??? 摘 要： 利用集成電路技術和自動控制技術進行某型飛機電壓限定器國產化研制的方法，解決了激磁控制、均衡控制、故障鑒別、多臺發電機并聯供電等技術難題，保證了新研制產品與原有進口產品的可互換使用，減小了設備的體積、重量，提高了設備的工作可靠性，延長了設備的壽命，方便使用和維護。
??? 關鍵詞： 激磁控制? 均衡控制? 故障鑒別
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??? 電壓限定器是飛機電源系統重要的控制保護設備，對發電機的過電壓" title="過電壓">過電壓、欠電壓實施保護，并與電源系統中的短路保護器、電壓調節器、反流割斷器、安全繼電器等設備協調工作，保證飛機電源系統的正常工作。進口電壓限定器是采用分立元件設計的機電式模擬產品。自上世紀90年代中期以來，由于電壓限定器的故障率太高，國外已停產該型產品導致備件短缺，加上檢測和維護難度大等原因，嚴重影響了該型飛機的完好率和出勤率，因此進行電壓限定器的國產化研制勢在必行。
1 總體方案設計
1.1 設計原則
??? 以實用性和耐用性為出發點，在保證各項技戰術指標達到原進口產品要求的前提下，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。(4)研制過程符合標準化要求。
1.2 總體方案
??? 電壓限定器主要由故障探測電路、延時電路" title="延時電路">延時電路、激磁控制電路、均衡控制電路、防止誤動作保護電路、供電電源電路和相關驅動電路組成，其總體原理框圖如圖1所示。
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??? 故障探測電路檢測發電機的輸出電壓" title="輸出電壓">輸出電壓，一旦出現過電壓，經過延時電路延時后，使激磁控制電路的工作線圈通電工作，從而切斷發電機的激磁電路、均衡電路" title="均衡電路">均衡電路和反流割斷器的控制電路。延時的目的是該保護裝置只在故障性過電壓時斷開，對于非故障性過電壓（瞬時過電壓）不起保護作用。在發電機建立電壓的初始階段，當其輸出電壓低于24V時，均衡控制電路處于斷路狀態，只有并聯發電機在正常狀態下，且輸出電壓大于24V時，均衡電路才能接通。電網中，當其他發電機處于故障性過電壓時，防止誤動作保護電路中出現反流，當該電流值達到300mA～350mA時，該電路處于斷開狀態。這樣正常電機的故障探測電路檢測不到故障發電機的輸出電壓，保證了正常電機不因電網中的其他電機出現過電壓故障而退網。當電網中的故障排除后，通過按壓復位按鈕，復位信號經過復位控制電路，給激磁控制電路提供發電機建立電壓的激磁電流。在應急情況下，通過按壓應急切斷開關，應急切斷信號控制激磁控制電路中繼電器的工作線圈通電工作，從而切斷發電機的激磁、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行電路設計，對于這些有源集成電路，利用DC-DC變換器、穩壓模塊電路給其提供±15V和+15V的穩壓電源。
2 硬件電路設計
2.1 過電壓探測及延時電路的設計
??? 根據該電路所需完成的功能和性能指標要求，以LM124運算放大器、BD651達林頓管、TIL117光耦等作為核心器件，所設計的電路原理圖如圖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，探測發電機的輸出電壓，該電壓經過單向整流、電阻分壓后，利用運算放大器設計的跟隨器進行隔離，增大輸入阻抗，減小輸出阻抗，其輸出經過光耦隔離，作為后級延時電路的輸入信號；另一方面，發電機的輸出電壓經穩壓后，為集成芯片提供供電電源，并且為延時電路提供基準電壓。延時電路的輸出控制激磁電路斷路器的工作線圈的通和斷，發電機一旦出現過電壓，延時電路輸出高電位，門限電路開啟，激磁電路斷路器工作，切斷發電機的激磁電路、并聯均衡電路和反流保護器的控制電路。為了抑制發電機輸出電壓的瞬時值(最大可達到120V)，保護器電路輸入在額定范圍內，其前級增加了一級采用BD651和穩壓管設計的限幅電路，保證了供電電源穩定可靠地工作。改變C或R，可以改變延時時間的大小。
2.2 均衡控制電路設計
??? 對于多發并聯供電系統，均衡控制電路的作用是進行各發負載的均衡分配，實現多發并聯供電。以兩臺發電機并聯供電為例闡述其原理，如圖3所示。
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??? 圖3中，如果第一臺發電機的輸出電壓低于正常值，此時其輸出電流減小，A點電位升高，而第二臺發電機輸出電流增大，B點的電位降低，且低于A點電位，均衡電路中有從A點流向B點的電流。一發均衡線圈產生的磁勢與調壓器線圈產生的磁勢方向相反，小于彈簧的阻力，激磁電路電阻減小，激磁電流增大，從而使第一臺發電機的電壓升高，達到均衡負載的功能。二發與一發正好相反。如果一發的電壓下降得過低，在反流割斷器的作用下，其輸出電路斷開而不向電網供電，否則A與B點的電位差增大，二發輸出電壓降低程度增大，最終導致二發也退出電網。
??? 根據均衡控制電路接通和斷開的條件，選用LM139比較器" title="比較器">比較器作為核心器件進行該電路的設計。LM139為14管腳的四比較器集成芯片，管腳示意圖如圖4所示。所設計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，檢測發電機的輸出電壓，通過分壓電路將發電機輸出電壓大大降低，采用LM139構成上行遲滯比較器，當發電機輸出電壓大于接通門限電壓時，末級繼電器接通，小于斷開門限電壓時則斷開，通過改變外圍電路參數或改變參考電位點電壓可改變上限和下限工作點電壓。由于LM139比較器的驅動能力差，采用LM124構成兩級跟隨器，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，比較器輸出端應接一電容到地，保證參考電位優先于輸入建立。
?LM139構成的上行比較器的外圍電路設計及其輸入輸出電壓關系曲線如圖6所示。
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??? 各參數可通過下列公式進行確定：
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2.3 防止誤動作保護電路設計
??? 防止誤動作保護電路串聯在飛機電源系統的并聯均衡電路中。當該電路的輸入電流自上而下流動時（發電機的輸出電壓高于其他兩臺發電機的輸出電壓），此時該電路的輸出為低電位，末級控制繼電器不工作，觸點保持在接通位置，發電機的輸出電壓能夠加在探測及延時電路的輸入端。當該電路的輸入電流自下而上流動(發電機的輸出電壓低于其他兩臺發電機的輸出電壓)，并且達到0.3A～0.35A時，末級控制繼電器線圈通電工作，觸點位置轉換，發電機的輸出電壓不能加在探測及延時電路模塊的輸入端，從而避免了因某臺發電機過電壓而引起正常發電機探測電路工作而使其退出電網，實現了對過電壓故障電機的鑒別。
????根據該電路所要完成的功能和技術戰術要求，利用抗高共模差動儀表放大器和LM124作為核心器件進行該電路的設計。其檢測比較原理電路如圖7所示。
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????值得指出的是，由于該電路探測的是電流信號，因此探測電路部分可以采用極化繼電器、霍爾元件和探測電阻設計。考慮到控制邏輯的復雜性和空間結構的限制，采用了如圖7所示的探測電阻進行設計，將電流信號轉變成電壓信號。利用抗高共模差動儀表放大器對此小信號放大處理，其輸出信號作為下一級比較電路的輸入信號，通過理論計算，確定比較電路的基準電壓（通過電源模塊提供的+15V電源進行分壓獲得），這樣防止誤動作保護電路不僅能夠測量出流過均衡電路電流的大小和方向、實現故障電機的鑒別功能，且保證了三發并聯供電的電壓調節及均衡功能的正常運行。通過改變基準電壓值的大小，可以補償測量電路由于漂移所引起的動作誤差。為保持原有均衡電路參數不發生改變，必須對原電路電阻進行精確測量，確定其阻值。
??? 為了實現電壓限定器電壓探測及延時電路通、斷的控制，其執行電路采用電磁繼電器加以實現，原理電路如圖8所示。
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??? 測量比較電路的輸出信號作為控制電路的輸入信號。當某發均衡電路的電流自上而下流動時，儀表放大器測得的電壓為負值，其輸出電壓小于比較器的基準電壓，比較器的輸出電壓為低電位，三極管3DK4C處于截止狀態，控制繼電器不工作，電壓探測電路處于接通狀態；當某發均衡電路的電流自下而上流動時，儀表放大器測得的電壓為正值，且當電流值達到0.3A～0.35A時，其輸出電壓大于比較器的基準電壓，比較器的輸出電壓為高電位（電源電壓），功率管處于導通狀態，控制繼電器工作，切斷電壓限定器的過電壓探測電路，避免了其他電機由于過電壓故障而使正常電機退出電網，實現對正常發電機的保護，提高了保護器對故障電機的鑒別能力。圖8中，穩壓二極管的作用是為了防止三極管由于流過的電流過大而被擊穿。繼電器線圈并聯的二極管起到續流作用，防止繼電器在斷開的過程中由于產生過大的感應電勢而將三極管擊穿。
??? 新研制的電壓限定器采用集成控制電路設計，大大簡化了結構，提高了設備性能；利用抗高共模差放技術保證了調壓、均衡與發電機并網的正確運行；為了利用發電機的動態電壓保證控制電路供電的穩定可靠，采用延遲正反饋技術，消除了誤動作。經過近兩年的飛行，證明國產化產品功能齊全，各項性能指標滿足設計要求，同國外同類設備相比，其性能優越，具有顯著的經濟效益和軍事意義。
??? 隨著大規模集成電路的發展，飛機的控制保護裝備將向智能化和一體化方向發展。
參考文獻
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