陳 奎，鄧道杰

(中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，西安 710068)

機載多功能調壓器的設計和實現(xiàn)

陳 奎，鄧道杰

(中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，西安 710068)

根據(jù)國內機載調壓器的調壓速度快、具備故障保護功能以及可配置的調壓時機等需求特點，提出了機載多功能調壓器設計和實現(xiàn);首先介紹了快速調壓功能的原理；其次，在快速調壓功能的基礎上，詳細闡述機載多功能調壓器中高相限制、過流保護、數(shù)字保護擴展接口和禁止調壓等新增功能的設計;本機載多功能調壓器已成功運用于飛機交流發(fā)電機的控制中;實踐證明，本方案運行可靠，成本低廉，具有良好的經(jīng)濟效益。

機載多功能調壓器；高相限制；過流保護；數(shù)字保護擴展接口；禁止調壓

0 引言

隨著多電飛機和全電飛機的迅猛發(fā)展，對飛機電源品質和發(fā)電系統(tǒng)的控制保護能力提出了更高的要求。作為飛機電源系統(tǒng)的核心部件，發(fā)電機控制器的好壞將直接影響整個電源系統(tǒng)的性能。

在航空產(chǎn)品中，交流發(fā)電機的傳統(tǒng)調壓方式是模擬調壓。模擬調壓實現(xiàn)簡單、體積小、重量輕，但是功能單一，保護功能欠缺；數(shù)字調壓是近幾年新興的一種調壓方式，保護功能多，然而可靠性差，調壓速度慢、易受干擾。一種能同時滿足調壓速度和保護功能的要求，兼?zhèn)鋽?shù)字調壓和模擬調壓的優(yōu)點的交流發(fā)電機調壓器研制成為迫切需要。本機載多功能調壓器集調壓、高相限制、過流保護、數(shù)字保護接口和禁止調壓功能為一身，能實現(xiàn)模擬調壓，具有保護功能，且留有數(shù)字保護擴展接口，滿足交流發(fā)電機控制系統(tǒng)需求，硬件成本低，有重大的實用價值和應用前景。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)功能設計

作為電源系統(tǒng)的重要功能部件，該多功能調壓器集成了調壓、高相限制、過流保護、數(shù)字保護接口和禁止調壓等多個功能。

1)快速調壓功能：

采用經(jīng)典的模擬調壓電路，實現(xiàn)簡單、調壓速度快、可靠性高。

2)高相限制功能：

當電路中有一路或兩路故障(短路或斷路)時，將電壓限制在預設范圍內，保護用電設備免受過電壓的沖擊傷害。

3)過流保護功能：

當發(fā)電機輸出電路中出現(xiàn)過流(短路)時，及時切斷勵磁回路，使發(fā)電機不再對外輸出，從而保護電源系統(tǒng)。

4)數(shù)字保護擴展接口：

預留的數(shù)字保護接口和數(shù)字處理模塊連接，當數(shù)據(jù)處理模塊檢測到故障時，通過勵磁電路前端繼電器及時斷開能量來源，保護本產(chǎn)品乃至整個系統(tǒng)免受能量沖擊傷害。通過數(shù)字保護擴展接口實現(xiàn)模擬調壓和數(shù)字調壓的隔離，避免了相互干擾，解決電磁兼容問題，實現(xiàn)模擬調壓和數(shù)字調壓的完美結合。

5)禁止調壓功能：

特有的禁止調壓接口使本調壓器能準確的控制調壓的時機，在發(fā)動機起動和停車過程中不調壓。加入禁止調壓功能將減小起動機在起動過程中的負載量、減少發(fā)電機在系統(tǒng)起動過程中電品參數(shù)不合格現(xiàn)象、減緩系統(tǒng)起動過程中因電品不穩(wěn)對電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。

1.2 系統(tǒng)方案設計

1.2.1 快速調壓方案

快速調壓結構引入電壓負反饋電路，交流發(fā)電機輸出三相電壓經(jīng)整流后與基準電壓比較，產(chǎn)生PWM信號控制勵磁回路，形成閉環(huán)控制，如圖1所示。

該方案采用經(jīng)典的閉環(huán)模擬調壓設計，具備反應速度快、調壓精準等特點。

圖1 單閉環(huán)調壓電路原理圖

1.2.2 高相限制調壓方案

交流發(fā)電機閉環(huán)反饋電壓由三相輸出電壓經(jīng)整流得到，當其中某一相或兩相發(fā)生斷路或短路故障時，反饋電壓將低于基準電壓值，閉環(huán)調壓電路將導致輸出電壓進一步增大，對用電設備造成過壓沖擊，嚴重時甚至可能會導致整個系統(tǒng)的崩潰。因此有必要在單閉環(huán)調壓電路的基礎上提出具有高相限制功能的閉環(huán)調壓方式。高相限制功能通過在單閉環(huán)反饋電路的基礎上增加反饋回路2實現(xiàn)，其中反饋電路2的整流前級串入100K電阻，電路原理如圖2所示。

圖2 增加高相限制電路原理圖

反饋電路2對單相電壓的敏感度遲鈍于反饋電路1，當某一相故障時，反饋電路1輸出占空比大的PWM1波形增加勵磁電流來使發(fā)電機輸出更高的電壓，此時，反饋電路2會因采集到高電壓而輸出占空比小的PWM2波形，PWM1波形和PWM2波形相互綜合后，產(chǎn)生PWM3波形，由于PWM2波形占空比的限制，使得勵磁電流穩(wěn)定在限定值以內，進而使發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)定在限定值，控制單項或兩相故障(短路或斷路)后引起的超調現(xiàn)象。

通過增加高相限制功能解決輸出電壓單相超調現(xiàn)象，保護整個電源系統(tǒng)中的用電設備。

1.2.3 過流保護方案

當飛機電線出現(xiàn)短路時，線路電流急劇增大，發(fā)電機控制器應能及時的切斷電源，使損失降到最小。

過流保護功能是在高相限制的基礎上，增加互感器反饋電路，實現(xiàn)方式如圖3所示。整流電路2整流后的電壓(分壓后)和互感線路通過整流電路3整流后的電壓(分壓后)進行比較，輸出信號和反饋電路2電壓做負比較，輸出PWM2波形，參與勵磁電路控制邏輯。

圖3 增加高相限制、過流保護的電路原理圖

當發(fā)電機輸出電路中電流過大(短路)時，互感器反饋電路輸出高電平，使比較電路2輸出翻轉為低，拉低PWM波3輸出電平，切斷發(fā)電機勵磁回路，從而保護系統(tǒng)的安全。

1.2.4 數(shù)字保護接口和禁止調壓的方案

本方案特別增加了數(shù)字保護接口及禁止調壓功能。具備高相限制、過流保護、數(shù)字保護和禁止調壓功能的調壓方案如圖4所示。

圖4 增加高相限制、過流保護、數(shù)字保護和禁止調壓的電路原理圖

在圖3的基礎上進一步增加數(shù)字保護和禁止調壓功能。在提供勵磁的三相交流電路中引入繼電器，該繼電器是擴展數(shù)字保護的接口。當數(shù)字處理部分要關閉調壓器時，可以通過對繼電器的控制來切斷勵磁，實現(xiàn)關閉調壓器，進而使發(fā)電機不再輸出，實現(xiàn)數(shù)字保護功能。

在比較電路2中引入‘禁止調壓’接口信號，只要‘禁止調壓’信號為高，則比較電路2就一直輸出為低，開關電路處于關閉狀態(tài)，發(fā)電機就一直無勵磁電流，進而實現(xiàn)禁止調壓功能。

數(shù)字保護擴展接口從整體上提高了發(fā)電機控制器的功能和性能指標，為模擬、數(shù)字綜合調壓器的實現(xiàn)奠定了夯實的基礎。禁止調壓接口通過掌握調壓時間，減輕發(fā)動機起動過程的負荷，減少發(fā)電機啟動過程對電網(wǎng)的擾動。

2 實驗結果

對于此多功能調壓器性能進行試驗驗證，試驗平臺由航空交流發(fā)電機及多功能調壓器組成。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，分別對電機起動過程、負載不平衡過程、過流過程等進行試驗以驗證調壓器功能。

2.1 快速調壓功能驗證

經(jīng)過試驗驗證：在系統(tǒng)工作和電動機起動期間，瞬態(tài)電壓(包括80 kVA的突加/突卸負載所引起的電壓瞬變)滿足在圖5規(guī)定的極限范圍，符合設計需求。

2.2 高相限制調壓功能驗證

系統(tǒng)實驗驗證：在不平衡負載、故障的情況下，穩(wěn)態(tài)高相電壓在超過124 V(有效值)時，高相限制調壓功能啟動，滿足設計要求。

2.3 過流保護功能驗證

系統(tǒng)實驗驗證：發(fā)電機最大輸出電流超過額定負載的450%

圖5 電壓瞬態(tài)極限特性

時，硬件過流保護功能啟動，實現(xiàn)快速切斷發(fā)電機勵磁電路，滿足設計要求。

2.4 數(shù)字保護接口和禁止調壓功能驗證

在機載傳動裝置的啟動過程中，需要禁止發(fā)電機的調壓功能，進而減輕傳動裝置啟動過程中的負擔，該功能在系統(tǒng)聯(lián)試中得到驗證。

目前該多功能調壓器已經(jīng)應用到多個機載交流發(fā)電機上，在系統(tǒng)聯(lián)試和機載環(huán)境中都能滿足電源系統(tǒng)的需求。

3 結論

在現(xiàn)代航空電源系統(tǒng)中，發(fā)電機負載缺相和負載短路等故障會給電源系統(tǒng)帶來很大的危害，因此快速、準確地進行故障定位和隔離保護就變得尤為重要。本文中提出的機載多功能調壓器集成了快速調壓、高相限制、過流保護等功能為一體的產(chǎn)品，并預留數(shù)字保護接口和禁止調壓接口。這樣不僅能很好的實現(xiàn)保護功能，而且很容易進一步擴展更多的數(shù)字保護；還能在起動及停車時實現(xiàn)禁止調壓，減輕發(fā)動機的起動負載和縮短發(fā)動機的起動時間，使整個電源系統(tǒng)在起動和停車的過程中更加平穩(wěn)、安全。

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Design and Implementation of Multi-function Voltage Adjustment Module

Chen Kui, Deng Daojie

(Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute, AVIC, Xi’an 710068,China)

According to the demand of voltage adjustment module, a design and implementation of multi-function voltage adjustment module is presented. In this paper, at first, the principle of rapid voltage regulating function and realization is introduced. Then several other functions such as high phase limitation/over current protection/extend interface for digital protection/ voltage adjustment prohibition are presented. The design and implementation of multi-function voltage adjustment module has been successfully used in the control of industry/airborne AC generator. Practice has proved that the design has high operation reliability, lowcost and good economic benefit.

multi-function voltage adjustment module; high phase limitation; over current protection; extend interface for digital protection; voltage adjustment prohibition

2016-01-05；

2016-02-24。

陳 奎(1985-)，男，安徽阜陽人，工程師，主要從事于發(fā)電機控制器的研究方向的研究。

1671-4598(2016)07-0230-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.062

V242.4 文獻標識碼：A