PA-44-180飛機(jī)發(fā)電機(jī)調(diào)壓器逆向工程結(jié)構(gòu)原理解析

劉謙

（中國民用航空飛行學(xué)院飛機(jī)修理廠，四川廣漢，618307）

0 簡述

為了增強(qiáng)西門諾爾PA-44-180飛機(jī)供電系統(tǒng)故障隔離和容錯(cuò)重構(gòu)能力，提高飛機(jī)可靠性，PA44-180飛機(jī)采用了兩臺(tái)同型號(hào)的發(fā)電機(jī)（ALX-8521LS）和調(diào)壓器（B-00392-1）并聯(lián)接入連接匯流條， 當(dāng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，匯流條通過調(diào)壓器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流，通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)后，在定子線圈中便產(chǎn)生了感應(yīng)交流電動(dòng)勢，再通過整流二極管進(jìn)行整流輸出就得到了直流電，這就是交－直流發(fā)電機(jī)交流變直流的過程[1]。左、右發(fā)電機(jī)均由各自的調(diào)壓器對其輸出的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)壓器之間通過均衡線連接，以使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電的負(fù)載達(dá)到均衡。若其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)工作性能下降（過壓、斷路等）不正常的工作狀態(tài)時(shí)，駕駛艙內(nèi)儀表板上的ALT故障燈燃亮，警示飛行員電源系統(tǒng)出現(xiàn)問題。若調(diào)其中一臺(tái)壓器出現(xiàn)故障，則可能關(guān)斷所控制發(fā)電機(jī)的電壓輸出，由另一臺(tái)發(fā)電機(jī)單獨(dú)供電，當(dāng)飛機(jī)負(fù)載變大（升降起落架時(shí)）另一臺(tái)發(fā)電機(jī)和電瓶的供電功率也不足時(shí)，就可能引起空中斷電，因此，研究B-00392-1調(diào)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理對飛行安全具有重要的意義。

1 B-00392-1調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

B-00392-1調(diào)壓器由美國拉馬爾技術(shù)有限公司生產(chǎn)，其公司產(chǎn)品在現(xiàn)有85%以上的單引擎和雙引擎活塞和渦輪飛機(jī)都有安裝， 由于廠家不提供相關(guān)資料，本研究通過逆向工程實(shí)現(xiàn)了B-00392-1型調(diào)壓器電路結(jié)構(gòu)和工作原理的解析。

B-00392-1調(diào)壓器屬于晶閘管脈沖調(diào)寬式（PWM）調(diào)壓器，“晶閘管”又稱“可控硅”(SCR）是一種四層三端半導(dǎo)體器件，把它接在電源和負(fù)載中間，配上相應(yīng)的觸發(fā)控制電路板，就可以調(diào)整加到負(fù)載上的電壓、電流和功率。B-00392-1調(diào)壓器在電源系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，能維持發(fā)電機(jī)或系統(tǒng)某點(diǎn)電壓水平，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷或功率因數(shù)變化時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓發(fā)生相應(yīng)變化，此時(shí)借助自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置相應(yīng)改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流大小，使電壓維持在給定水平，作保證電源質(zhì)量，同時(shí)能合理分配發(fā)電機(jī)間無功負(fù)荷，提高電源系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。

1.1 B-00392-1電壓調(diào)壓器結(jié)構(gòu)

B-00392-1電壓調(diào)壓器由檢比電路、調(diào)制電路、整形放大和反饋放大電路（執(zhí)行電路）4個(gè)部分組成。檢比電路檢測發(fā)電機(jī)被調(diào)節(jié)量輸出電壓Uc與基準(zhǔn)電壓Ue進(jìn)行比較，當(dāng)Uc偏離Ue時(shí)，檢比電路輸出誤差Uet = Uc-Ue，這個(gè)誤差信號(hào)經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制成方波信號(hào)，再經(jīng)功率放大電路放大，通過晶體管開關(guān)電路調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的平均值，從而達(dá)到發(fā)電機(jī)輸出電壓Uc的平穩(wěn)輸出，從而減小或消除偏差。

我院西門諾爾飛機(jī)使用的B-00392-1調(diào)壓器調(diào)壓器內(nèi)部主要由A、B兩塊電路板組成，A電路板(圖1所示)主要包含有分流器采樣電路和均衡電壓控制電路。B電路板(圖2所示)主要包含匯流條電壓反饋控制電路和狀態(tài)監(jiān)控電路。調(diào)壓器通過1個(gè)接線端（1-6）、2根電壓反饋接線（7&8）以及1根接地線（9）接入電源系統(tǒng)，其具體接線端口功能和作表用見表1。

圖1 調(diào)壓器內(nèi)部電路圖(A電路板)

圖2 調(diào)壓器內(nèi)部電路圖(B電路板)

表1 B-00392-1調(diào)壓器接線端口的功能和作用

1.2 B-00392-1電壓調(diào)壓器工作原理

A電路板上的分流器采樣電路主要采集分流器兩端電壓，由于壓降直接反映供電負(fù)荷，采樣放大積分后的電壓大小將反映發(fā)電機(jī)的發(fā)電情況，直接決定了均衡線上電壓。其主要由CD4047BC多諧振蕩器，比較放大器CA3140E，LM324組成。均衡電壓控制電路是調(diào)壓器工作在均衡交聯(lián)狀態(tài)下，調(diào)壓器通過均衡線相互影響的電路，主要有CA3140E，Q1，Q2組成。

匯流條電壓反饋控制電路是直接實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的模塊，主要由A電路板中RT，B電路板中場效應(yīng)管2N4871，四電壓比較器M339N，晶閘管2N6401，電流放大三極管TIP34C組成。狀態(tài)監(jiān)控電路主要由MPS4355，MPSA05，LM337組成。

分流器采樣電路中的CD4047BC多諧振蕩器用來產(chǎn)生Q，Q(10腳，11腳）開關(guān)脈沖，開關(guān)脈沖頻率由1，2腳的電容電阻的時(shí)間常數(shù)決定，CD4066BCN集三個(gè)電子開關(guān)，電路選用了其中兩個(gè)電子開關(guān)分別被Q，Q'脈沖控制，當(dāng)Q高電平時(shí)，開關(guān)B導(dǎo)通，采樣電路采取分流器末端黃線電壓，此時(shí)，Q'為低電平，開關(guān)A截止；當(dāng)Q'高電平時(shí)，開關(guān)A導(dǎo)通，采樣電路采取分流器前端橙線電壓，此時(shí)，Q為低電平，開關(guān)B截止。由于分流器兩端橙黃兩線有電壓差值，且電子開關(guān)頻率為固定值，所以經(jīng)過耦合電容C6濾除直流分量后，采樣得到的是周期信號(hào)，幅值約為100mw，此采樣信號(hào)的幅值與變化直接反映流器電流大小即負(fù)載的用電情況。采樣信號(hào)通過比較放大器CA3140E，LM324后給綠色的均衡線提供一個(gè)均衡電壓（綠線電壓）值來表征發(fā)電機(jī)的負(fù)載用電情況，采樣輸出并不會(huì)直接對勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在無均衡交聯(lián)情況下，調(diào)壓三極管Q1，Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的調(diào)節(jié)是通過反饋的匯流條電壓（紫線電壓）進(jìn)行控制。匯流條電壓提高，紫線電壓（內(nèi)線）分壓提高最終控制勵(lì)磁電流降低，匯流條電壓降低，紫線電壓（內(nèi)線）獲得分壓降低將控制勵(lì)磁電流上升。在均衡交聯(lián)情況下，若連接的均衡電壓高于LM324輸出電壓，即電壓比較器CA3140E的U2>U3，此時(shí)6腳輸出低電平，D14導(dǎo)通，調(diào)壓三極管Q1，Q2導(dǎo)通，Q2導(dǎo)通后，紫線電壓（內(nèi)線）獲得分壓將降低，最后將影響控制勵(lì)磁電流上升。反之，若連接的均衡電壓低于調(diào)壓器本身均衡電壓值，D14將截止，調(diào)壓三極管Q1，Q2截止，此時(shí)的電壓控制依然由反饋的匯流條電壓決定。

電壓檢測比較電路簡稱檢比電路，用于檢測發(fā)電機(jī)的輸出電壓變化，并把它與基準(zhǔn)電壓比較而產(chǎn)生偏差信號(hào)Uet，檢比電路的輸出信號(hào)是發(fā)電機(jī)電壓檢測值與基準(zhǔn)值的差值，其大小反映發(fā)電機(jī)電壓的偏差，其主要由3個(gè)電壓比較器LM324組成，電壓比較器的兩個(gè)輸入端分別是基準(zhǔn)信號(hào)和電壓取樣信號(hào)，通過電壓比較器進(jìn)行電壓比較，輸出誤差信號(hào)，送入調(diào)制電路部分[2]。

調(diào)制電路偏差信號(hào)Uet轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的頻率固定，而脈沖的寬度與檢比電路的輸出信號(hào)成正比，即脈沖的寬度隨發(fā)電機(jī)電壓的高低而變化，通過調(diào)節(jié)脈沖方波信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電壓發(fā)電電壓和輸出電壓的調(diào)節(jié)。

功率放大電路主要由兩個(gè)功率放大三極管組成，為了增大放大倍數(shù)，采用兩只達(dá)林頓連接的大功率晶體管串聯(lián)在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組W中，要使晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，晶體管基極的輸入信號(hào)則應(yīng)為矩形波。這個(gè)矩形波信號(hào)就是晶體管調(diào)壓器檢比電路得到的電壓誤差信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制、整形而得到的，所以晶體管輸入信號(hào)脈沖寬度反映的就是發(fā)電機(jī)電壓誤差。當(dāng)輸入矩形脈沖為高電位時(shí)，晶體管導(dǎo)通，當(dāng)輸入矩形脈沖為低電位時(shí)，晶體管截止。脈沖信號(hào)經(jīng)整形及電壓放大后，再進(jìn)行功率放大，去控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而使發(fā)電機(jī)電壓恢復(fù)到調(diào)定值。

電壓反饋電路主要以2N4871三極管為核心的電阻、電容電路等組成，發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)過一系列的分壓、整形等過程后，反饋到電壓比較器進(jìn)行電壓比較，調(diào)節(jié)電阻RT可以調(diào)節(jié)紫線電壓（內(nèi)線）分壓的大小，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。B電路板中，場效應(yīng)管2N4871用來給LM339N提供電源，同時(shí)也提供標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓比較電源VCC(Pin3)，LM339N是集成了4個(gè)電壓比較器的集成電路，其中OUT3電壓比較器是電壓驅(qū)動(dòng)級，OUT1是調(diào)壓用比較器，OUT2是過壓保護(hù)比較器，OUT4是勵(lì)磁電流過流保護(hù)比較器。當(dāng)紫線分壓過高時(shí)，超過閾值電壓，OUT2將輸出高電平，D11導(dǎo)通，晶閘管Q4的柵極G電平拉高，使勵(lì)磁電流輸出（藍(lán)色）的晶閘管2N6401輸出端接地，達(dá)到過壓保護(hù)的目的。當(dāng)勵(lì)磁電流太大時(shí)，OUT4將輸出高電平，同理也將使勵(lì)磁輸出的晶閘管，2N6401輸出端接地，達(dá)到過流保護(hù)的目的。

2N6401在電路中作為保護(hù)晶閘管使用。當(dāng)紫線分壓沒有超過設(shè)定閾值時(shí)，電壓主要通過OUT1，OUT3來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小的目的。設(shè)紫線分壓升高，OUT3輸出升高，OUT1輸出降低，Q2的C極電壓Uc將升高，Q5的B極電壓降升高，運(yùn)放管TIP34c的Ue降低，所以勵(lì)磁電流將降低；反之若紫線分壓降低將引起勵(lì)磁電流升高。三極管Q3是電源供電低壓保護(hù)開關(guān)，當(dāng)調(diào)壓器電源過低，穩(wěn)壓管D12電壓過低，Q3導(dǎo)通，D14將正向?qū)?，晶閘管Q4的柵極G電平拉高，使勵(lì)磁電流輸出（藍(lán)色）的晶閘管2N6401輸出端接地，達(dá)到欠壓保護(hù)的目的。

2 B-00392-1調(diào)壓器的調(diào)壓原理與均衡控制

將上述各基本電路聯(lián)系起來，調(diào)壓過程可用符號(hào)表示為：

由于PA-44-180飛機(jī)上采用了兩臺(tái)同容量發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作，每臺(tái)發(fā)電機(jī)又有自己的電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如果調(diào)節(jié)其中某一臺(tái)發(fā)電機(jī)的無功功率或有功功率，將會(huì)導(dǎo)致供電原網(wǎng)電壓和頻率的變化，均衡控制電路通過負(fù)反饋控制來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，最終達(dá)到兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均衡輸出的目的，并在一臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出過高或過低時(shí)，關(guān)斷發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，以達(dá)到保護(hù)發(fā)電機(jī)的目的。在均衡交聯(lián)情況下，若連接的均衡電壓高于LM324輸出電壓，即電壓比較器CA3140E的6腳輸出低電平使紫線電壓（內(nèi)線）獲得分壓降低，最后將影響控制勵(lì)磁電流上升。反之，若連接的均衡電壓低于調(diào)壓器本身均衡電壓值，調(diào)壓三極管截止，此時(shí)的電壓控制依然由反饋的匯流條電壓決定。

3 B-00392-1電壓調(diào)壓器性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證根據(jù)B-00392-1電壓調(diào)壓器實(shí)物所繪制的電路圖及相關(guān)結(jié)構(gòu)原理是否符合實(shí)際運(yùn)行情況，評估調(diào)壓器性能指標(biāo)是否滿足雙發(fā)工作要求，采用了三件電壓調(diào)壓器配合發(fā)電機(jī)進(jìn)行了接線測試、調(diào)壓測試、均衡測試、過壓保護(hù)測試等。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

(1)橙黃壓差反應(yīng)的是發(fā)電機(jī)輸出電流大小，其有一定變化范圍，改變橙黃線之間電位差，可以控制均衡電壓，綠線電壓即均衡電壓隨著輸出電流的大小產(chǎn)生變化。其中均衡電壓與勵(lì)磁電流均存在最大值，其中壓差超過75mV時(shí)，均衡電壓達(dá)到最大10.2V~10.7V；壓差超過230mV勵(lì)磁電流達(dá)到最大2.3A~2.8A。

(2)不按棕線、灰線、綠線、橙線、黃線時(shí)單臺(tái)發(fā)電機(jī)要輸出電流。不接紫線時(shí)調(diào)壓器失去調(diào)壓功能，調(diào)壓器易過壓保護(hù)，棕線電壓反應(yīng)的是發(fā)電機(jī)中心點(diǎn)N電壓，其大小為U/2。

(3)均衡電壓與勵(lì)磁電流均存在最大值，其中壓差超過75mV時(shí)，均衡電壓達(dá)到最大10.2V~10.7V；壓差超過230mV勵(lì)磁電流達(dá)到最大2.3~2.8A；在可控區(qū)，勵(lì)磁電路與均衡電壓與壓差變化呈現(xiàn)線性關(guān)系。

(4)RT電位器通過調(diào)節(jié)紫線分壓調(diào)節(jié)晶閘管控制門限，從測試數(shù)據(jù)看，橙線測試的反饋電壓離門限值遠(yuǎn)，將輸出最大勵(lì)磁以提高輸出電壓；此時(shí)改變均衡電壓將不能改變勵(lì)磁電流大小，即此狀態(tài)下均衡失效；當(dāng)反饋電壓高過門限值時(shí)，將進(jìn)入保護(hù)，關(guān)閉勵(lì)磁。

(5)當(dāng)外界均衡電壓低于7.27V時(shí)（本身輸出均衡電壓），勵(lì)磁輸出維持在一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)外界均衡電壓高于7.27V時(shí)，將驅(qū)動(dòng)增加勵(lì)磁輸出以與外界匹配，但在此狀態(tài)下為最大勵(lì)磁輸出。

(6)當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載增加時(shí)，調(diào)壓器會(huì)增加勵(lì)磁電流提升發(fā)電機(jī)輸出功率，但是當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載超過電源系統(tǒng)所能提供的能量時(shí)，調(diào)壓器就進(jìn)行保護(hù)切斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)斷電。適當(dāng)提高穩(wěn)壓點(diǎn)，可適當(dāng)提高系統(tǒng)負(fù)載能力，但效果可能不明顯，還有可能影響過壓保護(hù)點(diǎn)。發(fā)電機(jī)的輸出電壓超過發(fā)電機(jī)的設(shè)定電壓時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流大小會(huì)逐漸減小，并最終引起調(diào)壓器保護(hù)，關(guān)斷發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。

4 總結(jié)

隨著飛機(jī)零部件的老化，飛機(jī)逐漸從浴盆曲線的偶然故障期進(jìn)入耗損故障期，發(fā)生在供電系統(tǒng)的問題越來越多，通過研究B-00392-1調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理可以提升我們的電源系統(tǒng)排故能力，更好地避免雙發(fā)飛機(jī)供電系統(tǒng)故障，確保飛行安全的需要。