無人飛行器用交流發電機調壓器原理研究

胡中華，許 昕

（中國電子科技集團公司 第38研究所，合肥 230088）

無人飛行器采用三相同步交流發電機（硅整流發電機）作為供電主電源，先整流，再濾波，實現輸出符合精度要求的電壓[1]。其中，三相同步交流發電機有整體式和普通式2種，二者均由前端蓋、風扇、軸、定子、轉子、調節器組件等組成，其分解圖如圖1所示。

因發電機轉子由發動機通過皮帶驅動旋轉，而無人飛行器正常飛行時，受飛行高度、風向、風力等因素影響，發動機轉速變化范圍較大，發動機與發電機二者轉速比通常為1.7～3，故發電機轉子轉速變化范圍很大。在結構一定及磁場強度不變的條件下，發電機輸出電壓大小與發電機的轉速成正比，由此引起發電機的輸出電壓范圍大，難以滿足飛行器用電設備的工作電壓范圍要求。

圖1 交流發電機解體圖Fig.1 AC generator decomposition diagram

為使不同轉速下發電機電壓均能保持恒定輸出，滿足用電設備對輸入電壓范圍的限制，必須配套電壓調節器，穩定發電機電壓輸出。電壓調節器把發電機輸出電壓控制在規定范圍內，其功用是在發電機轉速變化時，自動控制發電機電壓保持恒定，使其不因發電機轉速高時電壓過高，以致燒壞機載用電設備（飛控機、測控電臺、高度表、導航、飛參和大氣機等）和導致應急蓄電池過充；也不會因發電機轉速稍低而輸出電壓不足，導致機載用電設備無法正常工作[2]。

1 電壓調節器的分類

1.1 按工作原理

電壓調節器按工作原理，分為觸點式電壓調節器和電子式電壓調節器。其中，電子式電壓調節器可分為晶體管調節器、集成電路調節器和電腦控制調節器3種。隨著電子技術的發展，目前交流發電機電壓調節器幾乎全部采用電子式調節。電子式調節具有精度高、無火花、重量輕、體積小、壽命長、可靠性高、電波干擾小等優點[3-4]。具有代表性的2款調節器如圖2所示。

圖2 典型調節器實物照片Fig.2 Physical photo of typical regulators

1）觸點式調節器 觸點式調節器分為單級和雙級。其基本原理是根據反饋電壓信號控制活動觸點，調節勵磁線圈上的串聯電阻值。當電壓高于調節電壓值時，調節串聯電阻變大，反之則減小，從而調節勵磁電流，達到調壓的目的。

2）晶體管調節器/集成電路調節器 晶體管調節器的工作原理與集成電路調節器的相同，均通過穩壓管感應發電機的輸出電壓信號控制開關管，實現控制發電機的勵磁電流，從而使發電機輸出電壓保持恒定。

二者的區別在于，集成電路調節器將晶體管調節電路的若干元件集成在同一芯片上。晶體管調節器通常使用發電機指定調節器，若采用代替型號，需確保標稱電壓和搭鐵形式與原有型號一致，否則發電機可能因勵磁電路不同而不能正常調壓[5]。集成電路調節器除具有晶體管調節器的優點外，還具有超小型化、內裝式、重量輕、冷卻效果好等優點，減少了外接線（通常 2～3 根）[6-7]。

3）數字調節器 該調節器工作原理是電壓傳感器測量的同步發電機輸出電壓與電壓基準值進行比較，根據二者的偏差，基于一定的控制算法，由CPU產生PWM波脈沖寬度占空比控制IGBT功率主回路輸出，從而改變勵磁線圈電流，達到縮小發電機電壓偏差，實現穩壓的目的[8]。

1.2 按搭鐵類型

電子調節器按交流發電機搭鐵類型分為內搭鐵型和外搭鐵型2種，分別適用于內搭鐵型交流發電機、外搭鐵型交流發電機。

晶體管調節器最好使用指定調節器，如采用其他型號替代，除標稱電壓、功率等規定參數與原調節器相同外，搭鐵形式也必須相同，否則發電機可能因勵磁電路不通而無法正常工作。

2 電壓調節器的調壓原理

交流發電機的三相繞組產生的相電動勢有效值為 Eφ=CeФn（式中 Ce為發電機的結構常數；n為轉子轉速；Ф為轉子的磁極磁通），即交流發電機感應電動勢與轉子轉速和磁極磁通成正比。發電機的轉速隨工況變化在不停改變，若維持Eφ恒定，需要調節Ф，而Ф與勵磁電流成正比，因此需要調節勵磁電流。

故交流發電機電壓調節器的調壓原理是：當發電機轉速升高時，調節器減小發電機勵磁電流以減小Ф，使發電機的輸出電壓Eφ保持不變；當發電機的轉速降低時，調節器增大發電機勵磁電流來增加Ф，使發電機的Eφ保持不變。

調節勵磁的方式主要有2種（見表1），一種是勵磁電流時大時小（大小控制），另一種是勵磁電流時有時無 （開/關控制）。觸點式電壓調節器采用后者，而電子調節器采用前者。

表1 勵磁調節方式Tab.1 Excitation regulation mode

3 電子調節器電路的工作原理

在此，分別以外搭鐵晶體管、內搭鐵晶體管、數字調節器為例，介紹電子調節器的工作原理。其它類型的工作原理并無本質區別[9]。

3.1 外搭鐵型

外搭鐵型晶體管電子調節器雖型式多樣，但基本工作原理均如圖3所示。

圖3 外搭鐵型晶體管電子調節器原理Fig.3 Schematic diagram of transistor electronic regulator for external lap iron

圖中，當轉速高時電壓高，穩壓二極管擊穿，三極管VT1導通，三極管VT2截止，轉子勵磁線圈斷電，轉子磁場強度降低，電壓降低，續流二極管VD對轉子線圈保護；轉速低時電壓低，穩壓二極管截止，三極管VT1截止，三極管VT2導通，轉子激磁線圈通電，轉子磁場強度較強，電壓升高。

3.2 內搭鐵型

內搭鐵型晶體管電子調節器電路如圖4所示，勵磁線圈介于晶體管與搭鐵之間。

圖4 內搭鐵型晶體管調節器原理Fig.4 Schematic diagram of transistor electronic regulator for internal lap iron

3.3 數字調節器

數字調節器的工作原理（如圖5所示），是勵磁系統在不加外勵磁的情況下進行剩磁直接啟動，若啟動不成功則投入外加啟勵電源，通常外加勵磁時間維持2～3 s，自動斷開；如仍然未發電，可再次外加勵磁。運行過程中，調節器CPU根據A/D變換器采集發電機電壓，通過PWM模塊控制開關管導通時間，實現對反復調節勵磁線圈的導通時間，實現控制勵磁電流大小，穩定輸出端電壓，形成閉環勵磁調節系統。

圖5 內搭鐵型數字調節器原理Fig.5 Schematic diagram of digital regulator for internal lap iron

4 充電指示燈控制電路

4.1 故障報警燈

無人飛行器主電源為機載用電設備進行供電，其狀態直接影響到飛機的安全性。因此，設置監測和顯示發電機與調節器的工作狀態指示燈（地面調試用）和故障報警信號是必不可少的。

故障報警燈安裝在機載配電盒面板上，僅限于地面調試時觀察使用，在空中飛行狀態下，將該信號發送給飛控機，并借助鏈路傳送地面，以便及時掌握發電機工作狀態，必要時啟動應急飛行模式。

4.2 指示燈監測原理

指示燈按監測原理，分為以下2種（見表2）：

1）中性點電壓控制 發電機N點的直流輸出電壓的電壓控制通過繼電器或開關管實現故障報。

2）二極管端輸出電壓控制 通過對比蓄電池端與二極管端的電壓，進行做差，以控制故障指示燈。

表2 充電指示燈點亮方式Tab.2 Lighting mode of charging indicator

5 應用實例

某型交流發電機AC×××RA 28V，專用調壓器型號為605-×，負責完成發電機勵磁調壓，典型應用可分為無電池應用和有電池應用2類。發電機引線端子分別為 B+，B-，L，WL，N，引線設置見表 3。

5.1 AC×××RA無電池應用

無電池應用是指發電機不需要對蓄電池進行充電，此時需要外接電容組件對整流后的直流進行濾波。勵磁系統首先用同步發電機剩磁啟動，若啟動不成功投入啟勵電源（他勵），機端電壓達到65%額定值時，斷開啟勵回路。AC×××RA無電池應用電路如圖6所示。圖中，蓄電池作為啟勵電源，提供初始勵磁，由于電容組件中二極管的隔離，發電機直流輸出不能對蓄電池充電。開關S1實現對發電機勵磁的開關控制，達到激磁和滅磁的作用。

表3 某型交流發電機AC×××RA接線端定義Tab.3 Definition of AC×××RA connection terminal for a certain type of alternator

圖6 AC×××RA無電池應用電路Fig.6 Circuit for AC×××RA without battery generator

5.2 AC×××RA有電池應用

AC×××RA有電池應用電路如圖7所示。無電池應用時，通常沒有電容組件，因為電池可以起到平滑濾波作用，所以省去電容組件。開關S1實現對發電機勵磁的開關控制。

圖7 AC×××RA有電池應用電路Fig.7 Circuit diagram for AC×××RA with battery generator

DS1位充電指示燈，又稱故障報警燈。當發電機工作正常時DS1熄滅；當發電機故障時DS1點亮。初始工作時開關閉合S1，指示燈亮 （此時不代表故障），轉子勵磁，發電機開始發電，發電機建壓后指示燈熄滅。

5.3 介于二者之間的特殊應用

如圖6所示，AC×××RA發電機無電池典型應用時沒有故障報警指示燈報警，是因為廠家認為在無電池的情況下不需要對電池進行充電，因此沒有必要將L調節器L端引出來。

在實際應用中，往往還需要對發電機狀態進行監控，通過指示燈報警，同時將故障信號發送給控制器，以便控制器做出判斷，決定是否進入應急狀態。為此，需要將調節器L端子引出，AC×××RA發電機無電池典型應用具體如圖8所示；為防止蓄電池對發電機反流，串入1個防反二極管。

圖8 AC×××RA發電機無電池典型應用Fig.8 Typical application of AC×××RA generator without battery

6 結語

文中針對無人機機載電氣系統，研究了以交流發電機整流輸出作為主電源的電壓調節器的作用及工作原理，并對具體使用的發電機有電池但不需要充電的情況，進行了討論，給出了針對該問題的實用電路，從而為采用該類型發電機作為主電源的飛行器及其它飛行器電源系統設計提供了借鑒。