譚秀萍，張 琦，石 娟，白欣鵬

（中國飛行試驗研究院 改裝部，陜西 西安 710089）

1 引言

近年來，隨著我國航空工業(yè)的迅猛發(fā)展，很多新研制的設(shè)備亟待裝機(jī)進(jìn)行試飛驗證，而我院具備載機(jī)試飛驗證平臺的資源優(yōu)勢，因此進(jìn)行驗證試飛的改裝任務(wù)也隨之增多。被試設(shè)備的用電量由小到大，由原來利用飛機(jī)剩余電量就可滿足試飛驗證需求，發(fā)展到必須加裝輔助電源才能滿足新研制設(shè)備的用電要求，用電功率高達(dá)100 kVA 左右。

在試驗機(jī)平臺改裝中，大功率供電系統(tǒng)經(jīng)常選用接觸器、繼電器為設(shè)備供電的控制器件，由于接觸器線圈為感性負(fù)載，開關(guān)在接通、斷開及轉(zhuǎn)換的過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾電壓可達(dá)幾百伏到幾千伏，如果不加以抑制，抑制效果將變差，瞬態(tài)干擾會造成設(shè)備電源電壓的不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的電壓就成了一種干擾源，它可以通過電源線或向外輻射的方式疊加到其他電子設(shè)備的輸入電壓上，結(jié)果可能會導(dǎo)致電子設(shè)備保護(hù)器件的誤動作，監(jiān)控設(shè)備運行不正常，數(shù)據(jù)丟失甚至損壞電子設(shè)備，給電子設(shè)備的正常工作造成很大的影響，因此對沒有脈沖抑制器的元器件必須加裝干擾抑制電路。在有些情況下，開關(guān)器件即使帶有脈沖抑制器，其輸出點的干擾電壓仍超出國軍標(biāo)的規(guī)定范圍。

2 瞬態(tài)及干擾電壓產(chǎn)生的原因

2.1 瞬態(tài)過程

當(dāng)供電系統(tǒng)或供電負(fù)載處于正常的工作狀態(tài)下，系統(tǒng)特性除發(fā)生固有變化外不發(fā)生明顯變動，這是穩(wěn)態(tài)過程。當(dāng)供電系統(tǒng)或供電負(fù)載工作狀態(tài)發(fā)生變化，系統(tǒng)特性發(fā)生了瞬態(tài)突變，此時系統(tǒng)特性往往超出穩(wěn)態(tài)值范圍，并在規(guī)定的時間內(nèi)逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)范圍內(nèi)，這是瞬態(tài)過程[1]。

2.2 瞬態(tài)干擾電壓產(chǎn)生的原因

不管是在交流電路還是直流電路中，不論是機(jī)械開關(guān)還是電子開關(guān)，只要開關(guān)的狀態(tài)發(fā)生變化都會發(fā)生供電電源突然與負(fù)載接通或斷開的情況引起電路中的電流和電壓發(fā)生躍變[2]。以有電感負(fù)載的電路為例，對常用的MZJ-200 接觸器外加28 V 直流電源進(jìn)行了測試，電路如圖1 所示。

圖1 電器圖

工作過程：當(dāng)開關(guān)K 接通，D 點的輸出電壓波形基本滿足要求；為什么接通開關(guān)時沒有尖峰電壓？還是因為很小沒有超過規(guī)定范圍？開關(guān)K 斷開時，在A、B 和D 點出現(xiàn)脈沖頻率較高（幾千赫茲到幾萬赫茲），幅度較大（100 V～500 V）的瞬態(tài)電壓。如果單從A、C、D 抑制干擾電壓，效果不太好，在B 點進(jìn)行有效抑制后，不但接觸器線圈處的瞬態(tài)電壓抑制了，A、D 點處的瞬態(tài)電壓也會消失。

通過實驗說明，在直流感性負(fù)載電路中，當(dāng)開關(guān)K 把電路斷開時發(fā)生瞬態(tài)過程，電路中電流的變化率di（t）/dt 很大，在感性負(fù)載的兩端會出現(xiàn)很高的反向電壓VL（t），即VL（t）=-Ldi（t）/dt，此電壓在微秒數(shù)量級可達(dá)到供電電壓的10～100 倍。這個反向電動勢疊加在開關(guān)兩端，如果電壓＞300 V，觸點間隙被擊穿引起火花放電，此時會產(chǎn)生很強(qiáng)的高頻脈沖干擾。觸點閉合時，因觸點的彈跳，使觸點之間產(chǎn)生閉合-分離-閉合過程的重復(fù)。此過程引起的電壓瞬變比觸點斷開時更為嚴(yán)重。供電導(dǎo)線的電感、負(fù)載、觸點的抖動、異常閉合導(dǎo)致觸點電阻變化，也是瞬態(tài)干擾產(chǎn)生的原因。

3 瞬態(tài)干擾電壓抑制方法

下面介紹幾種能有效抑制瞬態(tài)干擾的線路，并對其線路的組成、抑制原理、元器件參數(shù)的選擇及適用進(jìn)行簡單介紹。

3.1 穩(wěn)壓管對抑制電路

穩(wěn)壓管對抑制電路如圖2 所示，其中VZ=1.1V0，IZmax＞1.5I0.

圖2 穩(wěn)壓管對抑制電路圖

穩(wěn)壓管對抑制電路適合交、直流電路，背對背串接的穩(wěn)定管對對感性負(fù)載瞬態(tài)抑制電路。當(dāng)加在穩(wěn)壓管對兩端的瞬態(tài)電壓高于一個穩(wěn)壓管如VZ1的穩(wěn)壓電壓VZ1時，穩(wěn)壓管VZ2處于正向?qū)?，VZ1處于反向擊穿。把感性負(fù)載兩端的瞬態(tài)電壓牽制在穩(wěn)壓電壓VZ1與二極管正向?qū)妷褐吞嶽2]。

3.2 硅瞬變吸收二極管抑制電路

硅瞬變吸收二極管抑制電路如圖3 所示，其中VZ＞2V0，IZmax＞1.5I0.

圖3 硅瞬變吸收二極管抑制電路圖

硅瞬變吸收二極管抑制電路適合直流電路，硅瞬變吸收二極管的工作有點像普通的穩(wěn)壓管，簡稱TVS 管，是鉗位型的干擾吸收器件，具有極快的響應(yīng)時間（亞納秒級）和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極快的速度把兩端之間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收一個瞬間大電流，從而將其兩端電壓鉗制在一個預(yù)定的數(shù)值上，以保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高電壓的沖擊[2]。

3.3 電阻抑制電路

電阻抑制電路如圖4 所示，適合交、直流電路。

圖4 電阻抑制電路圖

電阻的選取原則R=（1－3）RL，開關(guān)K 斷開時，感性負(fù)載上的電流流經(jīng)并聯(lián)電阻R，形成感性負(fù)載釋放儲能的回路，這時感性負(fù)載上的電流變化率di（t）/dt 比沒有并聯(lián)電阻R 時減小了很多，降低了感性負(fù)載上的瞬態(tài)電壓幅值[2]。

3.4 R-C 網(wǎng)絡(luò)抑制電路

R-C 網(wǎng)絡(luò)抑制電路如圖5 所示，普遍用于交直流開關(guān)設(shè)備、變壓器、電機(jī)和其他場合的R-C 感性負(fù)載瞬態(tài)抑制電路。也廣泛應(yīng)用于保護(hù)開關(guān)觸點，避免在開關(guān)觸點之間產(chǎn)生飛弧現(xiàn)象，導(dǎo)致開關(guān)觸點的損壞。開關(guān)斷開后，感性負(fù)載和R-C網(wǎng)絡(luò)組成頻率很低的過阻尼振蕩電路，重復(fù)發(fā)生磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿?，電場能又轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿艿倪^程，適當(dāng)?shù)剡x取參數(shù)R=0.2RL，C=L/4R2，可控制電路自由阻尼振蕩的頻率，如此往復(fù)，電路的自由振蕩停止下來。

圖5 R-C 網(wǎng)絡(luò)抑制電路圖

4 實際應(yīng)用

利用上面介紹的幾種抑制電路，結(jié)合實際工作采取合適的方法，有效地解決了工作中經(jīng)常出現(xiàn)的瞬態(tài)干擾問題。

4.1 對普通感性開關(guān)元器件的抑制方法

實驗證明，抑制開關(guān)K 接通或斷開感性負(fù)載電路引起的瞬態(tài)干擾，對接觸器主觸點和控制開關(guān)K 觸點，因瞬態(tài)過程發(fā)生輝光放電和飛弧放電降低使用壽命和技術(shù)性能，最有效的方法是在感性負(fù)載兩端加裝合適的抑制網(wǎng)絡(luò)，同時也能保護(hù)開關(guān)觸點的完好，如圖6 所示。

圖6 示意圖

4.2 觸點滅弧方法

上述實驗證明，在觸點兩端加裝合適的抑制網(wǎng)路，以降低觸點兩端的電壓為目的，也能有效解決瞬態(tài)干擾，如圖7所示。

圖7 示意圖

4.3 實際應(yīng)用

有些情況下，即使帶有抑制電路的接觸器，其輸出電源的品質(zhì)也不一定能達(dá)到使用要求。這種情況下，可根據(jù)上述的基本方法，通過下面幾個途徑來解決：①對接觸器的線圈做個檢測，是否因抑制電路不好引起的干擾疊加到主觸點上，通過對感性開關(guān)元器件的抑制方法進(jìn)行抑制；②可以在主觸點兩端加裝抑制電路，減小兩觸點之間的電壓差，使主觸點在吸合的過程中，減小飛弧放電引起的瞬態(tài)干擾電壓；③在設(shè)備的輸入端加裝高頻濾波器濾除高頻信號或加裝大功率穩(wěn)壓器裝置，使輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定的電壓值之內(nèi)。

例如在某大型試驗機(jī)平臺改裝中，供電系統(tǒng)選用了帶有抑制功能的直流270 V 接觸器作為被試設(shè)備用電的開關(guān)元件。在開關(guān)K 接通的瞬間，其主觸點的瞬態(tài)干擾電壓幅值達(dá)到450 V，是由什么原因產(chǎn)生的？當(dāng)時在施工中使用了270 V懸浮雙線制，線徑70 平方的傳輸線給被試設(shè)備供電，是否由于傳輸線的自感感應(yīng)電壓疊加到主觸點？超出了國軍標(biāo)寬度小于50 μs 的尖峰信號電壓（瞬變值）在直流電源線上的幅度不應(yīng)超過額定直流電壓的+50%的范圍，而在開關(guān)K斷開時的電壓幅值在規(guī)定的范圍，如圖8 所示。

圖8 270 V 電源供電示意圖

對270 V 電源輸出品質(zhì)進(jìn)行檢查，輸出電壓符合要求。270 V 接觸器觸點在吸合或斷開瞬間產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，原因有以下幾點：①此次電壓高于270 V，電流大于0.4 A，觸點間被擊穿產(chǎn)生放電現(xiàn)象；②觸點閉合比觸點斷開產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象更嚴(yán)重；③電弧的大小與接觸器品質(zhì)有關(guān)。為解決此問題，對接觸器的電感線路進(jìn)行檢測，如圖9 所示。

圖9 波形圖

在開關(guān)K 接通時，最高電壓振幅值55 V，其寬度10～16 μs（60 000 Hz）的瞬態(tài)干擾電壓。是不是由于55 V 的脈沖電壓影響的？通過在接觸器線圈兩端加裝的穩(wěn)壓二極管后，使線圈電壓抑制在30 V，而此時接觸器主觸點輸出電壓幅值與原狀態(tài)沒有太大變化，此方法不可行。

在設(shè)備的輸入端加裝穩(wěn)壓抑制管，效果很好。但當(dāng)負(fù)載功率很大（38 kW）時，穩(wěn)壓抑制裝置的最大穩(wěn)定電流應(yīng)高于負(fù)載電流50%左右，而大功率穩(wěn)壓抑制裝置很難選擇到，此方案不可行。在接觸器主觸點兩端加裝一個合適的電阻，以減小主觸點兩端的電壓差后，經(jīng)過控制線路內(nèi)的延時繼電器JI 延時2 s 再吸合接觸器主觸點后短接電阻，目的是降低因高壓產(chǎn)生的飛弧干擾電壓，并通過電阻回路吸收干擾電壓，如圖10 所示。

圖10 示意圖

當(dāng)開關(guān)K 接通后，J2 工作，使其觸點接通，270 V 電流通過電阻R、J2 的3、2 觸點和被試設(shè)備構(gòu)成回路，使接觸器主觸點輸出端的電壓升高，減小觸點兩端的電壓差，另一路28 V 電流通過J2 的5、6 觸點，使延時繼電器J1 工作，2 s 后延時繼電器J1 的2、3 吸合，使接觸器線圈工作，接觸器的主觸點吸合后短接電阻，瞬態(tài)干擾電壓通過電阻R 被吸收。

電阻R 的選擇：為防止發(fā)生電弧，應(yīng)將觸點間的瞬態(tài)電流限制在最小電弧維持電流約0.4 A 之下，因此電阻R 應(yīng)滿足下式：V0/IA＜R＜R負(fù)，IA為最小電弧維持電流，取0.4 A；V0為電源電壓270 V，R負(fù)為負(fù)載電阻。

經(jīng)計算R 應(yīng)大于675 Ω（電阻若過熱應(yīng)考慮功率參數(shù)），支路電流和接觸器主觸點兩端的電壓差應(yīng)盡可能小。經(jīng)實驗本電路選擇電阻值為750 Ω，接觸器主觸點輸出端瞬態(tài)干擾電壓被抑制在300 V 左右，如圖11 所示，滿足被試設(shè)備工作用電要求。

圖11 接觸器主觸點吸合時的輸出波形

5 結(jié)論

在試驗機(jī)供電系統(tǒng)改裝中，感性負(fù)載和觸點電弧是引起瞬態(tài)干擾電壓的重要因素。目前我們?nèi)源罅渴褂脹]有反峰抑制的接觸器、繼電器，對這類的控制器件，必須在電感線圈兩端加裝抑制線路，否則對飛機(jī)或電子設(shè)備會造成很大危害。因抑制線路會使接觸器、繼電器的釋放時間延長，因此在用于轉(zhuǎn)換電路時，應(yīng)選擇響應(yīng)時間快的抑制線路，轉(zhuǎn)換時間應(yīng)在50 ms 內(nèi)，抑制點還可選在設(shè)備的輸入端和接觸器觸點兩端，根據(jù)上述的抑制方法，結(jié)合實際情況，選擇適合的抑制線路和相匹配的抑制元器件，就可達(dá)到預(yù)期的效果。