一种机载欠速保护电路的设计

摘  要：根据谐振电路的工作原理提出了一种航空交流发电机欠速保护器的设计方案。设计了欠速敏感电路、延时电路和故障信号逻辑处理电路，同时与某型飞机交流发电机进行了联机调试，证实了该设计方案正确可行。
    关键词：谐振电路；欠速保护；电路设计

1引言
    恒速恒频交流电源由于具有适用范围广、配电及用电设备重量轻、发电机的单、并联运行容易以及电气性能好、供电质量高等优点，而在现代飞机上得到广泛的应用。航空发电机一般由飞机发动机驱动，但直接传动飞机交流发电机得不到恒频的交流电。因此，在飞机发动机和发电机之间应加装恒速传动装置以解决这一矛盾。但是，当传动装置发生故障时，发电机就可能出现超速和欠速现象，即出现超频或欠频故障。频率的故障除影响自动控制设备的正常工作外，还会影响其它电磁设备的正常工作。如过频故障将引起旋转用电器的过速，长时间的过速会造成机械损伤；而欠频故障则将引起电磁器件的磁负荷增大以致于使它们过载甚至过热烧毁。因此，在发生过频或欠频故障时，必须采用保护装置将发电机从电网上切除。在带有恒速传动装置的系统中，由于超速故障在恒速传动装置中有保护
措施，它可使恒速传动装置在超速时自动脱扣而停止转动，因此发电机只需对欠频进行保护。
2总体设计方案
    在设计时，可按以下几步来进行：
　　（1）利用谐振电路的工作原理来设计低频敏感电路。
　　（2）为了防止发电机在正常运行的过渡过程中保护装置产生误动作，在保护装置动作前必须有一定的延时，因此必须设置延时电路，以使保护装置在电源频率低于360Hz时能具有一定的延时；而在电源频率低于320Hz时，几乎不需经过延时（很短的延时）动作。
　　（3）频率故障一般都是由于传动装置的故障引起的，故在发生频率故障时，只需断开发电机接触器GC，而激磁控制继电器GCR不应动作，以保证在故障排除后，发电机能及时进入电网。
　　该保护器的总体设计方案原理图如图1所示。

3硬件电路设计
    笔者设计的欠频保护电路如图2所示。它由低频敏感电路、延时电路（包括反延时和固定延时电路）以及“或”门逻辑电路组成。  
3．1频率敏感电路
　　该电路由电感和电容串联的电压谐振回路构成。电感L1和电容C1串联回路的谐振频率为360Hz，而电感L1和L2与电容C1串联回路的谐振频率为320Hz，分别低于对应频率的发电机转速。  
3．2反延时电路
　　由于电源频率低于320Hz时要求保护器立即动作，所以该延时电路采用反延时特性进行设计，如图2中的反延时电路。其中的运算放大器YF接成差动输入，频率敏感电路A点的输出电压经整流、滤波、分压后，送到运算放大器的同相端，其反相端由稳压管DZ₁提供发电机频率为320Hz所对应的基准电压。当发电机转速正常时，同相端的输入电压低于基准电压U_DZ1，运算放大器处于反向输入状态，其输出端电压为低电平。当发电机发生低频故障时，运算放大器同相端的输入电压将大于反相端，放大器翻转，其输出端电压为高电平。运算放大器不仅对
输入信号起放大作用，同时还起到反延时作用。频率越低，A点的输出电压越高，延时时间越短。
  　　在发电机出现一连串瞬时频率低于320Hz时，电容器C6上将积累一定电荷，如不及时释放，当达到一定值后将会使后级电路产生误操作。  
　　该电路可通过改变R19来调节运算放大器的工作点电压。其延时时间由下式决定：
     t＝R₂₁C₆［（U_A／U_DZ1）－（R₂₁＋R₂₂）／R₂₁］
　　根据上式，当U_DZ1较小时，R₂₁C₆对t的影响较大，故要改变t可主要调节R₂₁和C₆的值；当U_DZ1较大时，R₂₂／R₂₁对t的影响较大，故可通过调节R₂₂和R₂₁的比值来改变延时时间。  
3．3固定延时电路
　　为了防止保护电路的拒动作和误动作，在电源频率低于360Hz时，电路将在一定的延时时间后才动作，所以该电路采用固定延时特性进行设计，如图2所示。它由开关放大器（晶体管BG₁、BG₂组成的施密特电路）和单结晶体管BG₃构成的触发电路组成。正常时的状态是BG₁截止，BG₂饱和导通，并将电容器上的电位钳位于一定值。由于C4充电回路的时间常数较大，故延时较长。延时时间可以通过改变电阻R14来调节。该延时时间由下式决定：  
    t＝R_WC₄ln［E／（E－U_P3）］
　　式中，R_W为电阻R₁₂、R₁₃、R₁₄串联的电阻值。  
3．4逻辑判断电路
　　该电路采用LM14001“或”门集成电路进行设计，如图2中的右上部分。两延时电路的输出信号经“或”逻辑处理后，其输出可作为后级控制电路可控硅的驱动信号。两个通道中只要有一路信号为高电位输出，就能触发发电机接触器GC控制电路中的可控硅导通；而断开发电机接触器GC，可使故障电机退出电网。
3．5稳压电源电路
　　由于采用集成芯片进行电路的设计，而机上电源不能满足集成芯片的工作要求。为了给集成电路提供高品质的电源，选用SW7815集成稳压器将机上28V直流电变换为15V，以便为集成芯片提供工作电压。其原理电路如图3所示。  

　　因稳压器远离电源滤波器，因此可利用电容Ci来改善纹波特性并抑制续波，电容C₀的主要作用是改善负载的瞬态响应，一般输出端不接大的电解电容。输入和输出端的二极管D₂可防止由于输入端短路而引起电路损坏。因为稳压器属于功率耗散较大的集成器件，因此在安装时，可用导热硅脂安装在散热片上。
4系统调试
    该欠频保护器设计完成后，笔者针对某型飞机航空交流发电机进行了联机调试，运行结果表明，该设计功能完备，长时间工作稳定可靠，能够达到欠频保护的要求。共敏感电路谐振工作点频率在360±5Hz和320±5Hz范围内。具体工作过程如下：
　　当电源电压的频率f正常（即高于360Hz／s）时，L₁C₁电路呈感性，则U_L1＞U_C1。从敏感电路可以看到，U_L1和U_C1分别经二极管D₂、D₃半波整流后，B点的电位将低于D点的电位，也就是B点相对于地是负电位，因此B点没有信号输出。A点的电位比B点更低，所以A点也没有信号输出。“或”门电路的两个通道均无高电位信号输入，其输出不能触发可控硅而使GC断开。敏感电路中C2、C3为滤波电容器。
　　当电源电压的频率等于360Hz时，L₁C₁电路呈纯阻性，则U_L1＝U_C1，所以经半波整流后，B点电位等于地电位，此时L₁L₂C₁电路呈感性，所以A点仍为负电位，故欠频保护电路仍然不动作。
　　当电源电压的频率低于360Hz而高于320Hz（即320Hz＜f＜360Hz）时，L₁C₁电路呈容性，则U_C1＞U_L1，但L₁L₂C₁电路仍呈感性，即U_C1＜U_L1＋U_L2，所以经半波整流后，B点的电位将高于D点的电位，使B点相对于地成为正电位，此时在B点有信号输出，A点的电位仍低于D点的电位，没有信号输出。
　　当B点的正电位经电阻R5、二极管D₄加到施密特触发器的晶体管BG₁的基极上时，触发器电路翻转成另一个稳定状态，BG₁导通、BG₂截止，从而解除了对C₄的钳位。电源电压E经电阻R₁₂、R₁₃、R₁₄对C₄充电，当C₄上的电压U_C4上升到大于单晶体管BG₃ 的峰值电压U_P3时，BG₃导通而输出脉冲信号，该脉冲信号经“或”门电路触发下一级的可控硅导通，从而将发电机接触器GC断开。
　　二极管D₅的作用是加速C₄的放电。在电源电压的频率出现瞬时欠频时，在电容器C₄上将积存电荷，如不及时释放，保护装置容易产生误动作。在频率正常时，由于D₅短接R₁₃和R₁₄，C₄可通过D₅、BG₂及R₉加速释放所积存的电荷。
　　当电源电压的频率等于320Hz时，L₁L₂ C₁电路呈纯阻性，则U_C1＝U_L1＋U_L2。此时A点电位等于地电位，B点电位仍是正电位，保护电路工作情况与上述过程一样。若电源频率继续下降而低于320Hz时，L

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