基于集成電路的航空交流發電機電壓調節器設計與實現

焦旭東，何金輝

（1.西安航空職業技術學院陜西西安710089；2.陜西中圣環境科技發現有限公司陜西西安710065）

飛機同步發電機在運行過程中會受到一些因素出現變化，這些因素主要有轉速、功率以及負載等等，且電壓也會受到相關影響而改變；為了保證用電設備的運行處于正常狀態，因此必須保證同步發電機的電壓合理，這就需要激磁機的激磁電流變化。有關航空交流發電機電壓調節器的設計具有很大難度，以往許多相關領域的學者均進行了類似研究。胡巖等進行了航空用高速永磁發電機的設計，通過對不同永磁發電機的比較，選擇科學的方案，采用Taguchi優化了設計方法，同時建立了實驗正交矩陣，得出其電磁設計方案的合理，取得了一定的成果。然而從目前來看，航空交流發電機電壓調節器在實際使用中仍存在一定不足，導致用電設備運行中存在一定程度的問題。而本次航空交流發電機電壓調節器的設計是基于集成電路進行并實現，其優點在于設備的體積小，重量輕，同時價格低廉[1]，具有很強的使用效果。在實際使用中也具有非常高的經濟效益、軍事效益。

1 晶體管電壓調節器的基本原理

調節器的基本原理相對簡單，如圖1所示，大功率晶體管和激磁機激磁線圈兩者之串連，對激磁機的電流進行控制[2]。同時在運行中可控制大功率晶體管的運行狀況，其等效圖如圖1（b）所示。

圖1 晶體管電壓調節原理圖

將激磁機繞組的電感和電阻分別采用L、Rjj表示，其中電源電壓采用E表示，將功率管的導通時間設為ti，則在此期間產生的電流則使用ion表示；將功率管的截止時間設為t2，以iof表示此期間的電流。可得到以下方程式：

將（1）（2）求解得到：

在求解出的結果中得出的結論是，發電機在被大功率晶體管控制下，激磁電流的變化呈現指數規律。

利用以上得出的結論，便計算一個工作周期時的激磁電流的平均值，其積分公式表示為：

Ijj為激磁電流的平均值，其與σ之間的關系在功率管的控制下呈現正比。在電機運行過程中，σ只要保證與電機運行狀態的變化一致，便可對激磁電流進行控制，在固定的范圍內，實現對發電機電壓的合理調節。

2 硬件電路設計

針對三級式無刷交流發電機的調節器設計，由激磁機、發電機以及永磁式付激磁機組成。調壓器原理電路如圖2所示。

圖2 調節器原理電路

利用大功率管和集成芯片設計，需要調節電路中的運行電壓。設計過程中都須采用航空發動機的恒速轉動裝置，保持永磁機中永磁轉子的旋轉。三相電流由三相定子繞組中產生，繼而利用全波整流器實施整流和降壓[3-4]，此時出現的電壓表現為直流穩定，可用于調壓系統中。

2.1 比較電路的測量

變壓器B對交流發電機輸出的三相交流電實施降壓，再由三相橋式整理器進行整流、阻容濾波，此時的三相電流便被加在電位計W、R2、R3的串連電路上。此時由于濾波電路時間較長，因此在之后的所得到的電壓表現非常平穩。電位計W的活動觸電為A點，電阻R4在A點連接了A1反相端，穩壓管DZ1則連接到了其同相端，DZ1的穩定電壓就是基準電壓。

2.2 差動放大和電路的校正

比例放大環節連接到A1的外圍電路，如果發電機端電壓升高，作為電路測量比較的輸出電壓UAB也會增加，放大器的輸出端D點的電位則隨之減少。如果增加電路中放大器的倍數，那么則能夠起到有效減少靜態誤差的作用。R8和R9兩個電阻，與C2和C3兩個電容形成串連電路，產生的作用除了可增強調壓系統的性能之外，還可優化系統的動態性能。

2.3 三角波發生器

在初始情況下，t的值為0，那么Ub=UZ-A=-βUZ，得到常數A=（1+β）UZ，即

能夠看出電壓Ub的變化方式是依照指數曲線增高。Ub電壓與A3的反向輸入端相互連接，若Ub的升高情況超過β UZ時，A3則會出現翻轉，此時E點電位的電壓則為-UZ，F點的電位是UF=-βUZ。

Ub在t1時間內，電壓由-β UZ提升為β UZ，通過（7）我們能夠計算出t1，即

C5電容器經過R14電阻之后放電，b點電位出現降低趨勢。在t1時間之后，降低為-β UZ，在A3輸出端的電壓UE也會隨之變成+UZ。形成一個循環狀態，且每一個循環的周期即可表達為：

在整個設計過程中，我們把參數控制在R14C5＞＞T的范圍內，在這種情況下，得到的電壓Ub曲線均表現的與直線相似。也正是優于這種情況導致三角波和電路輸出電壓波形幾乎相同。

2.4 調壓器的運行流程

若發動機出現端電壓提升、負載電流下降，那么在比較電路中A點的電位則會呈現一定提升，A1的輸出電壓降低、A2輸出的正脈沖寬度變大，BG2、BG3功率管的導通比降低，同時也會降低激磁機中的電流以及發電機的電壓[6]，進而使得發電機的輸出電壓穩定；若發動機出現端電壓降低，負載電流提升，則會出現與以上情況相反的運行狀態。

3 仿真實驗、系統對接調試

對于本次設計，我們采用Multisim 10軟件工具進行仿真，能夠得出各個模塊電路的輸出電壓波形。

以UF、UFe分別為發電機實際輸出電壓、額定電壓。在UF＞UFe的情況下，整形放大電路的輸出波形寬度變窄，末級大功率晶體管σ降低，Ijj降低，達到降低發電機輸出電壓的目的；在UF＜UFe的情況下則出現與以上情況完全相反的運行，可實現調節電壓的需求[12]。

我們對電路參數進行了重復計算，同時使用仿真手段將其不斷優化，將信號輸出強度在現有的基礎上進一步提升16%左右。之后將電壓調節器與三級式交流發電機嘗試運行，運行的結果顯示就算進行長時間的持續運行也能夠保持良好的穩定性[13]，使其可靠性得到認可，滿足了發電機輸出電壓的穩定需求。調壓的精度范圍是U額定±0.5 V。相比于之前基于風力元器件中的設計，此次設計的調壓器具有以下特點和優勢：

1）該調壓器的調制電路是專門的電路所形成的三角波[14]，并未采用發電機電壓經濾波整流后的三角波，所以就算在直流發電機電壓中也可采用該調壓器進行調節；

2）濾波電容器C1的電容量與三角波幅值之間并無關系[15]。所以若C1的電容量由于環境或者其他因素產生變化的情況，便能夠避免產生溫度誤差的情況；

3）測量比較電路的變壓器B接成Y/Δ的形式，次級繞組的輸出電壓中，有3次及3的倍數次諧波情況出現，所以波形相對較好，不會過多的受到負載變動[16]。在對比較電路的輸出電壓UAB測量的過程中，同樣不會受到很大的負載影響而出現變動，可進一步提升調壓的精確度。

4 結束語

通過分析當前有關航空交流發電機設計中集成電路的電壓調節器的研究，在本次設計以及實現中，我們了解到集成運放設計飛機交流發電機電壓調節器具有很大的使用優勢，從表明上來看，設備體積小，同時重量較輕，不會使用昂貴的費用；從性能上來看，該調節器具有很強的抗干擾能力，具有較高的調壓精確度以及可靠性。除此之外，該調節器的內部電路信號傳遞關系并不復雜，因此地面維護工作相對來說非常簡單。總之，該調節器的制作費用較少，同時可帶來非常明顯的軍事效益，在未來的相關研究中必將能產生更佳效果。