飞机电源系统谐波干扰研究.doc

飞机电源系统谐波干扰研究蔡 明 ，王博（宝鸡二一二厂，陕西 宝鸡 721006）摘要：目的 介绍飞机电源系统中谐波干扰产生的原因与危害，分析和研究抑制谐波的方法。方法 运用抑制谐波和傅里叶变换的方法。结果 给出硬件系统及软件系统的组成。结论 该方法能够为准确预测故障率提供有效依据。关键词：飞机电源系统;谐波干扰；抑制方法；傅里叶变换Study on harmonic interference for Airplane power systemCai ming(No.212 Factory, Baoji,Shannxi, 721006)Abstract:Aim The cause and harmfulness of harmonic interference for the airplane power system are introduced. Then,repression method is analyzed and studied. Methods Using repression method and Fourier transform methods. Results The structure of the hardware system and the software systems is presented. Conclusion The method can provide foundation for predict error rate exactly.Key words: airplane power system；harmonic interference；repression method; Fourier Transform非线性设备在飞机电力系统中的大量使用，使得电源供电谐波问题越来越突出。由于谐波电流在飞机电网中的存在，引起电网电流波形不再是正弦波。电网在某些频率下会发生并联谐振，导致谐波电流大幅增加，负载阻抗与频率的关系依负载不同而异。由此造成电压正弦波畸变，使电能质量下降，给用电设备又带来严重危害。所谓非线性设备就是在正弦供电电压下产生非正弦电流或者在正弦供电电流下产生非正弦电压的设备。作为谐波源，非线性设备可以被划分为以下几类：（1）传统非线性设备，包括变压器、旋转电机等。（2）现代电力电子非线性设备。 1 飞机电源系统谐波产生的原因及其主要危害11 飞机电源系统谐波产生的原因1飞机电源系统谐波产生的原因有很多,下面进行简要分析。1.1.1无器件的非线性因素（1）R、L、C元件的非线性，当正弦电压加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦波电流在阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦波。（2）使用大量的电力电子装置会带来波形的畸变。整流器、变频调速装置等各种电力电子装置在不断的增加，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性等用电特性对用电质量造成了严重污染。在飞机供电系统中，引起直流电压畸变的因素包括直流发电机调压器的较正作用、直流发电机整流子的换向作用负载变化的作用以及整流引起的电压波动等。1.1.2系统的工作原理因素引起交流电压畸变除了非线性负载外另一个重要原因就是系统工作原理的因素，包括电压调制和频率调制等。当发电机调压器调节发电机输出电压时，由于负载变化引起线路压降会产生电压调制。当飞机发动机转速变化引起发电机转速变化或者发电机的负载变化，会引起电网电压的频率调制。12 谐波干扰的危害2（1）谐波使飞机电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。（2）谐波会影响机上电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。（3）引起飞机电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。（4）导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。（5）谐波会使飞机上各种电气测量仪表计量不准确，产生指示误差。 （6）谐波会对机上电气设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。2 飞机电源系统电能质量测量方法21 常用的电能质量分析方法 （1）时域仿真法：利用各种时域仿真程序对电能质量中的各种暂态现象进行研究，也是目前电能质量分析中应用最为广泛的方法。目前通用的时域仿真程序有EMPT、EMTDC、 NETOMAC、BPA等系统暂态仿真程序和SPICE、PSPICE、MATLAB、SABER等电力电子仿真程序两大类。由于这些这些仿真程序的不断的发展，其功能日益强大，因此可用于飞机供电系统的谐波分析。（2）频域分析法：主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描、谐波计算等。近年来又提出一种基于EMTA等时域仿真程序对非线性负荷进行仿真计算的混合谐波潮流的新方法，它可求出各次谐波动态电流矢量，从而获得动态谐波潮流的计算结果。（3）变换法：包括傅里叶变换法和小波变换法，主要用于电能质量的在线检测。2.2 飞机电源系统谐波分析原理一个长度为N的有限长序列的N点离散傅里叶变换(DFT)为3: （1） 其中(k=0,1, . .,N-1)。 F (k )的离散傅里叶逆变换(IDFT)为: （2）其中。离散傅里叶变换(DFT)是进行信号分析的经典方法，而快速傅立叶变换算法(FFT)则是它的快速实现形式。由公式（1）可以看出，对于复序列和每一个k值，直接按该式计算需要计算N次复数乘法，N-1次复数加法。因此，对于N个k值，共需要计算N2次复数乘法，和N (N-1)次复数加法运算。由此可见，当N较大时，运算量将相当大。由于N点DFT的复数乘法次数为N2,因此将一个N点DFT分解为几个较短的DFT就可使乘法次数大大减少。以1965年图基(J.W.Tuky)和库利(T.W. Cooly)在计算数学(Math.Computation)上发表著名的“机器计算傅里叶级数的一种算法”一文为起点，桑德(G.Sand)-图基等快速算法相续出现。经过人们的逐步改进，很快形成了一套高效的运算方法，也就是基于以上思想的快速傅里叶算法，简称FFT(Fast Fourier Transform)。现在的快速傅里叶算法(FFT)有很多类型，但他们对于问题的求解在所角的时间上差别已不是很大，而更多应该考虑算法的简洁性上。另外，在 FFT算法中还充分利用了旋转因子的周期性和对称性4。FFT算法主要分为按时域抽取法和按频域抽取法。对于序列f(n)，设其长度为， m为自然数，则可按奇偶把f (n)分解为奇数和偶数两个子序列，则的DFT可以表示为:（3）而利用的定义易导出: （4）则F(k)可表示为两个N/2点序列的DFT之和的形式:（5）这里。又由对称性有： （6） （7）其中。这样就将一个N点DFT分解为公式（6）和（7） 的两个N/2点序列DFT的和形式。如此反复，再将这两个N/2点的序列分别分解为两个N/4点序列之和的形式，直到最后将N点DFT分解为一系列两点DFT的和形式，这样可以使运算量大为减少。这就是基-2FFT算法，具体程序实现时要经过倒序和蝶形运算两个部分，具体算法这里不再赘述。对于序列长度不是2m时，仍可用基-2FFT算法实现，这时要在序列的尾部加零点，直到使序列长度达到最邻近的一个2的整数次幂的个数。当然也可应用基-rFFT算法和混合基FFT算法来计算。尽管FFT有其不足，但目前FFT算法仍广泛应用于电能质量分析，它是电能质量分析的基础算法。虽然强大而富有前途的小波算法被逐步引进到电能质量分析中来，但这并不影响FFT算法的应用，因为FFT仍具有它的优势:算法成熟、计算速度快并且可准确测量信号中某次谐波分量的含量。而小波算法尽管具有良好的时频局部性，但其计算量相对较大，并且不能准确测量谐波分量的幅值。针对FFT算法的不足，国内外专家通过研究，提出了很多有效的解决方案，使FFT算法的适用性更广，计算速度更快，精度更高。3 系统硬件设计飞机电源系统谐波分析仪的硬件设计包括：电源系统中电压、电流检测电路，A/D转换电路，以及串行通信电路。为了简化电路，增加系统的可靠性，达到现场谐波分析检测的目的，在器件选择上，选用89C51、TCL2543等器件。同时考虑到飞机电网的特点，增加了信号调理电路，使交流信号经过上述电路后再送到CPU的A/D接口。在通信方式上，采用了串行通信方式。通过RS232接口，可以将PC发来的命令传送到单片机中，以及将测量得到的结果传送到PC机中完成分析、保存等功能。硬件框图如图1所示。图1 飞机电源系统谐波分析仪的硬件框图3.1 采样电路采样电路中的主要器件有：电压互感器、比较器和电流环。电压互感器的型号为SPT204，它是一款毫安级精密的电压互感器，输入额定电流为2mA,额定输出电流为2mA。电压比较器采用LM339，为使其输出端有高低电平的变化，在具体使用中，一般都在输出端与正电源之间加一适当电阻，这个电阻称为上拉电阻，即当：LM339输出端呈高阻态时，由该电阻使输出端的电位为一高电位。电流环可将较大电流转换成几毫安的电流，以适应电路的要求。它结构简单，价格低廉，效用很大。3.2 信号调理电路信号调理电路隔离部分选用了AD公司专用的CMOS隔离放大器AD204，它是一种变压器耦合的双端口隔离放大器。信号调理电路的接线图如图2所示。抗混叠滤波器选用MAX公司的MAX275，它是前向通道的重要组成部分，信号中的高频成分通过A/D后，在经过快速傅里叶变换FFT分析时会产生混叠效应。所以信号在进行变换前要利用低通滤波器来滤波，并选用适当的抽样间隔就可以克服频谱混叠而产生的失真。信号调理电路的接线图如图3所示。图2 AD204的原理图图3 信号调理电路的接线图4 系统软件设计5该系统的系统软件和应用软件开发平台均可采用商用的货架产品，操作系统采用Windows 2000/NT/XP,开发平台采用LabWindows/CVI和Visual C+。软件结构如图4所示：图4 飞机电源系统谐波分析仪的软件结构图该系统充分利用了Windows操作系统多任务多线程处理技术，集谐波测试、波形记录、波形分析、谐波过程统计分析、无功和功率因数分析、定时报表、图形打印、录波回放等功能于一体，功能较为强大，用户可通过简洁的界面轻易的获得对实时数据、历史数据的监测和分析。软件结构清晰，扩展、维护性能良好。飞机电源系统谐波分析仪的界面设计如图5所示：图5 飞机电源系统谐波分析仪5 结束语通过分析电源系统的谐波干扰，能预测故障的发生概率，以便采取积极有效的预防措施。还可以在理论分析的基础上，进行实验室模拟和验证，仿真故障特征，再现故障现象，分析系统的工作过程，查找出导致电源系统故障的主要原因，提出切实可行的预防措施,减少故障发生率，保证飞机的飞行安全。参考文献：1徐政电力系统谐波基本原理、分析方法和滤波器设计M