直升機(jī)直流電源系統(tǒng)并網(wǎng)失敗故障機(jī)理分析

0引言

直升機(jī)上的起發(fā)電系統(tǒng)既能滿足起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的功能,又能滿足直升機(jī)在各種工作狀態(tài)下的用電功率需求,但是在起動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)電的動(dòng)態(tài)過程中,極易產(chǎn)生各種斷電故障,對(duì)此過程中的故障進(jìn)行排查與機(jī)理分析,能為設(shè)計(jì)直流電源系統(tǒng)提供思路與參考依據(jù)。

文獻(xiàn)[1]對(duì)直升機(jī)直流電源轉(zhuǎn)電時(shí)間及基本理論進(jìn)行了研究,提出了幾種縮短轉(zhuǎn)電時(shí)間的方法,為直升機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了合理方法。文獻(xiàn)[2]闡述 了一種基于固態(tài)變壓器的發(fā)電機(jī)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(jī)并網(wǎng)是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)與著重考慮的點(diǎn),同時(shí)在直升機(jī)上也存在發(fā)電機(jī)不能正常并網(wǎng)的故障。對(duì)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的故障原因進(jìn)行分析排查,探索直流電源系統(tǒng)并網(wǎng)失敗故障機(jī)理,能為直升機(jī)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

小型直升機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用直流電起動(dòng),起動(dòng)時(shí),由地面電源或蓄電池供電,起動(dòng)發(fā)電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行,將發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到一定轉(zhuǎn)速后,起動(dòng)發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)脫開,轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài);當(dāng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),接通直流發(fā)電機(jī)開關(guān),發(fā)電機(jī)不能自動(dòng)并網(wǎng),需要進(jìn)行復(fù)位操作,才能正常發(fā)電并網(wǎng)。此問題是在直升機(jī)上反復(fù)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(jī)直流電源系統(tǒng)由起動(dòng)發(fā)電機(jī)與調(diào)節(jié)控制保護(hù)器、反流保護(hù)器、發(fā)電機(jī)開關(guān)、濾波器、起動(dòng)—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(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)到正常工作狀態(tài)的過程中,由起動(dòng)發(fā)電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí),起動(dòng)完成自動(dòng)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)工作狀態(tài),向機(jī)上電網(wǎng)供電。調(diào)節(jié)控制保護(hù)器與起動(dòng)發(fā)電機(jī)相互配合,并隨其工作在起動(dòng)狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)處于起動(dòng)狀態(tài)時(shí),它調(diào)節(jié)激磁電流使電樞電流在轉(zhuǎn)速上升時(shí)保持恒定,以便順利起動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí),它使機(jī)上調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓在負(fù)載、轉(zhuǎn)速變化下保持恒定值。反流保護(hù)器連接于發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間,當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓高于機(jī)上主匯流條電壓0.6~0.9 V時(shí),接通發(fā)電機(jī)輸出電路;當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓低于機(jī)上主匯流條電壓,且反流值達(dá)9~28 A時(shí),斷開發(fā)電機(jī)輸出電路。

起動(dòng)時(shí),DEM端提供正電,分兩路,一路向起動(dòng)—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器線圈供電,起動(dòng)—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換,起動(dòng)發(fā)電機(jī)呈復(fù)激狀態(tài)被接入電網(wǎng);另一路通過起動(dòng)—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點(diǎn)向反流保護(hù)器GMG供電,反流保護(hù)器主接觸器線圈被激勵(lì),主觸點(diǎn)接通,匯流條上的電源通過反流保護(hù)器主觸點(diǎn)向起動(dòng)發(fā)電機(jī)供電,進(jìn)行機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng),調(diào)節(jié)控制保護(hù)器與發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)激磁電流使電樞電流在轉(zhuǎn)速上升時(shí)保持恒定,以便順利起動(dòng)。

起動(dòng)結(jié)束后,DEM端正電撤銷,反流保護(hù)器GMG 供電消失,反流保護(hù)器主觸點(diǎn)斷開,發(fā)電機(jī)與匯流條連接斷開,同時(shí)發(fā)電機(jī)線路通過起動(dòng)—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點(diǎn)由復(fù)激狀態(tài)轉(zhuǎn)換為并激狀態(tài),此時(shí)發(fā)電機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速,依靠剩磁進(jìn)行建壓,并與調(diào)節(jié)控制保護(hù)器配套工作,使發(fā)電機(jī)電壓保持在規(guī)定值。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓逐漸升高,升至端電壓超過蓄電池電壓時(shí),反流保護(hù)器的觸點(diǎn)對(duì)線路接觸器線圈通電,線路接觸器接通,將起動(dòng)發(fā)電機(jī)的主饋線與直升機(jī)電源系統(tǒng)連接到一起,實(shí)現(xiàn)起動(dòng)發(fā)電機(jī)自動(dòng)并網(wǎng)。

2機(jī)理分析

通過對(duì)直流電源系統(tǒng)工作原理進(jìn)行分析,可以得出當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)到一定轉(zhuǎn)速后,接通直流發(fā)電機(jī)開關(guān),發(fā)電機(jī)不能自動(dòng)投網(wǎng),需要對(duì)調(diào)節(jié)控制保護(hù)器進(jìn)行復(fù)位操作才能正常投網(wǎng),同時(shí)測(cè)量調(diào)節(jié)控制保護(hù)器的A和MN針腳均不導(dǎo)通,說明起動(dòng)發(fā)電機(jī)在起動(dòng)完成轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)后,調(diào)節(jié)控制保護(hù)器已經(jīng)發(fā)生保護(hù)。以調(diào)節(jié)控制保護(hù)器保護(hù)為頂事件建立故障樹,如圖2所示。

調(diào)節(jié)控制保護(hù)器的工作原理如圖3所示,圖中 RD301為一保險(xiǎn)絲。當(dāng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)處于正常發(fā)電狀態(tài)時(shí),發(fā)電機(jī)端電壓通過調(diào)節(jié)控制保護(hù)器插座MN端饋入調(diào)節(jié)控制保護(hù)器,再通過J301磁保持繼電器觸點(diǎn)4、觸點(diǎn)3,LB301濾波器,BG302末級(jí)功率三極管 CE結(jié),J301磁保持繼電器觸點(diǎn)10、觸點(diǎn)9,調(diào)節(jié)控制保護(hù)器插座KL端到發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)線圈,形成發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)控制回路,該狀態(tài)下測(cè)量調(diào)節(jié)控制保護(hù)器插座A端和MN端應(yīng)為導(dǎo)通狀態(tài)。調(diào)節(jié)控制保護(hù)器保護(hù)后,J301磁保持繼電器觸點(diǎn)4和觸點(diǎn)3、觸點(diǎn)10和觸點(diǎn)9之間連接就會(huì)斷開,則調(diào)節(jié)控制保護(hù)器插座A端和MN 端之間就會(huì)呈現(xiàn)開路狀態(tài)。

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

遠(yuǎn)距跳閘保護(hù):在系統(tǒng)出現(xiàn)匯流條短路或發(fā)電機(jī)饋線短路的情況下,系統(tǒng)中DB—1短路保護(hù)插件中的控制線路就會(huì)向調(diào)節(jié)控制保護(hù)器提供遠(yuǎn)距跳閘信號(hào),即向調(diào)節(jié)控制保護(hù)器J端發(fā)出遠(yuǎn)距跳閘信號(hào),同時(shí)斷開H端與地的連接,從而使得BG201三極管導(dǎo)通,調(diào)節(jié)控制保護(hù)器磁保持繼電器保護(hù)跳閘線圈動(dòng)作,切斷發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)回路,起動(dòng)發(fā)電機(jī)停止發(fā)電。該故障發(fā)生在起動(dòng)時(shí),經(jīng)復(fù)位操作后系統(tǒng)正常工作,且機(jī)上線路排查無(wú)異常,故可以排除系統(tǒng)出現(xiàn)匯流條短路或發(fā)電機(jī)饋線短路引起遠(yuǎn)距跳閘保護(hù)的可能。

過激磁保護(hù):當(dāng)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)端電壓(KL端)高于36 V時(shí),就會(huì)引起調(diào)節(jié)控制保護(hù)器保護(hù)控制電路動(dòng)作,從而使得調(diào)節(jié)控制保護(hù)器磁保持繼電器保護(hù)跳閘線圈動(dòng)作,切斷起動(dòng)發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)回路,發(fā)電機(jī)停止發(fā)電。起動(dòng)過程中,發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài),按照機(jī)上地面電源為起動(dòng)電源,其電壓為28 V,通過分析試驗(yàn),起動(dòng)過程中,通過線路分壓施加在發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)線圈上的最大電壓約為22 V,故不可能出現(xiàn)過激磁保護(hù)。

過壓保護(hù):過壓敏感信號(hào)由調(diào)節(jié)控制保護(hù)器TU端引入,同時(shí)向過壓保護(hù)電路的基準(zhǔn)電路、反延時(shí)電路、比較運(yùn)放供電,當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓高于31.4 V時(shí),加在反延時(shí)電路的電壓高于基準(zhǔn)電路電壓,從而比較運(yùn)放3號(hào)端高于2號(hào)端,比較運(yùn)放6號(hào)端輸出高電平,使得保護(hù)控制電路動(dòng)作,調(diào)節(jié)控制保護(hù)器磁保持繼電器保護(hù)跳閘線圈動(dòng)作,切斷發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)回路,發(fā)電機(jī)停止發(fā)電。起動(dòng)過程中,發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)狀態(tài),按照機(jī)上地面電源為起動(dòng)電源,其電壓為28 V,試驗(yàn)分析發(fā)電機(jī)起動(dòng)過程中其端電壓即為起動(dòng)電源施加在發(fā)電機(jī)端的電壓,試驗(yàn)過程中,其電壓最大為起動(dòng)電源電壓,在22 V左右。

若過壓保護(hù)電路存在故障,則該故障應(yīng)為硬故障,對(duì)產(chǎn)品復(fù)位后,該故障會(huì)仍然存在,而機(jī)上通過對(duì)調(diào)節(jié)控制保護(hù)器進(jìn)行復(fù)位操作后,直流系統(tǒng)正常工作,故可以排除過壓保護(hù)電路故障的可能。

故障發(fā)生在起動(dòng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)電狀態(tài)的過程中,即該過程中,起動(dòng)發(fā)電機(jī)由用電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為供電狀態(tài)。起動(dòng)狀態(tài)下,發(fā)電機(jī)為復(fù)激狀態(tài),發(fā)電狀態(tài)下,發(fā)電機(jī)為并激狀態(tài),在發(fā)電機(jī)工作線路轉(zhuǎn)換過程中由于發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)影響,調(diào)節(jié)控制保護(hù)器電源、調(diào)壓敏感、過壓敏感等信號(hào)采集點(diǎn)在工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中會(huì)發(fā)生變化,因此不排除起動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)電過程中調(diào)節(jié)控制保護(hù)器過壓保護(hù)電路誤動(dòng)作的可能。

3 故障復(fù)現(xiàn)與驗(yàn)證

為進(jìn)一步分析調(diào)節(jié)控制保護(hù)器過壓保護(hù)電路誤動(dòng)作的原因,搭建直流電源系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)分析與驗(yàn)證。按照?qǐng)D1所示直流電源系統(tǒng)原理圖搭接試驗(yàn)電路進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn),試驗(yàn)過程中記錄起動(dòng)發(fā)電機(jī)B端、磁場(chǎng)A端、反流保護(hù)器產(chǎn)品GEN端的電壓波形。通過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),起動(dòng)發(fā)電機(jī)由起動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)后,調(diào)壓保護(hù)器存在過壓保護(hù)現(xiàn)象。因此導(dǎo)致調(diào)節(jié)控制保護(hù)器保護(hù)的原因是:在發(fā)電機(jī)起動(dòng)信號(hào)斷電后,調(diào)節(jié)控制保護(hù)器過壓保護(hù)電路輸出異常信號(hào),觸發(fā)內(nèi)部晶閘管導(dǎo)通,從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)控制保護(hù)器保護(hù)。用示波器記錄發(fā)電機(jī)B端、磁場(chǎng)A端、反流保護(hù)器產(chǎn)品 GEN端的電壓波形,具體各測(cè)試波形如圖5所示。

根據(jù)圖5試驗(yàn)數(shù)據(jù)波形,可以發(fā)現(xiàn)起動(dòng)信號(hào)撤消后,起動(dòng)—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器的觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間約為30 ms,起動(dòng)—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí),反流保護(hù)器的 GEN接線柱上有約4.6 ms的電壓中斷。按試驗(yàn)線路調(diào) 節(jié)控制保護(hù)器TU端、反流保護(hù)器GEN端、起動(dòng)—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點(diǎn)接線柱A連接在一起,而發(fā)電機(jī)的B端(正端)和發(fā)電機(jī)的C端(串激線圈)由于電機(jī)電樞反應(yīng)其電勢(shì)并未發(fā)生中斷。當(dāng)TU端電壓中斷時(shí),過壓保護(hù)線路的基準(zhǔn)電路電壓信號(hào)、反延時(shí)電路信號(hào)以及比較運(yùn)放供電信號(hào)均發(fā)生異常,在TU端電壓中斷時(shí)間內(nèi),運(yùn)放2#基準(zhǔn)端電位低于運(yùn)放3#電位,從而運(yùn)放6#輸出異常高電平,進(jìn)而擊穿WY208穩(wěn)壓管,觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,導(dǎo)致調(diào)節(jié)控制保護(hù)器出現(xiàn)誤保護(hù)。

4 改進(jìn)措施

為避免在起動(dòng)發(fā)電機(jī)與調(diào)節(jié)控制保護(hù)器起動(dòng)后調(diào)節(jié)控制保護(hù)器發(fā)生誤保護(hù),就需要消除調(diào)節(jié)控制保護(hù)器TU過壓敏感信號(hào)端供電的中斷,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,可以更改TU過壓敏感信號(hào)端的采集點(diǎn),將TU過壓敏感信號(hào)端的采集點(diǎn)位置由起動(dòng)—發(fā)電轉(zhuǎn)換繼電器觸點(diǎn)A端更改為觸點(diǎn)B端與發(fā)電機(jī)端相接,利用起動(dòng)后發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)防止TU過壓敏感信號(hào)端供電的中斷。按照此改進(jìn)措施,更改調(diào)壓保護(hù)器的連接線路,進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明措施合理,能解決起動(dòng)發(fā)電機(jī)由起動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)后不能自動(dòng)并網(wǎng)的問題。

5結(jié)論

綜上所述,本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后起動(dòng)發(fā)電機(jī)不能自動(dòng)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(dòng)并網(wǎng)故障樹,通過理論分析與地面模擬試驗(yàn),確定故障原因?yàn)檎{(diào)壓保護(hù)器在起動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電時(shí)產(chǎn)品出現(xiàn)誤保護(hù)。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,更改TU過壓敏感信號(hào)端的采集點(diǎn)能有效解決調(diào)壓保護(hù)器誤保護(hù)問題,從而解決起動(dòng)發(fā)電機(jī)由起動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)后不能自動(dòng)并網(wǎng)的問題。

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2024年第15期第16篇