數(shù)字變頻控制點(diǎn)火裝置分析

閆東東,肖 峻,趙 軍,馮建昌

(1.天津大學(xué) 電氣自動化與信息工程學(xué)院,天津 300072;2.天津航空機(jī)電有限公司,天津 300308)

0 引言

發(fā)動機(jī)的啟動需要點(diǎn)火系統(tǒng)引燃燃油作為能量起始。點(diǎn)火裝置一般與點(diǎn)火電纜、點(diǎn)火電嘴組成點(diǎn)火系統(tǒng),工作過程是:點(diǎn)火裝置接通電源,產(chǎn)生高壓脈沖,通過點(diǎn)火電纜傳輸,在點(diǎn)火電嘴表面產(chǎn)生擊穿放電,電火花點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的空氣燃油混合氣體[1]。

發(fā)動機(jī)必須具備可靠的地面和空中點(diǎn)火能力,這取決于點(diǎn)火系統(tǒng)的可靠性和安全性。傳統(tǒng)的模擬電路點(diǎn)火裝置工作過程中輸出參數(shù)穩(wěn)定性差,受環(huán)境影響大。例如,當(dāng)發(fā)動機(jī)在高原高空環(huán)境下啟動時(shí),由于海拔高度增加,空氣變得稀薄,點(diǎn)火時(shí)燃燒室內(nèi)的空氣流量存在不同程度的下降,燃燒條件變惡劣;同時(shí)燃油流量下降且霧化效果變差,燃燒室內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)、流場內(nèi)的氣體流速、火焰形態(tài)會發(fā)生很大變化,導(dǎo)致引燃困難或熄滅等風(fēng)險(xiǎn)[2-3]。因此,確保航空發(fā)動機(jī)在高原高空等惡劣條件下的高可靠點(diǎn)火性能變得尤為關(guān)鍵。同時(shí),隨著作戰(zhàn)需求的不斷變化和新戰(zhàn)機(jī)對全天候作戰(zhàn)性能要求的提高,對點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)也提出了持續(xù)工作、壽命長、可靠性高等要求。

為解決航空發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置輸出參數(shù)穩(wěn)定性差和受環(huán)境影響大等問題,美國點(diǎn)火系統(tǒng)制造商率先開展了固態(tài)點(diǎn)火裝置的研究。Unison公司在20世紀(jì)90年代首次成功研制出數(shù)字固態(tài)點(diǎn)火裝置,采用固態(tài)器件代替機(jī)電觸點(diǎn)和氣體放電管,大幅提高了放電頻率的穩(wěn)定性和工作可靠性。1994年開始,Unison公司的數(shù)字固態(tài)點(diǎn)火裝置逐漸在新型航空發(fā)動機(jī)和輔助動力裝置中應(yīng)用[4]。Champion公司在2000年后也開始了數(shù)字固態(tài)點(diǎn)火裝置的研制,隨著電子器件的快速發(fā)展,數(shù)字固態(tài)點(diǎn)火裝置的技術(shù)和研制也取得了突破,如更耐高溫、質(zhì)量更輕、體積更小、工作可靠性更高等[5]。目前Unison公司和Champion公司已發(fā)展成為美國最大的兩家航空點(diǎn)火系統(tǒng)制造商,憑借多年的技術(shù)優(yōu)勢,其點(diǎn)火產(chǎn)品的應(yīng)用覆蓋了歐美國家大多數(shù)航空發(fā)動機(jī)和輔助動力裝置。

國內(nèi)的航空發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置仍以機(jī)電觸點(diǎn)原理和模擬電路為主,其放電頻率和放電火花能量受環(huán)境溫度和工作電壓影響較大。為此,文獻(xiàn)[6]提出了一種采用晶體管RCC模擬電路的點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)方案,該方案原理簡單,制造工藝成熟,應(yīng)用較廣;但受制于半導(dǎo)體器件工作特性,當(dāng)工作電壓、工作溫度變化時(shí),其放電頻率會發(fā)生較大波動,且短時(shí)工作時(shí)間僅為10～20 s。為此,文獻(xiàn)[7]提出了一種采用數(shù)字定頻輸出的它激式點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)方案,其振蕩電路采用PWM控制MOSFET變換器工作,同時(shí)通過儲能充電電路增加了反饋系統(tǒng),這種點(diǎn)火裝置輸出參數(shù)相對穩(wěn)定,能夠在高低溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)定頻輸出,近年來在部分發(fā)動機(jī)上也有了應(yīng)用,點(diǎn)火可靠性也有了提升,但只能實(shí)現(xiàn)額定頻率輸出,同樣無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作輸出;在惡劣環(huán)境工況下發(fā)生啟動困難或發(fā)動機(jī)熄火等故障。為此,文獻(xiàn)[8]針對現(xiàn)有點(diǎn)火裝置提出了一種具備放電頻率延時(shí)切換功能的點(diǎn)火裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,采用RC振蕩器原理實(shí)現(xiàn)放電頻率切換,但只能實(shí)現(xiàn)3～5 s內(nèi)的切換,不能實(shí)現(xiàn)精確控制,不能完全滿足發(fā)動機(jī)在高空高原復(fù)雜環(huán)境下點(diǎn)火時(shí)間延長的需求,仍存在引燃困難或熄滅等風(fēng)險(xiǎn),且該技術(shù)原理目前仍在預(yù)研階段[9],尚未工程化應(yīng)用。

綜上,我國現(xiàn)有模擬電路點(diǎn)火裝置存在放電頻率波動較大問題,新的數(shù)字點(diǎn)火裝置存在不能長時(shí)工作問題,均存在導(dǎo)致發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程中的可靠性降低,帶來引燃效率不高進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)點(diǎn)火故障的風(fēng)險(xiǎn)[10]。為此,本文提出了一種基于數(shù)字變頻連續(xù)輸出技術(shù)原理的點(diǎn)火裝置設(shè)計(jì)方案,并成功研發(fā)出點(diǎn)火裝置。實(shí)現(xiàn)了寬電壓范圍內(nèi)放電頻率和放電電壓穩(wěn)定輸出,具有放電火花持續(xù)時(shí)間長和變頻連續(xù)輸出的優(yōu)點(diǎn),大幅提高了發(fā)動機(jī)引燃效率、降低了熄滅風(fēng)險(xiǎn),點(diǎn)火可靠性得到明顯提升。

本文點(diǎn)火裝置是國內(nèi)首臺已成功裝機(jī)應(yīng)用的具備變頻連續(xù)點(diǎn)火能力的數(shù)字點(diǎn)火裝置。點(diǎn)火裝置已隨發(fā)動機(jī)完成設(shè)計(jì)鑒定,為某型發(fā)動機(jī)獨(dú)立配套。實(shí)際應(yīng)用表明,本文點(diǎn)火裝置能滿足地面啟動、空中啟動和高原等復(fù)雜氣候環(huán)境下的高可靠點(diǎn)火工作。

1 工作原理

點(diǎn)火裝置通用工作原理框圖如圖1所示。接通10～30 V直流電源后,將機(jī)上直流電通過濾波電路、MOS開關(guān)電路、PWM控制電路將低壓直流電變換為高壓脈沖電。經(jīng)過儲能電路對儲能電容器充電;電容器充電電壓達(dá)到閾值電壓后,PWM控制電路中的觸發(fā)模塊發(fā)出信號驅(qū)動晶閘管開關(guān)電路進(jìn)行放電[11];經(jīng)放電電路傳導(dǎo)給點(diǎn)火電嘴,在點(diǎn)火電嘴表面形成電火花,電火花點(diǎn)燃發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)空氣和燃油的混合氣。

圖1 點(diǎn)火裝置通用工作原理框圖

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 點(diǎn)火電路原理

點(diǎn)火裝置電路簡化原理圖如圖2所示。

圖2 點(diǎn)火電路簡化原理圖

電路中主要變換部分是直流變換器。當(dāng)電源接通后,MOS管導(dǎo)通,由于變壓器T1初級線圈W1的電感特性,初級回路中的電流從0逐漸增長[12]。

忽略MOS管導(dǎo)通壓降、初級線圈漏感等有關(guān)參數(shù),初級電路的方程為

(1)

式中:U1為電源電壓;L1為初級線圈W1中的電感值;R1為初級線圈W1的電阻值。

MOS管導(dǎo)通時(shí),初級電路中電流Ic以指數(shù)規(guī)律增長,表達(dá)式為

(2)

(3)

(4)

MOS管關(guān)斷時(shí),次級線圈W2通過整流二極管V2向儲能電容器C2充電,使原有的電磁能轉(zhuǎn)換為靜電能[13-15]。

初級平均電流為

(5)

將圖2中的變壓器T1按等效折算電壓電流的方法考慮[16],忽略漏感和效率損失等有關(guān)參數(shù)影響,得到等效電路模型,如圖3所示。

圖3 充電電路簡化原理圖

圖中R1為初級線圈W1的內(nèi)阻,R21為次級線圈內(nèi)阻R2折算到初級的等效值(R21=R2/n2,R21為次級線圈內(nèi)阻,n為匝比),C21為次級儲能電容器C2電容量折算到初級的等效值,C21=n2C2。

MOS關(guān)斷時(shí),L1因其電感特性,以關(guān)斷時(shí)的電流Icm為后端儲能電容充電,L1上的感應(yīng)電壓由負(fù)載端決定。由于二極管的單向特性,儲能電容器只能充電不能放電,所以電壓電流隨時(shí)間變化的特性只能表現(xiàn)在電感電流由Icm降為0的時(shí)間段內(nèi)。然后二極管關(guān)斷,MOS管又開始導(dǎo)通。

(6)

(7)

(8)

儲能電容第一次充電時(shí)間t1為

(9)

MOS管第二次關(guān)斷時(shí),繼續(xù)對儲能電容器充電,電容器上已有電壓為Uct1,第二次充電后電容電壓Uct2計(jì)算式為:

(10)

(11)

電容二次充電時(shí)間t2計(jì)算式為

(12)

(13)

2.2 頻率控制電路設(shè)計(jì)

2.2.1 頻率發(fā)生器電路

點(diǎn)火裝置的放電頻率為變頻設(shè)計(jì),發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)要求值由6 Hz變?yōu)? Hz。采用分頻器(計(jì)數(shù))電路實(shí)現(xiàn)頻率控制[17],本電路設(shè)計(jì)主要采用一個(gè)24級二進(jìn)制紋波計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn),可以自激振蕩或外加時(shí)鐘頻率,適用于構(gòu)成各種可編程分頻器。

通過配置外圍電路(如圖4所示),當(dāng)分頻器的A(第9引腳)、B(第10引腳)、C(第11引腳)、D(第12引腳)引腳觸發(fā)編碼確定時(shí),其輸出頻率由外圍的RC振蕩電路決定(4引腳與5引腳之間的電容C2、電阻R1、R3),本電路頻率輸出設(shè)計(jì)值要求不小于發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)要求值(6 Hz),即通過分頻器構(gòu)成的頻率控制電路設(shè)計(jì),使得分頻器13引腳輸出不小于6 Hz的方波信號,以用于控制關(guān)聯(lián)電路。

圖4 頻率發(fā)生器電路

為保證放電頻率f>6 Hz,根據(jù)電路原理,需要調(diào)整控制放電頻率的分頻器13引腳輸出頻率大于6 Hz,根據(jù)MC14536B芯片手冊,分頻器13引腳的輸出頻率f和振蕩頻率fosc之間的表達(dá)式為f=fosc/212,由分頻器外部的R1、R3和C2共同決定,即

(14)

式中RT為R1、R3并聯(lián)后阻值,且

(15)

2.2.2 變頻放電控制電路

變頻放電控制電路主要是通過計(jì)數(shù)器原理[18],實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的由6 Hz到1 Hz放電頻率的切換。圖5中是一種8位可預(yù)置同步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器芯片,通過配置外圍電路可實(shí)現(xiàn)預(yù)置值為200的減法計(jì)數(shù)器功能。計(jì)數(shù)器14引腳輸出高電平,時(shí)鐘信號端2引腳接收方波信號開始計(jì)數(shù),接收一個(gè)上升沿信號計(jì)數(shù)器減1,直到將預(yù)置值200減到0,14引腳輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)頻率發(fā)生器電路分頻器的A、B、C、D由原來的1100變?yōu)?010。同時(shí)R1、R3由原來的并聯(lián)接入變?yōu)镽1單獨(dú)接入。通過這樣的電路連接,分頻器的輸出放電頻率由額定的6 Hz變?yōu)? Hz左右。

圖5 變頻放電控制電路

計(jì)數(shù)200次后,計(jì)數(shù)器14引腳輸出低電平,MOS管關(guān)斷,只有R3接入電路,同時(shí)分頻器配置引腳變?yōu)?010,對應(yīng)214,此時(shí)有:

(16)

(17)

2.3 放電控制電路設(shè)計(jì)

放電控制電路采用晶閘管開關(guān)替代現(xiàn)有點(diǎn)火裝置中壽命短、可靠性較低的氣體放電管,氣體放電管因其原理特性,擊穿電壓分散性較大(通常為±20%),且壽命較短。圖6所示為放電控制電路原理圖,S1晶閘管為放電開關(guān),R6為保護(hù)電阻,R7電阻用于充電監(jiān)測取樣,當(dāng)儲能電容器C16達(dá)到規(guī)定充電電壓后,觸發(fā)后級電路工作,完成能量釋放。

圖6 放電控制電路

圖6中,儲能電容器C16達(dá)到規(guī)定充電電壓后,比較器輸出觸發(fā)信號,S4晶閘管導(dǎo)通,T2觸發(fā)變壓器開始工作,S1晶閘管導(dǎo)通,能量釋放輸出,比較器復(fù)位,進(jìn)行下一周期的充放電工作,放電控制電路可以實(shí)現(xiàn)放電電壓的穩(wěn)定輸出,從而減少放電過程中的能量損耗。

3 仿真與測試

本文點(diǎn)火裝置在裝機(jī)應(yīng)用前通過了135 min時(shí)長的持續(xù)點(diǎn)火工作性能考核,能夠滿足每架次工作時(shí)長(1～2 h)的使用要求。按GJB 150.1A標(biāo)準(zhǔn)完成了高低溫(-55～125 ℃)、低氣壓、濕熱、霉菌、鹽霧、振動、沖擊等環(huán)境適應(yīng)性考核[19],本文點(diǎn)火裝置均能正常工作。

本節(jié)詳細(xì)介紹充電電路波形仿真、放電頻率、放電輸出電壓等關(guān)鍵性能參數(shù)的測試驗(yàn)證。

3.1 充電電路仿真

點(diǎn)火裝置通過MOS管的開關(guān)信號,使得變壓器T1周期性地導(dǎo)通與截止,實(shí)現(xiàn)了直流—交流轉(zhuǎn)換,通過變壓器T1的反激特性,對儲能電容進(jìn)行周期性充電,采用Saber軟件對充電波形進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖7所示。

圖7 儲能電容器充電波形

由圖7可見,儲能電容器按設(shè)定頻率周期性充電,每個(gè)周期內(nèi)的充電峰值電壓為2.8 kV。

根據(jù)要求工作電壓(直流)為10～30 V,現(xiàn)通過設(shè)置工作電壓為10 V、28 V、30 V時(shí),測試電容充電的時(shí)間,如圖8所示。不同工作電壓下電容器充電時(shí)間如表1所示。

表1 不同工作電壓下電容器充電時(shí)間

圖8 不同工作電壓下儲能電容器充電狀態(tài)

由圖8和表1可見,在10～30 V范圍內(nèi),本文點(diǎn)火裝置均能在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)要求值6 Hz對應(yīng)時(shí)間166.67 ms內(nèi)完成充電。

3.2 放電頻率測試

點(diǎn)火裝置在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成儲能電容器高壓脈沖電能的充放,并周期性進(jìn)行,此為點(diǎn)火裝置高壓脈沖電能的輸出頻率,即放電頻率,測試結(jié)果見表2。

表2 放電頻率測試

從表2可知,本文裝置在不同工作電壓下的放電頻率穩(wěn)定,可以實(shí)現(xiàn)放電頻率啟動時(shí)為6 Hz、啟動后自動變換為1 Hz的功能,在10～30 V工作電壓范圍內(nèi)放電頻率浮動在0.5 Hz以內(nèi),放電頻率波動率[波動率=(頻率最大值-頻率最小值)/頻率最小值]約為7%。

3.3 放電輸出電壓測試

放電輸出電壓為點(diǎn)火裝置高壓脈沖電能輸出的峰值電壓,當(dāng)點(diǎn)火裝置儲能電容器達(dá)到規(guī)定充電電壓后,觸發(fā)后級電路工作,完成儲能電容器中的放電輸出,并按輸出頻率周期性進(jìn)行。圖9為本文裝置放電輸出時(shí)的電壓波形。

圖9 放電輸出電壓波形

放電輸出電壓設(shè)計(jì)要求值大于2.5 kV,點(diǎn)火電嘴最小放電電壓要求值小于1.5 kV。由圖9可知,本文點(diǎn)火裝置放電輸出電壓穩(wěn)定,電壓峰值為2.8 kV,完全滿足擊穿點(diǎn)火電嘴產(chǎn)生電火花的要求。

3.4 放電火花能量測試

放電火花能量是衡量點(diǎn)火性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo),通過對點(diǎn)火電嘴產(chǎn)生電火花瞬間電極間的電壓、電流及電火花持續(xù)時(shí)間的測量,得到實(shí)時(shí)消耗的電能,以此確定放電火花能量,并衡量能量轉(zhuǎn)化效率。

圖10 放電火花能量波形

由圖10可知,單個(gè)放電火花能量為497 mJ,放電火花持續(xù)時(shí)間約為176 μs(現(xiàn)有點(diǎn)火裝置為40～120 μs)。本文點(diǎn)火裝置采用數(shù)字固態(tài)放電控制電路實(shí)現(xiàn)了放電火花能量的穩(wěn)定輸出。

4 與現(xiàn)有技術(shù)比較

國外發(fā)動機(jī)主要以數(shù)字定頻點(diǎn)火裝置為主,如點(diǎn)火裝置E3X,個(gè)別發(fā)動機(jī)應(yīng)用了數(shù)字變頻點(diǎn)火裝置,但多以短時(shí)間歇式工作方式為主,由于數(shù)據(jù)保密原因,未獲得國外點(diǎn)火裝置裝機(jī)應(yīng)用的可靠性數(shù)據(jù),因此本文只進(jìn)行性能指標(biāo)對比,裝機(jī)應(yīng)用的可靠性數(shù)據(jù)不予對比。

國內(nèi)現(xiàn)有裝機(jī)的點(diǎn)火裝置多以模擬電路為主,如點(diǎn)火裝置X1;少部分型號應(yīng)用了數(shù)字定頻技術(shù)原理的點(diǎn)火裝置,如點(diǎn)火裝置X2。本文點(diǎn)火裝置和現(xiàn)有點(diǎn)火裝置的性能對比如表3所示。

表3 與現(xiàn)有同類發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置的性能指標(biāo)對比

由表3可見,本文點(diǎn)火裝置和現(xiàn)有點(diǎn)火裝置相比,能夠長時(shí)持續(xù)工作,從而保證發(fā)動機(jī)燃燒室具有持續(xù)輸出的穩(wěn)定點(diǎn)火源,因而能大幅提高引燃效率、降低熄滅風(fēng)險(xiǎn),提升發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火可靠性。

本文點(diǎn)火裝置能在較寬的工作電壓范圍尤其是10 V低電壓應(yīng)急狀態(tài)工作,因此點(diǎn)火過程中的可靠性也得到提高。

本文點(diǎn)火裝置的放電頻率波動率明顯低于現(xiàn)有點(diǎn)火裝置X1,與現(xiàn)有點(diǎn)火裝置X2、國外點(diǎn)火裝置EX3相當(dāng)。較低的波動率能保證點(diǎn)火裝置具有更好的環(huán)境適應(yīng)性和點(diǎn)火過程中的穩(wěn)定輸出,從而提升發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火可靠性[21]。

本文點(diǎn)火裝置在研制階段隨發(fā)動機(jī)完成了4 535次啟動,試飛階段累計(jì)飛行27架次/37 h,工作正常,未發(fā)生故障,滿足發(fā)動機(jī)裝機(jī)使用要求[22]。對現(xiàn)有點(diǎn)火裝置和本文點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和對比見表4。點(diǎn)火故障一般指引燃不充分或未點(diǎn)燃造成熄火,從而引起發(fā)動機(jī)啟動失敗。

表4 與現(xiàn)有點(diǎn)火裝置的點(diǎn)火故障數(shù)據(jù)對比

由表4可知,2018年至今,本文點(diǎn)火裝置的故障次數(shù)、故障產(chǎn)品占比和故障率均為0,明顯低于現(xiàn)有點(diǎn)火裝置。

相對現(xiàn)有點(diǎn)火裝置,由于本文點(diǎn)火裝置裝機(jī)數(shù)量較少,裝機(jī)使用數(shù)據(jù)還不夠充分,后續(xù)隨著本文點(diǎn)火裝置在同類型發(fā)動機(jī)的拓展應(yīng)用,裝機(jī)數(shù)量會繼續(xù)增加,需持續(xù)跟蹤本文點(diǎn)火裝置的應(yīng)用情況和可靠性數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種具有連續(xù)變頻輸出的數(shù)字點(diǎn)火裝置,點(diǎn)火裝置采用數(shù)字變頻控制電路,采用固態(tài)開關(guān)控制放電輸出,實(shí)現(xiàn)了寬電壓范圍內(nèi)放電頻率和放電電壓穩(wěn)定輸出,具有放電火花持續(xù)時(shí)間長和變頻連續(xù)輸出的優(yōu)點(diǎn),提高了點(diǎn)火可靠性。

本文點(diǎn)火裝置的研制應(yīng)用也為其他同類型發(fā)動機(jī)的拓展應(yīng)用提供了參考。