基于集成电路的航空交流发电机电压调节器设计

2010-03-24

海军航空大学学报 2010年4期

（海军装备部航空技术保障部，北京 100083）

飞机同步发电机的转速、负载（负载的大小或功率因素）变化时，其电压将随之变化。为保证用电设备的正常工作，就需要通过改变激磁机的激磁电流来调节同步发电机的电压。集成运算放大器式的电压调节器是航空发电机电压调节的发展趋势。

1 晶体管电压调节器的基本原理

集成运算放大器式的电压调节器以晶体管电压调节为基础，其基本原理如图1a）所示。[1]图中大功率晶体管BG 串联在激磁机激磁线圈Wjj电路中，用来控制激磁机的激磁电流。通过合理设置大功率晶体管的工作条件，使其工作在开关状态，等效电路如图1b）所示。

图1 晶体管电压调节器原理图

设Rjj和L为激磁机绕组的电阻和电感，E为电源电压，t1为功率管导通时间，导通期间的电流为ion，t2为功率管截止时间，截止期间的电流为iof，则功率管导通和截止期间的电压平衡方程式为：

上面方程的解为：

式中：T=t1+t2；A、B为积分常数。

式(3)、(4)反映了发电机在大功率晶体管的控制作用下，激磁电流按照指数规律变化。

在一个工作周期内，激磁电流的平均值可由以下积分公式求出：

在功率管的控制下，激磁电流的平均值Ijj与功率管的导通比σ成正比。只要使功率管导通比随发电机工作状态的变化而作相应的改变，就可以控制激磁机的激磁电流，从而使发电机的端电压在一定范围内可调。

2 硬件电路设计

该调节器针对三级式无刷交流发电机进行设计。

所谓三级式交流发电机，即是指交流发电机由永磁式付激磁机、激磁机、发电机组成。所设计的调压器原理电路如图2所示。图中，A1、A2、A3采用一片集成运放LM124[2]进行设计。

图2 基于集成电路航空交流发电机电压调节器原理电路

由于采用集成芯片和大功率管进行电路的设计，首先必须解决整个电路的工作电压。本设计利用航空发动机经过恒速传动装置带动永磁机的永磁转子旋转，在三相定子绕组中产生三相交流电，再由全波整流器进行整流、降压，为调压系统提供所需的直流工作电源。

2.1 测量比较电路

飞机交流发电机输出的三相交流电经变压器B降压，三相桥式整流器整流和阻容滤波后，加在R2、R3和电位计W的串联电路上。由于滤波电路的时间常数较大，滤波后的电压基本上是平稳的直流。电位计W的活动触点A 经电阻R4接在集成运算放大器A1的反相端，稳压管DZ1接在集成运算放大器A1的同相输入端，稳压管DZ1的稳定电压作为基准电压。该电路检测三相电压的平均值。

2.2 差动放大和校正电路

A1的外围电路联接成比例放大环节，发电机端电压越高，测量比较电路的输出电压UAB越高，放大器输出端D点的电位越低。该电路提高放大器前向通道的放大倍数，减小系统调压的静态误差。

电阻R8、R9和电容C2、C3组成串联超前校正电路，提高调压系统的稳定性和反应的快速性，改善系统的动态性能。

2.3 三角波发生器

因为测量比较电路输出电压UAB为平稳的直流电压，为了进行调制而设计该电路。A3输出端E点的电位被稳压管DZ2和DZ3限制在UZ的范围内，F点的电位为UZ为稳压管DZ2、DZ3的稳定电压。假定开始瞬间E点电位为+UZ，F点的电位为+βUZ，b点的电位为−βUZ。集成运算放大器A3由E点经电阻R14向电容C9充电，使b点电位不断升高。b点电位与时间的关系是则：

由初始条件t=0时，Ub=UZ−A=−βUZ可得A=(1 +β) UZ，所以：

可见电压Ub是按指数曲线上升的。

电压Ub加在A3的反相输入端，当Ub上升到略大于βUZ时，A3立即翻转，E点电位变为−UZ，F点电位为UF=−βUZ。

Ub由−βUZ上升到βUZ的时间t1，由式(7)求出：

此后电容器C5通过电阻R14放电，b点电位逐渐降低。在经过时间t1后，b点电压又降低为−βUZ，A3输出端电压UE又返回到+UZ。如此不断循环，每个循环的周期为：

设计过程中，使参数R14C5＞＞T，电压Ub的上升曲线与下降曲线近似直线，所以该电路的输出电压的波形近似为三角波。参看图3a）。三角波发生器的输出电压加在比较放大器A2的同相输入端。

2.4 比较放大器

集成运放A2用作比较放大器。差动放大器的输出电压UD加在A2的反相输入端，三角波的输出电压Ub加在A2的同相输入端。A2的输出电压UH取决于两个输入电压的相对大小。当Ub＞UD时，A2输出电压UH为正，当Ub＜UD时，A2输出电压UH为负。该电路完成对差动放大器输出电压的调制作用，即把数值不同的UD转变为不同宽度的输出脉冲。输入电压UD越高，比较放大器输出的正脉冲的宽度越窄；反之则越宽。比较放大器的输入与输出电压波形参看图3b）。

2.5 整形放大和功率放大电路

晶体管BG1对前级输入的脉冲信号进行整形，输出标准的矩形波，参看图3c）。

大功率晶体管BG2、BG3采用达林顿联接[3]，串联在激磁机激磁线圈Wjj的电路中，改变其导通比，即可控制激磁电流的大小。二极管D13为续流二极管，在功率管截止期间，它为激磁电流提供续流通路，以防止功率管由导通转为截止时，在激磁绕组中产生过高的自感电势将功率管击穿，同时又可使激磁电流平滑。R12为加速电阻，改善调压系统的动态性能。

2.6 调压器的工作过程

当发电机负载电流减小，端电压升高时，测量比较电路的电位计W 活动触点A的电位升高，差动放大器A1的输出电压UD降低，比较放大器A2输出的正脉冲宽度增大，使功率管BG2、BG3的导通比下降，激磁机的激磁电流下降，发电机电压降低，从而使发电机的输出电压稳定在额定范围内；当发电机负载电流增大，发电机端电压降低时，调节过程与上述过程相反。

3 仿真试验、系统对接调试

新研制的电压调节器采用Multisim 10 软件工具对所设计的调压器电路进行仿真验证，[4]该软件作为电路设计的辅助设计工具，得到了广泛的应用，具备以下突出特点：① 集成环境简洁易用；② 虚拟实验仪器丰富；③分析功能多样；④ 输入输出接口具有广泛的兼容性；⑤可自定义设计环境。

另外，Multisim 10 还支持VHDL 和Verilog 语言的电路仿真与设计。

通过仿真，系统中各模块电路的输出电压波形见图3，其中，左侧为UF＞UFe时波形，右侧为UF＜UFe时波形（UF为发电机的实际输出电压、UFe为发电机的额定电压）。当UF＞UFe时，整形放大电路输出波形宽度变窄，末级大功率晶体管σ减小，Ijj减小，从而使发电机输出电压降低；当 UF＜UFe时，与UF＞UFe的调压过程相反，满足了电压调节的要求。