硅整流式交流發電機在活塞通用飛機上的應用

許明軒

摘 要：近年來，快速發展的經濟為我國通用航空產業提供了廣泛的發展空間，通用航空的發展環境也不斷得到改善。在這種良好的背景下，積極開展通用飛機型號研制，為民航市場提供更多性能穩定、安全可靠、經濟實惠的通用飛機是一項利國利民的偉大事業。該文首先分析了硅整流發電機的原理和使用環境，然后以國家立項的通用飛機型號作為背景需求，通過計算分析、實例選型和試驗驗證，最終得出一套可行的主電源系統設計選型方法。

關鍵詞：整流 交流發電機 通用飛機

中圖分類號：V242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-02

1885年美國科學家特斯拉發明了交流發電機。交流發電機是用于實現機械能和交流電能相互轉換的機械。交流電機與直流電機相比，由于沒有換向器，因此結構簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉速、高電壓、大電流、大容量的電機，其在工業部門得到廣泛應用，航空領域也是如此[1]。航空活塞發動機因其原理簡單可靠、燃油經濟性好和結構重量輕等優點，在輕型通用飛機上得到廣泛使用。受發動機配套和適航取證（發動機需單獨取TC證）限制，活塞發動機供應商往往將起動機和發電機作為發動機附件整體提供。目前，世界范圍內的航空活塞發動機供應商均標配硅整流式交流發電機作為飛機主電源和備用電源。飛機電源系統的基本使用模式如下：正常情況下，由發電機向全機所有用電設備供電，同時向應急蓄電池浮充電；發動機失效或主電源故障后，由應急蓄電池向應急負載供電。

1 原理

1.1 發電原理

硅整流式交流發電機的發電原理如圖1所示[2]。

圖1 硅整流式交流發電機發電原理

在交流發電機內部有一個由發動機帶動的轉子（旋轉磁場）。磁場外有一個定子繞組，繞組有3組線圈（3相繞組），3相繞組彼此相隔120°。當轉子旋轉時，旋轉的磁場使固定的電樞繞組切割磁力線而產生電動勢。

定子3相繞組感生電動勢的大小為：

由此上述公式可知，交流電動勢的幅值是發電機轉速的函數。因此，當轉速n變化時，3相電動勢的波形為變頻率、變幅值的交流波形。交流電動勢的波形如圖2所示。

圖2 交流電動勢波形

1.2 整流原理

交流發電機定子的3相繞組中，感應產生的是交流電，由6只二極管組成的三相橋式整流電路變換為直流電。二極管具有單向導電性，當給二極管加上正向電壓時，二極管導通；當給二極管加上反向電壓時，二極管截止。

1.2.1 導通原則

二極管的導通原則如圖3所示。

圖3 二極管導通圖

a）當3只二極管負極端相連時，正極端電位最高者導通；b）當3只二極管正極端相連時，負極端電位最低者導通。

1.2.2 整流過程

橋式整流電路如圖4所示。通過分析二極管的導通原則可得出電壓波形，如圖5所示。

圖4 三相整流電路

圖5 三相電壓波形和整流波形

1.3 調壓原理

由于交流發電機的轉子是由發動機通過皮帶驅動旋轉的，且發動機和交流發電機的轉速比恒定，這樣將引起發電機的輸出電壓發生較大變化，無法滿足機載用電設備的工作要求。為了滿足用電設備恒定電壓的要求，交流發電機必須配置電壓調節器，使其輸出電壓在發動機所有工況下基本保持恒定。由公式（4）可知，交流發電機所產生的感應電動勢與轉子轉速和磁極磁通成正比。交流發電機的電壓調節器就是通過控制勵磁電流的方法來調節輸出電壓，使發電機的輸出電壓在一定范圍內保持波動。

2 應用實例

以國內某型活塞通用飛機為例，詳述硅整流式交流發電機的選型應用。

2.1 負載分析

負載分析是將各個獨立的電氣系統或各類電源所供電的那些負載，按照其在飛機飛行任務的各個階段的用電情況進行統計計算，以確定該系統在飛機各飛行階段的用電要求[3]。通過計算分析得出電源使用圖如圖6所示。

2.2 發電機選型

根據負載分析的結果，并與發動機供應商Lycoming公司進行協商，發電機初步選型為30 V，90 A硅整流式交流發電機，具體參數如表1所示。

2.3 容量裕度

電源容量裕度Hp表示飛機向將來可能要裝機使用的用電設備提供電功率的能力，同時也表示電源的利用程度。容量裕度計算公式如下[4]：

Hp=（J-L）/ J ×100% （5）

其中：Hp—電源容量裕度

J—電源修正容量

L—電源負載

經計算，主電源連續供電容量裕度為39.68%，滿足行業規范要求。

3 地面試驗

為了驗證所選交流發電機的實際供電能力，依據飛機對主電源的使用需求進行地面模型試驗。

3.1 試驗框圖

主電源地面模型試驗原理框圖如圖7所示。

圖7 主電源地面模型試驗框圖

3.2 試驗內容

3.2.1 負載特性試驗

將發電機轉速分別調整為4000 r/min、6000 r/min、8 000 r/min，加載使發電機輸出電流分別為0 A（系統空載）、10 A、30 A、50 A、70 A、90 A，測量發電機電流、電壓調節點電壓，得出發電機在3種轉速下的負載特性V = f（i）曲線。

3.2.2 轉速特性試驗

將發電機輸出電流分別調整為0 A（系統空載）、30 A、60 A、90 A，改變發電機轉速分別穩定在4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、7 000 r/min、8 000 r/min，測量發電機的轉速與電壓調節點電壓，繪出發電機在4種電流輸出時的轉速特性 V = f（n）曲線

3.3 試驗數據

3.3.1 負載特性曲線

主電源負載特性曲線如圖8所示。

圖8 負載特性曲線

3.3.2 轉速特性曲線。主電源轉速特性曲線如圖9所示。

3.4 試驗結論

根據上述試驗數據，結合飛機各種狀態下的用電需求，得出該型交流發電機的選型完全滿足飛機實際供電需求。

圖9 轉速特性曲線

4 結語

硅整流式交流發電機作為主電源用于飛機型號在國內尚無較多實例。該文所敘述的交流發電系統目前正隨型號進行適航驗證試飛，預計2014年將隨飛機型號取得中國民航頒發的適航證。硅整流式交流發電機以其獨有的技術性能和成本優勢，必將在通用飛機上得到廣泛應用，開拓出廣闊的市場。

參考文獻

[1] 周潔敏.飛機電氣系統[M].北京：科學出版社，2010：25.

[2] 吳建華.汽車發電機原理[M].北京：機械工業出版社，2009：12-14.

[3] 樓仁熊.飛機電氣負載和電源容量分析[J].民用飛機設計與研究，2002，14（1）：27-30.

[4] 馬述訓.飛機設計手冊-電氣系統設計[M].北京：航空工業出版社，1999：34.