??? 摘 要： 利用集成電路技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行某型飛機(jī)電壓限定器國(guó)產(chǎn)化研制的方法，解決了激磁控制、均衡控制、故障鑒別、多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電等技術(shù)難題，保證了新研制產(chǎn)品與原有進(jìn)口產(chǎn)品的可互換使用，減小了設(shè)備的體積、重量，提高了設(shè)備的工作可靠性，延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命，方便使用和維護(hù)。
??? 關(guān)鍵詞： 激磁控制? 均衡控制? 故障鑒別
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??? 電壓限定器是飛機(jī)電源系統(tǒng)重要的控制保護(hù)設(shè)備，對(duì)發(fā)電機(jī)的過(guò)電壓" title="過(guò)電壓">過(guò)電壓、欠電壓實(shí)施保護(hù)，并與電源系統(tǒng)中的短路保護(hù)器、電壓調(diào)節(jié)器、反流割斷器、安全繼電器等設(shè)備協(xié)調(diào)工作，保證飛機(jī)電源系統(tǒng)的正常工作。進(jìn)口電壓限定器是采用分立元件設(shè)計(jì)的機(jī)電式模擬產(chǎn)品。自上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，由于電壓限定器的故障率太高，國(guó)外已停產(chǎn)該型產(chǎn)品導(dǎo)致備件短缺，加上檢測(cè)和維護(hù)難度大等原因，嚴(yán)重影響了該型飛機(jī)的完好率和出勤率，因此進(jìn)行電壓限定器的國(guó)產(chǎn)化研制勢(shì)在必行。
1 總體方案設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)原則
??? 以實(shí)用性和耐用性為出發(fā)點(diǎn)，在保證各項(xiàng)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)達(dá)到原進(jìn)口產(chǎn)品要求的前提下，遵循了以下原則：(1)保持電壓限定器的外形、體積、接口關(guān)系及安裝位置不變。(2)重量不大于原電壓限定器。(3)具有良好的使用性、可維修性和高可靠性，方便使用維護(hù)。(4)研制過(guò)程符合標(biāo)準(zhǔn)化要求。
1.2 總體方案
??? 電壓限定器主要由故障探測(cè)電路、延時(shí)電路" title="延時(shí)電路">延時(shí)電路、激磁控制電路、均衡控制電路、防止誤動(dòng)作保護(hù)電路、供電電源電路和相關(guān)驅(qū)動(dòng)電路組成，其總體原理框圖如圖1所示。
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??? 故障探測(cè)電路檢測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓，一旦出現(xiàn)過(guò)電壓，經(jīng)過(guò)延時(shí)電路延時(shí)后，使激磁控制電路的工作線(xiàn)圈通電工作，從而切斷發(fā)電機(jī)的激磁電路、均衡電路" title="均衡電路">均衡電路和反流割斷器的控制電路。延時(shí)的目的是該保護(hù)裝置只在故障性過(guò)電壓時(shí)斷開(kāi)，對(duì)于非故障性過(guò)電壓（瞬時(shí)過(guò)電壓）不起保護(hù)作用。在發(fā)電機(jī)建立電壓的初始階段，當(dāng)其輸出電壓低于24V時(shí)，均衡控制電路處于斷路狀態(tài)，只有并聯(lián)發(fā)電機(jī)在正常狀態(tài)下，且輸出電壓大于24V時(shí)，均衡電路才能接通。電網(wǎng)中，當(dāng)其他發(fā)電機(jī)處于故障性過(guò)電壓時(shí)，防止誤動(dòng)作保護(hù)電路中出現(xiàn)反流，當(dāng)該電流值達(dá)到300mA～350mA時(shí)，該電路處于斷開(kāi)狀態(tài)。這樣正常電機(jī)的故障探測(cè)電路檢測(cè)不到故障發(fā)電機(jī)的輸出電壓，保證了正常電機(jī)不因電網(wǎng)中的其他電機(jī)出現(xiàn)過(guò)電壓故障而退網(wǎng)。當(dāng)電網(wǎng)中的故障排除后，通過(guò)按壓復(fù)位按鈕，復(fù)位信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)位控制電路，給激磁控制電路提供發(fā)電機(jī)建立電壓的激磁電流。在應(yīng)急情況下，通過(guò)按壓應(yīng)急切斷開(kāi)關(guān)，應(yīng)急切斷信號(hào)控制激磁控制電路中繼電器的工作線(xiàn)圈通電工作，從而切斷發(fā)電機(jī)的激磁、均衡控制電路和反流割斷器的控制電路。由于采用集成電路模塊進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，對(duì)于這些有源集成電路，利用DC-DC變換器、穩(wěn)壓模塊電路給其提供±15V和+15V的穩(wěn)壓電源。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 過(guò)電壓探測(cè)及延時(shí)電路的設(shè)計(jì)
??? 根據(jù)該電路所需完成的功能和性能指標(biāo)要求，以L(fǎng)M124運(yùn)算放大器、BD651達(dá)林頓管、TIL117光耦等作為核心器件，所設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2所示。
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??? 圖2中，電路的輸入端接故障鑒別電路的輸出端，探測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，該電壓經(jīng)過(guò)單向整流、電阻分壓后，利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的跟隨器進(jìn)行隔離，增大輸入阻抗，減小輸出阻抗，其輸出經(jīng)過(guò)光耦隔離，作為后級(jí)延時(shí)電路的輸入信號(hào)；另一方面，發(fā)電機(jī)的輸出電壓經(jīng)穩(wěn)壓后，為集成芯片提供供電電源，并且為延時(shí)電路提供基準(zhǔn)電壓。延時(shí)電路的輸出控制激磁電路斷路器的工作線(xiàn)圈的通和斷，發(fā)電機(jī)一旦出現(xiàn)過(guò)電壓，延時(shí)電路輸出高電位，門(mén)限電路開(kāi)啟，激磁電路斷路器工作，切斷發(fā)電機(jī)的激磁電路、并聯(lián)均衡電路和反流保護(hù)器的控制電路。為了抑制發(fā)電機(jī)輸出電壓的瞬時(shí)值(最大可達(dá)到120V)，保護(hù)器電路輸入在額定范圍內(nèi)，其前級(jí)增加了一級(jí)采用BD651和穩(wěn)壓管設(shè)計(jì)的限幅電路，保證了供電電源穩(wěn)定可靠地工作。改變C或R，可以改變延時(shí)時(shí)間的大小。
2.2 均衡控制電路設(shè)計(jì)
??? 對(duì)于多發(fā)并聯(lián)供電系統(tǒng)，均衡控制電路的作用是進(jìn)行各發(fā)負(fù)載的均衡分配，實(shí)現(xiàn)多發(fā)并聯(lián)供電。以?xún)膳_(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電為例闡述其原理，如圖3所示。
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??? 圖3中，如果第一臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電壓低于正常值，此時(shí)其輸出電流減小，A點(diǎn)電位升高，而第二臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出電流增大，B點(diǎn)的電位降低，且低于A點(diǎn)電位，均衡電路中有從A點(diǎn)流向B點(diǎn)的電流。一發(fā)均衡線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁勢(shì)與調(diào)壓器線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁勢(shì)方向相反，小于彈簧的阻力，激磁電路電阻減小，激磁電流增大，從而使第一臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓升高，達(dá)到均衡負(fù)載的功能。二發(fā)與一發(fā)正好相反。如果一發(fā)的電壓下降得過(guò)低，在反流割斷器的作用下，其輸出電路斷開(kāi)而不向電網(wǎng)供電，否則A與B點(diǎn)的電位差增大，二發(fā)輸出電壓降低程度增大，最終導(dǎo)致二發(fā)也退出電網(wǎng)。
??? 根據(jù)均衡控制電路接通和斷開(kāi)的條件，選用LM139比較器" title="比較器">比較器作為核心器件進(jìn)行該電路的設(shè)計(jì)。LM139為14管腳的四比較器集成芯片，管腳示意圖如圖4所示。所設(shè)計(jì)的均衡控制原理電路如圖5所示。
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??? 該電路的輸入端接RE端子，檢測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，通過(guò)分壓電路將發(fā)電機(jī)輸出電壓大大降低，采用LM139構(gòu)成上行遲滯比較器，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓大于接通門(mén)限電壓時(shí)，末級(jí)繼電器接通，小于斷開(kāi)門(mén)限電壓時(shí)則斷開(kāi)，通過(guò)改變外圍電路參數(shù)或改變參考電位點(diǎn)電壓可改變上限和下限工作點(diǎn)電壓。由于LM139比較器的驅(qū)動(dòng)能力差，采用LM124構(gòu)成兩級(jí)跟隨器，隔離輸入和輸出端的相互影響。值得指出的是，為保證控制邏輯的正確性，比較器輸出端應(yīng)接一電容到地，保證參考電位優(yōu)先于輸入建立。
?LM139構(gòu)成的上行比較器的外圍電路設(shè)計(jì)及其輸入輸出電壓關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示。
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??? 各參數(shù)可通過(guò)下列公式進(jìn)行確定：
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2.3 防止誤動(dòng)作保護(hù)電路設(shè)計(jì)
??? 防止誤動(dòng)作保護(hù)電路串聯(lián)在飛機(jī)電源系統(tǒng)的并聯(lián)均衡電路中。當(dāng)該電路的輸入電流自上而下流動(dòng)時(shí)（發(fā)電機(jī)的輸出電壓高于其他兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電壓），此時(shí)該電路的輸出為低電位，末級(jí)控制繼電器不工作，觸點(diǎn)保持在接通位置，發(fā)電機(jī)的輸出電壓能夠加在探測(cè)及延時(shí)電路的輸入端。當(dāng)該電路的輸入電流自下而上流動(dòng)(發(fā)電機(jī)的輸出電壓低于其他兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電壓)，并且達(dá)到0.3A～0.35A時(shí)，末級(jí)控制繼電器線(xiàn)圈通電工作，觸點(diǎn)位置轉(zhuǎn)換，發(fā)電機(jī)的輸出電壓不能加在探測(cè)及延時(shí)電路模塊的輸入端，從而避免了因某臺(tái)發(fā)電機(jī)過(guò)電壓而引起正常發(fā)電機(jī)探測(cè)電路工作而使其退出電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)電壓故障電機(jī)的鑒別。
????根據(jù)該電路所要完成的功能和技術(shù)戰(zhàn)術(shù)要求，利用抗高共模差動(dòng)儀表放大器和LM124作為核心器件進(jìn)行該電路的設(shè)計(jì)。其檢測(cè)比較原理電路如圖7所示。
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????值得指出的是，由于該電路探測(cè)的是電流信號(hào)，因此探測(cè)電路部分可以采用極化繼電器、霍爾元件和探測(cè)電阻設(shè)計(jì)。考慮到控制邏輯的復(fù)雜性和空間結(jié)構(gòu)的限制，采用了如圖7所示的探測(cè)電阻進(jìn)行設(shè)計(jì)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。利用抗高共模差動(dòng)儀表放大器對(duì)此小信號(hào)放大處理，其輸出信號(hào)作為下一級(jí)比較電路的輸入信號(hào)，通過(guò)理論計(jì)算，確定比較電路的基準(zhǔn)電壓（通過(guò)電源模塊提供的+15V電源進(jìn)行分壓獲得），這樣防止誤動(dòng)作保護(hù)電路不僅能夠測(cè)量出流過(guò)均衡電路電流的大小和方向、實(shí)現(xiàn)故障電機(jī)的鑒別功能，且保證了三發(fā)并聯(lián)供電的電壓調(diào)節(jié)及均衡功能的正常運(yùn)行。通過(guò)改變基準(zhǔn)電壓值的大小，可以補(bǔ)償測(cè)量電路由于漂移所引起的動(dòng)作誤差。為保持原有均衡電路參數(shù)不發(fā)生改變，必須對(duì)原電路電阻進(jìn)行精確測(cè)量，確定其阻值。
??? 為了實(shí)現(xiàn)電壓限定器電壓探測(cè)及延時(shí)電路通、斷的控制，其執(zhí)行電路采用電磁繼電器加以實(shí)現(xiàn)，原理電路如圖8所示。
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??? 測(cè)量比較電路的輸出信號(hào)作為控制電路的輸入信號(hào)。當(dāng)某發(fā)均衡電路的電流自上而下流動(dòng)時(shí)，儀表放大器測(cè)得的電壓為負(fù)值，其輸出電壓小于比較器的基準(zhǔn)電壓，比較器的輸出電壓為低電位，三極管3DK4C處于截止?fàn)顟B(tài)，控制繼電器不工作，電壓探測(cè)電路處于接通狀態(tài)；當(dāng)某發(fā)均衡電路的電流自下而上流動(dòng)時(shí)，儀表放大器測(cè)得的電壓為正值，且當(dāng)電流值達(dá)到0.3A～0.35A時(shí)，其輸出電壓大于比較器的基準(zhǔn)電壓，比較器的輸出電壓為高電位（電源電壓），功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)，控制繼電器工作，切斷電壓限定器的過(guò)電壓探測(cè)電路，避免了其他電機(jī)由于過(guò)電壓故障而使正常電機(jī)退出電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)正常發(fā)電機(jī)的保護(hù)，提高了保護(hù)器對(duì)故障電機(jī)的鑒別能力。圖8中，穩(wěn)壓二極管的作用是為了防止三極管由于流過(guò)的電流過(guò)大而被擊穿。繼電器線(xiàn)圈并聯(lián)的二極管起到續(xù)流作用，防止繼電器在斷開(kāi)的過(guò)程中由于產(chǎn)生過(guò)大的感應(yīng)電勢(shì)而將三極管擊穿。
??? 新研制的電壓限定器采用集成控制電路設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備性能；利用抗高共模差放技術(shù)保證了調(diào)壓、均衡與發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的正確運(yùn)行；為了利用發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)電壓保證控制電路供電的穩(wěn)定可靠，采用延遲正反饋技術(shù)，消除了誤動(dòng)作。經(jīng)過(guò)近兩年的飛行，證明國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品功能齊全，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同國(guó)外同類(lèi)設(shè)備相比，其性能優(yōu)越，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和軍事意義。
??? 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，飛機(jī)的控制保護(hù)裝備將向智能化和一體化方向發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉愛(ài)元，盧建華.飛機(jī)電源與電氣控制.煙臺(tái)海軍航空工程學(xué)院，2005.10.
[2] Integrated circuits databook liner products.BURRBROWN?Corp，1995.
[3] 王遠(yuǎn).模擬電子技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)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.