一種航空交流發(fā)電機欠速保護器的設(shè)計方案

1、引言

恒速恒頻交流電源由于具有適用范圍廣、配電及用電設(shè)備重量輕、發(fā)電機的單、并聯(lián)運行容易以及電氣性能好、供電質(zhì)量高等優(yōu)點，而在現(xiàn)代飛機上得到廣泛的應(yīng)用。航空發(fā)電機一般由飛機發(fā)動機驅(qū)動，但直接傳動飛機交流發(fā)電機得不到恒頻的交流電。因此，在飛機發(fā)動機和發(fā)電機之間應(yīng)加裝恒速傳動裝置以解決這一矛盾。但是，當傳動裝置發(fā)生故障時，發(fā)電機就可能出現(xiàn)超速和欠速現(xiàn)象，即出現(xiàn)超頻或欠頻故障。頻率的故障除影響自動控制設(shè)備的正常工作外，還會影響其它電磁設(shè)備的正常工作。如過頻故障將引起旋轉(zhuǎn)用電器的過速，長時間的過速會造成機械損傷；而欠頻故障則將引起電磁器件的磁負荷增大以致于使它們過載甚至過熱燒毀。因此，在發(fā)生過頻或欠頻故障時，必須采用保護裝置將發(fā)電機從電網(wǎng)上切除。在帶有恒速傳動裝置的系統(tǒng)中，由于超速故障在恒速傳動裝置中有保護措施，它可使恒速傳動裝置在超速時自動脫扣而停止轉(zhuǎn)動，因此發(fā)電機只需對欠頻進行保護。

2、總體設(shè)計方案

在設(shè)計時，可按以下幾步來進行：

（1）利用諧振電路的工作原理來設(shè)計低頻敏感電路。

（2）為了防止發(fā)電機在正常運行的過渡過程中保護裝置產(chǎn)生誤動作，在保護裝置動作前必須有一定的延時，因此必須設(shè)置延時電路，以使保護裝置在電源頻率低于360Hz時能具有一定的延時；而在電源頻率低于320Hz時，幾乎不需經(jīng)過延時（很短的延時）動作。

（3）頻率故障一般都是由于傳動裝置的故障引起的，故在發(fā)生頻率故障時，只需斷開發(fā)電機接觸器GC，而激磁控制繼電器GCR不應(yīng)動作，以保證在故障排除后，發(fā)電機能及時進入電網(wǎng)。

3、硬件電路設(shè)計

它由低頻敏感電路、延時電路（包括反延時和固定延時電路）以及“或”門邏輯電路組成。

3．1頻率敏感電路

該電路由電感和電容串聯(lián)的電壓諧振回路構(gòu)成。電感L1和電容C1串聯(lián)回路的諧振頻率為360Hz，而電感L1和L2與電容C1串聯(lián)回路的諧振頻率為320Hz，分別低于對應(yīng)頻率的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

3．2反延時電路

由于電源頻率低于320Hz時要求保護器立即動作，所以該延時電路采用反延時特性進行設(shè)計，如圖2中的反延時電路。其中的運算放大器YF接成差動輸入，頻率敏感電路A點的輸出電壓經(jīng)整流、濾波、分壓后，送到運算放大器的同相端，其反相端由穩(wěn)壓管DZ1提供發(fā)電機頻率為320Hz所對應(yīng)的基準電壓。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速正常時，同相端的輸入電壓低于基準電壓UDZ1，運算放大器處于反向輸入狀態(tài)，其輸出端電壓為低電平。當發(fā)電機發(fā)生低頻故障時，運算放大器同相端的輸入電壓將大于反相端，放大器翻轉(zhuǎn)，其輸出端電壓為高電平。運算放大器不僅對輸入信號起放大作用，同時還起到反延時作用。頻率越低，A點的輸出電壓越高，延時時間越短。

在發(fā)電機出現(xiàn)一連串瞬時頻率低于320Hz時，電容器C6上將積累一定電荷，如不及時釋放，當達到一定值后將會使后級電路產(chǎn)生誤操作。

該電路可通過改變R19來調(diào)節(jié)運算放大器的工作點電壓。其延時時間由下式?jīng)Q定：

t＝R21C6［（UA／UDZ1）－（R21＋R22）／R21］

根據(jù)上式，當UDZ1較小時，R21C6對t的影響較大，故要改變t可主要調(diào)節(jié)R21和C6的值；當UDZ1較大時，R22／R21對t的影響較大，故可通過調(diào)節(jié)R22和R21的比值來改變延時時間。

3．3固定延時電路

為了防止保護電路的拒動作和誤動作，在電源頻率低于360Hz時，電路將在一定的延時時間后才動作，所以該電路采用固定延時特性進行設(shè)計，如圖2所示。它由開關(guān)放大器（晶體管BG1、BG2組成的施密特電路）和單結(jié)晶體管BG3構(gòu)成的觸發(fā)電路組成。正常時的狀態(tài)是BG1截止，BG2飽和導(dǎo)通，并將電容器上的電位鉗位于一定值。由于C4充電回路的時間常數(shù)較大，故延時較長。延時時間可以通過改變電阻R14來調(diào)節(jié)。該延時時間由下式?jīng)Q定：

3．4邏輯判斷電路

該電路采用LM14001“或”門集成電路進行設(shè)計，如圖2中的右上部分。兩延時電路的輸出信號經(jīng)“或”邏輯處理后，其輸出可作為后級控制電路可控硅的驅(qū)動信號。兩個通道中只要有一路信號為高電位輸出，就能觸發(fā)發(fā)電機接觸器GC控制電路中的可控硅導(dǎo)通；而斷開發(fā)電機接觸器GC，可使故障電機退出電網(wǎng)。

3．5穩(wěn)壓電源電路

由于采用集成芯片進行電路的設(shè)計，而機上電源不能滿足集成芯片的工作要求。為了給集成電路提供高品質(zhì)的電源，選用SW7815集成穩(wěn)壓器將機上28V直流電變換為15V，以便為集成芯片提供工作電壓。

因穩(wěn)壓器遠離電源濾波器，因此可利用電容Ci來改善紋波特性并抑制續(xù)波，電容C0的主要作用是改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般輸出端不接大的電解電容。輸入和輸出端的二極管D2可防止由于輸入端短路而引起電路損壞。因為穩(wěn)壓器屬于功率耗散較大的集成器件，因此在安裝時，可用導(dǎo)熱硅脂安裝在散熱片上。

4、系統(tǒng)調(diào)試

該欠頻保護器設(shè)計完成后，筆者針對某型飛機航空交流發(fā)電機進行了聯(lián)機調(diào)試，運行結(jié)果表明，該設(shè)計功能完備，長時間工作穩(wěn)定可靠，能夠達到欠頻保護的要求。共敏感電路諧振工作點頻率在360±5Hz和320±5Hz范圍內(nèi)。具體工作過程如下：

當電源電壓的頻率f正常（即高于360Hz／s）時，L1C1電路呈感性，則UL1＞UC1。從敏感電路可以看到，UL1和UC1分別經(jīng)二極管D2、D3半波整流后，B點的電位將低于D點的電位，也就是B點相對于地是負電位，因此B點沒有信號輸出。A點的電位比B點更低，所以A點也沒有信號輸出?！盎颉遍T電路的兩個通道均無高電位信號輸入，其輸出不能觸發(fā)可控硅而使GC斷開。敏感電路中C2、C3為濾波電容器。

當電源電壓的頻率等于360Hz時，L1C1電路呈純阻性，則UL1＝UC1，所以經(jīng)半波整流后，B點電位等于地電位，此時L1L2C1電路呈感性，所以A點仍為負電位，故欠頻保護電路仍然不動作。

當電源電壓的頻率低于360Hz而高于320Hz（即320Hz＜f＜360Hz）時，L1C1電路呈容性，則UC1＞UL1，但L1L2C1電路仍呈感性，即UC1＜UL1＋UL2，所以經(jīng)半波整流后，B點的電位將高于D點的電位，使B點相對于地成為正電位，此時在B點有信號輸出，A點的電位仍低于D點的電位，沒有信號輸出。

當B點的正電位經(jīng)電阻R5、二極管D4加到施密特觸發(fā)器的晶體管BG1的基極上時，觸發(fā)器電路翻轉(zhuǎn)成另一個穩(wěn)定狀態(tài)，BG1導(dǎo)通、BG2截止，從而解除了對C4的鉗位。電源電壓E經(jīng)電阻R12、R13、R14對C4充電，當C4上的電壓UC4上升到大于單晶體管BG3 的峰值電壓UP3時，BG3導(dǎo)通而輸出脈沖信號，該脈沖信號經(jīng)“或”門電路觸發(fā)下一級的可控硅導(dǎo)通，從而將發(fā)電機接觸器GC斷開。

二極管D5的作用是加速C4的放電。在電源電壓的頻率出現(xiàn)瞬時欠頻時，在電容器C4上將積存電荷，如不及時釋放，保護裝置容易產(chǎn)生誤動作。在頻率正常時，由于D5短接R13和R14，C4可通過D5、BG2及R9加速釋放所積存的電荷。

當電源電壓的頻率等于320Hz時，L1L2 C1電路呈純阻性，則UC1＝UL1＋UL2。此時A點電位等于地電位，B點電位仍是正電位，保護電路工作情況與上述過程一樣。若電源頻率繼續(xù)下降而低于320Hz時，L1L2 C1電路呈容性，即UC1＞UL1＋UL2。這時，A點電位高于地電位。A點的正電位經(jīng)反延時電路延時和放大后，通過“或”門電路的邏輯處理，觸發(fā)下一級控制電路的可控硅導(dǎo)通，從而使GC斷開。電源電壓頻率越低，A點電位越高，延時越短。與此同時，雖然B點也有正電位輸出，但由于該通道延時較長，因此不等它輸出高電位脈沖，GC就已經(jīng)動作了。

改變諧振電路中電容和電感值的大小可以改變欠頻保護動作點的頻率。

5、結(jié)論

該設(shè)備不僅體積小、重量輕、價格低廉，而且具有抗干擾能力強，可靠性好、對環(huán)境的適應(yīng)性強等特點；同時，由于保護器內(nèi)部電路信號傳遞關(guān)系簡單，便于地面維護人員的檢驗和維修，因此具有顯著的經(jīng)濟和軍事效益。該研究成果將為某型引進飛機的機上改裝提供理論和工程依據(jù)。