PA-44-180飛機發電機調壓器逆向工程結構原理解析

劉謙

（中國民用航空飛行學院飛機修理廠，四川廣漢，618307）

0 簡述

為了增強西門諾爾PA-44-180飛機供電系統故障隔離和容錯重構能力，提高飛機可靠性，PA44-180飛機采用了兩臺同型號的發電機（ALX-8521LS）和調壓器（B-00392-1）并聯接入連接匯流條， 當啟動發動機后，匯流條通過調壓器向發電機轉子的勵磁繞組提供勵磁電流，通過轉子的旋轉后，在定子線圈中便產生了感應交流電動勢，再通過整流二極管進行整流輸出就得到了直流電，這就是交－直流發電機交流變直流的過程[1]。左、右發電機均由各自的調壓器對其輸出的電壓進行調節，調壓器之間通過均衡線連接，以使兩臺發電機并聯供電的負載達到均衡。若其中一臺發電機工作性能下降（過壓、斷路等）不正常的工作狀態時，駕駛艙內儀表板上的ALT故障燈燃亮，警示飛行員電源系統出現問題。若調其中一臺壓器出現故障，則可能關斷所控制發電機的電壓輸出，由另一臺發電機單獨供電，當飛機負載變大（升降起落架時）另一臺發電機和電瓶的供電功率也不足時，就可能引起空中斷電，因此，研究B-00392-1調壓器內部結構及其工作原理對飛行安全具有重要的意義。

1 B-00392-1調壓器的結構和工作原理

B-00392-1調壓器由美國拉馬爾技術有限公司生產，其公司產品在現有85%以上的單引擎和雙引擎活塞和渦輪飛機都有安裝， 由于廠家不提供相關資料，本研究通過逆向工程實現了B-00392-1型調壓器電路結構和工作原理的解析。

B-00392-1調壓器屬于晶閘管脈沖調寬式（PWM）調壓器，“晶閘管”又稱“可控硅”(SCR）是一種四層三端半導體器件，把它接在電源和負載中間，配上相應的觸發控制電路板，就可以調整加到負載上的電壓、電流和功率。B-00392-1調壓器在電源系統正常運行情況下，能維持發電機或系統某點電壓水平，當發電機負荷或功率因數變化時，發電機端電壓發生相應變化，此時借助自動勵磁調節裝置相應改變發電機的勵磁電流大小，使電壓維持在給定水平，作保證電源質量，同時能合理分配發電機間無功負荷，提高電源系統的靜態穩定性。

1.1 B-00392-1電壓調壓器結構

B-00392-1電壓調壓器由檢比電路、調制電路、整形放大和反饋放大電路（執行電路）4個部分組成。檢比電路檢測發電機被調節量輸出電壓Uc與基準電壓Ue進行比較，當Uc偏離Ue時，檢比電路輸出誤差Uet = Uc-Ue，這個誤差信號經調制電路調制成方波信號，再經功率放大電路放大，通過晶體管開關電路調節發電機勵磁電流的平均值，從而達到發電機輸出電壓Uc的平穩輸出，從而減小或消除偏差。

我院西門諾爾飛機使用的B-00392-1調壓器調壓器內部主要由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監控電路。調壓器通過1個接線端（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，其具體接線端口功能和作表用見表1。

圖1 調壓器內部電路圖(A電路板)

圖2 調壓器內部電路圖(B電路板)

表1 B-00392-1調壓器接線端口的功能和作用

1.2 B-00392-1電壓調壓器工作原理

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荷，采樣放大積分后的電壓大小將反映發電機的發電情況，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壓器工作在均衡交聯狀態下，調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現調壓的模塊，主要由A電路板中RT，B電路板中場效應管2N4871，四電壓比較器M339N，晶閘管2N6401，電流放大三極管TIP34C組成。狀態監控電路主要由MPS4355，MPSA05，LM337組成。

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

在無均衡交聯情況下，調壓三極管Q1，Q2處于截止狀態，發電機勵磁的調節是通過反饋的匯流條電壓（紫線電壓）進行控制。匯流條電壓提高，紫線電壓（內線）分壓提高最終控制勵磁電流降低，匯流條電壓降低，紫線電壓（內線）獲得分壓降低將控制勵磁電流上升。在均衡交聯情況下，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6腳輸出低電平，D14導通，調壓三極管Q1，Q2導通，Q2導通后，紫線電壓（內線）獲得分壓將降低，最后將影響控制勵磁電流上升。反之，若連接的均衡電壓低于調壓器本身均衡電壓值，D14將截止，調壓三極管Q1，Q2截止，此時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，用于檢測發電機的輸出電壓變化，并把它與基準電壓比較而產生偏差信號Uet，檢比電路的輸出信號是發電機電壓檢測值與基準值的差值，其大小反映發電機電壓的偏差，其主要由3個電壓比較器LM324組成，電壓比較器的兩個輸入端分別是基準信號和電壓取樣信號，通過電壓比較器進行電壓比較，輸出誤差信號，送入調制電路部分[2]。

調制電路偏差信號Uet轉變為脈沖信號，脈沖信號的頻率固定，而脈沖的寬度與檢比電路的輸出信號成正比，即脈沖的寬度隨發電機電壓的高低而變化，通過調節脈沖方波信號的占空比來實現勵磁電流的調節，最終實現發電機電壓發電電壓和輸出電壓的調節。

功率放大電路主要由兩個功率放大三極管組成，為了增大放大倍數，采用兩只達林頓連接的大功率晶體管串聯在勵磁機勵磁繞組W中，要使晶體管工作在開關狀態，晶體管基極的輸入信號則應為矩形波。這個矩形波信號就是晶體管調壓器檢比電路得到的電壓誤差信號，經過調制、整形而得到的，所以晶體管輸入信號脈沖寬度反映的就是發電機電壓誤差。當輸入矩形脈沖為高電位時，晶體管導通，當輸入矩形脈沖為低電位時，晶體管截止。脈沖信號經整形及電壓放大后，再進行功率放大，去控制發電機的勵磁電流，從而使發電機電壓恢復到調定值。

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，發電機輸出電壓經過一系列的分壓、整形等過程后，反饋到電壓比較器進行電壓比較，調節電阻RT可以調節紫線電壓（內線）分壓的大小，從而調節勵磁電流。B電路板中，場效應管2N4871用來給LM339N提供電源，同時也提供標準的穩壓比較電源VCC(Pin3)，LM339N是集成了4個電壓比較器的集成電路，其中OUT3電壓比較器是電壓驅動級，OUT1是調壓用比較器，OUT2是過壓保護比較器，OUT4是勵磁電流過流保護比較器。當紫線分壓過高時，超過閾值電壓，OUT2將輸出高電平，D11導通，晶閘管Q4的柵極G電平拉高，使勵磁電流輸出（藍色）的晶閘管2N6401輸出端接地，達到過壓保護的目的。當勵磁電流太大時，OUT4將輸出高電平，同理也將使勵磁輸出的晶閘管，2N6401輸出端接地，達到過流保護的目的。

2N6401在電路中作為保護晶閘管使用。當紫線分壓沒有超過設定閾值時，電壓主要通過OUT1，OUT3來調節勵磁電流大小的目的。設紫線分壓升高，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，運放管TIP34c的Ue降低，所以勵磁電流將降低；反之若紫線分壓降低將引起勵磁電流升高。三極管Q3是電源供電低壓保護開關，當調壓器電源過低，穩壓管D12電壓過低，Q3導通，D14將正向導通，晶閘管Q4的柵極G電平拉高，使勵磁電流輸出（藍色）的晶閘管2N6401輸出端接地，達到欠壓保護的目的。

2 B-00392-1調壓器的調壓原理與均衡控制

將上述各基本電路聯系起來，調壓過程可用符號表示為：

由于PA-44-180飛機上采用了兩臺同容量發電機并聯工作，每臺發電機又有自己的電壓調節系統，如果調節其中某一臺發電機的無功功率或有功功率，將會導致供電原網電壓和頻率的變化，均衡控制電路通過負反饋控制來調節勵磁電流，最終達到兩臺發動機均衡輸出的目的，并在一臺發電機輸出過高或過低時，關斷發電機的勵磁電流，以達到保護發電機的目的。在均衡交聯情況下，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（內線）獲得分壓降低，最后將影響控制勵磁電流上升。反之，若連接的均衡電壓低于調壓器本身均衡電壓值，調壓三極管截止，此時的電壓控制依然由反饋的匯流條電壓決定。

3 B-00392-1電壓調壓器性能試驗

為了驗證根據B-00392-1電壓調壓器實物所繪制的電路圖及相關結構原理是否符合實際運行情況，評估調壓器性能指標是否滿足雙發工作要求，采用了三件電壓調壓器配合發電機進行了接線測試、調壓測試、均衡測試、過壓保護測試等。

實驗結論如下：

(1)橙黃壓差反應的是發電機輸出電流大小，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生變化。其中均衡電壓與勵磁電流均存在最大值，其中壓差超過75mV時，均衡電壓達到最大10.2V~10.7V；壓差超過230mV勵磁電流達到最大2.3A~2.8A。

(2)不按棕線、灰線、綠線、橙線、黃線時單臺發電機要輸出電流。不接紫線時調壓器失去調壓功能，調壓器易過壓保護，棕線電壓反應的是發電機中心點N電壓，其大小為U/2。

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

(4)RT電位器通過調節紫線分壓調節晶閘管控制門限，從測試數據看，橙線測試的反饋電壓離門限值遠，將輸出最大勵磁以提高輸出電壓；此時改變均衡電壓將不能改變勵磁電流大小，即此狀態下均衡失效；當反饋電壓高過門限值時，將進入保護，關閉勵磁。

(5)當外界均衡電壓低于7.27V時（本身輸出均衡電壓），勵磁輸出維持在一個狀態，當外界均衡電壓高于7.27V時，將驅動增加勵磁輸出以與外界匹配，但在此狀態下為最大勵磁輸出。

(6)當系統負載增加時，調壓器會增加勵磁電流提升發電機輸出功率，但是當發電機的負載超過電源系統所能提供的能量時，調壓器就進行保護切斷發電機勵磁電流，導致發電機斷電。適當提高穩壓點，可適當提高系統負載能力，但效果可能不明顯，還有可能影響過壓保護點。發電機的輸出電壓超過發電機的設定電壓時，發電機的勵磁電流大小會逐漸減小，并最終引起調壓器保護，關斷發電機勵磁。

4 總結

隨著飛機零部件的老化，飛機逐漸從浴盆曲線的偶然故障期進入耗損故障期，發生在供電系統的問題越來越多，通過研究B-00392-1調壓器的結構和工作原理可以提升我們的電源系統排故能力，更好地避免雙發飛機供電系統故障，確保飛行安全的需要。