直升机直流电源系统并网失败故障机理分析

0引言

直升机上的起发电系统既能满足起动发动机的功能,又能满足直升机在各种工作状态下的用电功率需求,但是在起动转发电的动态过程中,极易产生各种断电故障,对此过程中的故障进行排查与机理分析,能为设计直流电源系统提供思路与参考依据。

文献[1]对直升机直流电源转电时间及基本理论进行了研究,提出了几种缩短转电时间的方法,为直升机电源系统设计提供了合理方法。文献[2]阐述 了一种基于固态变压器的发电机并网系统,减少了并网过程中的电流冲击。由此可见,发电机并网是电源系统设计的一个难点与着重考虑的点,同时在直升机上也存在发电机不能正常并网的故障。对发电机并网的故障原因进行分析排查,探索直流电源系统并网失败故障机理,能为直升机电源系统的设计提供借鉴和参考。

小型直升机上发动机一般采用直流电起动,起动时,由地面电源或蓄电池供电,起动发电机电动运行,将发动机起动到一定转速后,起动发电机与发动机脱开,转入发电状态;当起动发电机稳定运行时,接通直流发电机开关,发电机不能自动并网,需要进行复位操作,才能正常发电并网。此问题是在直升机上反复出现的问题,要弄清楚问题原因,需从直流电源系统工作原理开始分析。

1 直流电源系统工作原理

该直升机直流电源系统由起动发电机与调节控制保护器、反流保护器、发电机开关、滤波器、起动—发电转换继电器等部件组成,其原理框图如图1所示。

直升机上的发动机由静止状态到正常工作状态的过程中,由起动发电机带动发动机运转,当发动机转速达到一定值时,起动完成自动转为发电机工作状态,向机上电网供电。调节控制保护器与起动发电机相互配合,并随其工作在起动状态或发电状态。当起动发电机处于起动状态时,它调节激磁电流使电枢电流在转速上升时保持恒定,以便顺利起动。当发电机处于发电状态时,它使机上调节点电压在负载、转速变化下保持恒定值。反流保护器连接于发电机与电网之间,当发电机电压高于机上主汇流条电压0.6~0.9 V时,接通发电机输出电路;当发电机电压低于机上主汇流条电压,且反流值达9~28 A时,断开发电机输出电路。

起动时,DEM端提供正电,分两路,一路向起动—发电转换继电器线圈供电,起动—发电转换继电器触点转换,起动发电机呈复激状态被接入电网;另一路通过起动—发电转换继电器触点向反流保护器GMG供电,反流保护器主接触器线圈被激励,主触点接通,汇流条上的电源通过反流保护器主触点向起动发电机供电,进行机上发动机起动,调节控制保护器与发电机调节激磁电流使电枢电流在转速上升时保持恒定,以便顺利起动。

起动结束后,DEM端正电撤销,反流保护器GMG 供电消失,反流保护器主触点断开,发电机与汇流条连接断开,同时发电机线路通过起动—发电转换继电器触点由复激状态转换为并激状态,此时发电机达到一定的转速,依靠剩磁进行建压,并与调节控制保护器配套工作,使发电机电压保持在规定值。当发电机电压逐渐升高,升至端电压超过蓄电池电压时,反流保护器的触点对线路接触器线圈通电,线路接触器接通,将起动发电机的主馈线与直升机电源系统连接到一起,实现起动发电机自动并网。

2机理分析

通过对直流电源系统工作原理进行分析,可以得出当发动机起动到一定转速后,接通直流发电机开关,发电机不能自动投网,需要对调节控制保护器进行复位操作才能正常投网,同时测量调节控制保护器的A和MN针脚均不导通,说明起动发电机在起动完成转入发电状态后,调节控制保护器已经发生保护。以调节控制保护器保护为顶事件建立故障树,如图2所示。

调节控制保护器的工作原理如图3所示,图中 RD301为一保险丝。当起动发电机处于正常发电状态时,发电机端电压通过调节控制保护器插座MN端馈入调节控制保护器,再通过J301磁保持继电器触点4、触点3,LB301滤波器,BG302末级功率三极管 CE结,J301磁保持继电器触点10、触点9,调节控制保护器插座KL端到发电机磁场线圈,形成发电机磁场调节控制回路,该状态下测量调节控制保护器插座A端和MN端应为导通状态。调节控制保护器保护后,J301磁保持继电器触点4和触点3、触点10和触点9之间连接就会断开,则调节控制保护器插座A端和MN 端之间就会呈现开路状态。

调节控制保护器插座A端和MN端检测呈现开路状态的结果,说明调节控制保护器已经发生保护。调节控制保护器具有过压保护、远距跳闸保护及过激磁保护功能,其保护电路原理框图如图4所示。

远距跳闸保护:在系统出现汇流条短路或发电机馈线短路的情况下,系统中DB—1短路保护插件中的控制线路就会向调节控制保护器提供远距跳闸信号,即向调节控制保护器J端发出远距跳闸信号,同时断开H端与地的连接,从而使得BG201三极管导通,调节控制保护器磁保持继电器保护跳闸线圈动作,切断发电机磁场回路,起动发电机停止发电。该故障发生在起动时,经复位操作后系统正常工作,且机上线路排查无异常,故可以排除系统出现汇流条短路或发电机馈线短路引起远距跳闸保护的可能。

过激磁保护:当发电机磁场端电压(KL端)高于36 V时,就会引起调节控制保护器保护控制电路动作,从而使得调节控制保护器磁保持继电器保护跳闸线圈动作,切断起动发电机磁场回路,发电机停止发电。起动过程中,发电机处于电动机状态,按照机上地面电源为起动电源,其电压为28 V,通过分析试验,起动过程中,通过线路分压施加在发电机磁场线圈上的最大电压约为22 V,故不可能出现过激磁保护。

过压保护:过压敏感信号由调节控制保护器TU端引入,同时向过压保护电路的基准电路、反延时电路、比较运放供电,当发电机端电压高于31.4 V时,加在反延时电路的电压高于基准电路电压,从而比较运放3号端高于2号端,比较运放6号端输出高电平,使得保护控制电路动作,调节控制保护器磁保持继电器保护跳闸线圈动作,切断发电机磁场回路,发电机停止发电。起动过程中,发电机处于电动机状态,按照机上地面电源为起动电源,其电压为28 V,试验分析发电机起动过程中其端电压即为起动电源施加在发电机端的电压,试验过程中,其电压最大为起动电源电压,在22 V左右。

若过压保护电路存在故障,则该故障应为硬故障,对产品复位后,该故障会仍然存在,而机上通过对调节控制保护器进行复位操作后,直流系统正常工作,故可以排除过压保护电路故障的可能。

故障发生在起动发电机起动状态转发电状态的过程中,即该过程中,起动发电机由用电状态转换为供电状态。起动状态下,发电机为复激状态,发电状态下,发电机为并激状态,在发电机工作线路转换过程中由于发电机电枢反应影响,调节控制保护器电源、调压敏感、过压敏感等信号采集点在工作状态转换过程中会发生变化,因此不排除起动转发电过程中调节控制保护器过压保护电路误动作的可能。

3 故障复现与验证

为进一步分析调节控制保护器过压保护电路误动作的原因,搭建直流电源系统试验台进行试验分析与验证。按照图1所示直流电源系统原理图搭接试验电路进行起动试验,试验过程中记录起动发电机B端、磁场A端、反流保护器产品GEN端的电压波形。通过试验分析发现,起动发电机由起动转入发电状态后,调压保护器存在过压保护现象。因此导致调节控制保护器保护的原因是:在发电机起动信号断电后,调节控制保护器过压保护电路输出异常信号,触发内部晶闸管导通,从而导致调节控制保护器保护。用示波器记录发电机B端、磁场A端、反流保护器产品 GEN端的电压波形,具体各测试波形如图5所示。

根据图5试验数据波形,可以发现起动信号撤消后,起动—发电转换继电器的触点动作时间约为30 ms,起动—发电转换继电器触点转换时,反流保护器的 GEN接线柱上有约4.6 ms的电压中断。按试验线路调 节控制保护器TU端、反流保护器GEN端、起动—发电转换继电器触点接线柱A连接在一起,而发电机的B端(正端)和发电机的C端(串激线圈)由于电机电枢反应其电势并未发生中断。当TU端电压中断时,过压保护线路的基准电路电压信号、反延时电路信号以及比较运放供电信号均发生异常,在TU端电压中断时间内,运放2#基准端电位低于运放3#电位,从而运放6#输出异常高电平,进而击穿WY208稳压管,触发晶闸管导通,导致调节控制保护器出现误保护。

4 改进措施

为避免在起动发电机与调节控制保护器起动后调节控制保护器发生误保护,就需要消除调节控制保护器TU过压敏感信号端供电的中断,根据试验结果,可以更改TU过压敏感信号端的采集点,将TU过压敏感信号端的采集点位置由起动—发电转换继电器触点A端更改为触点B端与发电机端相接,利用起动后发电机电枢反应产生的电势防止TU过压敏感信号端供电的中断。按照此改进措施,更改调压保护器的连接线路,进行验证,结果表明措施合理,能解决起动发电机由起动转入发电状态后不能自动并网的问题。

5结论

综上所述,本文针对发动机起动后起动发电机不能自动并网问题,分析了直流电源系统工作原理,画出不能自动并网故障树,通过理论分析与地面模拟试验,确定故障原因为调压保护器在起动转入发电时产品出现误保护。试验验证结果表明,更改TU过压敏感信号端的采集点能有效解决调压保护器误保护问题,从而解决起动发电机由起动转入发电状态后不能自动并网的问题。

[参考文献]

[1]敖文翔,刘搏,余荣良,等.直升机直流电源转电方法研究[J].电子制作,2021(9):98-100.

[2]张明锐,陈洁,王之馨,等.一种新型的永磁同步风力发电机并网系统[J].电力系统保护与控制,2013(14):141—148.

2024年第15期第16篇