航空航天配电趋势

在航空航天和类似应用领域，设计人员关心的是减小尺寸、重量和功耗 (SWaP)。空间总是有限的，节省下来的重量可以转化为更好的燃油经济性、更长的飞行时间和更高的货运能力。同样，降低整个发电及配电系统的功耗可以节省重量和空间。考虑到大型商用喷气式飞机的配电系统中可能包含 100 个或更多大功率接触器，即使为每个设备节省 0.1 安培的控制功率，也会显著降低整体功耗。功耗越小，电源越小。中端继电器的技术要求详见 MIL-PRF-83536。它们用于二次负载分配，并提供多极和 C 型（转换）触点配置。它们重量轻、结构紧凑且高度可靠，适用于严苛的航空航天环境。

在多年的飞机服务中切换高电流和电压对电源接触器来说可能是一个挑战。切换过程中的热应力和正常触点电弧会磨损接触器和互连器件。在传统的 115VAC 系统中，主触点断开时产生的切换能量可能不那么高：根据定义，电压/电流在每个周期降至零，从而减小了尖峰的大小并允许更快地清除它们。然而，在 230VAC 系统中，必须增加开路触点的间距，以帮助消除电流降至零后电压升高时产生的电弧重击穿。

在现代航空航天交流电源系统中，频率不再固定在 400 Hz。它从 350 到 800 Hz 不等，具体取决于发动机转速。接触器和电源板的设计人员必须仔细评估这种宽频率范围对器件寿命和热性能的影响。

用于商业航空领域的 270 VDC 和 540 VDC 接触器迫使电源接触器的设计发生了巨大变化。现有的接触器设计不适合高压开关，因为它们无法产生足够的中断弧电压。为了克服这些物理限制，接触器设计必须依靠分弧板、流道、吹出磁铁和更好的内部开关环境等方法。多年来，航空航天电源接触器基本上是全有或全无 ON/OFF 接触器，几乎没有增加智能和电路保护功能。如今，防务和航空航天接触器的一大趋势是构建更多的电子智能功能，以防止异常事件并检测系统故障。随着电源系统具有高压直流 (HVDC) 等高电压，这些功能变得更加重要。

在接触器中添加电子控件的第一个优势是节省电路以降低线圈功耗。所有机电接触器都包含一个磁性致动器，与保持触点关闭所需的功率相比，启动致动器闭合触点所需的功率要大得多。例如，启动接触器可能需要 5 安培，但保持导通状态只需不到 1 安培 — 通过改进线圈控制电路，可降低 80% 的功耗。这样可以减少热量产生，并减轻对设备或配电板的压力。

用于节省功耗的两种常用方法是多线圈和脉宽调制 (PWM)。

在早期的节能接触器设计中，从拾取器到保持绕组的实际功率传输是使用机械限位开关完成的。一旦致动器完成了大部分行程，开关就会跳闸以降低功率。由于几个原因，限位开关已被证明存在问题。这种调整对于适当保持长期接触器性能至关重要，因为开关可能在周期中过早或过晚启动。由于开关在主触点闭合时关闭大功率绕组，因此可能会增加触点颤动或抖动情形。

随着电子线圈控件逐步集成，线圈功率的传输时间不再与致动器运动和限位开关相关联。在启动线圈传输之前，可以确保触点组已完全传输功率并处于稳定的关闭位置。通过控制传输时间，可靠性得到显著提高。

PWM 使用不同持续时间（或负载循环）的开关线圈脉冲来控制输送到线圈的平均电流。PWM 具有容忍更宽电压电平范围的优点，但如果过滤不当，可能会产生辐射噪声。PWM 还能够在出现异常工作电压期间调整负载循环。在低电池电量条件下，增加负载循环导通时间能够有效地为接触器创建恒定电流源。

航空航天电源系统的一个常见问题是过载危险。电气故障不仅可能发生在负载设备中，还可能发生在飞机的布线和配电网络中。这与老化的飞机以及长期环境暴露对绝缘系统的影响有关。保护措施包括检测发电机欠压、监控运行电流水平和检测漏电流。 

许多现有应用仍然依赖于基于双金属的热断路器。这些设备成本低廉，也可完全断开以排查相关故障。但是，它们不适合非常高的电流，因为跳闸曲线精度有限，并且没有 BIT 功能来确保它们在需要时正常运行。为了克服这些缺陷，通常将电子传感设备集成到功率接触器中。 

电子传感设备能够提供更可靠的过电流传感。与传统的热断路器相比，这些设备可以提供至少两倍的跳闸曲线精度。也可以通过内置测试来训练电子传感器，让其模拟故障事件，以确保它们在发生系统故障时正常运行。

电子过载保护的第一个要求是采用准确监控通过接触器的电流的方法。最简单的方法是使用精密电阻器作为分流器，并简单地测量其两端的电压。该方法非常精确，但在大电流接触器中会产生相当大的热量。对于混合控制电路和 120 V/240 V 传感线路来说，它在实现系统完整性方面也不太理想。 

监测电流的第二种方法是电流互感器 (CT)。馈通电流产生的磁场在 CT 中建立次级电流。电流成比例，但要低得多。电流与 CT 电流的典型比为 500:1。CT 应用简单且准确，但在使用开环传感器的情况下可能很重，在闭环设计中可能很复杂。 

霍尔效应传感器是测量电流产生的磁场的另一种常用方法。霍尔效应元件的电压输出电平取决于暴露于磁场中的程度。该磁场最常通过霍尔效应传感器进行聚焦，该传感器使用了围绕接触器母线或输出馈线的磁通环或集电极。现代霍尔效应传感器可针对输出电压和线性度进行编程，并允许双向电流传感和交流传感。图 4 显示了与 TE 28VDC 接触器集成在一起或直接集成到 600VDC 设计中的霍尔效应传感器。 

霍尔效应传感器的优势包括：

• 在初级电路和次级电路之间进行隔离
• 使用直流电或交流电工作
• 高精度
• 高动态性能
• 高过载能力
• 高可靠性

无论传感器类型如何，都需要支持电子设备从这些传感器收集信息并做出系统配置决策。在某些情况下，集成的电子设备仅将运行情况传达给其他飞机系统。如果电源断开，则此信息在进行减载决策时非常有用。需要根据临界载荷对飞机载荷划分优先级，以便对非关键便利载荷进行断电，从而维持飞行必需载荷和其他临界载荷。 

除了通告电路情况，带有集成传感电子元件的接触器还可以对过载故障情况做出独立反应。这允许快速跳闸和锁定，速度最快达 10 毫秒。智能接触器（即具有电子传感功能的接触器）的故障防护级别甚至可以根据用户或特定应用位置进行调整，以便为每个负载定制保护措施。可以通过连接器引脚编程、DIP 开关、添加外部电阻或软件编码来完成此类调整。这也允许在应用要求更改时重新配置智能接触器。

虽然感测过电流通常是智能接触器的主要任务，但也可以感测其他故障。其中包括：

• 失相和相位旋转
  
• 差动馈线故障
  
• 接地故障
• 电弧故障检测

相位故障

为了保护使用三相电源的电机、风扇和其他设备，相位必须保持同步以确保正确传输电力。相位故障给运行中的设备带来了压力，缩短了它们的使用寿命，导致操作不当，甚至带来灾难性故障。两个主要的相位故障是失相和相位旋转不当。两者都会导致电力传输的不均衡、不平衡。当其中一个相位丢失时，输送的电力会降低，因为只有两个相位在提供电力。当相位在 120 度分离时不能正确同步，就会出现相位旋转误差。

用于监控过载电流的相同技术也可用于检测相序问题。通过感测和比较每相的电流水平，可以检测到任何差异。

漏电流故障防护

感测漏电流和防止发生差动故障涉及沿一段线路分布的多个电流传感器。比较传感器的输出可以检测故障。接地故障检测是一种专门的保护方案，仅使用一个通用传感器来确保所有通过的电流还会从负载返回而不会泄漏。这种检测手段在飞机燃油泵应用中已经成为一种常见的方法，可降低燃油蒸气点燃的风险。

差动馈线故障防护在航空航天工业中很常见。这通常是一种高阈值防护方法，可验证大直径电力馈线上是否存在电流泄漏。典型设置包括发电机上或发电机内的
传感器以及主线接触器上的第二个传感器。如果感测到的电流不同，表明发生了故障。

可以通过两种方式监测接地故障。一种方法是检查接地层中的电流。第二种方法是利用相位传感器提供的信息。所有三个相位的总和应为零。如果总和不为零，表明配线或负载存在故障。

电弧故障检测

电弧故障检测在断路器和二级固态电源控制器 (SSPC) 中变得越来越普遍。已经证明，现有的保护装置对溅射电弧故障无效。虽然电流水平可能不会增加到足以触发硬故障，但电弧故障会产生不可接受的热量水平。并联电弧故障最终可能发展为全过流故障，而导体断裂或设备端子松动引起的串联电弧可能会产生巨大的热量，即使总电流远低于断路器跳闸曲线。检测电弧故障，甚至确定与接线故障的距离是智能接触器的一个新兴领域。

虽然固态继电器很常见，但功率半导体在接触器中的应用相对较新。MOSFET 可以取代电源触点，相对于无运动部件，它在提高可靠性方面具有明显的优势。固态功率器件可以延长接触器的开关寿命。电源触点会因机械配接和电弧效应而磨损。随着触点的磨损，连接处电阻的增加意味着会产生更多热量和寿命终止。

与硬触点设计相比，固态继电器需要额外的热管理。虽然没有机械部件使固态设计变得非常可靠，但主要的故障机制现在变成了热量。必须防止设备过热。除了散热器热管理之外，还可以并联应用多个功率晶体管，以确保电流远低于最大额定电流水平。在航空航天应用中，晶体管的额定值为数据手册载流额定值的 15% 至 20%，以便有效管理热性能。与传统的 EM 接触器相比，精确的故障电流规格在固态设计中更为重要。 

随着飞机工业向多电飞机 (MEA) 概念推进，“热切换”接触器的挑战进一步增加。这种趋势始于将机载液压系统转换为电动致动器，现在甚至推进系统也转向电动操作，例如 eVTOL 飞机。研发人员正在开发可能扩展到 6KVDC 的全新 HVDC 架构。显然，为 270VDC 设计的组件不符合这些新需求。对于大多数大电流 HVDC 负载（例如推进系统），正在使用电机控制器，并且上游接触器的热切换寿命并不重要（在最小电流时打开）。然而，至关重要的是，在控制器、电机或馈线发生故障的罕见情况下，接触器可以在负载下打开。设计人员面临的 HVDC 挑战是在指定热切换耐久性与实际应用需求之间找到适当的平衡。对于 HVDC 架构来说，超规格的尺寸、重量和成本损失可能很大。然而，好消息是，现在人们正在考虑使用混合接触器和大功率全固态电源控制器 (SSPC) 来解决这些问题。

混合接触器设计将机电接触器的低导通电阻优势与电力电子设备的非电弧电源切换相结合。这消除了接触器内的显著磨损现象，并允许更多地基于低导通电阻和较低热开关耐用性来选择触点材料。混合接触器已被证明可以将 HVDC 接触器的热切换寿命从几百个周期延长到数千次操作。当然，混合接触器比传统的 EM 接触器更复杂，通常成本更高，但对于需要多次热切换周期的应用，这是一个有吸引力的解决方案。

SSPC 结合了全固态电源开关的功能以及各种监控和通信功能。SSPC 至少具有集成的过流跳闸曲线，可在电流消耗过大或短路时保护接线/互连和负载。SPPC 还可以通过车辆数据总线传达命令和状态，以提高系统的可靠性和可用性。可以针对特定条件下的行为或特定负载对 SSPC 进行远程配置。TE Connectivity 提供的高压 SSPC 也可以提供内置预充电功能。这些产品通常为具有大电容输入的非线性负载和电机控制器供电。SSPC 可以及时处理预充电，同时降低上电时的浪涌电流。

借助基于微控制器的控制技术，可以收集和分析有关接触器或 SSPC 状态的更多信息。该信息可用于超越基本跳闸电路来响应故障。感知到故障并关闭组件是一回事。更有用的方法是随着时间的推移监视操作，以确定趋势和变化。这样才能智能地预测问题和做出灵活的响应。

电流和电压水平可以提供对接触器和整个飞机电气系统的运行状况的实时洞察。有关运行电流、温度和循环次数的信息可用于预测接触器的寿命。在较低的电流和/或电压水平下操作接触器会显著增加切换周期数。

收集到的数据也可用于监控系统。例如，初次通电后的电流消耗反映了电机或泵的浪涌电流，从而可以深入了解轴承磨损情况。相同的信息可以指示是否需要润滑或其他维护。传感器数据随时间的变化也可能表明接线系统中存在故障。

将初始操作与随时间推移的变化进行比较是了解和预测问题的基础。虽然单个设备的输出可以产生有用的数据，但来自多个设备和布线系统中其他传感器的信息可以组合成“全局”分析和预测，因为它可以比较整个系统的情况。

随着接触器变得越来越复杂，电源板也变得越来越复杂。许多用户选择专门定制的、特定于应用的电源板；图 7 显示了由 TE 设计和构建的、作为电源管理和配电的即插即用解决方案的电源板示例。这些电源板不仅包含继电器和接触器，还包含控制电子设备，可提供先进的监测和控制功能。接触器设计在不断发展。智能接触器、混合接触器和 SSPC 现在可以提供得到增强且越来越智能的状况监控功能。由于它们在配电和管理方面起着核心作用，因此从传感器获得的信息不仅可以用于故障管理，还可以用于监视和分析电力系统的运行状况。在现代飞机中，趋势分析是确保长期可靠性以及能够及时有效地维护系统的关键。