[doc] 飞机—地面交流电源电压波形偏离系数

[doc] 飞机—地面交流电源电压波形偏离系数 飞机—地面交流电源电压波形偏离系数 飞机一地面交流电源电压波形偏离系数 国营秦岭电气公司刘国文 摘要电压俯离系数是近年来对交流电源电压波形提出的重要指标项目,本文 垛述了它的发展简况,提出愿因,定义,极艰范围,对其重要性和相关标准作了评 价. 主蠢词窑漉电源电压波形系散 前言 随着近二十余年半导体工业的发展,飞 机及机场交流电源产品和它们的用电设备也 更加半导体化.飞机及机场交流电源电压波 形标准的内容及指标也随之不断地发展完 善.飞机及机场交流电压波形偏离系数也是 近期发展起来的一项隈制交流电源电压波形 畸变的标准规定.近来考核交流电源系统是 否先进,其电压波形偏离系数已成为重要的 指标之一.因此,研究交流电压波形偏离系 数的发展由来物理意义和国内外先进标准 之间其指标规定的差别,以便在标准工作中 不生搬硬套,掌握能宽者则宽之,需严者则 严之的原砌,合理地选择标准,正确地理解 和应用标准,对指导我们飞机及机场交流电 源系统的研究,生产,使用和经营合同谈判 等工作是有帮助的. 一 ,交流电压波形指标的发 展筒况 1959年以前,美国军用标准MIL—E- 7894《飞机屯源特性》中对交流电压波形只 规定两项要求t 1单个谐波含量不应超过基波的5%, 2.波峰系数不应超过1.41?0.14. 1959年以后,美国军用标准MIL—STD- 704《飞机电源特性及应用》中,在上述两 项指标更加严格的基础上又增加了电压总谐 波含量的要求. 50至60年代,苏联的变流机和交流发电 机技术条件也只规定上述三项指标,未提及 偏离系数.有时虽在某些资料上偶然见到电 压波形失真系数这个词,但很多情况是翻译 上的关系,深入研究其含义多为:除去基波 以外的高次谐波方均根值的总和比被测波形 有效值的百分数. 即t失真系数 土生xlOO% u有效 由公式可知,它就是目前国内外先进电 源标准中总谐波含量的基本意思,与我们要 讨论的GJB572,88《飞机一地面供电特 性及一般要求》及ISO一6858《飞机地面支 援电源——一般要求》规定的电压波形偏离 系数的概念完全不同. 196o年以后,美国在研究磁放大器(饱 和电抗器)式机场交流电源调压器时,首先 发现高畸变电压波形严重影响系统供屯质量 问.随后,在美国的军用标准MIL—STD一 70,1A中就明确规定了交流电压波形偏离系 数指标.接着,英国,法国及许多与它们有 关的集团编制的飞机及机场电源特性的标准 中才陆续出现交流电压波形偏离系敦的指标 要求.一 二,交流电压波形偏离系数 的提出原因 早期的交流电源标准规定的电压波形三 项指标(波峰系数,单个谐波含量和总谐波 含量),可以限制由于不合理和制造引 起的交流发电机电压波形的普通畸变原因, 例如:平顶波(见图1),尖顶波(见图 2)和桑叶波(见图3).然而,造成交流 电源系统电压畸变的原因还有电压调节器的 调节方式(麴炭片式,磁放大器式,可拉硅 式和晶体管式),非线性负载(如变压整流 器和大功率开关工作式负载)等. 圈1平磺渡圈2尖顼波圈3桑叶渡 由于交流发电机设计,制造工艺水平的 提高和优质材料的广泛采用,目前要制造出 电压波形非常接近正弦的发电机已不太周 难.- 炭片诃压器采用改变激磁回路中电阻值 的大小,一以实现改变澈磁电流,最终达到稳 定电源系统的目的.因为它的调节是改变机 攘压力方式,电压的变化也就较缓慢较均 匀地进行.所以,一般情况,炭片式调压器 对发电机系统电压波形不会造成大的畸变. 另鼽,采用炭片式调压器的电源系统多 为老式系统.系统中电子设备较少,电压精 一 12一 度也较低,特别是大功率非线性负载很少. 因此,造成交流电源系统电压波形偏离系数 不好的问题,在早期斡系统由牡兢不能充分 地暴露出来一- 60年代以后,调压器的功率输出回路中 大量采用了磁放大器,饱和电抗器,大功率 可控硅和大功率晶体三极管元件这些调压 器与无独立励磁发电机的主发电机配套时, 由于它的激磁功率直接取自主发电机的输出 端,激磁电流的”通或”断”是通过上述, 元件快建她接通或断开从主发电舰输出电流 中分流到澈磁电路的较大(对多级发电机而 言)的澈磁电流实现电压调节.实践表明,? 系统中这种大功率调压器高速度地通断是造 成电压波形严重畸变韵重要原因(见周4, 图5和图6所示). 黄国军事研究和发展实验室发现昀高畸意系被 电压波形 秦岭电气公 压渡形(发电机 胃; 秦岭电气公司第47研究所发现的高畸雾磊棼电 压波形(发电机空载,工作电压115V)…, 大功率非皓性负载(如雷达)厦质量低 劣的大功率变压整漉装置都是造成交流皂挥 系统电压波形严重畸变的重要原困.毒翼窘 机场交流电萱if系统中遇到_上述豪载舶功率还 有上升趋势. 图4所示为美国军事研究和发展实验室 发现的具有高畸变器数的交流电源系统电压 波形,圈5和图6为国营秦蛉电气公司第47 研究所发现的波形.对上述图4,图5和图 6高畸变电压波形,如果用老标准(如MIL— STD-704)规定的波峰系数,单个谐波含量 和总谐波含量兰电压波形指标去衡量,可 知其绝大多数指标都在合格范围内.如果采 用最新标准(如GJB572—88)规定的电压波 - 形偏离系数去衡量就能把问题暴露出来了. .对雷4离畸奎电压波形的测量计 和疳折汹1下 (1)基波和谐波含量的测量结果 基旃lOO% . 3次谐波o.2 5次谐波1一 l7捉谐波1.3% 9欢谐波D.4 l=1珠措波.一1.1 l骞次谐波0.70 15次谐波0.60 17次谐波0.80 19次谐波0.30% 21次谐波.0.6% 23次谐波0.5% 由上述结果可见图4波形的单个谐波含 量量盘者为l3,,它们仍未超过新的或老 的电源标准规定.- (2)波峰系披.图4波形困未明显出 现如图1和图2所示的平项和尖顶现象,波 形振幅几没有受到破坏.根据经验,这种 波形的波峰系数是完全符合各种新老电源标 准申有关波峰系数的要求.. (3:,总谐波含量对图4波形采用总 谐波电压的方均根值与基波电压之比的计算 如下I ?!??!!?:?::::::?? u基谈 ×100% 将(1)中的测量结果代入上式后计算 得出图4波形的总谐波含量等于2.7,完 全符合各种新老电源标准的要求(不超过 5%). 综合(1),(2)和(3)条结果可 知,如图4所示的这种高畸变电压波形,已 使许多电子设备无法使用,却顺利地通过了 各式老标准(如MIL—STD一704和AS一1212 等美国军用和航宇标准),成为合格波形. 这说明老式电源标准规定的三项电压波形要 求对鉴定电压波形品质的优劣还不够充分. (4)偏离系数按GJB572—88规定 的交流电压偏离系数对匿4进行计算,可得 其偏离系数约为8,1O左右.对照GJB 572—88规定(不超过5),很容易将图4饼 示的高畸变电压波形的低劣品质揭露出来. 2.对雷5寓畸变电压波形的测量,计 算和如下 (1)单个谐波的最大电压值为4.5V. 单个谐波含量为; 』 ×loo%?4(满足GJB572-- ??’ 88规定) (2)波峰系数图5波形因未明显出 现如图1和图2所示的平顶和尖顶现象,波 形振幅几乎没有受到破坏.根据经验,这种 波形的波峰系数是完全符合各种新老电源标 准中有关波峰系数要求的. (3)总谐波含量对图5波形采用总 谐波屯压的均方根值与基波电压之比的计算 (总谐波电压方均根值为6.44V). 音×100.5.73%…?- 对照GJB52—88规定,图5电压波形总 谐波含量超标,属不合格.但经分析,其超 一 13— 标量仅为0.72,%,若考虑到实际测量中所采 用的各种不同的仪器及计算误差等因素,那 么,图5所示的电压波形的总谐波含量指标 仍有可能偶然闻过此关. 综合(1),(2)和(3)条结果看 出,r日5所示的这种高畸变电压波联与图4 的情况一样,老式电源标准规定的三项电压 波形指标对鉴定电压波形品质的优劣仍不够 充分. (4)馈高系数按GJB572—88规定 的交流电压搞离系数计算方珐对5进行计 算,可得其偏离系数高达26.7左右.对照 GIB572_88规定可知,图5波形的偏离系 数超标21%(约5倍)以上.这就明显地暴露 了波形品质的低劣程度. 8.’对圈6商畸变电压靛j棼的稠?,计 算和分析如下 (1)单个谐波的最大电压值为3.5Vo 单个谐波含量为3%. (写i_菠蜂系教与图和留5的情况 一 样,图6波形的波峰系数无疑是台格的. (3?总谐披含量与图4和图5同样 计算,图6的总谐波含量约为4~9 (总谐波电压的方均根值为5.7V). (4)倚离系数按GJB572—88规定 的交流电压偏离系数计算方法,对图6计算可 得其偏高系数出奇地高达34%左右.对照标 准规定(,不超过5)可知,图6所示的高 畸变电压波形的低劣毒质. 通过生述三个典型商畸变电压波形的偏 离系数计算,不难使我们认识到为什么国内 外先进的电源标准必须在老电源电压波形三 项(单个谐波含量,波峰系数和总谐披含 量)指标的基础上增加偏离系数的原因. 三,电压波形偏离系数定义 目前l世界上先进的,主要的电探标准对 交流电压波形偏离系数的定义方法有两种; 一 ?一 1.以最早出版的标准首先出现波形偏离 系数定义,指标的美国军用标准MIL-STD- 704A《飞机电源特性及应甩》为首,后来 属同样定义的还有法国军用标准AIR2021D 《飞机电气系统通用特性》,我国军用标准 GJB181--86和GJB572—88,都把交流电压 波形偏离系数定义为t被谫I交流电压波形对 基波相应点的偏离值不超过基波峰值的 5%., 2.以英国标准BS?3G-100rpt-3《飞机 电气系统通用要求(后来教国际标准化组 织采纳为SOl5’O航型l虢哭.一飞机电气系 统特性》及ISO6858《飞机一地面变靛智穰t 一一 般要求》)为首,还有美,英,澳,新, 加五国军事集团航空标准拚调委员会制订的 ASCCAIRSTD12/10B《飞机电气系统 特性》和北大西洋军事集团标准NATO STANAGNO3456《飞机电气系统特性》 等等.它们都把交流电压波形偏离系数定义 为:被测交流电压波形偏离其等值_蓝弦波相 应纵坐标的值不超过被测电压有l散值的 (15.5+5.5cos20)%,其中U.sln0一为等 值正弦波. 四,电压波形偏离舔甄的极 限范围r 1.GJB572—0搴J劈量撂准定义的毫压 波形缡离系教摄履范圈求法--.-} 设tu——被浏电压对对间t的函.数,即 uf(t)j,- u——被谫I电压在t时的伏特(瞬时) 值’ U~----u的基波电压,即UU.sidb} u——U在t.时的伏特t瞬时)值. 根据定义可得电压波形倡离系数t AV.=U.一U.?U×5%(1, 讨论(1)式’ 目为U和u.都可能为正或负值,而且 ‰可能大于或小于U.因此,在0,2?时 间内,?V将有下列可能 (1)当u>0IU>0J且u.>U 时,则偏离系数AV为正值[参见图7 (a)] (2)当u>0,U>0,且u,<U. 时,则偏离系数AV.为负值(参见图7 (b)]. (3)当u.>0}U<0时,则偏离 盎U盘 tt-, 图T各种u和U条件下的一离系数 系数?V为正值(参见图7(c)]. (4)当U.<0,U.<0I且I?. IU.J时,则偏离系数AV为负值[参见图 7(d)] (5)当u.<0,U.<0,且uI< jU.时,则偏离系数?V为正值[参见图 7(e)). 虽然被测交流电压波形的有效值与其基 波的有效值两者有完垒不同的概念,但根据 国内外高畸变交流电源电压波形的测量结 果(如图4,图5和图6所示),发现被测 交流电源电压波形的有效值一般都近似地等 于它自己的基波电压的有效值,如图4波形 的有效值为115V,而它的基波电压也为 115V.因此,定义中基波电压的峰值也就 可以近似地采用系统交流电压的有效值乘 代之. 即:当系统电压为115V时,基波峰值: U…115x2162V 所以,允许的最大偏离系数(极限); ?V…?162x0.05:8.1V (2) \//,驰/ 一\/c-7…o\/ 0 0?/4a/23?/l5a/43?/27z/42n :7—::/厂\ 一,lSO6858 圉8当按测电压的有效值和基波为 115耐,IS08868交滚电压波形儡离系数极 限曲线爱GJB572—88交流电压波形一鼻系 簟极鼠直缝 由(1)和(2)式可知,GJB572— 88规定的交流电压波形偏离系数极限是二条 与时间无关,且对称于横坐标的直线.如果系 统电压为115V.且基波也等于115V时,偏离 系数极限就是二条对称的?8.1V的直线 (参见图8).同理,偏离系数极限也是跟 一 15— l瞳基波变化??V.的公差带C参见图 9). U.”二. 圈9GJB5T2—88电压波形偏离允许 极鼠范圈 2.GJB572—88偏离系藏极鼠范圈误 差讨论 根据上述近似计算得出?V=.-?8.1 V,它的误差量级可分析如下.从理论上说, 自激磁式交流发电机的激磁功率一般也就约 占主交流发电机额定输出功率的百分之二左 右.若再保守一点近似地认为这些分流出来 的澈磁功率,全部靠降低基波电压来补充. 通过计算,AV…的最大误差为0.2V左右. ‘ . 由于调压器的快速调节反赡,系统电压 囊1 迅速回升.事实上,基波电压不会因为激磁 功率的分流使其降低百分之二.也就是说, AV…的误差远小于0.2V,这也证明了为 什么对高畸变交流电源电压有效值的实际测 量结果经常等于其基波有效值. 3.IS06858类型标准定义的电压波形 偏离系藏板限范圈求法 设:u——被测电压对时间t的,u=f(t) u,——被测电压在t时间的伏特(瞬 时)值, u.——u的有效值, u——u的等值正弦波,即U=Usine) u——u在t.时间的伏特(瞬时)值, AV.——在t时间,被测电压与其等值 正弦波电压(瞬时)值之差, 即矗V=u.一U 根据定义可得电压波形偏离系数为t ?V=u.一U?u.(15.5+5.5cosZO)% (8) , I-r蝴角0,2变化时,可计算j(15.5+ 5.5cos20)于表l(当B由到2?变化时,函 数重复0,的变化). e. 175l573_864a2126J884 15.5+.5cos202lbo.2610.3918.2515.512.751010.7418? 母.1ll?6119.39l6.52l q蓦为.和U可能分别为正或负值, 而且m:可能大乎或小于U,,因此当e由0到 2变化时,由(3)式和表|1可知,?V为 对称横坐标的二条双倍角余弦曲线,其幅度 在有效值舶1Q,21内变化(参见图8), 也就是说ISO6858规定的交流电压波形倍 离系载极限是j条围绕等值正弦波变化的取 倍角余弦曲线,其变他范围在?10,21 的有效值区域内(参见图10). 如果按瑗常u.:II5V考虑,则, 一 16一 范圈 mloIs06858电压波形伯凳诈极曩辽 AV=115(15.5+5.5~o~20). 当0角由0到变化时,AV…之值的 变化可列于表2.当0角从到2变化时, 寰2 AV…值重复0,的变化,为此ISO6858规 定的波形偏离系数极限曲线可参见图8. O.?}J}n75?357862l28d68 ?V皿ax24.15.23.322.12l17.9Il.66l1.Sl2.35I1.36I.g2122.1z4.工5 l 结论 1.没有偏离系数指标的飞机地面交流电 源标准是不完整的标准. 2.出较两种典型标准对电压波形偏离系 数的定义及它们的极限可知,GJB572—88 的要求比ISO6858类型标准规定的要求要 严格得多,特别是在e角等于0,和2时, 极限竟差3倍(24.15/8.13). 对要求电压波形过零时问较精确的电子 设备应选用GJB572—88类型的标准,反之 对系统电压过零时间精度没有严格要求的用 电设备(如:电加热器,灯泡和一般电磁器件 等),则可选用ISO6858类型的标准规定的电 压波形偏离系数极限.英国等许多西欧国家 的电源标准与ISO6858规定的偏离系数相 同,如果在那些国家的机场电源设备中盲目 地套用GJB572—88类型标准要求的波形偏 离系数极限,那就是一种极大的浪费.当然采 用ISo6858类型标准的国家,它们的航空及 机场电源产品制造公司为了争褥世界市 场,而采用各种先进标准生产电源设备那是 另外一回事. l 寸. 2 3 (上接第27贾) 3.综上所述可知,GJB572—88属目前 最先进标准’ISO6858属目前世界上基本 的标准. 美国军用标准MIL—STD-7O4B,MIL— STD一704C和MIL—STD一704D规定的交流 电压渡形偏离系数与GJB572—88相类似. 只不过它们的极隈缩小了v/i倍(不以峰值 而以有效值为准) 参考文棘 l兰州电源车辆研究所.MIL-STD一70d飞 机电源特性及应用.移动电源与车辆,1984 2兰州电源车辆研究所.MIL-STD一704A 飞机电源特性及应用.移动电源与车辆,1984 3兰州电源车辆研究所.MIL-STD一704B 飞机电源特性.移动电源与车辆,19$4 4兰州电源车辆研究所.MIL-STD?704C 飞机电源特性.移动电源与车辆,1984 5兰州电源车辆研究所.MIL—STD?704D 飞机电谅特性.移动电源与车辆,1984 6兰州电源车辆研究所.ISO6858—1982(E) 飞机一地面支援电源一一般要求.移动电源与车 辆,1984 7GJB572—88飞机地面供电特性及一般要 求. 参考文献 GB3852--83联轴器轴孔和键楷趔式及尺 GB1们5—79平键键和键槽的剖面尺寸. JB/Z231--85小型异步电动机主要零部件形 状和位置公差标注及检涮规定. 4zBK22007--88Y系列(IP44)三相异步电 动机技术条件. 一 l7一