季嘉偉 趙徐成 孫國(guó)文

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系 徐州 221000)

模塊化設(shè)計(jì)在航空地面電源開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究*

季嘉偉 趙徐成 孫國(guó)文

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系 徐州 221000)

針對(duì)航空地面電源保障裝備設(shè)計(jì)存在的種類繁多、體積過(guò)大、功能單一等問(wèn)題,提出了一種地面電源裝備模塊化設(shè)計(jì)方法,給出其詳細(xì)設(shè)計(jì)流程。通過(guò)該方法的應(yīng)用,設(shè)計(jì)了通用模塊化電源裝備,使航空地面電源實(shí)現(xiàn)了小型化、多功能化、通用化。

地面電源; 模塊化; 設(shè)計(jì)

Class Number TJ02

1 引言

美軍的MASS項(xiàng)目中的航空地面保障裝備按其功能設(shè)計(jì)成為各種功能模塊,還有通用的載體和框架[1]。裝備的模塊化和多功能化使裝備的數(shù)量、體積和重量都得到了大幅度的減少。另外,裝備的模塊化使得裝備的可靠性、維修性、保障性也得到大量的提高。裝備的研發(fā)、制造、維護(hù)費(fèi)用也大大降低。而我軍四站保障裝備的模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn)也在陸續(xù)展開(kāi),模塊化保障裝備將實(shí)現(xiàn)四站裝備的小型化、通用化、多功能化,大大提高四站保障能力。

航空地面電源是用來(lái)給飛機(jī)起動(dòng)和飛機(jī)系統(tǒng)自檢所用。給飛機(jī)起動(dòng)需要低壓大電流直流電源,而飛機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)自檢需要三相中頻交流電和三相工頻交流電[2]。而現(xiàn)有的航空地面電源車只能輸出直流電或者交流電一種電源,無(wú)法滿足航空地面電源的通用化保障,即一臺(tái)航空地面電源通過(guò)功能模塊的切換,以實(shí)現(xiàn)多機(jī)種的航空地面電源綜合保障。所以航空地面電源的模塊化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要,通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)能滿足各型飛機(jī)的地面電源通用化保障。

2 航空地面電源模塊化概念

航空地面電源模塊化是為了提高裝備的保障能力,分析系統(tǒng)的功能、性能、幾何結(jié)構(gòu),劃分結(jié)構(gòu)模塊并構(gòu)建模塊體系,再利用各模塊組合成系統(tǒng)的全過(guò)程。航空地面電源模塊化的宗旨是效益。模塊化是一種思想方法,其最終目的是通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)地面電源進(jìn)行設(shè)計(jì),滿足飛機(jī)的電源保障需求的同時(shí)降低地面電源研制成本,實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)效益。模塊化的關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)的模塊劃分與模塊組合[3]。裝備模塊劃分與模塊配置是實(shí)施模塊化技術(shù)的核心問(wèn)題[4]。模塊劃分與組合過(guò)程如圖1所示。

按照上述設(shè)計(jì)思想,模塊化設(shè)計(jì)首先是根據(jù)保障裝備的總需求,將總需求劃分為一系列子需求;根據(jù)子需求完成從裝備需求域到模塊功能域的映射[5],由于模塊結(jié)構(gòu)是模塊功能的載體,所以再由模塊功能域到結(jié)構(gòu)域的映射,繼而由子模塊的結(jié)構(gòu)綜合集成為整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[6]。

3 電源功能模塊設(shè)計(jì)

3.1 電源功能模塊設(shè)計(jì)思路

在航空地面電源的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,需按照需求、功能與結(jié)構(gòu)的映射對(duì)航空地面電源進(jìn)行模塊劃分[7]。

1) 保障需求分析。航空地面電源的保障需求分析是模塊化整體設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)所在。主要采用部隊(duì)調(diào)研、查閱資料等方法,確定地面電源裝備的保障任務(wù)需求,并按照GJB572A-2006[8](飛機(jī)外部電源供電特性及一般要求)等一定的標(biāo)準(zhǔn),將其分解為若干子需求。

2) 功能模塊設(shè)計(jì)。將子任務(wù)需求進(jìn)行映射到功能設(shè)計(jì),得到完成相應(yīng)子任務(wù)需要地面電源保障裝備具備的基本功能,然后再根據(jù)相關(guān)性將基本功能進(jìn)行聚合,得到功能模塊。地面電源功能模塊設(shè)計(jì)的核心是功能的分解和基本功能的聚合。根據(jù)子任務(wù)需求分析,航空地面電源需要三相115V/400Hz功能輸出、三相AC36V功能輸出、單相AC115V/400Hz功能輸出、DC28V/56V功能輸出、DC28V/70V功能輸出和DC270V功能輸出,可由AC 115V/400Hz功能模塊、DC 270V功能模塊和DC 28V/56V/70V功能模塊組合實(shí)現(xiàn)。

3) 功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在功能模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)體模塊的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),其實(shí)質(zhì)是對(duì)電源功能模塊進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)成電源模塊保障裝備的過(guò)程。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性在于可以實(shí)現(xiàn)模塊的靈活組合[9],因此,模塊實(shí)體構(gòu)建時(shí)要考慮到地面電源保障裝備特性優(yōu)化,具體的需要優(yōu)化裝備的可靠性、維修性和保障性。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)體模塊設(shè)計(jì)的靈活性,應(yīng)使接口盡量標(biāo)準(zhǔn)化,便于聯(lián)接和分離,同時(shí)模塊之間保持相對(duì)獨(dú)立性,保持耦合性最小原則[10]。

3.2 電源功能模塊組成結(jié)構(gòu)

功能模塊組成結(jié)構(gòu)由AC 115V/400Hz子模塊(簡(jiǎn)稱115V/400Hz子模塊)、DC 270V子模塊(簡(jiǎn)稱DC 270V子模塊)、DC 28V/56V/70V子模塊(簡(jiǎn)稱DC 28V子模塊)和輸入輸出電纜箱4部分組成。其中系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

115V/400Hz子模塊采用三相工頻輸入,對(duì)三相工頻電源進(jìn)行整流、濾波,并經(jīng)PWM脈寬調(diào)制,將直流逆變?yōu)?00Hz電源,再經(jīng)變壓器隔離和濾波電路后輸出三相115V/400Hz電壓。電源采用多環(huán)控制,電壓控制外環(huán)采用有效值電壓負(fù)反饋、電流瞬時(shí)正反饋來(lái)控制電壓穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能;電壓控制內(nèi)環(huán)采用電壓瞬時(shí)值負(fù)反饋、輸出電流諧波負(fù)反饋控制波形品質(zhì)。電源的輸出共分為3路,分別為115V三相四線輸出、36V/三相三線輸出和115V單相輸出,其中115V三相四線輸出采用雙路輸出,每一路有獨(dú)立的輸出控制。

DC270V子模塊采用三相工頻輸入,對(duì)三相工頻電源進(jìn)行整流、濾波,并經(jīng)PWM脈寬調(diào)制,將直流逆變?yōu)楦哳lPWM調(diào)制波,再經(jīng)變壓器隔離、高頻整流、濾波后輸出直流電壓。該子模塊由九個(gè)DC270V/40A二級(jí)子模塊并聯(lián)組成。DC270V/40A二級(jí)子模塊采用無(wú)主從并聯(lián)的控制方式,并具有自動(dòng)均流和截流功能。當(dāng)某個(gè)二級(jí)子模塊故障時(shí),可自動(dòng)退出系統(tǒng),使得輸出供電更加可靠。此系統(tǒng)為雙路270V輸出,每一路有獨(dú)立的輸出控制。

DC 28V子模塊采用三相工頻輸入,對(duì)三相工頻電源進(jìn)行整流、濾波,并經(jīng)PWM脈寬調(diào)制,將直流逆變?yōu)楦哳lPWM調(diào)制波,再經(jīng)變壓器隔離、高頻整流、濾波后輸出直流電壓。該子模塊由9個(gè)DC28V/200A二級(jí)子模塊組成。其中DC28V/200A電源由1個(gè)DC28V/200A二級(jí)子模塊組成,2個(gè)DC28V/800A電源分別由4個(gè)DC28V/200A二級(jí)子模塊并聯(lián)組成。這3個(gè)電源配合輸出切換裝置后,可以輸出2類電壓,分別為28V/56V輸出和28V/70V輸出。28V/56V輸出是在輸出過(guò)程中受控于用電設(shè)備,先輸出28V后輸出56V。28V/70V輸出是輸出28V電壓的同時(shí)也輸出0V～70V電壓。

輸入輸出電纜箱將工頻輸入電纜、中頻和直流輸出電纜集中收放其中。

4 電源控制模塊方案設(shè)計(jì)

4.1 硬件框架

電源模塊采用統(tǒng)一的硬件控制模式,將電源模塊分為115V/400Hz子模塊、DC28V/56V/70V子模塊、DC270V子模塊和輸入輸出電纜箱。這四個(gè)模塊具有自己獨(dú)立的控制,且控制模式相近?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主回路的電壓、電流、頻率、波形等參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,控制系統(tǒng)通過(guò)485接口完成與主回路的數(shù)據(jù)交換,并通過(guò)CAN接口將電源的輸出電壓、輸出電流等參數(shù)上傳給顯示單元。

顯示單元實(shí)時(shí)接收控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)并在屏幕上顯示,顯示單元具有一定的設(shè)置功能,在獲取權(quán)限后,可通過(guò)CAN接口給控制電路下發(fā)少量控制命令。可在屏幕上查詢電源的狀態(tài)及歷史故障。

電源的硬件框圖如圖3所示。

4.2 軟件方案

本電源模塊控制程序流程見(jiàn)圖4。當(dāng)電源模塊系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)工作范圍變化時(shí),控制程序可以修正設(shè)置參數(shù)以滿足要求。每當(dāng)電源模塊在工作過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí),都可以進(jìn)行排故處理。對(duì)電源模塊在起動(dòng)、合閘和停機(jī)過(guò)程中的運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)后,通過(guò)各子程序的控制進(jìn)行工作運(yùn)行,電壓頻率一旦出現(xiàn)非正常情況可自動(dòng)切斷輸出供電或自動(dòng)停機(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用模塊化設(shè)計(jì)的方法,針對(duì)航空地面電源保障通用化問(wèn)題,運(yùn)用模塊化電源的靜變電源技術(shù),設(shè)計(jì)了多功能、小型化的航空地面模塊化電源。然而,由于模塊化設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、綜合的系統(tǒng)工程[11],涉及內(nèi)容復(fù)雜,文中僅僅對(duì)設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了分析,后續(xù)還需要對(duì)設(shè)計(jì)模型庫(kù)、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系[12]等問(wèn)題進(jìn)行研究,進(jìn)一步提高航空地面電源裝備模塊化設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和效率。

[1] 王保成.外軍地面裝備保障[D].徐州：空軍勤務(wù)學(xué)院,2013.

[2] 趙徐成,蔣超.航空地面電源裝備與保障[D].徐州：空軍勤務(wù)學(xué)院,2015.

[3] 童時(shí)中.模塊化原理設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

[4] 葉永進(jìn).裝備類產(chǎn)品模塊化快速設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué)碩士論文,2010:7-10.

[5] 劉彬,古平,劉一川,等.新型裝備模塊化概念設(shè)計(jì)方法[J].兵工自動(dòng)化,2015,34(2):46-48.

[6] 祁卓婭.機(jī)械產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法研究[D].北京:機(jī)械科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文,2006:12-16.

[7] 賈冰,張雷,吳兵.模塊化設(shè)計(jì)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2015,44(2):80-82.

[8] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB572A-2006.飛機(jī)外部電源供電特性及一般要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006-12-15.

[9] 張寶輝.模塊化總體設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004:10-15.

[10] 賈延林.模塊化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[11] 孫銳,劉曉飛,董萍,等.產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)新方法研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2016,38(5):98-101.

[12] 紀(jì)海.基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研發(fā)[D].北京:北京信息科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008:23-30.

Application of Modular Design Method in Development of Aero Ground Power Supply

JI Jiawei ZHAO Xucheng SUN Guowen

(Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000)

There are lots of issues in the design for the traditional aero ground power supply equipment, such as the variety of species, too large volume and sole function. To solve these problems, this paper proposes a method for modular design in aero ground power supply equipment, and focuses on detail design processes. This paper designs generalized and modularized power supply equipment in order to realize miniaturization, multi-function and generalization for aero ground power supply equipment.

ground power, modular, design

2016年10月1日,

2016年11月17日

季嘉偉,男,碩士研究生,研究方向:控制科學(xué)與工程。趙徐成,男,博士研究生,研究方向:控制科學(xué)與工程。孫國(guó)文,男,碩士研究生,研究方向:控制科學(xué)與工程。

TJ02

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.004