某型機起動發(fā)電機勵磁功能研究及故障分析

關(guān)思洋

（哈爾濱哈飛航空工業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

調(diào)節(jié)勵磁電流是發(fā)電機控制器（GCU）實現(xiàn)控制起動發(fā)電機起動、發(fā)電及各種保護功能的重要方式[1]。發(fā)電機控制器與飛機起動發(fā)電機配套運行，它使飛機上起動發(fā)電機調(diào)節(jié)點電壓在全機設(shè)備工作負(fù)載及發(fā)動機轉(zhuǎn)速不斷變化的情況下保持穩(wěn)定的數(shù)值，它是通過改變以一定頻率工作在開關(guān)狀態(tài)下的功率管的導(dǎo)通比來調(diào)節(jié)勵磁電流，而達到電壓恒定的目的，通過調(diào)節(jié)勵磁電流使電樞電流在轉(zhuǎn)速上升保持恒定，結(jié)合探測發(fā)電機端電壓，形成閉環(huán)反饋，還能實現(xiàn)發(fā)動機起動[2]，控制起動階段的起動階段力矩，以便順利起動。發(fā)電機控制器還需要使磁場保持一個極限電流，防止起動發(fā)電機過速。在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速情況下提供可靠的轉(zhuǎn)動力矩。起動發(fā)電機發(fā)電運行階段，在不同條件下，發(fā)電機控制器調(diào)節(jié)勵磁電流工作循環(huán)以提供一個穩(wěn)定的調(diào)壓點電壓，該電流可通過連接勵磁感應(yīng)線圈的續(xù)流二極管使其平滑，通常最大勵磁電流為12 A。某型機起動發(fā)電機在發(fā)動機起動階段和起動完成后發(fā)電階段采用兩種不同形式的勵磁方式，在發(fā)動機起動階段采用復(fù)激方式，以并激繞組為主，以串激繞組為輔。工作與發(fā)電階段時狀態(tài)為并激，此時串激繞組開路。在某些特殊規(guī)定的條件下，工作于起動狀態(tài)時才能接成串激，并激繞組開路。

1 勵磁功能研究

1.1 發(fā)動機起動控制

飛機起動按鈕通過發(fā)電機控制器起動控制輸出點觸發(fā)起動順序，發(fā)電機控制器是控制起動發(fā)電機的重要部件，控制器控制電路中的勵磁繼電器晶體管及濾波器等元器件裝配在發(fā)電機控制器殼體上，依靠自然對流即可散熱，無安裝要求。發(fā)電機控制器通常由3 個印刷電路板組成，分別具有電壓調(diào)節(jié)、均衡器、電流限制功能、磁場弱化電流功能、主接觸器及起動接觸器控制功能和控制盒自身的保護電路。發(fā)電機控制器提供起動信號，以自動復(fù)位發(fā)電機控制器內(nèi)部勵磁繼電器[3]，抑制饋線短路保護功能并通過串激繞組控制弱化磁場。起動電流敏感信號由發(fā)電機控制器接收，經(jīng)電阻及運放比較器組成的控制電路進行比較，之后經(jīng)三極管放大后送至場效應(yīng)管柵極以進行勵磁調(diào)節(jié)。當(dāng)起動電流轉(zhuǎn)速上升反向電勢升高而需要下降時，調(diào)小勵磁，使反向電勢不隨轉(zhuǎn)速升高而增大，從而保持起動電流恒定，以順利實現(xiàn)起動功能。

磁場弱化功能用于改善發(fā)動機起動階段的起動性能，通過串激繞組弱化定子磁場維持起動階段的起動力矩，發(fā)電機控制器通過探測發(fā)電機上與力矩相關(guān)的電樞電流，通過電流比較器的動作控制磁場，達到磁場弱化的目的以維持最先的電樞電流，并且可以在更高的起動轉(zhuǎn)速下維持扭矩以完成起動，起動發(fā)電機繞組原理圖如圖1 所示。

圖1 起動發(fā)電機繞組原理圖

1.2 發(fā)電機發(fā)電運行控制

起動發(fā)電機發(fā)電階段由發(fā)電機控制器提供勵磁控制，通過電壓敏感電路、基準(zhǔn)電路、比較電路、控制電路和功率電路進行調(diào)壓，敏感電路是由一系列電阻組成的分壓電路和濾波電容組成，采集起動發(fā)電機電壓由電位器中間的抽頭取出敏感電壓加到運算放大器，使起動發(fā)電機電壓可在一定范圍之內(nèi)變化。基準(zhǔn)電路經(jīng)穩(wěn)壓管和穩(wěn)壓電源組成，具有很高的精度和穩(wěn)定性。比較電路是由運算放大電路組成，它隨時對兩個輸入端的電壓進行比較。控制電路和功率電路使剩磁電壓產(chǎn)生一個基極電流，通過復(fù)合功率管產(chǎn)生一個較小的勵磁電流，使發(fā)電機電壓升高，此電壓又使勵磁電流增大，如此循環(huán)，起動發(fā)電機電壓很快建立。

起動發(fā)電機電壓通過機上引線引向發(fā)電機控制器，經(jīng)濾波和開關(guān)調(diào)制后，通過磁閉鎖繼電器常閉觸點和控制信號調(diào)節(jié)磁場電壓。在不同條件下，發(fā)電機控制器調(diào)節(jié)勵磁電流工作循環(huán)以提供一個穩(wěn)定的調(diào)壓點電壓，通過連接至勵磁感應(yīng)線圈的續(xù)流二極管使其它平滑。功率管處于開關(guān)工作狀態(tài)，當(dāng)電壓低于要求值時就加上磁場電壓，當(dāng)達到或高于要求的電壓值時，則切斷磁場電壓。

功率管控制電路隨時從引線引入的發(fā)電機的被調(diào)節(jié)電壓和參考電壓值進行比較，按其電壓差，調(diào)節(jié)功率管的導(dǎo)通時間，以便起動發(fā)電機電壓和參考電壓壓差保持在最小值。發(fā)電機控制器通過調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁控制勵磁磁場對系統(tǒng)進行過電壓、反極性、反向過壓等功能保護，還對并聯(lián)工作的兩臺起動發(fā)電機的負(fù)載進行檢測和調(diào)節(jié)，使兩臺起動發(fā)電機負(fù)載差值保持在較小的范圍內(nèi)，通過自檢電路，能通過控制起動發(fā)電機的勵磁通斷實現(xiàn)系統(tǒng)過壓跳閘，還能實現(xiàn)反極性保護、遠(yuǎn)距跳閘功能和抑制無線電干擾及起動控制調(diào)節(jié)功能。

1.2.1 電流限制

發(fā)電機控制器電流限制電路探測發(fā)電機的電壓，通過控制勵磁電流來控制發(fā)電機發(fā)電電流，防止起動發(fā)電機出現(xiàn)過流故障[4]，過流故障易引起發(fā)電機過熱而損壞起動發(fā)電機，當(dāng)測量點對地電壓高于設(shè)定的電壓值時，將啟動電流限制功能，控制勵磁電流，使起動發(fā)電機降低電流輸出。

1.2.2 過壓及欠壓保護

過壓保護功能的目的是當(dāng)起動發(fā)電機過電壓，切斷勵磁使起動發(fā)電機失去勵磁并通過反流保護功能使起動發(fā)電機主接觸器斷開達到與機上電網(wǎng)隔離目的，以免起動發(fā)電機和電網(wǎng)遭到高壓損壞。發(fā)電機控制器具有電壓瞬態(tài)極限反延時過壓探測線路，通過控制一個雙穩(wěn)態(tài)勵磁繼電器，控制起動發(fā)電機主接觸器斷開，雙穩(wěn)態(tài)繼電器由兩個線圈控制：一個用于跳閘，一個用于復(fù)位過壓保護提供反循環(huán)功能，當(dāng)復(fù)位信號施加到發(fā)電機控制器，且系統(tǒng)此時未出現(xiàn)故障，可對跳閘的勵磁繼電器遠(yuǎn)程復(fù)位并恢復(fù)起動發(fā)電機正常工作。對于并聯(lián)運行系統(tǒng)一個通道出現(xiàn)相同的故障時，提供過壓保護及不均衡的電流分配，不可通過均衡電路補償，對于此故障構(gòu)型調(diào)壓器探測均衡匯流條上的電流并調(diào)整過壓保護的運行等級以僅在起動發(fā)電機向負(fù)載提供更大電流時使勵磁繼電器跳閘并使主接觸器斷開。

起動發(fā)電機在正常轉(zhuǎn)速下運行時，若電壓降至門限值時，在規(guī)定的延時時間后，發(fā)電機控制器提供欠壓保護，該保護使起動發(fā)電機主接觸器斷開并使起動發(fā)電機失去勵磁[5]。

1.2.3 發(fā)電狀態(tài)饋線短路保護

發(fā)電機控制器與兩個電流互感器共同提供起動發(fā)電機繞組至主接觸器區(qū)域?qū)Ь€的短路保護，兩個電流互感器正端耦合通過發(fā)電機控制器相連，若起動發(fā)電機繞組至主接觸器區(qū)域出現(xiàn)瞬時電流變化將形成故障脈沖信號并被發(fā)電機控制器探測到。饋線短路保護功能被瞬時故障電流激活并自動使起動發(fā)電機去勵磁同時斷開起動發(fā)電機主接觸器。在起動發(fā)電機的啟動階段由于起動電流較大，饋線短路保護功能被抑制。

1.2.4 過流保護

當(dāng)主接觸器斷開且起動發(fā)電機饋線故障時，發(fā)電機控制器通過起動發(fā)電機探測點探測發(fā)電電流。若出現(xiàn)起動發(fā)電機過流故障，在一定時間延時以后，發(fā)電機控制器抑制主接觸器接通并使起動發(fā)電機去勵磁[6]。

過流保護門限值可由內(nèi)部調(diào)節(jié)。

當(dāng)主接觸器接通時，發(fā)電機控制器檢查為起動發(fā)電機負(fù)載提供的電流。當(dāng)發(fā)電機過載時將提供保護切斷勵磁和主接觸器[6]。

1.2.5 過勵磁保護

過勵磁保護功能是當(dāng)發(fā)電機控制器或并勵電源控制電路故障時的保護功能，發(fā)電機控制器具有并勵磁場的電壓檢測功能，檢測電壓震蕩及換向模式是否正常，若檢測電路探測到并勵線圈過壓未換向，根據(jù)并勵磁場電路控制故障，將直接斷開并勵磁場繼電器，使起動發(fā)電機去勵磁并斷開主接觸器，當(dāng)勵磁電壓達到規(guī)定電壓值時，經(jīng)過短暫延時，過勵磁保護功能將被激活。

1.2.6 反極性保護

當(dāng)起動發(fā)電機提供反向剩磁電壓時，并勵磁場電源線路避免起動發(fā)電機建立反向電壓，此時需要使用起動發(fā)電機復(fù)位功能，在復(fù)位或應(yīng)急復(fù)位過程中給并勵磁場線圈一個瞬時正電流，使反極性變成正極性。

1.2.7 并聯(lián)運行的負(fù)載均衡

當(dāng)兩臺起動發(fā)電機并聯(lián)運行時，機上負(fù)載通常平均分配給每臺起動發(fā)電機，均衡電路維持每臺起動發(fā)電機上的負(fù)載均衡，發(fā)電機控制器通過與起動發(fā)電機均衡控制點相連的控制點和與均衡匯流條相連的控制點的一個均衡控制器提供均衡探測。比較與負(fù)載電流成比例的起動發(fā)電機均衡探測點的電壓，這些點上的任何電壓差可通過均衡匯流條提供電流從而通過均衡探電阻使每個發(fā)電機控制器共同協(xié)作，控制起動發(fā)電機勵磁功能。該差值反向更改設(shè)定電壓值，以使每臺起動發(fā)電機均勻分擔(dān)負(fù)載，兩臺起動發(fā)電機并聯(lián)運行狀態(tài)下，負(fù)載差值在一臺起動發(fā)電機額定值的10%以內(nèi)。當(dāng)發(fā)電機控制器內(nèi)均衡繼電器達到額定工作電壓時開始工作，并聯(lián)運行功能及負(fù)載均衡功能被激活。

由于飛機具有差壓反流保護功能，當(dāng)一臺起動發(fā)電機發(fā)電并投入機上電網(wǎng)后，另一臺起動發(fā)電機要投入電網(wǎng)，必須使其電壓高于電網(wǎng)電壓，才有可能。由于兩臺起動發(fā)電機初始設(shè)置的發(fā)電電壓數(shù)值一致，故需均衡電路均衡功能使第一臺起動發(fā)電機降壓，第二臺起動發(fā)電機升壓，從而達到自動并網(wǎng)的目的。

1.2.8 主功能回路供電模式

為了獲取一個可在發(fā)電或配電任何位置出現(xiàn)故障后可自動選擇的保護，每個發(fā)電機控制器不同的功能從共用的來源通過插座中共用的點提供。起動控制電路由各用匯流條通過發(fā)電機控制器電源點提供。

正常條件下，發(fā)電機控制器及并勵磁場電源控制電路由發(fā)電機輸出端提供。欠壓條件下，當(dāng)調(diào)壓點電壓低于應(yīng)急匯流條電壓，僅為了主接觸器接通當(dāng)發(fā)電機控制器繼電器接通時，發(fā)電機控制器及并勵磁場電源控制電路自動由應(yīng)急匯流條供電。

保護電路即可由起動發(fā)電機輸出端供電，也可在調(diào)壓器繼電器接通時由應(yīng)急匯流條供電。用共用的來源，調(diào)壓器確保電氣系統(tǒng)的任何單點故障的影響不會影響一個以上的電源喪失。

2 故障分析

2.1 反極性故障概述

根據(jù)用戶反饋，某型機在使用過程中出現(xiàn)起動發(fā)電機無法并網(wǎng)故障。按照起動程序，起動發(fā)電機完成起動功能后，由發(fā)動機帶動起動發(fā)電機繼續(xù)運轉(zhuǎn)，起動發(fā)電機轉(zhuǎn)速會隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的上升而升高，當(dāng)達到起動發(fā)電機可建壓的轉(zhuǎn)速后，起動發(fā)電機將自動建立電壓[7]。當(dāng)外部電源斷開后，若起動發(fā)電機開關(guān)位于“接通”位置，飛機電網(wǎng)將自動由外部電源供電轉(zhuǎn)為起動發(fā)電機供電。而該飛機在起動后，起動發(fā)電機多次出現(xiàn)無法建立電壓的情況，并且無法通過將起動發(fā)電機開關(guān)置于“復(fù)位”位置使其建立電壓。斷開蓄電池，再重新接通，仍無法建立電壓，測量左起動發(fā)電機控制器調(diào)壓測量點，發(fā)現(xiàn)左起動發(fā)電機剩磁電壓約為-1 V，且起動發(fā)電機剩磁電壓值隨起動發(fā)電機復(fù)位操作次數(shù)增加而負(fù)增長，根據(jù)發(fā)電機控制器調(diào)節(jié)電路保護功能分析，該故障是由于剩磁電壓觸發(fā)了發(fā)電系統(tǒng)的反極性保護功能而引起。

2.2 反極性故障原因分析

當(dāng)起動發(fā)電機出現(xiàn)反向剩磁時，可通過G 復(fù)位或V 應(yīng)急復(fù)位功能進行糾正，在復(fù)位或應(yīng)急復(fù)位過程中，給并激磁場線圈一個瞬時的正電流，此電流由發(fā)電機控制器復(fù)位信號輸出端給出，經(jīng)由二極管、三極管和電阻組成的控制電路經(jīng)KL 進入并激磁場線圈，使起動發(fā)電機剩磁極性變?yōu)檎龢O性，發(fā)電機控制器反極性保護控制電路如圖2 所示。

圖2 反極性保護控制電路

當(dāng)出現(xiàn)故障后，用戶多次嘗試使用復(fù)位功能，故障仍未消失，復(fù)位功能未能糾正發(fā)電機剩磁為負(fù)值問題，說明此時反極性剩磁較大，當(dāng)反極性剩磁較大時，發(fā)電機控制器內(nèi)5.6 V 功率穩(wěn)壓管對控制電路進行保護，因為較高的反極性電壓也比5.6 V 要小的多，所以穩(wěn)壓管不擊穿，磁場電路無法接通，沒有反向激磁電流，也就不能建立反向電壓，從而引起反極性保護功能。

要想解決反極性保護問題必須分析出現(xiàn)起動發(fā)電機剩磁電壓出現(xiàn)較大負(fù)值原因。左發(fā)動機起動時，地面電源提供起動電流[8]，經(jīng)外電源接觸器、蓄電池匯流條、保險絲、發(fā)電機匯流條、主接觸器和起動發(fā)電轉(zhuǎn)換接觸器至起動發(fā)電機起動點，為起動發(fā)電機提供串激電流[9]。導(dǎo)致起動發(fā)電機剩磁降低主要有4 種原因。

（1）起動發(fā)電機的勵磁輸入A 點與均衡探測功能D 點錯接，導(dǎo)致勵磁線圈產(chǎn)生反向電流使磁極反向充磁，導(dǎo)致起動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時剩磁電壓異常減少或剩磁電壓為負(fù)值，電路接線圖如圖3 所示。

圖3 發(fā)電機電路接線圖

（2）由于起動發(fā)電機磁極鐵芯質(zhì)量問題引起保磁能力較差，起動發(fā)電機存放時間過長或飛機長時間停放，會導(dǎo)致起動發(fā)電機剩磁消失。

（3）起動繼電器或點火開關(guān)偶發(fā)故障，導(dǎo)致勵磁線路無法正常提供勵磁電流。

（4）起動發(fā)電轉(zhuǎn)換接觸器偶發(fā)性粘連，由起動階段轉(zhuǎn)換至發(fā)電階段后，起動發(fā)電轉(zhuǎn)換接觸器未及時切換，導(dǎo)致串激線圈產(chǎn)生反向電流。

排故工作首先檢查與饋線短路保護功能相關(guān)線路，逐段導(dǎo)通和排查。機上線路可能存在接錯、虛焊以及接觸點送不到位等問題，這也是電氣系統(tǒng)最常見的故障原因[10]。根據(jù)現(xiàn)場檢查結(jié)果，機上線路符合原機狀態(tài)未發(fā)現(xiàn)異常。將飛機上左、右發(fā)電機對調(diào)安裝后故障消失，可排除起動發(fā)電機自身存在無法保磁的故障。檢查點火開關(guān)及起動控制繼電器的外觀及并對其進行通電和功能校驗，接通、斷開功能均正常且元器件無積碳或燒蝕等問題。拆下機上起動發(fā)電轉(zhuǎn)換接觸器，對起動發(fā)電轉(zhuǎn)換接觸器進行通電檢查，功能雖正常，但經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)內(nèi)部積碳較嚴(yán)重，會產(chǎn)生偶發(fā)性粘連問題，最終將故障原因鎖定為起動發(fā)電轉(zhuǎn)換接觸器故障，故對其進行更換。更換后故障消失，且未再出現(xiàn)。根據(jù)檢查結(jié)果，分析故障原因為起動發(fā)電轉(zhuǎn)換接觸器偶發(fā)性粘連，導(dǎo)致起動階段轉(zhuǎn)換到發(fā)電階段后，起動發(fā)電機起動發(fā)電線路未能從起動端C 點轉(zhuǎn)換至發(fā)電端B 點，串聯(lián)繞組產(chǎn)生反向電流，導(dǎo)致起動發(fā)電機磁極剩磁減少或磁性翻轉(zhuǎn)，最終產(chǎn)生剩磁電壓為負(fù)值故障。

3 結(jié)束語

勵磁功能為起動發(fā)電機工作及控制的核心功能，研究分析勵磁功能對起動發(fā)電機產(chǎn)生的影響有助于加強對起動發(fā)電機工作過程的了解，可以幫助解決相關(guān)故障，該型機已交付用戶多年，本文中出現(xiàn)的故障僅在一架機左側(cè)發(fā)動機起動后偶發(fā)性出現(xiàn)，通過分析故障特征及功能原理，可為其他類似故障提供排故思路，為相關(guān)人員提供幫助。

由于起動發(fā)電機定子磁極老化保磁能力低或其他問題引起偶發(fā)的剩磁電壓降低或剩磁電壓為負(fù)值故障也不可避免，根據(jù)發(fā)電機維護手冊，用戶可以使用5 號蓄電池自行對起動發(fā)電機磁極線圈供電進行補磁操作，以提高飛機出勤率，減少故障出現(xiàn)后飛機停飛問題。