民用飞机大功率模拟电负载系统设计

孙科徐敦

（中国商飞民用飞机试飞中心，上海 201323）

民用飞机动力装置、APU系统及电源系统表明符合性试飞要求飞机发电机在试飞过程中输出达到并维持额定功率满载运行，以此验证飞机动力装置、APU系统及电源系统工作特性、冷却能力等，由于试验机加装设备用电功率较小并具备实时波动的特点，因此，需加装模拟电负载系统，通过控制不同模拟负载接入或切出飞机电网，使飞机发电机输出功率满足试飞科目要求。

本文立足于试飞科目需求，介绍了一套基于水冷散热的大功率模拟电负载系统设计方案，系统具备参数采集、自动加减载、应急保护及散热等功能，可满足试飞要求。

根据试飞科目需求，在充分考虑系统功能、安全性的前提下，开展模拟电负载系统设计，模拟电负载系统原理图如图1所示：

图1 模拟电负载系统原理框图

不同的负载组按照逻辑自动接入或切出飞机电网，可实现飞机发电机不同目标输出功率的快速调节，同时兼顾飞机发电机输出功率三相不平衡指标；
系统采用水冷及风冷相结合的散热方式同时解决地面试验及飞行试验的试验需求，可解决系统加载功率大及加载时间长产生的散热问题，并采用多种应急保护措施，大大提高了飞行试验的安全性。

模拟电负载系统由参数采集子系统、负载自动加减载控制及显示子系统、应急保护子系统及散热子系统4个部分组成。

2.1 参数采集子系统

参数采集子系统用于采集飞机发电机输出功率信息、散热系统工作状态信息。

飞机发电机功率信号采集通过霍尔电压传感器及霍尔电流传感器实现，可在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电压及电流，为保证采样通道之间的同步性，信号采集模块可支持多路并行差分采集的隔离电压采集模块，每个通道的输入信号经调理后，由模数转换器（ADC）对其采样，每个通道均带有独立的信号通路和模数转换器，可对所有路通道同步采样。

散热系统温度及水循环系统工作状态信息通过加装的热电偶、热电阻、压力传感器、流量传感器、液位高度传感器以及对应的模拟信号采集板卡实现。

2.2 负载自动加减载控制及显示子系统

阻性负载按照从大到小的顺序依次排列，并存储到内存空间中。将计算出的需补偿的各相阻性负载值大小与实际的负载序列进行比较，若大于当前比较阻性负载值，则将对应三相/单相接触器状态置1并存储，直至所有阻性负载比较完毕，可得到一个拟加载的接触器状态01序列，该序列可通过专用数字I/O模块转化为数字I/O信号输出加减载指令。

2.3 应急保护子系统

在应急情况下，应急保护子系统可实现模拟电负载系统快速卸载，实现与飞机电源系统的隔离，保证试验机的飞行安全。

飞机发电机异常掉电时，飞机电源系统将自动重构，由其余发电机自动接入并向飞机电网供电，当检测到被试发电机掉电时，模拟电负载系统将自动卸载，防止电网重构时模拟负载加载影响其余发电机。检测到散热系统水温超过门限值时将触发卸载，卸载后散热系统水温不再升高。驾驶舱、试飞工程师工作台以及模拟电负载系统主控机箱一键卸载开关接通时将触发卸载。

2.4 散热子系统

散热子系统包括水冷散热和风冷散热两部分。当左右两侧泵同时开启时，水冷散热可实现水循环功能，当水循环流过中间负载箱时可对负载箱内部负载元件进行散热。系统水冷散热示意图如图2所示。

图2 水冷散热示意图

由于客舱前后水箱间距较大，而飞行过程中飞机具有一定的仰角，这将导致前后水箱之间存在一定的高度差，进而出现液位高度差较大的情况，因此水循环逻辑采用小循环加液位调节的方式。

将水箱分为两组，内侧水箱为一组，外侧水箱为一组，水循环过程中采用内、外循环切换的方式，将大大减小水箱之间的液位高度差。同时，水循环过程中，系统将实时比较同组水箱之间液位高度差，当高度差超过门限值时，将自动关闭液位较高的水箱的进水口，直至水箱间液位高度达到平衡时再重新打开该水箱进水口，实现将水箱液位高度调节平衡的目的。同时，通过不断控制左右两侧主管路电动球阀开度，可达到左右两侧主管路循环水流量的调节，减小客舱前部与后部总水量的差异。系统液位变化和流量变化如图3所示。

图3 散热水液位及流量变化示意图

通过飞行试验验证，该系统可使飞机发电机保持满载运行4.5 h，系统加载精度满足设计指标（±3kVA）。VFG功率变化如图4所示。

图4 主发电机输出功率

表1 发电机输出功率误差

使用6 t水进行循环散热，采用小循环结合液位调节的循环模式，实现在整个试飞科目飞行剖面下（飞机起飞、爬升、滚转、模拟复飞等飞行工况）管路两侧散热水循环流动，满载4.5 h过程中水温持续升高。满载加载过程中散热水温变化如下图5所示。

图5 散热水温变化

本文针对试飞科目加载功率大、加载时间长、负载波动频繁、散热功能及安全性要求高等特点，设计了一套模拟电负载系统，并在试飞科目中获得了良好的应用。系统设计与应用实现了多个方面的技术创新。系统采用专用算法对飞机发电机输出功率进行了滤波处理，根据该算法滤波后的功率值加载；
系统水循环散热控制采用内外循环切换、液位自动调节以及流量自动调节等水循环控制逻辑，实现在整个试飞科目飞行剖面下两侧散热水循环流动；
系统实时监控飞机发电机运行状态、模拟电负载系统运行状态，当任一环节出现异常情况时可自动触发系统隔离，防止故障状态进一步恶化，实现对整个试飞科目的全方位保护，增加系统运行的安全性。