航空交流發電機電壓調節技術及其改進

徐曉丹

（中國電子科學研究院，北京 100041）

0 引 言

航空交流發電機系統由機載發電機和電壓調節器［1，2］組成，是飛機電源的重要組成部分，其性能決定了飛機電源輸出品質。發電機的輸出電壓主要受發電機轉速、負載大小、功率因數等因素影響，調壓系統的作用在于能根據負載和轉速的大小，由電壓調節器快速響應電壓變化要求，自動檢測并調節發電機的輸出電壓，使電壓穩定在一定工作范圍內，保證用電設備的正常工作。

隨著飛機用電設備大量采用非線性電力電子變換裝置，諧波造成的電網污染和電壓波形畸變將難以避免。傳統的電壓峰值或整流濾波平均值檢測反饋調壓［1，3］無論是在調壓精度還是穩壓動態性能上，都已無法滿足使用要求。

本文以三級式無刷交流發電機為對象，介紹了交流發電機調壓系統組成，闡述了調壓原理，對調壓電路及其工作過程進行分析。為改善非線性負載和發電機頻率變化對電壓調節的影響，提出了電壓真有效值檢測［4，5］和多環反饋控制［6，7］，試驗表明了這兩種方法可以解決發電機電壓波形畸變和頻率變化情況下的發電機電壓調節問題。

1 發電機及其調壓原理

三級式無刷交流發電機由主發電機、交流主勵磁機、副勵磁機以及旋轉整流器轉子組成。主發電機是旋轉磁極式同步發電機，交流勵磁機是旋轉電樞式同步發電機，電樞繞組輸出三相交流電，經整流后作為主發電機直流勵磁電源，整流器裝在轉子上，隨轉子旋轉，所以稱旋轉整流器。副勵磁機又稱永磁發電機，輸出三相恒頻交流電，經整流電路的整流、濾波，為調壓器提供工作電壓。

電壓調節器又稱調壓器，是調壓系統的核心部件，能動態調節發電機勵磁電流，使輸出電壓穩定于規定水平，當供電系統出現短路時，調壓器還能對發電機強行勵磁保護，并限制發電機輸出電流，防止電流過載。電壓調節器以晶體管電壓調節為基礎，如圖1（a）所示。大功率晶體管BG串聯在勵磁機勵磁線圈Wij電路中，通過合理設置大功率晶體管的工作條件，使其工作在開關狀態，用來控制勵磁機的勵磁電流。等效電路如圖1（b）所示。

設Rij和L為勵磁機繞組的電阻和電感，E為電源電壓，t1為功率管導通時間，導通期間的電流為ion，t2為功率管截止時間，截止期間的電流為ioff，則功率管

圖1 晶體管調壓器原理圖

導通和截止期間的電壓平衡方程式為:

解上式方程，得:

式中，T＝t1＋t2；τ＝；A和B為積分常數。

式（3）和式（4）反映了發電機在大功率晶體管的控制作用下，勵磁電流按照指數規律變化。在一個工作周期內，勵磁電流的平均值可由以下積分公式求出:

式（5）表明，在功率管的控制下，勵磁電流的平均值與功率管的導通比成正比。因此，只要使功率管導通比隨發電機工作狀態的變化而做相應改變，就可以控制勵磁電流，從而控制發電機的輸出電壓在一定范圍內可調。

2 基本調壓電路分析

電壓調節器基本電路由檢測比較、波形調制、整形放大和功率控制四個主要模塊組成，自動檢測發電機輸出的電壓值變化，與調定的基準值進行比較，將偏差信號放大后，以此來改變勵磁機的勵磁電流，調節發電機輸出電壓，以獲取穩定的電壓輸出。圖2給出了基于集成運算放大器的電壓調節器電路，各電路工作原理及信號波形分析如下。

圖2 基于集成運放的調壓器電路原理圖

（1）電壓檢測比較電路

檢測比較電路經隔離變壓器降壓、整流濾波后，由滑動電阻橋檢測出發電機電壓，并與基準電壓進行比較，獲得電壓差值信號△U；經差動放大器A1放大，輸出電壓UD，差值電壓△U越高，放大器輸出的電位UD越低。

（2）波形調制電路

波形調制電路由三角波發生器和比較放大器組成。三角波發生器產生三角波調制信號加在比較放大器A2的同相端；前級檢測輸出電壓UD加在A2的反相端，輸出電壓UH取決于兩個輸入電壓的相對大小。該電路完成對檢測比較電路輸出電壓的調制，即把數值不同的UD轉變為不同寬度的輸出脈沖。如圖3（a）和（a′）、（b）和（b′）所示，分別為大負載和小負載條件下，三角波調制和比較放大電路的輸出電壓波形。

需要注意的是，電路中電阻R8、R9和電容C2、C3組成串聯超前校正電路，提高調壓系統的穩定性和反應的快速性，改善系統的動態性能。

（3）整形放大電路

前級波形調制后的脈沖信號經晶體管BG1整形放大，輸出前后沿較陡的矩形波，作為控制信號控制功率開關管的通斷。由于三極管共射極電路具有輸出電壓與輸入電壓的倒相作用，因此整形后的輸出脈沖UC1與脈沖信號UH剛好反相，如圖3（c）和（c′）所示。

（4）功率控制

功率控制電路采用大功率晶體管BG2、BG3達林頓連接，串聯在勵磁機勵磁線圈Wij的電路中，整形放大電路的輸出脈沖UC1作為其基極輸入，UC1的正負脈沖寬度可以改變功率控制晶體管的導通比，進而控制勵磁電流的大小，達到調節輸出電壓的目的。

圖3 調壓器各級電壓波形

通過以上分析，發電機調壓工作過程為:當發電機帶大負載、電流增大時，發電機輸出電壓降低，檢測電壓隨之下降，與基準電壓經差動放大后的電壓差值信號反而升高，再經三角波調制后，輸出信號正脈沖寬度減小；經晶體管整形放大并倒相后，正脈沖寬度反而增大，功率調制開關管的導通比也隨之增大，勵磁電流增加，調節發電機的電壓使之上升；當發電機負載電流減小，發電機輸出電壓升高，調節過程與上述過程相反，從而使發電機的輸出電壓穩定在額定范圍內。

3 電壓檢測技術

3.1 真有效值（True RMS）

發電機調壓中，電壓檢測常用的有峰值和平均值檢測法。峰值檢測采用波峰系數來表示峰值與有效值之間的關系，半個周期檢測一次，檢測速度快，易于實現，但波峰系數受波形的影響大，反饋誤差大；平均值檢測方法與有效值成正比，在速度、精度方面介于有效值與峰值之間。當用電設備中含有大量電力電子整流變壓裝置時，負載的非線性特性將造成諧波污染，使發電機的電壓輸出波形畸變嚴重，波峰系數惡化，峰值和平均值檢測與總有效值之比也將發生變化，檢測精度下降。

普通的有效值為峰值的0.707倍，只在信號為標準正弦波時使用結果才準確。真有效值為基波與各次諧波有效值的方均根值，即基波和各次諧波平方和平均后再開方，如式（6）。

因此真有效值是諧波與基波共同作用的結果，更能直接反映調壓點電壓的真實變化情況，檢測更精確，更適用于波形畸變情況。

3.2 AD536A檢測電路

采用美國AD公司的真有效值－直流（RMS－DC）轉換芯片AD536A進行電壓真有效值檢測。AD536A是真有效值轉直流值的單塊集成電路，可直接計算交、直流成分的任何復雜波形的真有效值。AD536A具有測量電壓范圍廣（＞1V）、測量頻帶寬（2MHz）、處理速度快、精度高以及峰值因數補償等特點，其內部含有求絕對值電路、平方除法器等電路，可將一個復雜的信號轉換成與之等效的直流輸出電平。

標準應用電路連接方式的AD536A電壓有效值檢測電路如圖4所示，管腳4和14接入的平均電容Cav決定了電壓檢測響應時間和輸出電壓的紋波大小。減小Cav能提高檢測響應時間，但紋波值變大；增加Cav能減小紋波，但動態時間變長，實時性變差。電路設計時，需權衡響應時間、測量精度和紋波等綜合性能，選取最合適的平均電容值。針對該電路的大量實驗表明，當電容Cav取0.1μF時，檢測電路的動態響應時間、紋波和測量精度等綜合性能最優。

盡管電容選取最優，AD536A輸出的直流電平中交流紋波分量仍然會引起功率管導通比發生波動，加大電壓調制量，必須增加紋波濾除電路進行濾除，可采用減法濾波和二極管整流電路對紋波和小干擾信號予以濾除。由于減法電路沒有慣性環節，能在不增加響應時間的同時使紋波電壓大大減少。

圖4 電壓真有效值的AD536A標準應用檢測電路

3.3 試驗結果

將JF－60型發電機接入三相平衡的交流非線性電子負載3kVA，利用頻譜分析儀測試觀察電壓及諧波含量，并觀測調壓器的調壓效果，調節點電壓值誤差在±0.5V波動。在功率因數0.7、電壓諧波含量達到12.3%、波峰系數達到2.38時，調節點電壓誤差為有效值±0.5V（試驗結果來自文獻4）。將真有效值檢測的測試數據與某型飛機上的基于平均值電壓檢測的測試數據相比較，如表1所示，表明采用有效值檢測電路的調壓器更適應發電機電壓波形畸變的情況。

表1 電壓真有效值與平均值檢測的比較［1，4］

由于有效值是按照周期積分運算，至少需要檢測一個周期，所以有效值檢測比平均值檢測速度慢，在電路設計中應盡可能提高其響應速度。

4 多環反饋控制技術

4.1 多環反饋原理

近年來隨著交流發電機系統的發展，采用調節點電壓、勵磁電流以及頻率、負載電流等多環調節技術將在調壓系統中得到應用。由于發電機轉速的變化引起發電機頻率的變化，又會引起發電機電抗值和輸出電壓的變化，使得不同轉速時負載電流變化會帶來不同的勵磁電流變化。為了抵消頻率變化和負載電流的擾動帶來的影響，提高系統的響應速度，在電壓檢測和勵磁電流環的基礎上，增加頻率和負載電流反饋環，以抵消其影響。多環控制電路原理圖如圖5所示。

圖5 多環控制調壓電路原理

負載電流反饋補償是基于電機的電樞反應理論進行計算的。圖6為同步發電機電動勢相量圖。

xd，xq分別為同步發電機的直軸同步電抗和交軸同步電抗，發電機電抗值與頻率成正比，隨著轉速的增加，輸出電壓頻率增加，電抗值增大。在上述計算過程中，通過采樣輸出電壓的頻率，更新電抗值，計算發電機實際電抗值為x＝2πf L。

Ra為電樞繞組電阻，θ為功率角，φ為功率因數角；φ1為內功率因數角，即空載電動勢與輸出電流之間的相位角。通過分析，可以得到內功率因數角φ1的計算公式。

圖6 同步發電機電勢相量圖

式中，U為穩定的輸出電壓；I為實際負載電流。由式（6）計算功率角θ＝φ－φ1，得出空載電動勢為:

由于發電機的空載電動勢E0與勵磁電流成函數關系，因此可計算出負載電流和頻率變化部分引起的勵磁電流變化大小。

實際運行中，由于發電機工作狀態是變化的，很難精確計算出當前負載下所需的勵磁電流大小，只能粗略計算。勵磁電流反饋的主要作用是加快負載擾動時的系統響應速度，實際勵磁電流值由電壓環調節控制。

4.2 多環調壓過程

多環控制的電壓調節電路工作過程如下:

（1）電壓環調節將給定基準電壓Uref與反饋檢測電壓Ui比較后，計算得到勵磁電流調節量Iu。

（2）通過檢測負載電流IL的大小，計算所需的勵磁電流大小，與電壓環輸出的勵磁電流調節量Iu相疊加后，作為勵磁電流環的給定量Iref。

（3）勵磁電流環調節器將給定勵磁電流量Iref和檢測得到的實際勵磁電流量Iwij做比較，得到勵磁電流誤差量△Iref，計算得到勵磁電路大功率開關管的導通比σ，驅動調節勵磁電路的開關管，達到勵磁電流調節電壓的目的。

4.3 試驗情況

多環調節技術與電壓加勵磁電流的雙環反饋控制相比較，兩者都有抗負載擾動的能力，在負載發生變化的情況下，都能實現穩定輸出電壓的功能。而多環調壓方法更能明顯提高發電系統的響應速度，減小系統的調節時間。針對發電機進行多環控制和電壓加勵磁電流的雙環控制試驗，在不同轉速下發電機突加、突卸負載的電壓調節時間相比較見表2。對比數據表明，多環控制下的電壓調節時間明顯縮短。

多環調節控制技術的缺點在于結構復雜，技術難度大，成本也更高，需采用DSP高速處理器滿足其高處理速度和大容量計算方面的硬件要求。

表2 多環控制與雙環控制的負載突加／突卸調節時間［1，4］

5 結束語

非線性負載帶來的諧波會導致發電機電壓波形畸變，而發電機轉速不均帶來的頻率變化會引起發電機電感等參數的變化，使得不同轉速時負載電流變化會帶來不同的勵磁電流變化，影響了航空交流發電機的電壓輸出品質。本文研究了交流發電機的基本調壓電路原理，對電壓檢測和反饋控制兩個影響發電機調壓效果的關鍵技術進行了改進，采用AD536A專用檢測芯片進行電壓有效值檢測，提高了電壓檢測精度；采用基于高速數字處理芯片的多環反饋調壓技術能解決發電機頻率、電樞電感變化和負載電流性質不同帶來的調壓性能影響，明顯提高發電機系統的響應速度，取得較好的調壓效果。

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