某型飞机电压限定器国产化研制
2008-07-17
作者：卢建华1，邱立军2，于进勇1
摘 要： 利用集成电路技术和自动控制技术进行某型飞机电压限定器国产化研制的方法，解决了激磁控制、均衡控制、故障鉴别、多台发电机并联供电等技术难题，保证了新研制产品与原有进口产品的可互换使用，减小了设备的体积、重量，提高了设备的工作可靠性，延长了设备的寿命，方便使用和维护。
关键词： 激磁控制 均衡控制 故障鉴别
电压限定器是飞机电源系统重要的控制保护设备，对发电机的过电压" title="过电压">过电压、欠电压实施保护，并与电源系统中的短路保护器、电压调节器、反流割断器、安全继电器等设备协调工作，保证飞机电源系统的正常工作。进口电压限定器是采用分立元件设计的机电式模拟产品。自上世纪90年代中期以来，由于电压限定器的故障率太高，国外已停产该型产品导致备件短缺，加上检测和维护难度大等原因，严重影响了该型飞机的完好率和出勤率，因此进行电压限定器的国产化研制势在必行。
1 总体方案设计
1.1 设计原则
以实用性和耐用性为出发点，在保证各项技战术指标达到原进口产品要求的前提下，遵循了以下原则：(1)保持电压限定器的外形、体积、接口关系及安装位置不变。(2)重量不大于原电压限定器。(3)具有良好的使用性、可维修性和高可靠性，方便使用维护。(4)研制过程符合标准化要求。
1.2 总体方案
电压限定器主要由故障探测电路、延时电路" title="延时电路">延时电路、激磁控制电路、均衡控制电路、防止误动作保护电路、供电电源电路和相关驱动电路组成，其总体原理框图如图1所示。
故障探测电路检测发电机的输出电压" title="输出电压">输出电压，一旦出现过电压，经过延时电路延时后，使激磁控制电路的工作线圈通电工作，从而切断发电机的激磁电路、均衡电路" title="均衡电路">均衡电路和反流割断器的控制电路。延时的目的是该保护装置只在故障性过电压时断开，对于非故障性过电压（瞬时过电压）不起保护作用。在发电机建立电压的初始阶段，当其输出电压低于24V时，均衡控制电路处于断路状态，只有并联发电机在正常状态下，且输出电压大于24V时，均衡电路才能接通。电网中，当其他发电机处于故障性过电压时，防止误动作保护电路中出现反流，当该电流值达到300mA～350mA时，该电路处于断开状态。这样正常电机的故障探测电路检测不到故障发电机的输出电压，保证了正常电机不因电网中的其他电机出现过电压故障而退网。当电网中的故障排除后，通过按压复位按钮，复位信号经过复位控制电路，给激磁控制电路提供发电机建立电压的激磁电流。在应急情况下，通过按压应急切断开关，应急切断信号控制激磁控制电路中继电器的工作线圈通电工作，从而切断发电机的激磁、均衡控制电路和反流割断器的控制电路。由于采用集成电路模块进行电路设计，对于这些有源集成电路，利用DC-DC变换器、稳压模块电路给其提供±15V和+15V的稳压电源。
2 硬件电路设计
2.1 过电压探测及延时电路的设计
根据该电路所需完成的功能和性能指标要求，以LM124运算放大器、BD651达林顿管、TIL117光耦等作为核心器件，所设计的电路原理图如图2所示。
图2中，电路的输入端接故障鉴别电路的输出端，探测发电机的输出电压，该电压经过单向整流、电阻分压后，利用运算放大器设计的跟随器进行隔离，增大输入阻抗，减小输出阻抗，其输出经过光耦隔离，作为后级延时电路的输入信号；另一方面，发电机的输出电压经稳压后，为集成芯片提供供电电源，并且为延时电路提供基准电压。延时电路的输出控制激磁电路断路器的工作线圈的通和断，发电机一旦出现过电压，延时电路输出高电位，门限电路开启，激磁电路断路器工作，切断发电机的激磁电路、并联均衡电路和反流保护器的控制电路。为了抑制发电机输出电压的瞬时值(最大可达到120V)，保护器电路输入在额定范围内，其前级增加了一级采用BD651和稳压管设计的限幅电路，保证了供电电源稳定可靠地工作。改变C或R，可以改变延时时间的大小。
2.2 均衡控制电路设计
对于多发并联供电系统，均衡控制电路的作用是进行各发负载的均衡分配，实现多发并联供电。以两台发电机并联供电为例阐述其原理，如图3所示。
图3中，如果第一台发电机的输出电压低于正常值，此时其输出电流减小，A点电位升高，而第二台发电机输出电流增大，B点的电位降低，且低于A点电位，均衡电路中有从A点流向B点的电流。一发均衡线圈产生的磁势与调压器线圈产生的磁势方向相反，小于弹簧的阻力，激磁电路电阻减小，激磁电流增大，从而使第一台发电机的电压升高，达到均衡负载的功能。二发与一发正好相反。如果一发的电压下降得过低，在反流割断器的作用下，其输出电路断开而不向电网供电，否则A与B点的电位差增大，二发输出电压降低程度增大，最终导致二发也退出电网。
根据均衡控制电路接通和断开的条件，选用LM139比较器" title="比较器">比较器作为核心器件进行该电路的设计。LM139为14管脚的四比较器集成芯片，管脚示意图如图4所示。所设计的均衡控制原理电路如图5所示。
该电路的输入端接RE端子，检测发电机的输出电压，通过分压电路将发电机输出电压大大降低，采用LM139构成上行迟滞比较器，当发电机输出电压大于接通门限电压时，末级继电器接通，小于断开门限电压时则断开，通过改变外围电路参数或改变参考电位点电压可改变上限和下限工作点电压。由于LM139比较器的驱动能力差，采用LM124构成两级跟随器，隔离输入和输出端的相互影响。值得指出的是，为保证控制逻辑的正确性，比较器输出端应接一电容到地，保证参考电位优先于输入建立。
LM139构成的上行比较器的外围电路设计及其输入输出电压关系曲线如图6所示。
各参数可通过下列公式进行确定：
2.3 防止误动作保护电路设计
防止误动作保护电路串联在飞机电源系统的并联均衡电路中。当该电路的输入电流自上而下流动时（发电机的输出电压高于其他两台发电机的输出电压），此时该电路的输出为低电位，末级控制继电器不工作，触点保持在接通位置，发电机的输出电压能够加在探测及延时电路的输入端。当该电路的输入电流自下而上流动(发电机的输出电压低于其他两台发电机的输出电压)，并且达到0.3A～0.35A时，末级控制继电器线圈通电工作，触点位置转换，发电机的输出电压不能加在探测及延时电路模块的输入端，从而避免了因某台发电机过电压而引起正常发电机探测电路工作而使其退出电网，实现了对过电压故障电机的鉴别。
根据该电路所要完成的功能和技术战术要求，利用抗高共模差动仪表放大器和LM124作为核心器件进行该电路的设计。其检测比较原理电路如图7所示。
值得指出的是，由于该电路探测的是电流信号，因此探测电路部分可以采用极化继电器、霍尔元件和探测电阻设计。考虑到控制逻辑的复杂性和空间结构的限制，采用了如图7所示的探测电阻进行设计，将电流信号转变成电压信号。利用抗高共模差动仪表放大器对此小信号放大处理，其输出信号作为下一级比较电路的输入信号，通过理论计算，确定比较电路的基准电压（通过电源模块提供的+15V电源进行分压获得），这样防止误动作保护电路不仅能够测量出流过均衡电路电流的大小和方向、实现故障电机的鉴别功能，且保证了三发并联供电的电压调节及均衡功能的正常运行。通过改变基准电压值的大小，可以补偿测量电路由于漂移所引起的动作误差。为保持原有均衡电路参数不发生改变，必须对原电路电阻进行精确测量，确定其阻值。
为了实现电压限定器电压探测及延时电路通、断的控制，其执行电路采用电磁继电器加以实现，原理电路如图8所示。
测量比较电路的输出信号作为控制电路的输入信号。当某发均衡电路的电流自上而下流动时，仪表放大器测得的电压为负值，其输出电压小于比较器的基准电压，比较器的输出电压为低电位，三极管3DK4C处于截止状态，控制继电器不工作，电压探测电路处于接通状态；当某发均衡电路的电流自下而上流动时，仪表放大器测得的电压为正值，且当电流值达到0.3A～0.35A时，其输出电压大于比较器的基准电压，比较器的输出电压为高电位（电源电压），功率管处于导通状态，控制继电器工作，切断电压限定器的过电压探测电路，避免了其他电机由于过电压故障而使正常电机退出电网，实现对正常发电机的保护，提高了保护器对故障电机的鉴别能力。图8中，稳压二极管的作用是为了防止三极管由于流过的电流过大而被击穿。继电器线圈并联的二极管起到续流作用，防止继电器在断开的过程中由于产生过大的感应电势而将三极管击穿。
新研制的电压限定器采用集成控制电路设计，大大简化了结构，提高了设备性能；利用抗高共模差放技术保证了调压、均衡与发电机并网的正确运行；为了利用发电机的动态电压保证控制电路供电的稳定可靠，采用延迟正反馈技术，消除了误动作。经过近两年的飞行，证明国产化产品功能齐全，各项性能指标满足设计要求，同国外同类设备相比，其性能优越，具有显著的经济效益和军事意义。
随着大规模集成电路的发展，飞机的控制保护装备将向智能化和一体化方向发展。
参考文献
[1] 刘爱元，卢建华.飞机电源与电气控制.烟台海军航空工程学院，2005.10.
[2] Integrated circuits databook liner products.BURRBROWN Corp，1995.
[3] 王远.模拟电子技术.北京：机械工业出版社，1996
[4] Wetzel K，Schumbrutzki W.Wider spread rang for induction motors thanks to new micro and power electronics components.Siemens Components XXI(1986) №1.