰 杈 t 一卜啦 越 噩 。 阀弋 辩 矗) 6 c 4楚 1 7 ”墨蓊 - l 赠 t r c 4 i 删 7r 一簦 曲 q 0 寸 t 一 l 匡制蹿l 00 b r c 3啦 b蠕 礤 蠼 1辩 _ | 一羹饕 味 + h 一 、一州 譬剁t r c 3 媸 壅卜 m 蓑 删 m 1 飞2 0 k 罐 r ， 一l l 目岖 。l 悲| e p c l n 固 “蚓 、- | | 、引 豳 。忪 el 重目h 卜 孀 、 a g c i ! 陋 一 圈i 醯。匕一 l 出 辰：一馕 1 c 1 凿墨 童舳、 一g 0 2 凄 礤 心粗 r 。一嚣i 魍椎1； 蜡 h 蓑 i 筹鬣 + h 。 t 船 t r c 2 蹭 删 b t c 2 咿 ft 一 一 d t c 广 $一礞 b t c l甓 墙 ；罨jl 蜡譬f 一，、 娥 i 、萋 _i 嘭茹l一，。 州一 ：- - 。g c l西 【_ j 1 谥 一一 l 一 匦堪剐隧螺帐脚葚下n匝 西北工业大学硕士学位论文第二章电气负载管理中。需求分析 的交流应急设备供电。直流应急电源由两台4 0 a h 的镉镍蓄电池( 容量待定) 组成。蓄电池通过接触器向直流应急汇流条供电。 4 ) 大型飞机的辅助电源为一台由辅助动力装置( a p u ) 驱动的额定容量 9 0 k v a 的交流发电机。当左侧或右侧的交流主电源都出现故障时，a p u 就投 入使用，向该侧的交流主汇流条供电。 5 ) 外部电源系统由交流外部电源插座、外部电源监控器( e p c u ) 、控 制开关、外部电源接触器等组成。在外部电源供电时，外部电源装置向飞机 的4 个交流主汇流条供电，机上的变压整流器将外部交流电源变换成直流电 后提供地面检查维护使用的直流电源。 6 ) 由于大型飞机可能采用对电源可靠性、余度供电等特殊要求的系统， 所以在供电系统要求设置专用电源分系统。专用电源分系统由直流电源和交 流电源组成，一台小容量的镉镍蓄电池作为专用直流电源，仅向飞行关键直 流汇流条供电；一台静止变流器作为专用交流电源，将直流汇流条的直流电 转换成交流电后向飞行关键交流汇流条供电。 2 1 2 大型飞机配电系统 大型飞机的配电系统分为一次配电系统和二次配电系统。 1 、一次配电系统采用5 个中心配电装置( 主配电中心) ：左侧交流、左 侧赢流、右侧交流、右侧赢流以及中央中心配电装置，主要为大功率负载直 接提供电力，同时为二次配电系统中的各个电气负载管理中心( e l m c ) 提 供电力。左、右侧功率控制装置( p c u ) 分别完成左、右侧交直流中心配电 装霹的控制管理，同时具备与p s p 的通信交联，向p s p 传送一次配电系统的 状态和故障信息，同时接收p s p 传送的负载通断控制和维护控制命令。中央 中心配电装置的控制由辅助电源g c u 、e p c u 、l hd p c u 、r hd p c u 、蓄电 池开关、地面维护开关等共同完成。 2 、二次配电系统由多个电气负载管理中心组成，实现就近区域的飞机各 类负载的供电和保护。每个e l m c 内部设置有交直流正常、应急汇流条，这 些汇流条分别从相应的中心配电装置获取电力。e l m c 利用固态功率控制器 ( s s p c ) 实现对负载供电控制。e l m c 通过电气数据传输总线接收p s p 传 西北工业大学硕士学位论文 第二章电气负载管理中心需求分析 送的负载控制命令，通过离散i o 接1 2 1 控制负载通断信号，同时通过总线向 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。 由上所述，在大型飞机的配电系统设计中采用了分布式配电和负载自动 管理技术。采用分布式配电技术，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 的飞行阶段自动地断开和接通用电设备，使系统具有重构的能力，从而保证 飞行和任务关键负载的可靠供电。 2 2 电气负载分析 2 2 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。 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。 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。 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。 2 8 v 直流负载：由2 8 v 直流汇流条供电的负载。 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： 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。 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 西北工业大学颁士学位论文 第二章电气负载管理申。需求分析 载一般由e l m 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 2 2 负载的数量分析 随着航空电子、武器、飞控系统的完善，机载设备越来越多，对飞机的 发电容量要求越来越大，这是一个总体发展趋势。并且飞机的类型不同，发 电容量要求也不同，相应的负载数量不同。 在大型飞机的设计中，每个e l m c 初步决定选取5 6 路( 暂定) s s p c 控 制输出，其中2 8 v d c 输出3 2 路，它们分布在4 直流s s p c 板卡上；1 1 5 v a c 输出8 路三相，也平均分布在4 个交流s s p c 板卡上。1 个负载挂在1 个s s p c 上，因此每个e l m c 需要管理5 6 个负载。 2 。3 航电系统对e l m c 的要求 负载管理中心( e 瑚c ) 属于先进飞机容错供电系统( f t e p s ) 的一部 分，而飞机容错供电系统也是属于航空电子综合系统( d a i s ) 的一个部分。 因此，e l m c 给机上用电负载的供电必须能够满足飞机容错供电系统的全部 要求，同时，也必须满足航空电子系统对其负载的基本要求。 2 3 1 先进飞机容错供电系统( f t e p s ) 的要求 飞机容错供电系统对电气负载管理中心有三大方面的要求：系统供电中 断的要求、系统可靠性的要求、系统容错性的要求。 2 3 1 1 系统供电中颤要求 4 1 飞机上的一些负载对电源的间断非常敏感，如果电源的间断时间超出 定的范围，负载就会出现故障，尤其是关键飞行负载更是如此。根据关键飞 行负载对供电中断时间的敏感性分类，允许供电中断的时间从5 0 u s 到2 s 。 般情况下，要求供电中断时间低于单个负载最大允许时间的5 0 。据此判 断，准备把给一般负载供电最大间断时间保持在5 0 m s 。这样就能满足大部分 负载的要求。因此，当检测到上层连通汇流条出现故障时，应保证在5 0 m s o 西北工业大学硕士学位论文 第二章电气负载管理中。需求分析 之内完成继电器的转换，切换到正常的汇流条上，这样就达到了防止供电中 断的目的。当负载允许的最大供电间断时间小于5 0 m s 时，一般要使用不中 断电源，这通过并联蓄电池实现。当供电汇流条供电中断时，蓄电池提供“插 入”电力，消除了开关引起的延迟。 2 3 1 2 系统可靠性要求 4 1 可靠性是决定飞机能力的关键因素之一。根据容错供电系统的要求，供 电系统给负载供电的可靠性要比负载本身的可靠性高l o 1 0 0 倍。各个负载 的可靠性要求相差悬殊，供电系统必须能够同时满足每个负载的可靠性要求。 一般情况下，我们经常应用的是系统可靠性要求，而不是负载本身的可靠性， 因为负载只是系统的一部分，并非系统中所有的部件都具有相同的可靠性要 求，因此系统的可靠性就由可靠性最差的部件来决定。 1 ) 关键飞行负载： 关键飞行负载的可靠性是由飞行控制系统的要求来决定的，飞行控制系 统是关键飞行系统的最大组成部分。m 扎一f 一9 4 9 0 d 指出飞行控制系统故障 引起战斗机失事的概率为1 0 0 x1 0 7 。1 5 的飞行控制故障由液压动力引起， 1 2 5 由机械作动系统引起，6 2 5 由电气控制部件引起。飞行控制系统的电 气控制部分至少是一个双通道双余废系统。因此单个关键飞行负载的可靠度 仅仅是飞行控制系统中电气控制部件一个通道的可靠度。单通道的可靠度是 双通道双余度系统可靠度的平方根。关键飞行负载供电( 单通道) 的不可靠 度必须低于2 4 8 1 0 弓。 2 ) 关键任务负载： 如同关键飞行负载一样，使f t e p s 符合每个关键任务的可靠性要求是不 可行的。u s a f 的先进系统航空电子计划要求生存必需的关键任务设备 的平均无故障时间为2 0 0 小时，或者不可靠度( q m c ) 为1 0 1 0 五。这一要 求是非常谨慎的，因为并非所有的关键任务设备都是生存所必需的，如在地 形跟踪，地形回避模式中，雷达传感器系统的故障就能置飞机于危险之中，而 雷达传感器系统并不是关键飞行负载。关键任务负载供电的不可靠度必须低 于99 】0 1 5 。 西北工业大学硕士学位论文 第二章电气负载管理中心需求分析 3 ) 非关键飞行负载： 先进系统航空电子设备工作说明书要求关键任务设备的平均无故障 时间为7 0 小时，或不可靠度( q n f c ) 为2 8 1 0 。2 ，这一数字用来计算f t e p s 非关键飞行设备的可靠度，非关键飞行设备的故障也是由其本身的故障和供 电系统的故障引起。非关键飞行负载供电的不可靠度必须低于2 7 7 x1 0 。4 。 在大型飞机上，e l m 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间的要求决定了他们需要的电源 不止一个。这些负载可由一个或几个e l m c 供电。由于e l m c 的e r t ( 电气 远程终端) 的可靠性比较低，而e r t 的一个故障就会使e l m c 不能给所有的 负载供电，所以用个e l m c 为关键飞行和关键任务负载供电不符合大型飞 机的可靠性和冗余性要求。 2 3 1 3 系统容错性要求 容错供电系统的容错性要求是指供电系统必须可以在承受多重故障的情 况下仍然能够给负载提供电力。一般说来，供电系统的容错能力必须比电气 负载的容错能力强，才能保证不至于因供电系统的原因而降低电气负载的容 错能力。先进飞机容错供电系统的容错要求为： 供电系统必须能承受一个故障而不丧失给任一非关键飞行负载提供 电力的能力； 承受两个故障仍不丧失给任一关键任务负载提供电力的能力： 承受三个故障仍不丧失给任一关键飞行负载提供电力的能力。 这些故障可能出现在同一供电通道的不同元件上，也可能出现在不同供 电通道的相同元件上，或以上述两种方式的组合形式出现。 在大型飞机e l m c 配电设计中( 见图3 2 ) ，由左侧主交流汇流条和右侧 主交流汇流条供电的交流正常汇流条在承受一个故障时不丧失供电能力；由 e l m c 内部交流正常汇流条与交流应急主汇流条供电的e l m c 内部交流应急 汇流条在承受两个故障时不丧失供电能力；由左侧主直流汇流条和右侧主直 流汇流条供电的直流正常汇流条在承受一个故障时不丧失供电能力；由 e l m c 内部直流正常汇流条与蓄电池汇流条供电的e l m c 直流应急汇流条在 西北工业大学硕士学位论文 第二章电气负载管理中心需求分析 承受两个故障时不丧失供电能力。因此，关键飞行负载以及关键任务负载应 挂在交流应急或直流应急汇流条下，他们可以承受两个故障仍不丧失供电能 力，满足电气系统的容错要求。 2 _ 3 2 航空电子综合系统的要求 电气负载管理中心( e l m c ) 是先进飞机容错供电系统的一部分，而飞 机容错供电系统也是航空电子综合系统中的一个部分。因此e l m c 也必须满 足航空电子系统对负载的基本要求f 9 1 。 航空电子综合系统的发展方向要求其子系统具有模块化、标准化、智能 化和可维护性的特点： 1 、模块化模块化是综合化的基础，更高程度的模块化将带来更高程 度的综合化。航空电子综合系统以模块化的结构实现，不仅能适应航空电子 综合系统应用的通用性，而且易于实现系统故障检测和系统重构。 2 、标准化标准化是综合化的又实现基础，制定标准的目的就是为 了使航空电子设备具有更高的通用性。 3 、智能化人工智能是由最新的计算机技术和微电子技术结合而成的 一种尖端技术。将人工智能技术应用于航空电子综合系统可大大提高信号和 数据的处理速度，减轻空勤人员的负担。随着微处理器速度的飞速发展及其 成本的不断降低，飞机上原来的非智能部件也朝着智能化的方向发展，这将 大大推动航空电子综合系统的发展。 4 、可维护性随着航空电子综合系统的日益复杂，维护时间不断延长， 维修费用不断增长，可维护性才逐渐成为系统评估的重要指标。如宝石柱系 统就充分考虑了系统的可维护性，把基本的维修元件从外场可更换装置( 如 黑匣子) 变成现场可更换模块( l r m ) ，不仅降低了模块成本，并能在系统 中运用两级维护方案。可维护性的提高主要依靠系统的自检测功能来实现。 电气负载管理中心作为航空电子综合系统中的一个子系统，因此也应该 具有模块化、标准化、智能化和可维护性的特点。 西北工业大学硕士学位论文 第二章电气负载管理中心需求分析 2 4e l m c 的功能和性能要求 2 4 1e l m c 的功能要求 大型飞机配电系统为一包括供电系统处理机( p s p ) 、电气负载管理中心 ( e l m c ) 和汇流条控制器组成的分布式网络，监控供电系统并对其施加控 制功能。配电系统的各个单元通过数据传输总线传递信息。 供电系统处理器( p s p ) 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( e l m c ) 和汇流条控制器提供给p s p 。同时， e l m c 作为p s p 的一个终端，通过数据传输总线与p s p 通讯。 e l m c 的主要功能分析如下： l 、电力汇流条检测功能 e l m c 通过a d 数据采集卡获取交直流电力汇流条上的电压，同时通过 硬件触发方式获得频率，并在固定的小周期将之传给p s p 。 2 、继电器监控以及二极管检测功能 e l m c 通过硬件判断电路获取直流汇流条以及蓄电池汇流条上的二极管 状态，并根据二极管的状态判断当前由哪个汇流条向e l m c 内部的直流应急 汇流条供电。 e l m c 对继电器状态的监控通过读写可编程逻辑器件( 比如c p l d ) 来 实现。当e l m c 接收到p s p 的继电器转换命令时，应先判断将要转换到的电 力汇流条是否有电，若有电则控制继电器进行转换，没电则继电器保持原位 置。对继电器的控制还存在另一种情况：当供电汇流条出现故障时，由硬件 电路判断故障直接对继电器操作。 3 、s s p c 监控功能 e l m c 对s s p c 的监控也通过i o 口实现，每个e l m c 包含5 6 个( 暂定) s s p c ，每个s s p c 由2 个状态信号，一个控制信号。每隔固定时间e l m c 检 测次负载的状态。 负载的优先级与飞机的任务、飞行高度等是紧密相连的。e l m c 在对 s s p c 进行控制之前，从p s p 接收当前供电请求以及当前的飞行阶段，根据 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章电气负载管理中心需求分析 飞行阶段，从e l m c 内部数据库中获取负载的优先级，并结合当前负载状态 解算负载控制方程，给出最终控制信号。 4 、通讯功能 e l m c 具有与p s p 通讯的功能。通过m i l s t d 1 5 5 3 b 数据传输总线， 从p s p 接收e l m c 的控制命令，包括转换继电器的接通断开、当前的飞行 阶段和用电请求。同时，将e l m c 的当前状态数据送往p s p ，包括转换继电 器的状态、$ s p c 的状态、各个分布式汇流条的电压、频率及二极管的状态。 5 、自检测( b i t ) 功能 e l m c 要完成包括c p u 、a d 采集卡和1 5 5 3 通信接口卡等的自检测。 2 4 2e l m c 的性熊要求 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，供电中断时间有严苛的定义，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 l 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