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变压器,分析电源电压一定时,负载增加时,导致哪些物理量变化,怎么变,哪些是不变的,原因是什么
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负载增加,电流会相应的增加,电压也会有一定的降低.但是频率和变压器的磁导率是固定不变的.
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开关电源工作原理超详细解析
第1页：前言：PC电源知多少
　　个人PC所采用的电源都是基于一种名为“开关模式”的技术，所以我们经常会将个人PC电源称之为——开关电源 （Switching Mode Power Supplies，简称SMPS），它还有一个绰号——DC-DC转化器。本次文章我们将会为您解读开关电源的工作模式和原理、开关电源内部的元器件的介 绍以及这些元器件的功能。
●线性电源知多少
　　目前主要包括两种电源类型：线性电源（linear）和开关电源（switching）。线性电源的工作原理是首先将127 V或者220 V市电通过变压器转为低压电，比如说12V，而且经过转换后的低压依然是AC交流电；然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流，并将低压AC交流电转化为 脉动电压（配图1和2中的“3”）；下一步需要对脉动电压进行滤波，通过电容完成，然后将经过滤波后的低压交流电转换成DC直流电（配图1和2中的 “4”）；此时得到的低压直流电依然不够纯净，会有一定的波动（这种电压波动就是我们常说的纹波），所以还需要稳压二极管或者电压整流电路进行矫正。最 后，我们就可以得到纯净的低压DC直流电输出了（配图1和2中的“5”）
配图1：标准的线性电源设计图
配图2：线性电源的波形
　　尽管说线性电源非常适合为低功耗设备供电，比如说无绳电话、PlayStation/Wii/Xbox等游戏主机等等，但是对于高功耗设备而言，线性电源将会力不从心。
　　对于线性电源而言，其内部电容以及变压器的大小和AC市电的频率成反比：也即说如果输入市电的频率越低时，线性电源就需要越大的电容和变压器， 反之亦然。由于当前一直采用的是60Hz（有些国家是50Hz）频率的AC市电，这是一个相对较低的频率，所以其变压器以及电容的个头往往都相对比较大。 此外，AC市电的浪涌越大，线性电源的变压器的个头就越大。
　　由此可见，对于个人PC领域而言，制造一台线性电源将会是一件疯狂的举动，因为它的体积将会非常大、重量也会非常的重。所以说个人PC用户并不适合用线性电源。
●开关电源知多少
　　开关电源可以通过高频开关模式很好的解决这一问题。对于高频开关电源而言，AC输入电压可以在进入变压器之前升压（升压前一般是50-60 KHz）。随着输入电压的升高，变压器以及电容等元器件的个头就不用像线性电源那么的大。这种高频开关电源正是我们的个人PC以及像VCR录像机这样的设 备所需要的。需要说明的是，我们经常所说的“开关电源”其实是“高频开关电源”的缩写形式，和电源本身的关闭和开启式没有任何关系的。
　　事实上，终端用户的PC的电源采用的是一种更为优化的方案：闭回路系统（closed loop system）——负责控制开关管的电路，从电源的输出获得反馈信号，然后根据PC的功耗来增加或者降低某一周期内的电压的频率以便能够适应电源的变压器 （这个方法称作PWM，Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）。所以说，开关电源可以根据与之相连的耗电设备的功耗的大小来自我调整，从而可以让变压器以及其他的元器件带走更少 量的能量，而且降低发热量。
　　反观线性电源，它的设计理念就是功率至上，即便负载电路并不需要很大电流。这样做的后果就是所有元件即便非必要的时候也工作在满负荷下，结果产生高很多的热量。
第2页：看图说话：图解开关电源
　　下图3和4描述的是开关电源的PWM反馈机制。图3描述的是没有PFC(Power Factor Correction，功率因素校正) 电路的廉价电源，图4描述的是采用主动式PFC设计的中高端电源。
图3：没有PFC电路的电源
图4：有PFC电路的电源
　　通过图3和图4的对比我们可以看出两者的不同之处：一个具备主动式PFC电路而另一个不具备，前者没有110/220 V转换器，而且也没有电压倍压电路。下文我们的重点将会是主动式PFC电源的讲解。
　　为了让读者能够更好的理解电源的工作原理，以上我们提供的是非常基本的图解，图中并未包含其他额外的电路，比如说短路保护、待机电路以及PG信 号发生器等等。当然了，如果您还想了解一下更加详尽的图解，请看图5。如果看不懂也没关系，因为这张图本来就是为那些专业电源设计人员看的。
图5：典型的低端ATX电源设计图(图片可能不太清晰建议大家拖出来看)
　　你可能会问，图5设计图中为什么没有电压整流电路？事实上，PWM电路已经肩负起了电压整流的工作。输入电压在经过开关管之前将会再次校正，而 且进入变压器的电压已经成为方形波。所以，变压器输出的波形也是方形波，而不是正弦波。由于此时波形已经是方形波，所以电压可以轻而易举的被变压器转换为 DC直流电压。也就是说，当电压被变压器重新校正之后，输出电压已经变成了DC直流电压。这就是为什么很多时候开关电源经常会被称之为DC-DC转换器。
　　馈送PWM控制电路的回路负责所有需要的调节功能。如果输出电压错误时，PWM控制电路就会改变工作周期的控制信号以适应变压器，最终将输出电压校正过来。这种情况经常会发生在PC功耗升高的时，此时输出电压趋于下降，或者PC功耗下降的时，此时输出电压趋于上升。
　　在看下一页是，我们有必要了解一下以下信息：
★在变压器之前的所有电路及模块称为“primary”（一次侧），在变压器之后的所有电路及模块称为“secondary”（二次侧）；
★采用主动式PFC设计的电源不具备110 V/ 220 V转换器，同时也没有电压倍压器；
★对于没有PFC电路的电源而言，如果110 V / 220 V被设定为110 V时，电流在进入整流桥之前，电源本身将会利用电压倍压器将110 V提升至220 V左右；
★PC电源上的开关管由一对功率MOSFET管构成，当然也有其他的组合方式，之后我们将会详解；
★变压器所需波形为方形波，所以通过变压器后的电压波形都是方形波，而非正弦波；
★PWM控制电流往往都是集成电路，通常是通过一个小的变压器与一次侧隔离，而有时候也可能是通过耦合芯片（一种很小的带有LED和光电晶体管的IC芯片）和一次侧隔离；
★PWM控制电路是根据电源的输出负载情况来控制电源的开关管的闭合的。如果输出电压过高或者过低时，PWM控制电路将会改变电压的波形以适应开关管，从而达到校★正输出电压的目的；
　　下一页我们将通过图片来研究电源的每一个模块和电路，通过实物图形象的告诉你在电源中何处能找到它们。
第3页：看图说话：电源内部揭秘
　　当你第一次打开一台电源后（确保电源线没有和市电连接，否则会被电到），你可能会被里面那些奇奇怪怪的元器件搞得晕头转向，但是有两样东西你肯定认识：电源风扇和散热片。
开关电源内部
　　但是您应该很容易就能分辨出电源内部哪些元器件属于一次侧，哪些属于二次侧。一般来讲，如果你看到一个（采用主动式PFC电路的电源）或者两个（无PFC电路的电源）很大的滤波电容的话，那一侧就是一次侧。
　　一般情况下，再电源的两个散热片之间都会安排3个变压器，比如说图7所示，主变压器是最大个的那颗；中等“体型”的那颗往往负责+5VSB输 出，而最小的那颗一般用于PWM控制电路，主要用于隔离一次侧和二次侧部分（这也是为什么在上文图3和图4中的变压器上贴着“隔离器”的标签）。有些电源 并不把变压器当“隔离器”来用，而是采用一颗或者多颗光耦（看起来像是IC整合芯片），也即说采用这种设计方案的电源只有两个变压器——主变压器和辅变压 器。
　　电源内部一般都有两个散热片，一个属于一次侧，另一个属于二次侧。如果是一台主动式PFC电源，那么它的在一次侧的散热片上，你可以看到开关 管、PFC晶体管以及二极管。这也不是绝对的，因为也有些厂商可能会选择将主动式PFC组件安装到独立的散热片上，此时在一次侧会有两个散热片。
　　在二次侧的散热片上，你会发现有一些整流器，它们看起来和三极管有点像，但事实上，它们都是有两颗功率二极管组合而成的。
　　在二次侧的散热片旁边，你还会看到很多电容和电感线圈，共同共同组成了低压滤波模块——找到它们也就找到了二次侧。
　　区分一次侧和二次侧更简单的方法就是跟着电源的线走。一般来讲，与输出线相连的往往是二次侧，而与输入线相连的是一次侧（从市电接入的输入线）。如图7所示。
区分一次侧和二次侧
　　以上我们从宏观的角度大致介绍了一下一台电源内部的各个模块。下面我们细化一下，将话题转移到电源各个模块的元器件上来……
第4页：瞬变滤波电路解析
　　市电接入PC开关电源之后，首先进入瞬变滤波电路（Transient Filtering），也就是我们常说的EMI电路。下图8描述的是一台PC电源的“推荐的”的瞬变滤波电路的电路图。
瞬变滤波电路的电路图
　　为什么要强调是“推荐的”的呢？因为市面上很多电源，尤其是低端电源，往往会省去图8中的一些元器件。所以说通过检查EMI电路是否有缩水就可以来判断你的电源品质的优劣。
　　EMI电路电路的主要部件是MOV (l Oxide Varistor，金属氧化物压敏电阻)，或者压敏电阻（图8中RV1所示），负责抑制市电瞬变中的尖峰。MOV元件同样被用在浪涌抑制器上（surge suppressors）。尽管如此，许多低端电源为了节省成本往往会砍掉重要的MOV元件。对于配备MOV元件电源而言，有无浪涌抑制器已经不重要了， 因为电源已经有了抑制浪涌的功能。
　　图8中的L1 and L2是铁素体线圈；C1 and C2为圆盘电容，通常是蓝色的，这些电容通常也叫“Y”电容；C3是金属化聚酯电容，通常容量为100nF、470nF或680nF，也叫“X”电容；有 些电源配备了两颗X电容，和市电并联相接，如图8 RV1所示。
　　X电容可以任何一种和市电并联的电容；Y电容一般都是两两配对，需要串联连接到火、零之间并将两个电容的中点通过机箱接地。也就是说，它们是和市电并联的。
　　瞬变滤波电路不仅可以起到给市电滤波的作用，而且可以阻止开关管产生的噪声干扰到同在一根市电上的其他电子设备。
　　一起来看几个实际的例子。如图9所示，你能看到一些奇怪之处吗？这个电源居然没有瞬变滤波电路！这是一款低廉的“山寨”电源。请注意，看看电路板上的标记，瞬变滤波电路本来应该有才对，但是却被丧失良知的黑心JS们带到了市场里。
这款低廉的“山寨”电源没有瞬变滤波电路
　　再看图10实物所示，这是一款具备瞬变滤波电路的低端电源，但是正如我们看到的那样，这款电源的瞬变滤波电路省去了重要的MOV压敏电阻，而且只有一个铁素体线圈；不过这款电源配备了一个额外的X电容。
低端电源的EMI电路
　　瞬变滤波电路分为一级EMI和二级EMI，很多电源的一级EMI往往会被安置在一个独立的PCB板上，靠近市电接口部分，二级EMI则被安置在电源的主PCB板上，如下图11和12所示。
一级EMI配备了一个X电容和一个铁素体电感
　　再看这款电源的二级EMI。在这里我们能看到MOV压敏电阻，尽管它的安置位置有点奇怪，位于第二个铁素体的后面。总体而言，应该说这款电源的EMI电路是非常完整的。
完整的二级EMI
　　值得一提的是，以上这款电源的MOV压敏电阻是黄色的，但是事实上大部分MOV都是深蓝色的。
　　此外，这款电源的瞬变滤波电路还配备了保险管（图8中F1所示）。需要注意了，如果你发现保险管内的保险丝已经烧断了，那么可以肯定的是，电源内部的某个或者某些元器件是存在缺陷的。如果此时更换保险管的话是没有用的，当你开机之后很可能再次被烧断。
第5页：倍压器和一次侧整流电路
●倍压器和一次侧整流电路
　　上文已经说过，开关电源主要包括主动式PFC电源和被动式PFC电源，后者没有PFC电路，但是配备了倍压器（voltage doubler）。倍压器采用两颗巨大的电解电容，也就是说，如果你在电源内部看到两颗大号电容的话，那基本可以判断出这就是电源的倍压器。前面我们已经 提到，倍压器只适合于127V电压的地区。
两颗巨大的电解电容组成的倍压器
拆下来看看
　　在倍压器的一侧可以看到整流桥。整流桥可以是由4颗二极管组成，也可以是有单个元器件组成，如图15所示。高端电源的整流桥一般都会安置在专门的散热片上。
　　在一次侧部分通常还会配备一个NTC热敏电阻——一种可以根据温度的变化改变电阻值的电阻器。NTC热敏电阻是Negative Temperature Coefficient的缩写形式。它的作用主要是用来当温度很低或者很高时重新匹配供电，和陶瓷圆盘电容比较相似，通常是橄榄色。
第6页：主动式PFC电路
●主动式PFC电路
　　毫无疑问，这种电路仅可以在配有主动PFC电路的电源中才能看到。图16描述的正是典型的PFC电路：
主动式PFC电路图
　　主动式PFC电路通常使用两个功率MOSFET开关管。这些开关管一般都会安置在一次侧的散热片上。为了易于理解，我们用在字母标记了每一颗MOSFET开关管：S表示源极（Source）、D表示漏极（Drain）、G表示栅极（Gate）。
　　PFC二极管是一颗功率二极管，通常采用的是和功率晶体管类似的封装技术，两者长的很像，同样被安置在一次侧的散热片上，不过PFC二极管只有两根针脚。
　　PFC电路中的电感是电源中最大的电感；一次侧的滤波电容是主动式PFC电源一次侧部分最大的电解电容。图16中的电阻器是一颗NTC热敏电阻，可以更加温度的变化而改变电阻值，和二级EMI的NTC热敏电阻起相同的作用。
　　主动式PFC控制电路通常基于一颗IC整合电路，有时候这种整合电路同时会负责控制PWM电路（用于控制开关管的闭合）。这种整合电路通常被称为 “PFC/PWM combo”.
　　照旧，先看一些实例。在图17中，我们将一次侧的散热片去除之后可以更好的看到元器件。左侧是瞬变滤波电路的二级EMI电路，上文已经详细介绍 过；再看左侧，全部都是主动式PFC电路的组件。由于我们已经将散热片去除，所以在图片上已经看不到PFC晶体管以及PFC二极管了。此外，稍加留意的话 可以看到，在整流桥和主动式PFC电路之间有一个X电容（整流桥散热片底部的棕色元件）。通常情况下，外形酷似陶制圆盘电容的橄榄色热敏电阻都会有橡胶皮 包裹。
主动式PFC元器件
　　图18是一次侧散热片上的元件。这款电源配备了两个MOSFET开关管和主动式PFC电路的功率二极管：
开关管、功率二极管
　　下面我们将重点介绍开关管……
第7页：开关管
　　开关电源的开关逆变级可以有多种模式，我们总结了一下几种情况：
开关管数量
二极管数量
变压器针脚
　　当然了，我们只是分析某种模式下到底需要多少元器件，事实上当工程师们在考虑采用哪种模式时还会收到很多因素制约。
　　目前最流行的两种模式时双管正激（two-transistor forward）和全桥式（push-pull）设计，两者均使用了两颗开光管。这些被安置在一次侧散热片上的开光管我们已经在上一页有所介绍，这里就不做过多赘述。
以下是这五种模式的设计图：
单端正激（Single-transistor forward configuration）
双管正激（Two-transistor forward configuration）
半桥（Half bridge configuration）
全桥（Full bridge configuration）
推挽（Push-pull configuration）
第8页：变压器和PWM控制电路
●变压器和PWM控制电路
　　先前我们已经提到，一太PC电源一般都会配备3个变压器：个头最大的那颗是之前图3、4和图19-23上标示出来的主变压器，它的一次侧与开关管相连，二次侧与整流电路与滤波电路相连，可以提供电源的低压直流输出（+12V，+5V，+3.3V，-12V，-5V）。
　　最小的那颗变压器负载+5VSB输出，通常也成为待机变压器，随时处于“待命状态”，因为这部分输出始终是开启的，即便是PC电源处于关闭状态也是如此。
　　第三个变压器室隔离器，将PWM控制电路和开关管相连。并不是所有的电源都会装备这个变压器，因为有些电源往往会配备具备相同功能的光耦整合电路。
这台电源采用的是光耦整合电路，而不是变压器
　　PWM控制电路基于一块整合电路。一般情况下，没有装备主动式PFC的电源都会采用TL494整合电路（下图26中采用的是可兼容的 DBL494整合芯片）。具备主动式PFC电路的电源里，有时候也会采用一种用来取代PWM芯片和PFC控制电路的芯片。CM6800芯片就是一个很好的 例子，它可以很好的集成PWM芯片和PFC控制电路的所有功能。
PWM控制电路
第9页：二次侧（一）
　　最后要介绍的是二次侧。在二次侧部分，主变压器的输出将会被整流和过滤，然后输出PC所需要的电压。-5 V和–12 V的整流是只需要有普通的二极管就能完成，因为他们不需要高功率和大电流。不过+3.3 V, +5 V以及+12 V等正压的整流任务需要由大功率肖特基整流桥才行。这种肖特基有三个针脚，外形和功率二极管比较相似，但是它们的内部集成了两个大功率二极管。二次侧整流 工作能否完成是由电源电路结构决定，一般有可能会有两种整流电路结构，如图27所示：
　　模式A更多的会被用于低端入门级电源中，这种模式需要从变压器引出三个针脚。模式B则多用于高端电源中，这种模式一般只需要配备两个变压器，但是铁素体电感必须够大才行，所以这种模式成本较高，这也是为什么低端电源不采用这种模式的主要原因。
　　此外，对于高端电源而言，为了提升最大电流输出能力，这些电源往往会采用两颗二极管串联的方式将整流电路的最大电流输出提升一倍。
　　无论是高端还是低端电源，其+12 V和+5 V的输出都配备了完整的整流电路和滤波电路，所以所有的电源至少都需要2组图27所示的整流电路。
　　对于3.3V输出而言，有三种选项可供选择：
　　☆在+5 V输出部分增加一个3.3V的电压稳压器，很多低端电源都是采用的这种设计方案；
☆为3.3 V输出增加一个像图27所示的完整的整流电路和滤波电路，但是需要和5 V整流电路共享一个变压器。这是高端电源比较普通的一种设计方案。
☆采用一个完整的独立的3.3V整流电路和滤波电路。这种方案非常罕见，仅在少数发烧级顶级电源中才可能出现，比如说安耐美的银河1000W。
　　由于3.3V输出通常是完全公用5V整流电路（常见于低端电源）或者部分共用（常见于高端电源中），所以说3.3V输出往往会受到5V输出的限制。这就是为什么很多电源要在铭牌中著名“3.3V和5V联合输出”。
　　下图28是一台低端电源的二次侧。这里我们可以看到负责产生PG信号的整合电路。通常情况下，低端电源都会采用LM339整合电路。
　　此外，我们还可以看到一些电解电容（这些电容的个头和倍压器或者主动式PFC电路的电容相比要小的多）和电感，这些元件主要是负责滤波功能。
　　为了更清晰的观察这款电源，我们将电源上的飞线以及滤波线圈全部移除，如图29所示。在这里我们能看到一些小的二极管，主要用于-12 V and –5 V的整流，通过的电流非常小（这款电源只要0.5A）。其他的电压输出的电流至少要1A，这需要功率二极管负责整流。
–12 V以及–5V负压电路的整流二极管
第10页：二次侧（二）
●二次侧（2）
　　下图30描述的是低端电源二次侧散热片上的元器件：
二次侧散热片上的元器件
　　从左至右以此为：
　　☆稳压器IC芯片——尽管它有三个针脚而且看起来和三极管非常相似，但是它却是可IC芯片。这款电源采用的是7805稳压器（5V稳压器），负 责+5VSB的稳压。之前我们已经提到过，+5VSB采用的是独立的输出电路，因为它即便是在PC处于断电状态时依然需要向+5VSB提供+5 V输出。这就是为什么+5VSB输出也通常会被称之为“待机输出”。7805 IC最大可以提供1A的电流输出。
　　☆功率MOSFET晶体管，主要负责3.3V输出。这款电源的MOSFET型号为PHP45N03LT，最大可允许45A的电流通过。上一页我们已经提到，只有低端电源才会采用和5V共享的3.3V稳压器。
　　☆功率肖特基整流器，由两个二极管整合而成。这款电源的肖特基型号为STPR1620CT，它的每颗二极管最大可允许8A的电流通过（总共为16A）。这种功率肖特基整流器通常被用于12V输出。
　　☆另一颗功率肖特基整流器。这款电源采用的型号是E83-004，最大可允许60A电流通过。这种功率整流器常被用于+5 V和+ 3.3 V输出。因为+5 V和+ 3.3 V输出采用的是同一个整流器，所以它们的总和不能超过整流器的电流限制。这就是我们常说的联合输出的概念。换句话说就是3.3V输出来自5V输出。和其他 各路输出不同，变压器没有3.3V输出。这种设计常用于低端电源。高端电源一般都会采用独立的+3.3 V和+5 V输出。
　　下面来看看高端电源的二次侧主要元件：
高端电源二次侧的元件
高端电源二次侧的元件
　　这里我们可以看到：
　　两颗并联的负责12V输出的功率肖特基整流器。低端电源往往只有一颗这样的整流器。这种设计自然让整流器的最大电流输出翻了一倍。这款电源采用的是两颗STPS6045CW肖特基整流器，每颗最大可运行60A电流通过。
　　☆一颗负责5V输出的肖特基整流器。这款电源采用的是STPS60L30CW整流器，最大可允许60A电流通过。
　　☆一颗负责3.3V输出的肖特基整流器，这是高端电源和低端电源的主要区别（低端电源往往没有单独的3.3V输出）。这款电源采用的是STPS30L30CT肖特基，最大可允许30A电流通过。
　　☆一颗电源保护电路的稳压器。这也是高端电源的象征。
　　主要指出的是，以上我们所说的最大电流输出是仅仅是相对于单个元器件而言的。一款电源的最大电流输出实际上要取决于与之相连的很多元器件的品 质，比如说线圈电感、变压器、线材的粗细以及PCB电路板的宽窄等等。我们可以通过整流器的最大电流和输出的电压相乘得出电源理论上的最大功率。比如说， 最后一张图中的电源的12V输出最大功率应该为16A*12V=192W。
LZ牛逼哄哄的，咱先占个楼，慢慢看~
开关电源能做好，也是灰常之牛逼的
楼主解剖电源，好详细的介绍，受教了，谢谢。
好完美的帖子啊，赞一个
最近正需要这个 &，谢啦
学习了 LZ 太伟大了
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民用飞机电气负载及电源容量分析和考虑
　　摘要：本文针对中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准（CCAR 25）[1]中提出的电源容量设计要求，基于电气负载和电源容量分析的一般设计要求及流程，给出了一种较具体的具有可操作性的民用飞机设计的电气负载和电源容量分析方法。中国论文网 /8/view-3736658.htm　　关键词：电气负载 电源容量　　CCAR25.1351（a）条规定飞机所需的发电容量、电源数目和种类必须由负载分析确定，故飞机电气负载和电源容量分析是飞机电源系统设计的基础，是必不可少的一个环节。目前负载分析可参考的标准都是一些通用标准，如MIL-E-7016F[2]，没有一个比较具体的更易于用于型号设计的设计指南。　　1、负载统计　　电气负载分析的前提是先要进行负载统计工作，负载统计时，一般会分为交流负载和质量负载来分别统计，需包含的负载信息如下：（1）交流负载：连接的汇流条、相数、设备数量、视在功率、功率因数、工作阶段、工作时间、起动功率、起动时间、起动功率因数和断路器类型（热断路器或固态功率控制器）；（2）直流负载：连接的汇流条、设备数量、额定电流、工作阶段、工作时间、起动电流、起动时间、是否需要蓄电池供电、断路器类型（热断路器或固态功率控制器）。　　连接的汇流条用于表示交负载与电源系统中汇流条的连接，在系统初步设计阶段该连接关系尚未确定时，不要求填入该状态信息。　　相数仅适用于交流负载，用于表示负载是三相负载还是单相负载，对于单相负载，在配电设计确定后，还需明确是与交流汇流条的哪一相连接（A相、B相或C相）。　　设备数量表示每个负载的数量，在负载与汇流条的连接确定后，需根据负载统计表格的设计决定是填入全机的某一负载的数量信息，还是仅填入与某一汇流条连接的某一负载的数量信息。　　视在功率主要是指交流负载在相应工作阶段的额定视在功率，用VA表示。　　功率因数是交流负载的功率因数，用于计算交流负载有功功率和无功功率。　　工作阶段是指根据飞机工作阶段的不同，交直流负载的工作和用电状态会发生变化，因此，将一次飞行任务划分为若干工作阶段进行电气负载统计和分析，图1为工作阶段示意图。　　对图1中各工作阶段的定义见表1。　　工作时间是指负载在每个工作阶段的实际工作时间。工作时间小于或等于0.005min者，按照工作时间为0进行处理，视为瞬时负载；工作时间大于0.005min而小于或等于5min者，应按精确到0.01min的时间填写，视为短时负载；工作时间大于5min者，视为连续负载。起动功率是指交流负载起动过程中消耗的视在功率，负载的起动功率通常超过其稳态功率。起动时间是指交直流负载起动过程的持续时间。起动功率因数交流负载起动过程中的功率因数。起动电流是指直流负载起动过程中所需电流，负载的起动电流通常超过其额定电流。断路器类型指在民用飞机电源系统中，出现了采用固态功率控制器代替热断路器实现汇流条与负载连接的发展趋势，通过确定这一信息，可帮助电源系统确定热断路器和固态功率控制器的数量，便于配电网络设计。蓄电池供电指直流负载是否需要在正常电源不可用时，由蓄电池进行供电。一般负载统计时都会采用负载统计表来进行统计，根据不同型号的要求，表格可以自行确定格式。　　2、负载分析通用要求　　负载分析阶段是对负载统计阶段收集的负载信息进行综合分析，计算得出全机交直流负载总功率需求，以及相应的功率因数、相不平衡度等。　　根据飞机设计阶段的不同，负载分析的内容存在一定的差异：（1）在初步设计阶段，电源容量尚未确定时，负载分析用于确定全机交直流负载总功率需求，作为机载电源（包括一次电源、二次电源、蓄电池等）容量确定的依据；（2）在电源容量和配电网络设计初步确定后，则按照“负载-汇流条-电源”这一层级结构，计算电源系统每个工作构型下的交直流负载总功率需求、功率因数和相不平衡度等参数，分析负载与电源的匹配情况，并对电源系统设计进行相应调整（如必要），直至电源容量和配电网络设计最终确定（这是一个迭代的设计过程）；（3）在电源容量和配电网络最终确定后，进行负载分析，计算交直流负载功率需求、功率因数和相不平衡度等参数，并分析与电源容量的匹配情况，形成计算分析报告，作为飞机符合性验证工作的一部分，支持飞机适航取证，表明对相关适航条款的符合性。　　3、交流负载分析　　交流负载分析需计算负载的有功功率和无功功率、相功率（有功功率、无功功率、视在功率和功率因数）、相不平衡度和总功率（有功功率、无功功率、视在功率和功率因数）等参数。　　3.1交流负载的有功功率和无功功率　　负载的有功功率根据视在功率和功率因数计算得出，见公式（1）：　　…………………………（1）　　式中：　　P-交流负载有功功率，单位为W；　　S-交流负载视在功率，单位为VA；　　-交流负载功率因数。　　式（1）中所示的负载有功功率，在负载分析中还需要考虑负载在各个工作阶段的工作时间，进行折算分析，结合本文的工作时间规定，折算分析后的负载有功功率如式（2）和式（3）所示：　　…………………………（2）　　………………………（3）　　式中：-交流负载5s有功功率，单位为W；-负载5s工作时间，单位为s，若工作时间小于0.3s （0.005min），此处按0处理，若工作时间大于5s，此处按5处理；-交流负载5min有功功率，单位为W；-负载5min工作时间，单位为min，若工作时间小于5s，此处按0处理，若工作时间大于5min，此处按5处理。若负载的工作时间大于5min，则为连续负载。交流负载的连续有功功率按式（1）中的P进行计算分析。　　负载的无功功率根据视在功率和有功功率计算得出，如公式（4）所示：　　…………………………………（4）　　式中：Q-交流负载无功功率，单位为var；S-交流负载视在功率，单位为VA；P-交流负载有功功率，单位为W。 　　式（4）中所示的负载无功功率，在负载分析中还需要考虑负载在各个工作阶段的工作时间，进行折算分析，结合本文的工作时间规定，折算分析后的负载无功功率如式（5）和式（6）所示：　　…………………………………（5）　　…………………………………（6）　　式中：——交流负载5s无功功率，单位为var；——交流负载5min无功功率，单位为var；若负载的工作时间大于5min，则为连续负载。交流负载的连续无功功率按式（4）计算分析。　　3.2 相功率（有功功率、无功功率、视在功率和功率因数）　　相有功功率指接在该相上的各交流负载有功功率的代数和。负载分析中，主要在单个交流电源层级计算相有功功率。　　需按5s、5min和连续三个工作时间区间进行相有功功率的分别计算。　　相无功功率指该相各交流负载无功功率的代数和。负载分析中，主要在单个交流电源层级计算相无功功率。　　需按5s、5min和连续三个工作时间区间进行相无功功率的分别计算。　　相视在功率为该相有功功率与无功功率之向量和。　　相功率因数为该相有功功率与视在功率之比，应与电源的供电能力相适应。　　负载分析中，主要在单个电源层级计算相视在功率和功率因数。　　公式（7）～（12）为以A相为例的相视在功率和功率因数的计算公式。　　…………………………………（7）　　…………………………………（8）　　………………………………（9）　　…………………………………（10）　　…………………………………（11）　　…………………………………（12）　　式中：-A相连续视在功率，单位为VA；-A相连续有功功率，单位为W；-A相连续无功功率，单位为var；-A相连续功率因数；-A相5min视在功率，单位为VA；-A相5min有功功率，单位为W；-A相5min无功功率，单位为var；-A相5min功率因数；-A相5s视在功率，单位为VA；-A相5s有功功率，单位为W；-A相5s无功功率，单位为var；-A相5s功率因数。　　3.3 相不平衡度　　相不平衡度为单个电源所接负载视在功率最大相的伏安值与最小相的伏安值之差与电源的单相修正容量的百分比。　　相不平衡度的计算方法见公式（13）。　　…………………………………（13）　　式中：　　-相不平衡度；-时间折算后视在功率最大相的伏安数，单位为VA；-时间折算后视在功率最小相的伏安数，单位为VA；-时间折算后电源的单相修正容量，单位为VA。　　根据时间折算的区间不同（5s、5min或连续），式（13）同时适用于5s、5min和连续这三个工作时间区间的相不平衡度分析。　　3.4 总功率（有功功率、无功功率、视在功率和功率因数）　　在初步设计阶段，总功率的计算用于支持机载电源容量的确定，总功率为交流负载视在功率的代数和。　　在电源容量和配电设计初步确定后，总功率通常指的是单个电源所接交流负载的总功率需求。　　总有功功率为各相有功功率的代数和，见公式（14）～（16）：　　…………………………………（14）　　…………………………………（15）　　…………………………………（16）　　式中：　　-总连续有功功率，单位为W；-B相连续有功功率，单位为W；-C相连续有功功率，单位为W；-总5min有功功率，单位为W；-B相5min有功功率，单位为W；-C相5min有功功率，单位为W；-总5s有功功率，单位为W；-B相5s有功功率，单位为W；-C相5s有功功率，单位为W；　　总无功功率为各相无功功率的代数和，见公式（17）～（19）：　　…………………………………（17）　　…………………………………（18）　　…………………………………（19）　　式中：-总连续无功功率，单位为var；-B相连续无功功率，单位为var；-C相连续无功功率，单位为var；-总5min无功功率，单位为var；-B相5min无功功率，单位为var；-C相5min无功功率，单位为var；-总5s无功功率，单位为var；-B相5s无功功率，单位为var；-C相5s无功功率，单位为var。　　总视在功率为总有功功率与总无功功率的向量和，见公式（20）～（22）：　　…………………………………（20）　　…………………………………（21）　　…………………………………（22）　　式中：-总连续视在功率，单位为VA；-总5min视在功率，单位为VA；-总5s视在功率，单位为VA。　　总功率因数是指电源所接全部交流负载的功率因数，计算方法见公式（23）～（25）。　　…………………………………（23）　　…………………………………（24）　　…………………………………（25）　　式中：-连续负载功率因数；-5min负载功率因数；-5s负载功率因数。　　4、直流负载分析　　直流负载计算较交流负载简单，主要包括工作时间折算及总负载电流计算。　　直流负载分析中，需根据负载工作时间，在5s、5min和连续三个工作区间进行负载电流折算，如公式（26）～（28）所示。　　…………………………………………（26）　　……………………………………（27）　　……………………………………（28）　　式中：-直流负载额定电流，单位为A；-直流负载的连续负载电流（负载工作时间需大于5min），单位为A；-直流负载的5min负载电流，单位为A；-直流负载的5s负载电流，单位为A。　　在各工作时间区间内，总负载电流为对应直流负载在各工作时间区间负载电流的代数和。 　　5、电源容量分析通用要求　　飞机初步设计阶段，需通过负载分析确定电源容量需求，其中包括主电源、辅助电源、二次电源、地面电源、应急电源以及蓄电池等。　　电源容量的确定应考虑负载增长引起的附加容量需求，以免因无法满足负载需求而不得不更换电源，带来飞机设计的重大更改。飞机电源容量确定过程中，应符合下列要求：（1）飞机主电源容量应能满足全部负载的功率需求，在设有多台主电源的飞机上，在单台主电源失效的情况下，剩余主电源容量应能满足全部重要负载的功率需求；（2）在飞机主电源的供电类型不能满足全部负载的需求时，需设立二次电源，现代民用飞机主要的二次电源包括变压整流器和静止变流器。二次电源的容量应能满足全部相应负载的功率需求。对那种设有冗余备份的二次电源系统，在单台二次电源失效的情况下，剩余二次电源容量应能满足相应重要负载的功率需求；（3）辅助电源通常用于地面维护，以及代替失效的主电源进行供电。因此，一般辅助电源的容量与主电源相同；（4）地面电源用于地面维护，其容量需根据飞机地面维护所需负载的功率需求确定；（5）应急电源用于主电源和辅助电源均失效的应急供电状态下的供电，其容量应根据应急供电状态下仍需用电的飞行关键负载确定；（6）飞机在地面时，可能会出现仅由蓄电池供电的状态（如装载和准备阶段，主电源和辅助电源起激前），应根据这一状态的持续时间和负载需求，确定蓄电池容量。蓄电池同时也是应急电源的一部分，在仅有蓄电池作为应急电源的飞机上，蓄电池容量应能满足应急直流负载至少5min的供电要求（并且这一供电时间宜为30min）。在设有其余无时间限制应急交流电源（如冲压空气涡轮发电机）的飞机上，蓄电池容量应能满足应急供电状态下某些特定阶段的负载需求，如冲压空气涡轮的释放转换期间的应急负载需求，以及飞机进场着陆时，冲压空气涡轮因输出功率下降而不得不卸载应急直流负载时的应急直流负载功率需求；（7）现代民用飞机的多个主蓄电池中，通常有一个会用于辅助动力装置（APU）起动，在根据上述原则确定蓄电池容量时，需考虑蓄电池在空中连续三次起动APU带来的容量消耗；（8）机载专用电源，如飞控蓄电池和应急照明蓄电池，其容量应根据相应负载的专用需求确定。　　6、电源与负载的匹配　　电源与负载的匹配，主要分析电源容量是否可以在规定的各种工作构型下满足相连负载的功率需求，并计算相应的容量裕度。对于交流电源，还需分析负载功率因数和相不平衡度是否在电源的承受范围内。　　电源与负载的匹配分析，需在5s、5min和连续三个工作区间分别进行，除蓄电池外，其余电源的容量裕度分析见公式（29）。　　……………………………………（29）　　式中：　　H-电源容量裕度，用百分比表示；J-电源修正容量，单位为VA或A；L-时间折算后（5s、5min或连续）负载功率需求，单位为VA或A。　　飞机各个电源的容量裕度要求需在项目专用文件中进行规定。　　6.1 变压整流器　　变压整流器是现代民用飞机中主要应用的直流二次电源，用于将交流输入转换为直流输出，因此在交流负载分析中，需将变压整流器作为交流负载进行分析，计算公式如式（30）所示。　　…………………………………（30）　　式中：-TRU折算到交流侧的负载值，单位为VA；-变压整流器输出端的直流电压，单位为V；-变压整流器输出端的直流电流，单位为A；-变压整流器的效率；-变压整流器的功率因数。　　6.2 静止变流器　　静止变流器主要用于应急情况下单相交流用电设备的供电，将直流输入转换为交流输出，因此在直流负载分析中，需将静止变流器作为直流负载进行分析，计算公式如式（31）所示。　　…………………………………（31）　　式中：-静止变流器的直流输入电流，单位为A；-静止变流器的额定输出视在功率，单位为VA；-静止变流器的实际输出视在功率，单位为VA；-静止变流器的直流输入电压，单位为V；-静止变流器的效率。　　6.3 蓄电池　　与其余电源不同，在判断蓄电池容量是否可以满足负载需求时，主要通过计算蓄电池放电时间来进行判定。　　对于要求放电时间长于5min的蓄电池，其放电时间计算公式如式（32）所示。　　……………………（32）　　式中：-蓄电池放电时间，单位为min；-蓄电池修正容量，单位为Ah，蓄电池修正容量需在蓄电池标称容量的基础上，考虑蓄电池的充电状态确定，对于用于APU起动的蓄电池，还需要考虑APU起动带来的蓄电池容量损耗；-蓄电池5s工作区间放电电流，单位为A；-蓄电池5min工作区间放电电流，单位为A；-蓄电池连续放电电流，单位为A。　　对于要求放电时间不大于5min的蓄电池，其放电时间计算公式如式（33）所示。　　……………………………………（33）　　式中：——蓄电池放电时间，单位为min。　　7、结语　　本文从电气负载和电源容量分析的流程为基础，从通用要求到实际的计算分析方法，结合民用飞机设计现状，有针对性地展示了一种能直接用于民用飞机电气负载和电源容量分析的方法，对民用飞机设计有重要的指导意义。　　参考文献　　[1]中国民用航空规章第25部：运输类飞机适航标准，2011.　　[2]MIL-E-7016F Electric Load and Power Source Capacity， Aircraft， Analysis of.
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