CN105785191B - 一种飞机模块化电网实验装置及功能模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种飞机模块化电网实验装置，主要由模块化设计的发电系统模块、电网模块及控制器模块搭建而成，所述电网模块由若干模块化设计的交流单通道模块和直流单通道模块相互连接组成。本发明设计的模块化电网实验装置，模块间只需简单硬件连接，根据设计拓扑自主增添模块，可以完成多通道复杂电网的设计和试验，探索电网控制算法和电能管理方法，并且可以用于高校航空供电系统课程的实践环节，达到对现存飞机电网的学习以及对新型飞机电网的创新两个研究目的。
Description
技术领域
本发明属于电气工程领域，尤其是涉及大型客机电网。
背景技术
大型客机处于民机产业的最高端，技术难度大，经济价值高，综合性强。目前，全球大型客机市场基本上被欧洲空客公司与美国波音公司两大航空巨头瓜分，A380与B787都代表了大型客机目前的最高技术水平。我国的大型客机C919的研制各项工作也正在稳步推进，
目前客机主电源系统主要有27V低压直流电源和400Hz 115/200V恒频交流电源两种供电体制。随着电源供电技术以及用电设备的发展，也由于低压直流与恒频交流电源系统都存在一些问题，变频交流供电体制得到较快发展。该种电源系统在环球快车飞机、SAAB2000支线飞机、A380与B787飞机上得到应用，我国的C919也将采用这种供电体制。
大型客机是我国今后重要发展方向以及科研人员的主要研究方向，让中国的大飞机飞上蓝天是国家的意志。飞机供电系统是飞机上的重要组成部分。变频交流供电体制是当今飞机电源系统的一个发展方向，国外也只有少量先进飞机采用，国内对于这种供电体制的研究刚刚起步，因此开展其供电系统的结构研究是有必要的。然而，目前高校仅仅针对单一机型开发实验装置，没有通用的飞机电网实验装置，为研究大型客机电源系统的研究带来了不便。
发明内容
本发明公开一种飞机模块化电网实验装置，该模块化实验装置是基于对现有客机各种机型电网结构进行研究分析得到的通用的飞机电网最小功能单元，多个电网模块化实验装置可以任意组合，搭建出各种不同型号飞机的电网结构，并且可以针对不同电网结构自主设计电网控制和管理功能。
本发明的技术方案是：
一种飞机模块化电网实验装置，其特征在于由模块化设计的发电系统模块、电网模块及控制器模块搭建而成，所述发电系统模块用于模拟飞机的发电系统，所述电网模块用于模拟飞机的电网结构，所述控制器模块用于模拟对飞机的发电系统及电网结构的管理功能；所述电网模块由若干模块化设计的交流单通道模块和直流单通道模块相互连接组成。
其中交流单通道模块和直流单通道模块是电网模块的最小功能单元。
优选地，所述交流单通道模块包括一交流汇流条、一变压整流器、一直流汇流条、一直流主汇流条、若干接触器和若干断路器，所述交流汇流条经一接触器和一断路器连接所述变压整流器，所述变压整流器经一接触器连接所述直流汇流条，所述直流汇流条经一接触器连接所述直流主汇流条，所述交流汇流条具有交流输入、输出端口。
优选地，所述直流单通道模块包括一交流汇流条、一逆变器、一直流蓄电池汇流条和一蓄电池，所述交流汇流条经一断路器和一接触器连接所述逆变器，所述逆变器经一断路器和一接触器连接所述直流蓄电池汇流条，所述直流蓄电池汇流条连接所述蓄电池，所述交流汇流条具有交流输出端口。
本发明提出一种大型客机模块化电网实验装置，使用灵活方便，具有很好的通用性、变化性和扩展性，可以完成多通道复杂电网的设计和试验，探索电网控制算法和电能管理方法，并且可以用于高校航空供电系统课程的实践环节，学生可以自行随意选择，随意组合，运用不同数量的模块构成不同的机型，开发新型配电系统和电网结构，有利于培养和提高学生该领域的理论知识以及自主创新和实践水平和能力，达到对现存飞机电网的学习以及对新型飞机电网的创新两个研究目的，对推动各种结构形式的电网设计与开发有很重要的现实意义，为大型客机电源系统的设计提供支持。
本发明的有益效果是：
（1）为飞机供电系统的快速组合和集成设计提供参考。分析供电系统的模块化、标准化结构，分析形成供电系统的接口，有利于构成各种形式的电网，可用于各种结构形式的电网设计和开发。
（2）为开发飞机供电系统的实验系统提供支持。航空航天供电系统是本科生的一门重要课程，一直没有开设系统实验课程。本项目开发分析模块化电网结构，开发模块化电网组件，学生可以利用多个模块组件构成各种电网。满足高校航空供电系统课程实验的基本认知要求和创新设计要求。
附图说明
图1是本发明结构框图。
图2是本发明单通道单发电网发电系统单线图。
图3是本发明单通道单发电网交流供电模块组成图。
图4是本发明单通道单发电网直流供电模块组成图。
图5是本发明双通道电网供电系统单线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所示为本发明的结构框图。
本实施例的飞机模块化电网实验装置设计过程如下：
1．研究适用于大型通用客机的供电方案，确立所使用的供电网络拓扑构。
通过分析B737、A320、SU27大型客机，可知其电源系统都是双台发电机驱动，都有三台变压整流器，将115V交流电整为28V直流电。其中B737和A320都是150座的机型设计，这两种飞机的额定容量也有一定的类似。由此可以设计出单通道单发电网供电系统，包括交流单通道系统和直流单通道系统，主要由交流汇流条、变压整流器、直流汇流条、直流主汇流条、直流蓄电池汇流条、逆变器、蓄电池、接触器、断路器以及半开放式的控制器组成。主要设计指标为：发电机容量100W、交流电源频率400Hz、变压整流器容量70W、逆变器容量70W、直流电源额定值28V。
2．采用LabVIEW软件开发大型供电系统演示软件，演示电网络。
根据供电系统的工作原理，首先建立部件模块，包括发电机模块、接触器模块和汇流条模块。然后导入模块并进行仿真界面的设计，在LabVIEW新建VI，在前面板上分别导入发电机、接触器、汇流条模块，添加两个布尔输入控件，分别用作启动开关和空/地切换按钮，给所有模块标识名称并搭建网络。最后设计程序面板，使用Whine结构嵌套顺序结构的程序结构，进行逻辑运算，保证程序的连续有序执行。
3．根据最终方案，构建物理仿真验证系统，实现验证和演示该供电系统的功能。
硬件部分主要由主网络电路，控制电路，检测电路和驱动电路构成。主网络电路由接触器构成，检测电路用于各个继电器及上述模拟器件的状态检测，以验证各部分是否正常工作。
如图2所示，是本实施例单通道单发电网发电系统单线图，发电系统模块用于模拟飞机的发电系统。发电机组G由原动机拖动，产生115V 400Hz的交流电，再由发电机调压器AVR对调节点电压进行调节，形成闭环调节，此处发电机调压器为开放式结构。通道扩展装置由手动开关S1、S2、S3……的组合来实现，发电机发出的交流电经过手动开关S1、S2、S3……，依据实验者对手动开关的开通和闭合行为，可人为地控制发电通道个数，从而达到开通开关数与所需发电通道数一致的目的，形成一源多通道状态，不仅可以模拟单台发电机电网的发电系统，还可以模拟多台发电机的发电系统并且具有节约实验装置，操作灵活简便的优点。
如图3所示，是本实施例单通道单发电网交流供电模块组成图。交流单通道模块由交流汇流条AC BUS、变压整流器TRU、直流汇流条DC BUS、直流主汇流条DC ESS BUS、接触器和断路器组成。交流汇流条AC BUS经接触器BTB2和一断路器连接变压整流器TRU，变压整流器TRU经接触器BTB3连接直流汇流条DC BUS，直流汇流条DC BUS经接触器BTB4连接直流主汇流条DC ESS BUS，交流汇流条AC BUS经接触器BTB1连接发电系统模块IDG。交流汇流条ACBUS提供了连接其他单通道模块的端口，端口上连接有接触器（BTB5、BTB6）以及断路器。实验时，所有断路器均闭合，从发电系统模块发出115V 400Hz交流电，BTB1闭合，电流经过交流汇流条AC BUS，在BTB2闭合的情况下流向变压整流器TRU，变压整流器TRU将115V的交流电转换为28V直流电，闭合BTB3，电流流向直流汇流条DC BUS，BTB4闭合，直流电流向直流主汇流条DC ESS BUS。主要设计指标为：发电机容量100W、交流电源频率400Hz、变压整流器容量70W。
如图4所示，是本实施例单通道单发电网直流供电模块组成图。直流单通道模块由交流汇流条AC BUS、逆变器STAT INV、直流蓄电池汇流条DC BAT BUS、蓄电池BAT、接触器和断路器组成。交流汇流条AC BUS经一断路器和接触器BTB7连接逆变器STAT INV，逆变器STAT INV经一断路器和接触器BTB8连接直流蓄电池汇流条DC BAT BUS，直流蓄电池汇流条DC BAT BUS连接蓄电池BAT，交流汇流条AC BUS提供了连接其他单通道模块的端口，端口上连接有接触器（BTB9）。实验时，所有断路器均闭合，蓄电池BAT向直流蓄电池汇流条DC BATBUS供电，BTB8闭合，直流蓄电池汇流条DC BAT BUS将28V直流电输向逆变器INV， 28V直流电经过逆变器INV逆变为115V交流电，在BTB7闭合的情况下交流电流向交流汇流条AC BUS。主要设计指标为：逆变器容量70W、直流电源额定值28V。
如图5所示，是本实施例双通道电网供电系统单线图。双通道电网供电系统包含发电系统模块、电网模块、控制器模块、检测装置和显示装置，其中电网模块着重体现模块化设计的核心，其实验装置是基于现有客机各种机型电网结构的研究分析得到的通用的飞机电网最小功能单元，并将最小功能单元拆分简化为交流通道模块和直流通道模块这两个基本模块单元，多个模块单元可以任意组合，搭建出不同结构的飞机电网，也可创建出新型飞机电网，完成多通道复杂电网的实验和设计。如图所示，左右两边为两个相同的交流单通道模块AC Single，中间是一个直流单通道模块DC Single，这三个模块单元之间只需通过接触器简单连接即可。同理，发电系统模块、电网模块与控制器模块之间也各自独立分开，只需简单硬件连接即可，使用者可自行随意选择，随意组合，运用不同数量的模块构成不同的机型。控制器采用模块化软件设计，包括单通道的发电系统控制模块，交流单通道控制模块，直流单通道控制模块等等，用于模拟对飞机的发电系统及电网结构的管理功能。通过这些模块的组合，可以实现对各种复杂电网的控制。在各模块间可根据需要添加检测器和显示器，构成完整的电网设计模块图。
Claims (9)
1.一种用于飞机电网实验装置的单通道模块，其特征在于包括一交流汇流条、一变压整流器、一直流汇流条、一直流主汇流条、若干接触器和若干断路器，所述交流汇流条经一接触器和一断路器连接所述变压整流器，所述变压整流器经一接触器连接所述直流汇流条，所述直流汇流条经一接触器连接所述直流主汇流条，所述交流汇流条具有连接其他单通道模块的端口。
2.一种用于飞机电网实验装置的单通道模块，其特征在于包括一交流汇流条、一逆变器、一直流蓄电池汇流条和一蓄电池，所述交流汇流条经一断路器和一接触器连接所述逆变器，所述逆变器经一断路器和一接触器连接所述直流蓄电池汇流条，所述直流蓄电池汇流条连接所述蓄电池，所述交流汇流条具有连接其他单通道模块的端口。
3.一种飞机模块化电网实验装置，其特征在于主要由模块化设计的发电系统模块、电网模块及控制器模块搭建而成，所述发电系统模块用于模拟飞机的发电系统，所述电网模块用于模拟飞机的电网结构，所述控制器模块用于模拟对飞机的发电系统及电网结构的管理功能；所述电网模块由若干模块化设计的交流单通道模块和直流单通道模块相互连接组成。
4.如权利要求3所述的一种飞机模块化电网实验装置，其特征在于所述交流单通道模块包括一交流汇流条、一变压整流器、一直流汇流条、一直流主汇流条、若干接触器和若干断路器，所述交流汇流条经一接触器和一断路器连接所述变压整流器，所述变压整流器经一接触器连接所述直流汇流条，所述直流汇流条经一接触器连接所述直流主汇流条，所述交流汇流条具有连接其他单通道模块的端口。
5.如权利要求3所述的一种飞机模块化电网实验装置，其特征在于所述直流单通道模块包括一交流汇流条、一逆变器、一直流蓄电池汇流条和一蓄电池，所述交流汇流条经一断路器和一接触器连接所述逆变器，所述逆变器经一断路器和一接触器连接所述直流蓄电池汇流条，所述直流蓄电池汇流条连接所述蓄电池，所述交流汇流条具有连接其他单通道模块的端口。
6.如权利要求3所述的一种飞机模块化电网实验装置，其特征在于所述发电系统模块包括：通道扩展装置，用于将单通道的交流输出扩展为多通道的交流输出。
7.如权利要求6所述的一种飞机模块化电网实验装置，其特征在于所述通道扩展装置由并联的可控开关电路实现。
8.如权利要求3所述的一种飞机模块化电网实验装置，其特征在于所述发电系统模块包括：发电机调压器，采用开放式结构，用于对调压点电压进行闭环调节。
9.根据权利要求3所述的一种飞机模块化电网实验装置，其特征在于，所述控制器模块包括单通道的发电系统控制模块、交流单通道控制模块、直流单通道控制模块。
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