1、引言

恒速恒頻交流電源由于具有適用范圍廣、配電及用電設(shè)備重量輕、發(fā)電機(jī)的單、并聯(lián)運(yùn)行容易以及電氣性能好、供電質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，而在現(xiàn)代飛機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。航空發(fā)電機(jī)一般由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但直接傳動(dòng)飛機(jī)交流發(fā)電機(jī)得不到恒頻的交流電。因此，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間應(yīng)加裝恒速傳動(dòng)裝置以解決這一矛盾。但是，當(dāng)傳動(dòng)裝置發(fā)生故障時(shí)，發(fā)電機(jī)就可能出現(xiàn)超速和欠速現(xiàn)象，即出現(xiàn)超頻或欠頻故障。頻率的故障除影響自動(dòng)控制設(shè)備的正常工作外，還會(huì)影響其它電磁設(shè)備的正常工作。如過(guò)頻故障將引起旋轉(zhuǎn)用電器的過(guò)速，長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)速會(huì)造成機(jī)械損傷；而欠頻故障則將引起電磁器件的磁負(fù)荷增大以致于使它們過(guò)載甚至過(guò)熱燒毀。因此，在發(fā)生過(guò)頻或欠頻故障時(shí)，必須采用保護(hù)裝置將發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)上切除。在帶有恒速傳動(dòng)裝置的系統(tǒng)中，由于超速故障在恒速傳動(dòng)裝置中有保護(hù)措施，它可使恒速傳動(dòng)裝置在超速時(shí)自動(dòng)脫扣而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，因此發(fā)電機(jī)只需對(duì)欠頻進(jìn)行保護(hù)。

2、總體設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)時(shí)，可按以下幾步來(lái)進(jìn)行：

（1）利用諧振電路的工作原理來(lái)設(shè)計(jì)低頻敏感電路。

（2）為了防止發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行的過(guò)渡過(guò)程中保護(hù)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作，在保護(hù)裝置動(dòng)作前必須有一定的延時(shí)，因此必須設(shè)置延時(shí)電路，以使保護(hù)裝置在電源頻率低于360Hz時(shí)能具有一定的延時(shí)；而在電源頻率低于320Hz時(shí)，幾乎不需經(jīng)過(guò)延時(shí)（很短的延時(shí)）動(dòng)作。

（3）頻率故障一般都是由于傳動(dòng)裝置的故障引起的，故在發(fā)生頻率故障時(shí)，只需斷開(kāi)發(fā)電機(jī)接觸器GC，而激磁控制繼電器GCR不應(yīng)動(dòng)作，以保證在故障排除后，發(fā)電機(jī)能及時(shí)進(jìn)入電網(wǎng)。

3、硬件電路設(shè)計(jì)

它由低頻敏感電路、延時(shí)電路（包括反延時(shí)和固定延時(shí)電路）以及“或”門邏輯電路組成。

3．1頻率敏感電路

該電路由電感和電容串聯(lián)的電壓諧振回路構(gòu)成。電感L1和電容C1串聯(lián)回路的諧振頻率為360Hz，而電感L1和L2與電容C1串聯(lián)回路的諧振頻率為320Hz，分別低于對(duì)應(yīng)頻率的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3．2反延時(shí)電路

由于電源頻率低于320Hz時(shí)要求保護(hù)器立即動(dòng)作，所以該延時(shí)電路采用反延時(shí)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2中的反延時(shí)電路。其中的運(yùn)算放大器YF接成差動(dòng)輸入，頻率敏感電路A點(diǎn)的輸出電壓經(jīng)整流、濾波、分壓后，送到運(yùn)算放大器的同相端，其反相端由穩(wěn)壓管DZ1提供發(fā)電機(jī)頻率為320Hz所對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速正常時(shí)，同相端的輸入電壓低于基準(zhǔn)電壓UDZ1，運(yùn)算放大器處于反向輸入狀態(tài)，其輸出端電壓為低電平。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生低頻故障時(shí)，運(yùn)算放大器同相端的輸入電壓將大于反相端，放大器翻轉(zhuǎn)，其輸出端電壓為高電平。運(yùn)算放大器不僅對(duì)輸入信號(hào)起放大作用，同時(shí)還起到反延時(shí)作用。頻率越低，A點(diǎn)的輸出電壓越高，延時(shí)時(shí)間越短。

在發(fā)電機(jī)出現(xiàn)一連串瞬時(shí)頻率低于320Hz時(shí)，電容器C6上將積累一定電荷，如不及時(shí)釋放，當(dāng)達(dá)到一定值后將會(huì)使后級(jí)電路產(chǎn)生誤操作。

該電路可通過(guò)改變R19來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的工作點(diǎn)電壓。其延時(shí)時(shí)間由下式?jīng)Q定：

t＝R21C6［（UA／UDZ1）－（R21＋R22）／R21］

根據(jù)上式，當(dāng)UDZ1較小時(shí)，R21C6對(duì)t的影響較大，故要改變t可主要調(diào)節(jié)R21和C6的值；當(dāng)UDZ1較大時(shí)，R22／R21對(duì)t的影響較大，故可通過(guò)調(diào)節(jié)R22和R21的比值來(lái)改變延時(shí)時(shí)間。

3．3固定延時(shí)電路

為了防止保護(hù)電路的拒動(dòng)作和誤動(dòng)作，在電源頻率低于360Hz時(shí)，電路將在一定的延時(shí)時(shí)間后才動(dòng)作，所以該電路采用固定延時(shí)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。它由開(kāi)關(guān)放大器（晶體管BG1、BG2組成的施密特電路）和單結(jié)晶體管BG3構(gòu)成的觸發(fā)電路組成。正常時(shí)的狀態(tài)是BG1截止，BG2飽和導(dǎo)通，并將電容器上的電位鉗位于一定值。由于C4充電回路的時(shí)間常數(shù)較大，故延時(shí)較長(zhǎng)。延時(shí)時(shí)間可以通過(guò)改變電阻R14來(lái)調(diào)節(jié)。該延時(shí)時(shí)間由下式?jīng)Q定：

3．4邏輯判斷電路

該電路采用LM14001“或”門集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2中的右上部分。兩延時(shí)電路的輸出信號(hào)經(jīng)“或”邏輯處理后，其輸出可作為后級(jí)控制電路可控硅的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。兩個(gè)通道中只要有一路信號(hào)為高電位輸出，就能觸發(fā)發(fā)電機(jī)接觸器GC控制電路中的可控硅導(dǎo)通；而斷開(kāi)發(fā)電機(jī)接觸器GC，可使故障電機(jī)退出電網(wǎng)。

3．5穩(wěn)壓電源電路

由于采用集成芯片進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，而機(jī)上電源不能滿足集成芯片的工作要求。為了給集成電路提供高品質(zhì)的電源，選用SW7815集成穩(wěn)壓器將機(jī)上28V直流電變換為15V，以便為集成芯片提供工作電壓。

因穩(wěn)壓器遠(yuǎn)離電源濾波器，因此可利用電容Ci來(lái)改善紋波特性并抑制續(xù)波，電容C0的主要作用是改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，一般輸出端不接大的電解電容。輸入和輸出端的二極管D2可防止由于輸入端短路而引起電路損壞。因?yàn)榉€(wěn)壓器屬于功率耗散較大的集成器件，因此在安裝時(shí)，可用導(dǎo)熱硅脂安裝在散熱片上。

4、系統(tǒng)調(diào)試

該欠頻保護(hù)器設(shè)計(jì)完成后，筆者針對(duì)某型飛機(jī)航空交流發(fā)電機(jī)進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試，運(yùn)行結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)功能完備，長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定可靠，能夠達(dá)到欠頻保護(hù)的要求。共敏感電路諧振工作點(diǎn)頻率在360±5Hz和320±5Hz范圍內(nèi)。具體工作過(guò)程如下：

當(dāng)電源電壓的頻率f正常（即高于360Hz／s）時(shí)，L1C1電路呈感性，則UL1＞UC1。從敏感電路可以看到，UL1和UC1分別經(jīng)二極管D2、D3半波整流后，B點(diǎn)的電位將低于D點(diǎn)的電位，也就是B點(diǎn)相對(duì)于地是負(fù)電位，因此B點(diǎn)沒(méi)有信號(hào)輸出。A點(diǎn)的電位比B點(diǎn)更低，所以A點(diǎn)也沒(méi)有信號(hào)輸出。“或”門電路的兩個(gè)通道均無(wú)高電位信號(hào)輸入，其輸出不能觸發(fā)可控硅而使GC斷開(kāi)。敏感電路中C2、C3為濾波電容器。

當(dāng)電源電壓的頻率等于360Hz時(shí)，L1C1電路呈純阻性，則UL1＝UC1，所以經(jīng)半波整流后，B點(diǎn)電位等于地電位，此時(shí)L1L2C1電路呈感性，所以A點(diǎn)仍為負(fù)電位，故欠頻保護(hù)電路仍然不動(dòng)作。

當(dāng)電源電壓的頻率低于360Hz而高于320Hz（即320Hz＜f＜360Hz）時(shí)，L1C1電路呈容性，則UC1＞UL1，但L1L2C1電路仍呈感性，即UC1＜UL1＋UL2，所以經(jīng)半波整流后，B點(diǎn)的電位將高于D點(diǎn)的電位，使B點(diǎn)相對(duì)于地成為正電位，此時(shí)在B點(diǎn)有信號(hào)輸出，A點(diǎn)的電位仍低于D點(diǎn)的電位，沒(méi)有信號(hào)輸出。

當(dāng)B點(diǎn)的正電位經(jīng)電阻R5、二極管D4加到施密特觸發(fā)器的晶體管BG1的基極上時(shí)，觸發(fā)器電路翻轉(zhuǎn)成另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，BG1導(dǎo)通、BG2截止，從而解除了對(duì)C4的鉗位。電源電壓E經(jīng)電阻R12、R13、R14對(duì)C4充電，當(dāng)C4上的電壓UC4上升到大于單晶體管BG3 的峰值電壓UP3時(shí)，BG3導(dǎo)通而輸出脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)經(jīng)“或”門電路觸發(fā)下一級(jí)的可控硅導(dǎo)通，從而將發(fā)電機(jī)接觸器GC斷開(kāi)。

二極管D5的作用是加速C4的放電。在電源電壓的頻率出現(xiàn)瞬時(shí)欠頻時(shí)，在電容器C4上將積存電荷，如不及時(shí)釋放，保護(hù)裝置容易產(chǎn)生誤動(dòng)作。在頻率正常時(shí)，由于D5短接R13和R14，C4可通過(guò)D5、BG2及R9加速釋放所積存的電荷。

當(dāng)電源電壓的頻率等于320Hz時(shí)，L1L2 C1電路呈純阻性，則UC1＝UL1＋UL2。此時(shí)A點(diǎn)電位等于地電位，B點(diǎn)電位仍是正電位，保護(hù)電路工作情況與上述過(guò)程一樣。若電源頻率繼續(xù)下降而低于320Hz時(shí)，L1L2 C1電路呈容性，即UC1＞UL1＋UL2。這時(shí)，A點(diǎn)電位高于地電位。A點(diǎn)的正電位經(jīng)反延時(shí)電路延時(shí)和放大后，通過(guò)“或”門電路的邏輯處理，觸發(fā)下一級(jí)控制電路的可控硅導(dǎo)通，從而使GC斷開(kāi)。電源電壓頻率越低，A點(diǎn)電位越高，延時(shí)越短。與此同時(shí)，雖然B點(diǎn)也有正電位輸出，但由于該通道延時(shí)較長(zhǎng)，因此不等它輸出高電位脈沖，GC就已經(jīng)動(dòng)作了。

改變諧振電路中電容和電感值的大小可以改變欠頻保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)的頻率。

5、結(jié)論

該設(shè)備不僅體積小、重量輕、價(jià)格低廉，而且具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)；同時(shí)，由于保護(hù)器內(nèi)部電路信號(hào)傳遞關(guān)系簡(jiǎn)單，便于地面維護(hù)人員的檢驗(yàn)和維修，因此具有顯著的經(jīng)濟(jì)和軍事效益。該研究成果將為某型引進(jìn)飛機(jī)的機(jī)上改裝提供理論和工程依據(jù)。