陳 奎，鄧道杰

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068)

機(jī)載多功能調(diào)壓器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

陳 奎，鄧道杰

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068)

根據(jù)國(guó)內(nèi)機(jī)載調(diào)壓器的調(diào)壓速度快、具備故障保護(hù)功能以及可配置的調(diào)壓時(shí)機(jī)等需求特點(diǎn)，提出了機(jī)載多功能調(diào)壓器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn);首先介紹了快速調(diào)壓功能的原理；其次，在快速調(diào)壓功能的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述機(jī)載多功能調(diào)壓器中高相限制、過(guò)流保護(hù)、數(shù)字保護(hù)擴(kuò)展接口和禁止調(diào)壓等新增功能的設(shè)計(jì);本機(jī)載多功能調(diào)壓器已成功運(yùn)用于飛機(jī)交流發(fā)電機(jī)的控制中;實(shí)踐證明，本方案運(yùn)行可靠，成本低廉，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

機(jī)載多功能調(diào)壓器；高相限制；過(guò)流保護(hù)；數(shù)字保護(hù)擴(kuò)展接口；禁止調(diào)壓

0 引言

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

在航空產(chǎn)品中，交流發(fā)電機(jī)的傳統(tǒng)調(diào)壓方式是模擬調(diào)壓。模擬調(diào)壓實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，但是功能單一，保護(hù)功能欠缺；數(shù)字調(diào)壓是近幾年新興的一種調(diào)壓方式，保護(hù)功能多，然而可靠性差，調(diào)壓速度慢、易受干擾。一種能同時(shí)滿足調(diào)壓速度和保護(hù)功能的要求，兼?zhèn)鋽?shù)字調(diào)壓和模擬調(diào)壓的優(yōu)點(diǎn)的交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓器研制成為迫切需要。本機(jī)載多功能調(diào)壓器集調(diào)壓、高相限制、過(guò)流保護(hù)、數(shù)字保護(hù)接口和禁止調(diào)壓功能為一身，能實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)壓，具有保護(hù)功能，且留有數(shù)字保護(hù)擴(kuò)展接口，滿足交流發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)需求，硬件成本低，有重大的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

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

1)快速調(diào)壓功能：

采用經(jīng)典的模擬調(diào)壓電路，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、調(diào)壓速度快、可靠性高。

2)高相限制功能：

當(dāng)電路中有一路或兩路故障(短路或斷路)時(shí)，將電壓限制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，保護(hù)用電設(shè)備免受過(guò)電壓的沖擊傷害。

3)過(guò)流保護(hù)功能：

當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電路中出現(xiàn)過(guò)流(短路)時(shí)，及時(shí)切斷勵(lì)磁回路，使發(fā)電機(jī)不再對(duì)外輸出，從而保護(hù)電源系統(tǒng)。

4)數(shù)字保護(hù)擴(kuò)展接口：

預(yù)留的數(shù)字保護(hù)接口和數(shù)字處理模塊連接，當(dāng)數(shù)據(jù)處理模塊檢測(cè)到故障時(shí)，通過(guò)勵(lì)磁電路前端繼電器及時(shí)斷開(kāi)能量來(lái)源，保護(hù)本產(chǎn)品乃至整個(gè)系統(tǒng)免受能量沖擊傷害。通過(guò)數(shù)字保護(hù)擴(kuò)展接口實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)壓和數(shù)字調(diào)壓的隔離，避免了相互干擾，解決電磁兼容問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)壓和數(shù)字調(diào)壓的完美結(jié)合。

5)禁止調(diào)壓功能：

特有的禁止調(diào)壓接口使本調(diào)壓器能準(zhǔn)確的控制調(diào)壓的時(shí)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和停車過(guò)程中不調(diào)壓。加入禁止調(diào)壓功能將減小起動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的負(fù)載量、減少發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程中電品參數(shù)不合格現(xiàn)象、減緩系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程中因電品不穩(wěn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 快速調(diào)壓方案

快速調(diào)壓結(jié)構(gòu)引入電壓負(fù)反饋電路，交流發(fā)電機(jī)輸出三相電壓經(jīng)整流后與基準(zhǔn)電壓比較，產(chǎn)生PWM信號(hào)控制勵(lì)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(diào)壓設(shè)計(jì)，具備反應(yīng)速度快、調(diào)壓精準(zhǔn)等特點(diǎn)。

圖1 單閉環(huán)調(diào)壓電路原理圖

1.2.2 高相限制調(diào)壓方案

交流發(fā)電機(jī)閉環(huán)反饋電壓由三相輸出電壓經(jīng)整流得到，當(dāng)其中某一相或兩相發(fā)生斷路或短路故障時(shí)，反饋電壓將低于基準(zhǔn)電壓值，閉環(huán)調(diào)壓電路將導(dǎo)致輸出電壓進(jìn)一步增大，對(duì)用電設(shè)備造成過(guò)壓沖擊，嚴(yán)重時(shí)甚至可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。因此有必要在單閉環(huán)調(diào)壓電路的基礎(chǔ)上提出具有高相限制功能的閉環(huán)調(diào)壓方式。高相限制功能通過(guò)在單閉環(huán)反饋電路的基礎(chǔ)上增加反饋回路2實(shí)現(xiàn)，其中反饋電路2的整流前級(jí)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(duì)單相電壓的敏感度遲鈍于反饋電路1，當(dāng)某一相故障時(shí)，反饋電路1輸出占空比大的PWM1波形增加勵(lì)磁電流來(lái)使發(fā)電機(jī)輸出更高的電壓，此時(shí)，反饋電路2會(huì)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(lì)磁電流穩(wěn)定在限定值以內(nèi)，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)的輸出電壓穩(wěn)定在限定值，控制單項(xiàng)或兩相故障(短路或斷路)后引起的超調(diào)現(xiàn)象。

通過(guò)增加高相限制功能解決輸出電壓?jiǎn)蜗喑{(diào)現(xiàn)象，保護(hù)整個(gè)電源系統(tǒng)中的用電設(shè)備。

1.2.3 過(guò)流保護(hù)方案

當(dāng)飛機(jī)電線出現(xiàn)短路時(shí)，線路電流急劇增大，發(fā)電機(jī)控制器應(yīng)能及時(shí)的切斷電源，使損失降到最小。

過(guò)流保護(hù)功能是在高相限制的基礎(chǔ)上，增加互感器反饋電路，實(shí)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(guò)整流電路3整流后的電壓(分壓后)進(jìn)行比較，輸出信號(hào)和反饋電路2電壓做負(fù)比較，輸出PWM2波形，參與勵(lì)磁電路控制邏輯。

圖3 增加高相限制、過(guò)流保護(hù)的電路原理圖

當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電路中電流過(guò)大(短路)時(shí)，互感器反饋電路輸出高電平，使比較電路2輸出翻轉(zhuǎn)為低，拉低PWM波3輸出電平，切斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路，從而保護(hù)系統(tǒng)的安全。

1.2.4 數(shù)字保護(hù)接口和禁止調(diào)壓的方案

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

圖4 增加高相限制、過(guò)流保護(hù)、數(shù)字保護(hù)和禁止調(diào)壓的電路原理圖

在圖3的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加數(shù)字保護(hù)和禁止調(diào)壓功能。在提供勵(lì)磁的三相交流電路中引入繼電器，該繼電器是擴(kuò)展數(shù)字保護(hù)的接口。當(dāng)數(shù)字處理部分要關(guān)閉調(diào)壓器時(shí)，可以通過(guò)對(duì)繼電器的控制來(lái)切斷勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉調(diào)壓器，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)不再輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)字保護(hù)功能。

在比較電路2中引入‘禁止調(diào)壓’接口信號(hào)，只要‘禁止調(diào)壓’信號(hào)為高，則比較電路2就一直輸出為低，開(kāi)關(guān)電路處于關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)電機(jī)就一直無(wú)勵(lì)磁電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)禁止調(diào)壓功能。

數(shù)字保護(hù)擴(kuò)展接口從整體上提高了發(fā)電機(jī)控制器的功能和性能指標(biāo)，為模擬、數(shù)字綜合調(diào)壓器的實(shí)現(xiàn)奠定了夯實(shí)的基礎(chǔ)。禁止調(diào)壓接口通過(guò)掌握調(diào)壓時(shí)間，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的負(fù)荷，減少發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的擾動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于此多功能調(diào)壓器性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)平臺(tái)由航空交流發(fā)電機(jī)及多功能調(diào)壓器組成。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，分別對(duì)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程、負(fù)載不平衡過(guò)程、過(guò)流過(guò)程等進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證調(diào)壓器功能。

2.1 快速調(diào)壓功能驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證：在系統(tǒng)工作和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)期間，瞬態(tài)電壓(包括80 kVA的突加/突卸負(fù)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(shè)計(jì)需求。

2.2 高相限制調(diào)壓功能驗(yàn)證

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在不平衡負(fù)載、故障的情況下，穩(wěn)態(tài)高相電壓在超過(guò)124 V(有效值)時(shí)，高相限制調(diào)壓功能啟動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 過(guò)流保護(hù)功能驗(yàn)證

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：發(fā)電機(jī)最大輸出電流超過(guò)額定負(fù)載的450%

圖5 電壓瞬態(tài)極限特性

時(shí)，硬件過(guò)流保護(hù)功能啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速切斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電路，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 數(shù)字保護(hù)接口和禁止調(diào)壓功能驗(yàn)證

在機(jī)載傳動(dòng)裝置的啟動(dòng)過(guò)程中，需要禁止發(fā)電機(jī)的調(diào)壓功能，進(jìn)而減輕傳動(dòng)裝置啟動(dòng)過(guò)程中的負(fù)擔(dān)，該功能在系統(tǒng)聯(lián)試中得到驗(yàn)證。

目前該多功能調(diào)壓器已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)機(jī)載交流發(fā)電機(jī)上，在系統(tǒng)聯(lián)試和機(jī)載環(huán)境中都能滿足電源系統(tǒng)的需求。

3 結(jié)論

在現(xiàn)代航空電源系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)負(fù)載缺相和負(fù)載短路等故障會(huì)給電源系統(tǒng)帶來(lái)很大的危害，因此快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行故障定位和隔離保護(hù)就變得尤為重要。本文中提出的機(jī)載多功能調(diào)壓器集成了快速調(diào)壓、高相限制、過(guò)流保護(hù)等功能為一體的產(chǎn)品，并預(yù)留數(shù)字保護(hù)接口和禁止調(diào)壓接口。這樣不僅能很好的實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，而且很容易進(jìn)一步擴(kuò)展更多的數(shù)字保護(hù)；還能在起動(dòng)及停車時(shí)實(shí)現(xiàn)禁止調(diào)壓，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)負(fù)載和縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間，使整個(gè)電源系統(tǒng)在起動(dòng)和停車的過(guò)程中更加平穩(wěn)、安全。

[1] 楊善水，張卓然，楊春源,等.基于多環(huán)調(diào)壓控制的混合勵(lì)磁航空變頻交流發(fā)電系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(3)：176-180.

[2] 王 莉, 曹小慶, 張卓然,等.電勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)非線性PI調(diào)壓技術(shù)的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2006, 26(5): 153-158.

[3]OlaiyaM,BuchanN.Highpowervariablefrequencygeneratorforlargecivilaircraft[A].IEEColloquium(Digest)[C]. 1999: 13-16.

[4]LiuC,ZhouB,YanYG.Implementationandstudyofanoveldoublysalientstructurestarter/generatorsystem[J].ChineseJournalofAeronautics, 2002, 15(3) : 151-155.

[5] 陳志輝, 嚴(yán)仰光, 陳鴻茂. 雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)的DSP控制實(shí)現(xiàn)[J] . 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 32(3) : 251-255.

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(yáng)人，工程師，主要從事于發(fā)電機(jī)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A