0引言

直升機上的起發(fā)電系統(tǒng)既能滿足起動發(fā)動機的功能,又能滿足直升機在各種工作狀態(tài)下的用電功率需求,但是在起動轉(zhuǎn)發(fā)電的動態(tài)過程中,極易產(chǎn)生各種斷電故障,對此過程中的故障進行排查與機理分析,能為設(shè)計直流電源系統(tǒng)提供思路與參考依據(jù)。

文獻[1]對直升機直流電源轉(zhuǎn)電時間及基本理論進行了研究,提出了幾種縮短轉(zhuǎn)電時間的方法,為直升機電源系統(tǒng)設(shè)計提供了合理方法。文獻[2]闡述 了一種基于固態(tài)變壓器的發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng),減少了并網(wǎng)過程中的電流沖擊。由此可見,發(fā)電機并網(wǎng)是電源系統(tǒng)設(shè)計的一個難點與著重考慮的點,同時在直升機上也存在發(fā)電機不能正常并網(wǎng)的故障。對發(fā)電機并網(wǎng)的故障原因進行分析排查,探索直流電源系統(tǒng)并網(wǎng)失敗故障機理,能為直升機電源系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒和參考。

小型直升機上發(fā)動機一般采用直流電起動,起動時,由地面電源或蓄電池供電,起動發(fā)電機電動運行,將發(fā)動機起動到一定轉(zhuǎn)速后,起動發(fā)電機與發(fā)動機脫開,轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài);當起動發(fā)電機穩(wěn)定運行時,接通直流發(fā)電機開關(guān),發(fā)電機不能自動并網(wǎng),需要進行復位操作,才能正常發(fā)電并網(wǎng)。此問題是在直升機上反復出現(xiàn)的問題,要弄清楚問題原因,需從直流電源系統(tǒng)工作原理開始分析。

1 直流電源系統(tǒng)工作原理

該直升機直流電源系統(tǒng)由起動發(fā)電機與調(diào)節(jié)控制保護器、反流保護器、發(fā)電機開關(guān)、濾波器、起動—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器等部件組成,其原理框圖如圖1所示。

直升機上的發(fā)動機由靜止狀態(tài)到正常工作狀態(tài)的過程中,由起動發(fā)電機帶動發(fā)動機運轉(zhuǎn),當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到一定值時,起動完成自動轉(zhuǎn)為發(fā)電機工作狀態(tài),向機上電網(wǎng)供電。調(diào)節(jié)控制保護器與起動發(fā)電機相互配合,并隨其工作在起動狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)。當起動發(fā)電機處于起動狀態(tài)時,它調(diào)節(jié)激磁電流使電樞電流在轉(zhuǎn)速上升時保持恒定,以便順利起動。當發(fā)電機處于發(fā)電狀態(tài)時,它使機上調(diào)節(jié)點電壓在負載、轉(zhuǎn)速變化下保持恒定值。反流保護器連接于發(fā)電機與電網(wǎng)之間,當發(fā)電機電壓高于機上主匯流條電壓0.6~0.9 V時,接通發(fā)電機輸出電路;當發(fā)電機電壓低于機上主匯流條電壓,且反流值達9~28 A時,斷開發(fā)電機輸出電路。

起動時,DEM端提供正電,分兩路,一路向起動—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器線圈供電,起動—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點轉(zhuǎn)換,起動發(fā)電機呈復激狀態(tài)被接入電網(wǎng);另一路通過起動—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點向反流保護器GMG供電,反流保護器主接觸器線圈被激勵,主觸點接通,匯流條上的電源通過反流保護器主觸點向起動發(fā)電機供電,進行機上發(fā)動機起動,調(diào)節(jié)控制保護器與發(fā)電機調(diào)節(jié)激磁電流使電樞電流在轉(zhuǎn)速上升時保持恒定,以便順利起動。

起動結(jié)束后,DEM端正電撤銷,反流保護器GMG 供電消失,反流保護器主觸點斷開,發(fā)電機與匯流條連接斷開,同時發(fā)電機線路通過起動—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點由復激狀態(tài)轉(zhuǎn)換為并激狀態(tài),此時發(fā)電機達到一定的轉(zhuǎn)速,依靠剩磁進行建壓,并與調(diào)節(jié)控制保護器配套工作,使發(fā)電機電壓保持在規(guī)定值。當發(fā)電機電壓逐漸升高,升至端電壓超過蓄電池電壓時,反流保護器的觸點對線路接觸器線圈通電,線路接觸器接通,將起動發(fā)電機的主饋線與直升機電源系統(tǒng)連接到一起,實現(xiàn)起動發(fā)電機自動并網(wǎng)。

2機理分析

通過對直流電源系統(tǒng)工作原理進行分析,可以得出當發(fā)動機起動到一定轉(zhuǎn)速后,接通直流發(fā)電機開關(guān),發(fā)電機不能自動投網(wǎng),需要對調(diào)節(jié)控制保護器進行復位操作才能正常投網(wǎng),同時測量調(diào)節(jié)控制保護器的A和MN針腳均不導通,說明起動發(fā)電機在起動完成轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)后,調(diào)節(jié)控制保護器已經(jīng)發(fā)生保護。以調(diào)節(jié)控制保護器保護為頂事件建立故障樹,如圖2所示。

調(diào)節(jié)控制保護器的工作原理如圖3所示,圖中 RD301為一保險絲。當起動發(fā)電機處于正常發(fā)電狀態(tài)時,發(fā)電機端電壓通過調(diào)節(jié)控制保護器插座MN端饋入調(diào)節(jié)控制保護器,再通過J301磁保持繼電器觸點4、觸點3,LB301濾波器,BG302末級功率三極管 CE結(jié),J301磁保持繼電器觸點10、觸點9,調(diào)節(jié)控制保護器插座KL端到發(fā)電機磁場線圈,形成發(fā)電機磁場調(diào)節(jié)控制回路,該狀態(tài)下測量調(diào)節(jié)控制保護器插座A端和MN端應為導通狀態(tài)。調(diào)節(jié)控制保護器保護后,J301磁保持繼電器觸點4和觸點3、觸點10和觸點9之間連接就會斷開,則調(diào)節(jié)控制保護器插座A端和MN 端之間就會呈現(xiàn)開路狀態(tài)。

調(diào)節(jié)控制保護器插座A端和MN端檢測呈現(xiàn)開路狀態(tài)的結(jié)果,說明調(diào)節(jié)控制保護器已經(jīng)發(fā)生保護。調(diào)節(jié)控制保護器具有過壓保護、遠距跳閘保護及過激磁保護功能,其保護電路原理框圖如圖4所示。

遠距跳閘保護:在系統(tǒng)出現(xiàn)匯流條短路或發(fā)電機饋線短路的情況下,系統(tǒng)中DB—1短路保護插件中的控制線路就會向調(diào)節(jié)控制保護器提供遠距跳閘信號,即向調(diào)節(jié)控制保護器J端發(fā)出遠距跳閘信號,同時斷開H端與地的連接,從而使得BG201三極管導通,調(diào)節(jié)控制保護器磁保持繼電器保護跳閘線圈動作,切斷發(fā)電機磁場回路,起動發(fā)電機停止發(fā)電。該故障發(fā)生在起動時,經(jīng)復位操作后系統(tǒng)正常工作,且機上線路排查無異常,故可以排除系統(tǒng)出現(xiàn)匯流條短路或發(fā)電機饋線短路引起遠距跳閘保護的可能。

過激磁保護:當發(fā)電機磁場端電壓(KL端)高于36 V時,就會引起調(diào)節(jié)控制保護器保護控制電路動作,從而使得調(diào)節(jié)控制保護器磁保持繼電器保護跳閘線圈動作,切斷起動發(fā)電機磁場回路,發(fā)電機停止發(fā)電。起動過程中,發(fā)電機處于電動機狀態(tài),按照機上地面電源為起動電源,其電壓為28 V,通過分析試驗,起動過程中,通過線路分壓施加在發(fā)電機磁場線圈上的最大電壓約為22 V,故不可能出現(xiàn)過激磁保護。

過壓保護:過壓敏感信號由調(diào)節(jié)控制保護器TU端引入,同時向過壓保護電路的基準電路、反延時電路、比較運放供電,當發(fā)電機端電壓高于31.4 V時,加在反延時電路的電壓高于基準電路電壓,從而比較運放3號端高于2號端,比較運放6號端輸出高電平,使得保護控制電路動作,調(diào)節(jié)控制保護器磁保持繼電器保護跳閘線圈動作,切斷發(fā)電機磁場回路,發(fā)電機停止發(fā)電。起動過程中,發(fā)電機處于電動機狀態(tài),按照機上地面電源為起動電源,其電壓為28 V,試驗分析發(fā)電機起動過程中其端電壓即為起動電源施加在發(fā)電機端的電壓,試驗過程中,其電壓最大為起動電源電壓,在22 V左右。

若過壓保護電路存在故障,則該故障應為硬故障,對產(chǎn)品復位后,該故障會仍然存在,而機上通過對調(diào)節(jié)控制保護器進行復位操作后,直流系統(tǒng)正常工作,故可以排除過壓保護電路故障的可能。

故障發(fā)生在起動發(fā)電機起動狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)的過程中,即該過程中,起動發(fā)電機由用電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為供電狀態(tài)。起動狀態(tài)下,發(fā)電機為復激狀態(tài),發(fā)電狀態(tài)下,發(fā)電機為并激狀態(tài),在發(fā)電機工作線路轉(zhuǎn)換過程中由于發(fā)電機電樞反應影響,調(diào)節(jié)控制保護器電源、調(diào)壓敏感、過壓敏感等信號采集點在工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中會發(fā)生變化,因此不排除起動轉(zhuǎn)發(fā)電過程中調(diào)節(jié)控制保護器過壓保護電路誤動作的可能。

3 故障復現(xiàn)與驗證

為進一步分析調(diào)節(jié)控制保護器過壓保護電路誤動作的原因,搭建直流電源系統(tǒng)試驗臺進行試驗分析與驗證。按照圖1所示直流電源系統(tǒng)原理圖搭接試驗電路進行起動試驗,試驗過程中記錄起動發(fā)電機B端、磁場A端、反流保護器產(chǎn)品GEN端的電壓波形。通過試驗分析發(fā)現(xiàn),起動發(fā)電機由起動轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)后,調(diào)壓保護器存在過壓保護現(xiàn)象。因此導致調(diào)節(jié)控制保護器保護的原因是:在發(fā)電機起動信號斷電后,調(diào)節(jié)控制保護器過壓保護電路輸出異常信號,觸發(fā)內(nèi)部晶閘管導通,從而導致調(diào)節(jié)控制保護器保護。用示波器記錄發(fā)電機B端、磁場A端、反流保護器產(chǎn)品 GEN端的電壓波形,具體各測試波形如圖5所示。

根據(jù)圖5試驗數(shù)據(jù)波形,可以發(fā)現(xiàn)起動信號撤消后,起動—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器的觸點動作時間約為30 ms,起動—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點轉(zhuǎn)換時,反流保護器的 GEN接線柱上有約4.6 ms的電壓中斷。按試驗線路調(diào) 節(jié)控制保護器TU端、反流保護器GEN端、起動—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點接線柱A連接在一起,而發(fā)電機的B端(正端)和發(fā)電機的C端(串激線圈)由于電機電樞反應其電勢并未發(fā)生中斷。當TU端電壓中斷時,過壓保護線路的基準電路電壓信號、反延時電路信號以及比較運放供電信號均發(fā)生異常,在TU端電壓中斷時間內(nèi),運放2#基準端電位低于運放3#電位,從而運放6#輸出異常高電平,進而擊穿WY208穩(wěn)壓管,觸發(fā)晶閘管導通,導致調(diào)節(jié)控制保護器出現(xiàn)誤保護。

4 改進措施

為避免在起動發(fā)電機與調(diào)節(jié)控制保護器起動后調(diào)節(jié)控制保護器發(fā)生誤保護,就需要消除調(diào)節(jié)控制保護器TU過壓敏感信號端供電的中斷,根據(jù)試驗結(jié)果,可以更改TU過壓敏感信號端的采集點,將TU過壓敏感信號端的采集點位置由起動—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點A端更改為觸點B端與發(fā)電機端相接,利用起動后發(fā)電機電樞反應產(chǎn)生的電勢防止TU過壓敏感信號端供電的中斷。按照此改進措施,更改調(diào)壓保護器的連接線路,進行驗證,結(jié)果表明措施合理,能解決起動發(fā)電機由起動轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)后不能自動并網(wǎng)的問題。

5結(jié)論

綜上所述,本文針對發(fā)動機起動后起動發(fā)電機不能自動并網(wǎng)問題,分析了直流電源系統(tǒng)工作原理,畫出不能自動并網(wǎng)故障樹,通過理論分析與地面模擬試驗,確定故障原因為調(diào)壓保護器在起動轉(zhuǎn)入發(fā)電時產(chǎn)品出現(xiàn)誤保護。試驗驗證結(jié)果表明,更改TU過壓敏感信號端的采集點能有效解決調(diào)壓保護器誤保護問題,從而解決起動發(fā)電機由起動轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)后不能自動并網(wǎng)的問題。

[參考文獻]

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[2]張明銳,陳潔,王之馨,等.一種新型的永磁同步風力發(fā)電機并網(wǎng)系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2013(14):141—148.

2024年第15期第16篇