基于集成電路的航空交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

焦旭東，何金輝

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710089；2.陜西中圣環(huán)境科技發(fā)現(xiàn)有限公司陜西西安710065）

飛機(jī)同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到一些因素出現(xiàn)變化，這些因素主要有轉(zhuǎn)速、功率以及負(fù)載等等，且電壓也會(huì)受到相關(guān)影響而改變；為了保證用電設(shè)備的運(yùn)行處于正常狀態(tài)，因此必須保證同步發(fā)電機(jī)的電壓合理，這就需要激磁機(jī)的激磁電流變化。有關(guān)航空交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)具有很大難度，以往許多相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者均進(jìn)行了類(lèi)似研究。胡巖等進(jìn)行了航空用高速永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)不同永磁發(fā)電機(jī)的比較，選擇科學(xué)的方案，采用Taguchi優(yōu)化了設(shè)計(jì)方法，同時(shí)建立了實(shí)驗(yàn)正交矩陣，得出其電磁設(shè)計(jì)方案的合理，取得了一定的成果。然而從目前來(lái)看，航空交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器在實(shí)際使用中仍存在一定不足，導(dǎo)致用電設(shè)備運(yùn)行中存在一定程度的問(wèn)題。而本次航空交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)是基于集成電路進(jìn)行并實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備的體積小，重量輕，同時(shí)價(jià)格低廉[1]，具有很強(qiáng)的使用效果。在實(shí)際使用中也具有非常高的經(jīng)濟(jì)效益、軍事效益。

1 晶體管電壓調(diào)節(jié)器的基本原理

調(diào)節(jié)器的基本原理相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖1所示，大功率晶體管和激磁機(jī)激磁線(xiàn)圈兩者之串連，對(duì)激磁機(jī)的電流進(jìn)行控制[2]。同時(shí)在運(yùn)行中可控制大功率晶體管的運(yùn)行狀況，其等效圖如圖1（b）所示。

圖1 晶體管電壓調(diào)節(jié)原理圖

將激磁機(jī)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(dǎo)通時(shí)間設(shè)為ti，則在此期間產(chǎn)生的電流則使用ion表示；將功率管的截止時(shí)間設(shè)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(jié)果中得出的結(jié)論是，發(fā)電機(jī)在被大功率晶體管控制下，激磁電流的變化呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律。

利用以上得出的結(jié)論，便計(jì)算一個(gè)工作周期時(shí)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(guān)系在功率管的控制下呈現(xiàn)正比。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，σ只要保證與電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化一致，便可對(duì)激磁電流進(jìn)行控制，在固定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)電壓的合理調(diào)節(jié)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

針對(duì)三級(jí)式無(wú)刷交流發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，由激磁機(jī)、發(fā)電機(jī)以及永磁式付激磁機(jī)組成。調(diào)壓器原理電路如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)器原理電路

利用大功率管和集成芯片設(shè)計(jì)，需要調(diào)節(jié)電路中的運(yùn)行電壓。設(shè)計(jì)過(guò)程中都須采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的恒速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，保持永磁機(jī)中永磁轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。三相電流由三相定子繞組中產(chǎn)生，繼而利用全波整流器實(shí)施整流和降壓[3-4]，此時(shí)出現(xiàn)的電壓表現(xiàn)為直流穩(wěn)定，可用于調(diào)壓系統(tǒng)中。

2.1 比較電路的測(cè)量

變壓器B對(duì)交流發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電實(shí)施降壓，再由三相橋式整理器進(jìn)行整流、阻容濾波，此時(shí)的三相電流便被加在電位計(jì)W、R2、R3的串連電路上。此時(shí)由于濾波電路時(shí)間較長(zhǎng)，因此在之后的所得到的電壓表現(xiàn)非常平穩(wěn)。電位計(jì)W的活動(dòng)觸電為A點(diǎn)，電阻R4在A點(diǎn)連接了A1反相端，穩(wěn)壓管DZ1則連接到了其同相端，DZ1的穩(wěn)定電壓就是基準(zhǔn)電壓。

2.2 差動(dòng)放大和電路的校正

比例放大環(huán)節(jié)連接到A1的外圍電路，如果發(fā)電機(jī)端電壓升高，作為電路測(cè)量比較的輸出電壓UAB也會(huì)增加，放大器的輸出端D點(diǎn)的電位則隨之減少。如果增加電路中放大器的倍數(shù)，那么則能夠起到有效減少靜態(tài)誤差的作用。R8和R9兩個(gè)電阻，與C2和C3兩個(gè)電容形成串連電路，產(chǎn)生的作用除了可增強(qiáng)調(diào)壓系統(tǒng)的性能之外，還可優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

2.3 三角波發(fā)生器

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

能夠看出電壓Ub的變化方式是依照指數(shù)曲線(xiàn)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(guò)β UZ時(shí)，A3則會(huì)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，此時(shí)E點(diǎn)電位的電壓則為-UZ，F(xiàn)點(diǎn)的電位是UF=-βUZ。

Ub在t1時(shí)間內(nèi)，電壓由-β UZ提升為β UZ，通過(guò)（7）我們能夠計(jì)算出t1，即

C5電容器經(jīng)過(guò)R14電阻之后放電，b點(diǎn)電位出現(xiàn)降低趨勢(shì)。在t1時(shí)間之后，降低為-β UZ，在A3輸出端的電壓UE也會(huì)隨之變成+UZ。形成一個(gè)循環(huán)狀態(tài)，且每一個(gè)循環(huán)的周期即可表達(dá)為：

在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們把參數(shù)控制在R14C5＞＞T的范圍內(nèi)，在這種情況下，得到的電壓Ub曲線(xiàn)均表現(xiàn)的與直線(xiàn)相似。也正是優(yōu)于這種情況導(dǎo)致三角波和電路輸出電壓波形幾乎相同。

2.4 調(diào)壓器的運(yùn)行流程

若發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)端電壓提升、負(fù)載電流下降，那么在比較電路中A點(diǎn)的電位則會(huì)呈現(xiàn)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(dǎo)通比降低，同時(shí)也會(huì)降低激磁機(jī)中的電流以及發(fā)電機(jī)的電壓[6]，進(jìn)而使得發(fā)電機(jī)的輸出電壓穩(wěn)定；若發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)端電壓降低，負(fù)載電流提升，則會(huì)出現(xiàn)與以上情況相反的運(yùn)行狀態(tài)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)對(duì)接調(diào)試

對(duì)于本次設(shè)計(jì)，我們采用Multisim 10軟件工具進(jìn)行仿真，能夠得出各個(gè)模塊電路的輸出電壓波形。

以UF、UFe分別為發(fā)電機(jī)實(shí)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(jí)大功率晶體管σ降低，Ijj降低，達(dá)到降低發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的；在UF＜UFe的情況下則出現(xiàn)與以上情況完全相反的運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓的需求[12]。

我們對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了重復(fù)計(jì)算，同時(shí)使用仿真手段將其不斷優(yōu)化，將信號(hào)輸出強(qiáng)度在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升16%左右。之后將電壓調(diào)節(jié)器與三級(jí)式交流發(fā)電機(jī)嘗試運(yùn)行，運(yùn)行的結(jié)果顯示就算進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)運(yùn)行也能夠保持良好的穩(wěn)定性[13]，使其可靠性得到認(rèn)可，滿(mǎn)足了發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定需求。調(diào)壓的精度范圍是U額定±0.5 V。相比于之前基于風(fēng)力元器件中的設(shè)計(jì)，此次設(shè)計(jì)的調(diào)壓器具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1）該調(diào)壓器的調(diào)制電路是專(zhuān)門(mén)的電路所形成的三角波[14]，并未采用發(fā)電機(jī)電壓經(jīng)濾波整流后的三角波，所以就算在直流發(fā)電機(jī)電壓中也可采用該調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)；

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

3）測(cè)量比較電路的變壓器B接成Y/Δ的形式，次級(jí)繞組的輸出電壓中，有3次及3的倍數(shù)次諧波情況出現(xiàn)，所以波形相對(duì)較好，不會(huì)過(guò)多的受到負(fù)載變動(dòng)[16]。在對(duì)比較電路的輸出電壓UAB測(cè)量的過(guò)程中，同樣不會(huì)受到很大的負(fù)載影響而出現(xiàn)變動(dòng)，可進(jìn)一步提升調(diào)壓的精確度。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析當(dāng)前有關(guān)航空交流發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中集成電路的電壓調(diào)節(jié)器的研究，在本次設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)中，我們了解到集成運(yùn)放設(shè)計(jì)飛機(jī)交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器具有很大的使用優(yōu)勢(shì)，從表明上來(lái)看，設(shè)備體積小，同時(shí)重量較輕，不會(huì)使用昂貴的費(fèi)用；從性能上來(lái)看，該調(diào)節(jié)器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，具有較高的調(diào)壓精確度以及可靠性。除此之外，該調(diào)節(jié)器的內(nèi)部電路信號(hào)傳遞關(guān)系并不復(fù)雜，因此地面維護(hù)工作相對(duì)來(lái)說(shuō)非常簡(jiǎn)單。總之，該調(diào)節(jié)器的制作費(fèi)用較少，同時(shí)可帶來(lái)非常明顯的軍事效益，在未來(lái)的相關(guān)研究中必將能產(chǎn)生更佳效果。