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差分型液压传动装置其控制的新发展

R.H.EISENGREIN

概要：差速式液压传输已经被飞机a-c发电机用做高速驱动器大约有8年的时间了，这段时间在飞机B35和P5M上的体验一直是建立未来飞机电气系统和组件要求的一个主要因素。然而，最终决定要建立有功和无功的负载保护的电子电压的系统公差频率，且必须有必要组件的故障保护的基础上再来确定系统的可靠性、简单性和可靠性。本文的讨论考虑有组件控制系统频率、reaMoad分区之间并行a-c发电机，以及a-c发电机的自动并联的这些重要特征。通过使用具有更快响应时间的组件，以及通过引入非线性电路元件，获得了新系统性能的改进。设计和执行计划被引用以证实稳态频率控制在每秒400个周期0.25％内，实际负载划分到2kw内，并且自动并联发电机以求在发电机满载额定值内维持电流瞬变。

基本系统

结论上使用差速式液压传动装置和控制的未来系统，存在要考虑的元件的各种组合。单个发电机系统的最简单的组合将是液压传动和基本的我机械液压飞球调速器。该自备单元将不具有外部控制连接，因为调速器将与变速器成一体。将仅存在输入和输出轴。

考虑到驱动器是在3,000和9,000rpm之间的输入速度变化，稳态系统频率将保持在每秒395和400个周期之间。带负载的最大稳态频率下降发生在低输入速度时。对于一些应用，这些频率限制保持在每秒400和398个周期之间。 40 kva 、0.75功率因数系统的典型性能数据如图1所示。图1 是两个不同输入速度的系统频率偏差和施加载荷的记录。当输入速度从3000rpm增加到5000rpm时，满载的稳态频率下降从每秒5个周期减少到每秒3个周期。同样，随着输入速度的增加，瞬态恢复时间和峰值频率偏差随着输入速度的增加而降低。这些性能改进是提高系统灵敏度和降低较高输入速度下的传动滑差的函数。可用于这种简单系统的附加控制将是整体安装的机械液压超速装置。

图1. 基本系统特性，3000rpm输入速度，9，18和26kw负载，以及5000tpm输入速度，18和27kw负载

超出该基本系统的限制的性能改进的主要领域在于稳态频率的控制。 这个问题的解决方案当然是建立一个精确的频率参考。系统的瞬态响应特性几乎完全由液压传动和调速器的动态特性和系统惯性来确定。系统瞬态响应时间的改进可以通过利用一些新的高速机电换能器来实现，但只是在牺牲当前基本系统的简单性。

控制元件的扩展以提高稳态频率精度需要精确的频率参考，以及用于当系统频率偏离参考频率时偏移基本调速器设置的装置。用于执行这些功能的部件如图2所示。频率参考包括两个调谐的电阻 - 电感 - 电容电路，其输出被整流和差分连接，以为每秒400个周期的系统频率提供d-c零电压。 d-c输出在幅度上随频率误差变化，并且作为增加或减少频率误差的函数而改变极性。该误差信号驱动推挽磁放大器的控制线圈。磁放大器又驱动精密频率控制电机的控制相位。控制电机的固定相从磁性放大器上的附加绕组接收功率。通过齿轮箱和齿条，控制电机在飞球调速器中定位辅助加速器弹簧，以将基本调速器设置保持在每秒400个周期。

图2. 带频率控制器和控制电机的基本系统

具有这些附加控制的最初提出的40kva 0.75-功率因数系统的性能特性示于图3、图4和图5中。这些测试在输入速度分别为3,000,5,000和6,500rpm下运行，对于2,8,18和30kw的负载。对于所有输入速度条件，带负载的稳态频率偏差现在小于每秒1个周期。从现有校准的这些图中，该测量的精度不明显。然而，通过测量相同测试的系统发生器和音叉参考之间的频率差异来建立准确度。这些数据如图6所示。曲线C表示负载施加和负载突降的时间，曲线B表示瞬态频率偏差，曲线A表示负载施加前后的稳态频率差。曲线显示了30 kw负载的频率瞬态。

系统频率设置在参考值以下以显示确定的拍频。在冲击负载之前，该差频为2.0个循环/秒;在施加冲击负载之后，拍频为2.25个循环/秒;当负载 被移除为2.0个循环/秒。这些值显示发电机满载时的每秒小于1个周期的偏差。频率控制器和控制电动机的添加通过减少峰值频率误差仅略微改变了瞬态响应特性。

获得这种性能改进的附加重量对于频率控制器为7.0磅，对于控制电动机组件为2磅。另一个要考虑的因素是精确频率控制的可靠性。故障的主要来源是感测引线损失到控制电机或频率控制器。对于任何一个fatdt，系统频率将再次由基本调速器控制; 其基本设置现在为每秒390个周期。

图3. 带有频率控制器和控制电机的基本系统的特性，用于3,000 rpm输入速度的驱动和各种千瓦负载。

图4. 带有频率控制器和控制电机的基本系统的特性，用于5000 rpm输入速度的驱动器和各种千瓦负载。

图5. 带有频率控制器和控制电机的基本系统的特性，用于6500 rpm输入速度的驱动器和各种千瓦负载。

图6.使用频率控制器和控制电机对基本系统的各种负载进行精确的差频测量。

多引擎安装

具有频率控制器和控制电动机以允许多发动机安装上的发电机并联的基本包的扩展仅涉及添加用于感测每个发电机上的实际负载的电路。 该电路被添加到频率控制器，如图7所示。 它提供与其发电机上的实际负载成比例的d-c信号。当两个系统并联时，第二频率控制器中的类似电路差分地连接到第一实际负载分配电路。循环电流流过每个控制器中的磁放大器控制绕组。该信号的极性和大小分别是两个发电机之间的实际负载不平衡的方向和大小的函数。通过控制电机的动作，改变每个系统的基本调速器速度设置，以建立发电机之间的实际负载的重新平衡。

图7. 带控制电机的频率和负载控制器

2发电机并联系统的典型性能数据如图8所示。总系统负载为30 kw。记录显示一台机器上的初始负载为15kw，加速期间的临时负载不平衡以及实际负载最终重新平衡到初始值。对于所有输入速度和负载条件，平衡状态负载平衡保持在2 kw内。负载分配电路元件的附加重量为0.5磅。

图8（见左）. 一个驱动器的输入速度加速度的并联传感器特性。第二个驱动以5000-rpm输入速度。系统负载为30 kw

可以添加附加控制以提供用于调整发电机之间的实际负载划分。 它将包括在调谐电阻 - 电感 - 电容电路之一中的飞行工程师变阻器，以允许电路不平衡，从而临时加速或减速驱动器，并因此暂时加速或减速驱动器，并且因此其发电机。如果具有不同频率的两个频率控制器 设置并行。 并联后，系统频率将稳定在两个设置之间的某个值。 在每个频率参考和系统频率之间将存在误差。 在每个磁放大器频率控制线圈中产生的误差信号将被来自磁放大器负载分配控制线圈的误差信号抵消。负载分频误差信号可以仅由发生器之间的实际负载的不平衡产生。 对于发电机之间的每秒1周期的差频，实际负载不平衡将为3至4kw。

对于由频率控制器建立的闭合频率限制，对该附加控制的需要是有问题的。另一个令人关注的因素是导线对这个变阻器的脆弱性。导线损耗意味着该驱动器的基本调速器设置发生变化，导致完全的负载不平衡。对该故障和其它可能的系统故障的保护将在下面更全面地讨论。

自动系统

除了仅仅提高系统性能之外，还存在使系统尽可能自动化的要求。然而，可靠性和简单性的必要特性仍然至关重要。所提出的自动系统的框图如图9所示。可以针对不同的应用设计控制装置的其他组合。该系统显示两个发动机驱动的发电机通过其各自的断路器连接到a-c总线。地面电源单元也可以通过其断路器连接到a-c总线。当地面电源单元插入时，a-c总线从该单元接收电力。当发动机I起动并达到速度时，其低速开关以预设频率将地面动力单元与a-c总线断开，然后将该发动机的发电机连接到a-c总线。在传送期间导致的电源中断大约为20至40毫秒。如果频率调节与发动机驱动的交流发电机系统相当或者可以做到，则地面动力单元与发动机驱动的发电机并联的可能性存在。

图9. 自动系统框图

当发动机II起动并且其发电机达到速度时，它只能通过自动并联控制连接到a-c总线。低速开关不能将交流发电机II直接放在总线上，因为触点C /现在断开。 然而，由于自动并联电路现在连接到两个交流发电机输出，它将在正确的时间自动将交流发电机II连接到总线。系统故障的存在和防止系统中造成的损坏的可能性也是确定其可靠性的主要因素。通常，认为要考虑的故障应该是发动机功率损失，感测导致各种电气部件的损失，以及恒速驱动器或发电机中可能的故障。

对于可能由发动机关闭或驱动器的剪切输入轴引起的对驱动器的旋转输入的情况，低速开关不能闭合，并且该发电机不能连接到a-c总线。无论发电机是否连接到要启动的第一或第二发动机，这都是真实的。 如果系统发电机已经并联，并且一个驱动器的旋转输入丢失，则低速开关将自动断开故障发电机与总线的连接。

在发电机超速的情况下，机械液压超速机构将自动将驱动控制转换到欠驱动位置。此操作将导致驱动器输出减少，并使欠速开关跳闸。故障发电机将与a-c总线断开连接。事实上，应当注意，超速和欠速保护机构都机械地连接在位于驱动器和交流发电机之间的超速离合器的驱动侧上。对于频率控制器的电压损失，这可能是由发电机或电压调节器故障或者传感器失去频率控制器引起的，精密频率控制电机将缺少电源。速度控制系统将恢复 到基本调速器设置。 由于此设置可能低于欠速继电器丢失点，机器可能与a-c总线断开连接。 如果打开精密频率控制电机的导线，系统将再次恢复到基本调速器设置，并且该发电机可以自动从a-c总线断开。

由于这些可能的故障中的每一个可以与发电机并联存在，因此应当研究所得到的条件。对于没有到一个驱动器的旋转输入，低速开关将断开该发电机与a-c总线的连接。在此之前，实际负载将暂时不平衡，系统频率将暂时下降。由实际负载不平衡产生的信号将系统频率降低到每秒4个周期，在该值处，频率鉴别器误差信号防止更大的衰减。对于超速条件，实际负载将再次变得暂时不平衡，其中加速机吸收大部分负载;系统频率将暂时上升，直到超速机构工作并将系统置于欠驱动状态。低速开关将被启动，并将该交流发电机从总线上断开。为了使这种瞬变的长度最小化，可能期望使超速机构直接从总线上取出故障系统。对于一个频率控制器的电压损失，由于工作频率控制器降低系统频率，系统频率将暂时下降尝试保持系统之间的实际负载划分。然而，由于故障系统将恢复到基本调速器设置，它将从a-c总线断开。如果打开精密频率控制电机的导线，将存在与前述相同的情况。故障系统将恢复到基本调速器设置，并与a-c总线断开连接。

组件详细信息

基于分析性能和估计可能的故障，自动系统中的各种部件的细节是令人感兴趣的。 在所有情况下，这些设备的设计均按照MIL-E-7894和MIL-E-5272进行操作。 安装在隔振器上的唯一部件是继电器。其余部件是无源元件，其可以承受极端的振动，而没有任何特殊的安装设置。有两种类型的低速控制装置。一个单元包括由机械液压超速机构上的附加台面致动的压力开关。另一种速度控制包括永磁发电机，频率敏感网络和灵敏控制继电器。发电机本身包括永磁体和缠绕在特殊形状的软铁极片上的线圈。极片位于液压传动装置的输出齿轮附近。在线圈中感应的电压与速度成比例，输出齿轮和齿轮齿与软铁磁极片之间的气隙的变化磁阻。 调谐电路提供输出电压; 其在有限范围内随频率急剧变化。在此范围内，设置敏感的继电器拾取和压差电压。 通过在该有限范围内锐化斜率，保持拾波器和压降电压的关闭控制。

超速控制机构包括飞球致动阀。在超速期间，其排出到适当的调速器控制线以导致驱动输出速度降低。只有通过将系统补偿压力降至零，才能重置超速机构。这实际上意味着发动机必须停止然后重新启动，以便重置超速机构。超速机构设置为在7,000和7,500rpm之间的输出速度下致动。自动并联单元被设计成能够到主稳态系统频率在每秒399到401个周期之间。电路如图10所示。来自待并联的两个发电机的相同相的电压给继电器1通电，并使它以两个系统的差频率拾取和下降。当继电器1首次通电时，电容器C通过继电器的触点充电到大约35直流电压。当继电器1断电时，其触点通过继电器2使电容器C放电。继电器2的触点闭合必要的断路器以并联两个发电机。从图10可以看出。如图10所示，如果从继电器1的脱落时刻到平行的最佳时刻之间的时间经过的时间等于继电器2和断路器的拾取延迟时间，则发电机将完全同相并联。当然，该条件将仅对于差频的一个值存在。该值可以改变，但通常设置为每秒1个周期。对于每秒从2到0个周期变化的差频率值，断路器将在除了最佳并联时间之外的某个点闭合。该电路设计用于自动识别并且对于每秒高于3个周期的差频率变得不起作用。这通过控制冷凝器充电速率来实现。

图10. 自动并联电路和电压相位角特性

由先前讨论的部件的互连产生的系统性能在输入速度，负载和环境条件已经在其整个范围上变化的实验室测试中非常令人满意。对于单机驱动和发电机运行，对于所有负载，速度和环境条件，稳态频率限值在plusmn;1周期内。 这些结果已通过空气框架制造商的资格测试验证。突然负载应用的瞬态频率响应特性随着输入速度而变化，并且如图3、图4和6所示。从图中可以看出，对于具有负载的最小频率偏差，驱动输入速度应该高。因此，在巡航条件期间使驱动输入速度为高输入速度是有益的，在性能方面。

自动并联单元的性能特性如图11和图12所示。11示出当以各种差频并联时存在的初始电流瞬态。总线上的初始负载为30 kw。这两台发电机是Westinghouse型8QL40A。可以看出，电流瞬态始终处于一个发电机的额定值内。图12示出了当发电机在不同加速率下达到速度时自动并联时引起的电流瞬态。这将是在所提出的自动系统中当第二发动机启动时存在的条件。曲线A示出进入的机器的频率在自动平衡单元的操作范围内足够快地上升，使得冷凝器C在此时间内不能完全改变。自动装置单元只能在初始频率瞬态之后操作。这是期望的，因为其然后在最佳设计点附近操作，并且确保最小的线电流瞬变。

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