某型機起動發電機勵磁功能研究及故障分析

關思洋

（哈爾濱哈飛航空工業有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

調節勵磁電流是發電機控制器（GCU）實現控制起動發電機起動、發電及各種保護功能的重要方式[1]。發電機控制器與飛機起動發電機配套運行，它使飛機上起動發電機調節點電壓在全機設備工作負載及發動機轉速不斷變化的情況下保持穩定的數值，它是通過改變以一定頻率工作在開關狀態下的功率管的導通比來調節勵磁電流，而達到電壓恒定的目的，通過調節勵磁電流使電樞電流在轉速上升保持恒定，結合探測發電機端電壓，形成閉環反饋，還能實現發動機起動[2]，控制起動階段的起動階段力矩，以便順利起動。發電機控制器還需要使磁場保持一個極限電流，防止起動發電機過速。在發動機不同轉速情況下提供可靠的轉動力矩。起動發電機發電運行階段，在不同條件下，發電機控制器調節勵磁電流工作循環以提供一個穩定的調壓點電壓，該電流可通過連接勵磁感應線圈的續流二極管使其平滑，通常最大勵磁電流為12 A。某型機起動發電機在發動機起動階段和起動完成后發電階段采用兩種不同形式的勵磁方式，在發動機起動階段采用復激方式，以并激繞組為主，以串激繞組為輔。工作與發電階段時狀態為并激，此時串激繞組開路。在某些特殊規定的條件下，工作于起動狀態時才能接成串激，并激繞組開路。

1 勵磁功能研究

1.1 發動機起動控制

飛機起動按鈕通過發電機控制器起動控制輸出點觸發起動順序，發電機控制器是控制起動發電機的重要部件，控制器控制電路中的勵磁繼電器晶體管及濾波器等元器件裝配在發電機控制器殼體上，依靠自然對流即可散熱，無安裝要求。發電機控制器通常由3 個印刷電路板組成，分別具有電壓調節、均衡器、電流限制功能、磁場弱化電流功能、主接觸器及起動接觸器控制功能和控制盒自身的保護電路。發電機控制器提供起動信號，以自動復位發電機控制器內部勵磁繼電器[3]，抑制饋線短路保護功能并通過串激繞組控制弱化磁場。起動電流敏感信號由發電機控制器接收，經電阻及運放比較器組成的控制電路進行比較，之后經三極管放大后送至場效應管柵極以進行勵磁調節。當起動電流轉速上升反向電勢升高而需要下降時，調小勵磁，使反向電勢不隨轉速升高而增大，從而保持起動電流恒定，以順利實現起動功能。

磁場弱化功能用于改善發動機起動階段的起動性能，通過串激繞組弱化定子磁場維持起動階段的起動力矩，發電機控制器通過探測發電機上與力矩相關的電樞電流，通過電流比較器的動作控制磁場，達到磁場弱化的目的以維持最先的電樞電流，并且可以在更高的起動轉速下維持扭矩以完成起動，起動發電機繞組原理圖如圖1 所示。

圖1 起動發電機繞組原理圖

1.2 發電機發電運行控制

起動發電機發電階段由發電機控制器提供勵磁控制，通過電壓敏感電路、基準電路、比較電路、控制電路和功率電路進行調壓，敏感電路是由一系列電阻組成的分壓電路和濾波電容組成，采集起動發電機電壓由電位器中間的抽頭取出敏感電壓加到運算放大器，使起動發電機電壓可在一定范圍之內變化。基準電路經穩壓管和穩壓電源組成，具有很高的精度和穩定性。比較電路是由運算放大電路組成，它隨時對兩個輸入端的電壓進行比較。控制電路和功率電路使剩磁電壓產生一個基極電流，通過復合功率管產生一個較小的勵磁電流，使發電機電壓升高，此電壓又使勵磁電流增大，如此循環，起動發電機電壓很快建立。

起動發電機電壓通過機上引線引向發電機控制器，經濾波和開關調制后，通過磁閉鎖繼電器常閉觸點和控制信號調節磁場電壓。在不同條件下，發電機控制器調節勵磁電流工作循環以提供一個穩定的調壓點電壓，通過連接至勵磁感應線圈的續流二極管使其它平滑。功率管處于開關工作狀態，當電壓低于要求值時就加上磁場電壓，當達到或高于要求的電壓值時，則切斷磁場電壓。

功率管控制電路隨時從引線引入的發電機的被調節電壓和參考電壓值進行比較，按其電壓差，調節功率管的導通時間，以便起動發電機電壓和參考電壓壓差保持在最小值。發電機控制器通過調節發電機勵磁控制勵磁磁場對系統進行過電壓、反極性、反向過壓等功能保護，還對并聯工作的兩臺起動發電機的負載進行檢測和調節，使兩臺起動發電機負載差值保持在較小的范圍內，通過自檢電路，能通過控制起動發電機的勵磁通斷實現系統過壓跳閘，還能實現反極性保護、遠距跳閘功能和抑制無線電干擾及起動控制調節功能。

1.2.1 電流限制

發電機控制器電流限制電路探測發電機的電壓，通過控制勵磁電流來控制發電機發電電流，防止起動發電機出現過流故障[4]，過流故障易引起發電機過熱而損壞起動發電機，當測量點對地電壓高于設定的電壓值時，將啟動電流限制功能，控制勵磁電流，使起動發電機降低電流輸出。

1.2.2 過壓及欠壓保護

過壓保護功能的目的是當起動發電機過電壓，切斷勵磁使起動發電機失去勵磁并通過反流保護功能使起動發電機主接觸器斷開達到與機上電網隔離目的，以免起動發電機和電網遭到高壓損壞。發電機控制器具有電壓瞬態極限反延時過壓探測線路，通過控制一個雙穩態勵磁繼電器，控制起動發電機主接觸器斷開，雙穩態繼電器由兩個線圈控制：一個用于跳閘，一個用于復位過壓保護提供反循環功能，當復位信號施加到發電機控制器，且系統此時未出現故障，可對跳閘的勵磁繼電器遠程復位并恢復起動發電機正常工作。對于并聯運行系統一個通道出現相同的故障時，提供過壓保護及不均衡的電流分配，不可通過均衡電路補償，對于此故障構型調壓器探測均衡匯流條上的電流并調整過壓保護的運行等級以僅在起動發電機向負載提供更大電流時使勵磁繼電器跳閘并使主接觸器斷開。

起動發電機在正常轉速下運行時，若電壓降至門限值時，在規定的延時時間后，發電機控制器提供欠壓保護，該保護使起動發電機主接觸器斷開并使起動發電機失去勵磁[5]。

1.2.3 發電狀態饋線短路保護

發電機控制器與兩個電流互感器共同提供起動發電機繞組至主接觸器區域導線的短路保護，兩個電流互感器正端耦合通過發電機控制器相連，若起動發電機繞組至主接觸器區域出現瞬時電流變化將形成故障脈沖信號并被發電機控制器探測到。饋線短路保護功能被瞬時故障電流激活并自動使起動發電機去勵磁同時斷開起動發電機主接觸器。在起動發電機的啟動階段由于起動電流較大，饋線短路保護功能被抑制。

1.2.4 過流保護

當主接觸器斷開且起動發電機饋線故障時，發電機控制器通過起動發電機探測點探測發電電流。若出現起動發電機過流故障，在一定時間延時以后，發電機控制器抑制主接觸器接通并使起動發電機去勵磁[6]。

過流保護門限值可由內部調節。

當主接觸器接通時，發電機控制器檢查為起動發電機負載提供的電流。當發電機過載時將提供保護切斷勵磁和主接觸器[6]。

1.2.5 過勵磁保護

過勵磁保護功能是當發電機控制器或并勵電源控制電路故障時的保護功能，發電機控制器具有并勵磁場的電壓檢測功能，檢測電壓震蕩及換向模式是否正常，若檢測電路探測到并勵線圈過壓未換向，根據并勵磁場電路控制故障，將直接斷開并勵磁場繼電器，使起動發電機去勵磁并斷開主接觸器，當勵磁電壓達到規定電壓值時，經過短暫延時，過勵磁保護功能將被激活。

1.2.6 反極性保護

當起動發電機提供反向剩磁電壓時，并勵磁場電源線路避免起動發電機建立反向電壓，此時需要使用起動發電機復位功能，在復位或應急復位過程中給并勵磁場線圈一個瞬時正電流，使反極性變成正極性。

1.2.7 并聯運行的負載均衡

當兩臺起動發電機并聯運行時，機上負載通常平均分配給每臺起動發電機，均衡電路維持每臺起動發電機上的負載均衡，發電機控制器通過與起動發電機均衡控制點相連的控制點和與均衡匯流條相連的控制點的一個均衡控制器提供均衡探測。比較與負載電流成比例的起動發電機均衡探測點的電壓，這些點上的任何電壓差可通過均衡匯流條提供電流從而通過均衡探電阻使每個發電機控制器共同協作，控制起動發電機勵磁功能。該差值反向更改設定電壓值，以使每臺起動發電機均勻分擔負載，兩臺起動發電機并聯運行狀態下，負載差值在一臺起動發電機額定值的10%以內。當發電機控制器內均衡繼電器達到額定工作電壓時開始工作，并聯運行功能及負載均衡功能被激活。

由于飛機具有差壓反流保護功能，當一臺起動發電機發電并投入機上電網后，另一臺起動發電機要投入電網，必須使其電壓高于電網電壓，才有可能。由于兩臺起動發電機初始設置的發電電壓數值一致，故需均衡電路均衡功能使第一臺起動發電機降壓，第二臺起動發電機升壓，從而達到自動并網的目的。

1.2.8 主功能回路供電模式

為了獲取一個可在發電或配電任何位置出現故障后可自動選擇的保護，每個發電機控制器不同的功能從共用的來源通過插座中共用的點提供。起動控制電路由各用匯流條通過發電機控制器電源點提供。

正常條件下，發電機控制器及并勵磁場電源控制電路由發電機輸出端提供。欠壓條件下，當調壓點電壓低于應急匯流條電壓，僅為了主接觸器接通當發電機控制器繼電器接通時，發電機控制器及并勵磁場電源控制電路自動由應急匯流條供電。

保護電路即可由起動發電機輸出端供電，也可在調壓器繼電器接通時由應急匯流條供電。用共用的來源，調壓器確保電氣系統的任何單點故障的影響不會影響一個以上的電源喪失。

2 故障分析

2.1 反極性故障概述

根據用戶反饋，某型機在使用過程中出現起動發電機無法并網故障。按照起動程序，起動發電機完成起動功能后，由發動機帶動起動發電機繼續運轉，起動發電機轉速會隨著發動機轉速的上升而升高，當達到起動發電機可建壓的轉速后，起動發電機將自動建立電壓[7]。當外部電源斷開后，若起動發電機開關位于“接通”位置，飛機電網將自動由外部電源供電轉為起動發電機供電。而該飛機在起動后，起動發電機多次出現無法建立電壓的情況，并且無法通過將起動發電機開關置于“復位”位置使其建立電壓。斷開蓄電池，再重新接通，仍無法建立電壓，測量左起動發電機控制器調壓測量點，發現左起動發電機剩磁電壓約為-1 V，且起動發電機剩磁電壓值隨起動發電機復位操作次數增加而負增長，根據發電機控制器調節電路保護功能分析，該故障是由于剩磁電壓觸發了發電系統的反極性保護功能而引起。

2.2 反極性故障原因分析

當起動發電機出現反向剩磁時，可通過G 復位或V 應急復位功能進行糾正，在復位或應急復位過程中，給并激磁場線圈一個瞬時的正電流，此電流由發電機控制器復位信號輸出端給出，經由二極管、三極管和電阻組成的控制電路經KL 進入并激磁場線圈，使起動發電機剩磁極性變為正極性，發電機控制器反極性保護控制電路如圖2 所示。

圖2 反極性保護控制電路

當出現故障后，用戶多次嘗試使用復位功能，故障仍未消失，復位功能未能糾正發電機剩磁為負值問題，說明此時反極性剩磁較大，當反極性剩磁較大時，發電機控制器內5.6 V 功率穩壓管對控制電路進行保護，因為較高的反極性電壓也比5.6 V 要小的多，所以穩壓管不擊穿，磁場電路無法接通，沒有反向激磁電流，也就不能建立反向電壓，從而引起反極性保護功能。

要想解決反極性保護問題必須分析出現起動發電機剩磁電壓出現較大負值原因。左發動機起動時，地面電源提供起動電流[8]，經外電源接觸器、蓄電池匯流條、保險絲、發電機匯流條、主接觸器和起動發電轉換接觸器至起動發電機起動點，為起動發電機提供串激電流[9]。導致起動發電機剩磁降低主要有4 種原因。

（1）起動發電機的勵磁輸入A 點與均衡探測功能D 點錯接，導致勵磁線圈產生反向電流使磁極反向充磁，導致起動發電機旋轉時剩磁電壓異常減少或剩磁電壓為負值，電路接線圖如圖3 所示。

圖3 發電機電路接線圖

（2）由于起動發電機磁極鐵芯質量問題引起保磁能力較差，起動發電機存放時間過長或飛機長時間停放，會導致起動發電機剩磁消失。

（3）起動繼電器或點火開關偶發故障，導致勵磁線路無法正常提供勵磁電流。

（4）起動發電轉換接觸器偶發性粘連，由起動階段轉換至發電階段后，起動發電轉換接觸器未及時切換，導致串激線圈產生反向電流。

排故工作首先檢查與饋線短路保護功能相關線路，逐段導通和排查。機上線路可能存在接錯、虛焊以及接觸點送不到位等問題，這也是電氣系統最常見的故障原因[10]。根據現場檢查結果，機上線路符合原機狀態未發現異常。將飛機上左、右發電機對調安裝后故障消失，可排除起動發電機自身存在無法保磁的故障。檢查點火開關及起動控制繼電器的外觀及并對其進行通電和功能校驗，接通、斷開功能均正常且元器件無積碳或燒蝕等問題。拆下機上起動發電轉換接觸器，對起動發電轉換接觸器進行通電檢查，功能雖正常，但經拆解發現內部積碳較嚴重，會產生偶發性粘連問題，最終將故障原因鎖定為起動發電轉換接觸器故障，故對其進行更換。更換后故障消失，且未再出現。根據檢查結果，分析故障原因為起動發電轉換接觸器偶發性粘連，導致起動階段轉換到發電階段后，起動發電機起動發電線路未能從起動端C 點轉換至發電端B 點，串聯繞組產生反向電流，導致起動發電機磁極剩磁減少或磁性翻轉，最終產生剩磁電壓為負值故障。

3 結束語

勵磁功能為起動發電機工作及控制的核心功能，研究分析勵磁功能對起動發電機產生的影響有助于加強對起動發電機工作過程的了解，可以幫助解決相關故障，該型機已交付用戶多年，本文中出現的故障僅在一架機左側發動機起動后偶發性出現，通過分析故障特征及功能原理，可為其他類似故障提供排故思路，為相關人員提供幫助。

由于起動發電機定子磁極老化保磁能力低或其他問題引起偶發的剩磁電壓降低或剩磁電壓為負值故障也不可避免，根據發電機維護手冊，用戶可以使用5 號蓄電池自行對起動發電機磁極線圈供電進行補磁操作，以提高飛機出勤率，減少故障出現后飛機停飛問題。