航空交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)及其改進(jìn)

徐曉丹

（中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

0 引 言

航空交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由機(jī)載發(fā)電機(jī)和電壓調(diào)節(jié)器［1，2］組成，是飛機(jī)電源的重要組成部分，其性能決定了飛機(jī)電源輸出品質(zhì)。發(fā)電機(jī)的輸出電壓主要受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載大小、功率因數(shù)等因素影響，調(diào)壓系統(tǒng)的作用在于能根據(jù)負(fù)載和轉(zhuǎn)速的大小，由電壓調(diào)節(jié)器快速響應(yīng)電壓變化要求，自動(dòng)檢測(cè)并調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，使電壓穩(wěn)定在一定工作范圍內(nèi)，保證用電設(shè)備的正常工作。

隨著飛機(jī)用電設(shè)備大量采用非線性電力電子變換裝置，諧波造成的電網(wǎng)污染和電壓波形畸變將難以避免。傳統(tǒng)的電壓峰值或整流濾波平均值檢測(cè)反饋調(diào)壓［1，3］無論是在調(diào)壓精度還是穩(wěn)壓動(dòng)態(tài)性能上，都已無法滿足使用要求。

本文以三級(jí)式無刷交流發(fā)電機(jī)為對(duì)象，介紹了交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)組成，闡述了調(diào)壓原理，對(duì)調(diào)壓電路及其工作過程進(jìn)行分析。為改善非線性負(fù)載和發(fā)電機(jī)頻率變化對(duì)電壓調(diào)節(jié)的影響，提出了電壓真有效值檢測(cè)［4，5］和多環(huán)反饋控制［6，7］，試驗(yàn)表明了這兩種方法可以解決發(fā)電機(jī)電壓波形畸變和頻率變化情況下的發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)問題。

1 發(fā)電機(jī)及其調(diào)壓原理

三級(jí)式無刷交流發(fā)電機(jī)由主發(fā)電機(jī)、交流主勵(lì)磁機(jī)、副勵(lì)磁機(jī)以及旋轉(zhuǎn)整流器轉(zhuǎn)子組成。主發(fā)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機(jī)，交流勵(lì)磁機(jī)是旋轉(zhuǎn)電樞式同步發(fā)電機(jī)，電樞繞組輸出三相交流電，經(jīng)整流后作為主發(fā)電機(jī)直流勵(lì)磁電源，整流器裝在轉(zhuǎn)子上，隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，所以稱旋轉(zhuǎn)整流器。副勵(lì)磁機(jī)又稱永磁發(fā)電機(jī)，輸出三相恒頻交流電，經(jīng)整流電路的整流、濾波，為調(diào)壓器提供工作電壓。

電壓調(diào)節(jié)器又稱調(diào)壓器，是調(diào)壓系統(tǒng)的核心部件，能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，使輸出電壓穩(wěn)定于規(guī)定水平，當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路時(shí)，調(diào)壓器還能對(duì)發(fā)電機(jī)強(qiáng)行勵(lì)磁保護(hù)，并限制發(fā)電機(jī)輸出電流，防止電流過載。電壓調(diào)節(jié)器以晶體管電壓調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，如圖1（a）所示。大功率晶體管BG串聯(lián)在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁線圈Wij電路中，通過合理設(shè)置大功率晶體管的工作條件，使其工作在開關(guān)狀態(tài)，用來控制勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流。等效電路如圖1（b）所示。

設(shè)Rij和L為勵(lì)磁機(jī)繞組的電阻和電感，E為電源電壓，t1為功率管導(dǎo)通時(shí)間，導(dǎo)通期間的電流為ion，t2為功率管截止時(shí)間，截止期間的電流為ioff，則功率管

圖1 晶體管調(diào)壓器原理圖

導(dǎo)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(shù)。

式（3）和式（4）反映了發(fā)電機(jī)在大功率晶體管的控制作用下，勵(lì)磁電流按照指數(shù)規(guī)律變化。在一個(gè)工作周期內(nèi)，勵(lì)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(lì)磁電流的平均值與功率管的導(dǎo)通比成正比。因此，只要使功率管導(dǎo)通比隨發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)的變化而做相應(yīng)改變，就可以控制勵(lì)磁電流，從而控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

2 基本調(diào)壓電路分析

電壓調(diào)節(jié)器基本電路由檢測(cè)比較、波形調(diào)制、整形放大和功率控制四個(gè)主要模塊組成，自動(dòng)檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出的電壓值變化，與調(diào)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，將偏差信號(hào)放大后，以此來改變勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓，以獲取穩(wěn)定的電壓輸出。圖2給出了基于集成運(yùn)算放大器的電壓調(diào)節(jié)器電路，各電路工作原理及信號(hào)波形分析如下。

圖2 基于集成運(yùn)放的調(diào)壓器電路原理圖

（1）電壓檢測(cè)比較電路

檢測(cè)比較電路經(jīng)隔離變壓器降壓、整流濾波后，由滑動(dòng)電阻橋檢測(cè)出發(fā)電機(jī)電壓，并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，獲得電壓差值信號(hào)△U；經(jīng)差動(dòng)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(diào)制電路

波形調(diào)制電路由三角波發(fā)生器和比較放大器組成。三角波發(fā)生器產(chǎn)生三角波調(diào)制信號(hào)加在比較放大器A2的同相端；前級(jí)檢測(cè)輸出電壓UD加在A2的反相端，輸出電壓UH取決于兩個(gè)輸入電壓的相對(duì)大小。該電路完成對(duì)檢測(cè)比較電路輸出電壓的調(diào)制，即把數(shù)值不同的UD轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌瑢挾鹊妮敵雒}沖。如圖3（a）和（a′）、（b）和（b′）所示，分別為大負(fù)載和小負(fù)載條件下，三角波調(diào)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(lián)超前校正電路，提高調(diào)壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反應(yīng)的快速性，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

（3）整形放大電路

前級(jí)波形調(diào)制后的脈沖信號(hào)經(jīng)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(hào)控制功率開關(guān)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(hào)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(dá)林頓連接，串聯(lián)在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)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(fù)脈沖寬度可以改變功率控制晶體管的導(dǎo)通比，進(jìn)而控制勵(lì)磁電流的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

圖3 調(diào)壓器各級(jí)電壓波形

通過以上分析，發(fā)電機(jī)調(diào)壓工作過程為:當(dāng)發(fā)電機(jī)帶大負(fù)載、電流增大時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓降低，檢測(cè)電壓隨之下降，與基準(zhǔn)電壓經(jīng)差動(dòng)放大后的電壓差值信號(hào)反而升高，再經(jīng)三角波調(diào)制后，輸出信號(hào)正脈沖寬度減?。唤?jīng)晶體管整形放大并倒相后，正脈沖寬度反而增大，功率調(diào)制開關(guān)管的導(dǎo)通比也隨之增大，勵(lì)磁電流增加，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的電壓使之上升；當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載電流減小，發(fā)電機(jī)輸出電壓升高，調(diào)節(jié)過程與上述過程相反，從而使發(fā)電機(jī)的輸出電壓穩(wěn)定在額定范圍內(nèi)。

3 電壓檢測(cè)技術(shù)

3.1 真有效值（True RMS）

發(fā)電機(jī)調(diào)壓中，電壓檢測(cè)常用的有峰值和平均值檢測(cè)法。峰值檢測(cè)采用波峰系數(shù)來表示峰值與有效值之間的關(guān)系，半個(gè)周期檢測(cè)一次，檢測(cè)速度快，易于實(shí)現(xiàn)，但波峰系數(shù)受波形的影響大，反饋誤差大；平均值檢測(cè)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(dāng)用電設(shè)備中含有大量電力電子整流變壓裝置時(shí)，負(fù)載的非線性特性將造成諧波污染，使發(fā)電機(jī)的電壓輸出波形畸變嚴(yán)重，波峰系數(shù)惡化，峰值和平均值檢測(cè)與總有效值之比也將發(fā)生變化，檢測(cè)精度下降。

普通的有效值為峰值的0.707倍，只在信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波時(shí)使用結(jié)果才準(zhǔn)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(jié)果，更能直接反映調(diào)壓點(diǎn)電壓的真實(shí)變化情況，檢測(cè)更精確，更適用于波形畸變情況。

3.2 AD536A檢測(cè)電路

采用美國(guó)AD公司的真有效值－直流（RMS－DC）轉(zhuǎn)換芯片AD536A進(jìn)行電壓真有效值檢測(cè)。AD536A是真有效值轉(zhuǎn)直流值的單塊集成電路，可直接計(jì)算交、直流成分的任何復(fù)雜波形的真有效值。AD536A具有測(cè)量電壓范圍廣（＞1V）、測(cè)量頻帶寬（2MHz）、處理速度快、精度高以及峰值因數(shù)補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，其內(nèi)部含有求絕對(duì)值電路、平方除法器等電路，可將一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之等效的直流輸出電平。

標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用電路連接方式的AD536A電壓有效值檢測(cè)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(cè)響應(yīng)時(shí)間和輸出電壓的紋波大小。減小Cav能提高檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間，但紋波值變大；增加Cav能減小紋波，但動(dòng)態(tài)時(shí)間變長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性變差。電路設(shè)計(jì)時(shí)，需權(quán)衡響應(yīng)時(shí)間、測(cè)量精度和紋波等綜合性能，選取最合適的平均電容值。針對(duì)該電路的大量實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電容Cav取0.1μF時(shí)，檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、紋波和測(cè)量精度等綜合性能最優(yōu)。

盡管電容選取最優(yōu)，AD536A輸出的直流電平中交流紋波分量仍然會(huì)引起功率管導(dǎo)通比發(fā)生波動(dòng)，加大電壓調(diào)制量，必須增加紋波濾除電路進(jìn)行濾除，可采用減法濾波和二極管整流電路對(duì)紋波和小干擾信號(hào)予以濾除。由于減法電路沒有慣性環(huán)節(jié)，能在不增加響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)使紋波電壓大大減少。

圖4 電壓真有效值的AD536A標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用檢測(cè)電路

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

將JF－60型發(fā)電機(jī)接入三相平衡的交流非線性電子負(fù)載3kVA，利用頻譜分析儀測(cè)試觀察電壓及諧波含量，并觀測(cè)調(diào)壓器的調(diào)壓效果，調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓值誤差在±0.5V波動(dòng)。在功率因數(shù)0.7、電壓諧波含量達(dá)到12.3%、波峰系數(shù)達(dá)到2.38時(shí)，調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓誤差為有效值±0.5V（試驗(yàn)結(jié)果來自文獻(xiàn)4）。將真有效值檢測(cè)的測(cè)試數(shù)據(jù)與某型飛機(jī)上的基于平均值電壓檢測(cè)的測(cè)試數(shù)據(jù)相比較，如表1所示，表明采用有效值檢測(cè)電路的調(diào)壓器更適應(yīng)發(fā)電機(jī)電壓波形畸變的情況。

表1 電壓真有效值與平均值檢測(cè)的比較［1，4］

由于有效值是按照周期積分運(yùn)算，至少需要檢測(cè)一個(gè)周期，所以有效值檢測(cè)比平均值檢測(cè)速度慢，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能提高其響應(yīng)速度。

4 多環(huán)反饋控制技術(shù)

4.1 多環(huán)反饋原理

近年來隨著交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，采用調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓、勵(lì)磁電流以及頻率、負(fù)載電流等多環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)將在調(diào)壓系統(tǒng)中得到應(yīng)用。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化引起發(fā)電機(jī)頻率的變化，又會(huì)引起發(fā)電機(jī)電抗值和輸出電壓的變化，使得不同轉(zhuǎn)速時(shí)負(fù)載電流變化會(huì)帶來不同的勵(lì)磁電流變化。為了抵消頻率變化和負(fù)載電流的擾動(dòng)帶來的影響，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在電壓檢測(cè)和勵(lì)磁電流環(huán)的基礎(chǔ)上，增加頻率和負(fù)載電流反饋環(huán)，以抵消其影響。多環(huán)控制電路原理圖如圖5所示。

圖5 多環(huán)控制調(diào)壓電路原理

負(fù)載電流反饋補(bǔ)償是基于電機(jī)的電樞反應(yīng)理論進(jìn)行計(jì)算的。圖6為同步發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)相量圖。

xd，xq分別為同步發(fā)電機(jī)的直軸同步電抗和交軸同步電抗，發(fā)電機(jī)電抗值與頻率成正比，隨著轉(zhuǎn)速的增加，輸出電壓頻率增加，電抗值增大。在上述計(jì)算過程中，通過采樣輸出電壓的頻率，更新電抗值，計(jì)算發(fā)電機(jī)實(shí)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(shù)角；φ1為內(nèi)功率因數(shù)角，即空載電動(dòng)勢(shì)與輸出電流之間的相位角。通過分析，可以得到內(nèi)功率因數(shù)角φ1的計(jì)算公式。

圖6 同步發(fā)電機(jī)電勢(shì)相量圖

式中，U為穩(wěn)定的輸出電壓；I為實(shí)際負(fù)載電流。由式（6）計(jì)算功率角θ＝φ－φ1，得出空載電動(dòng)勢(shì)為:

由于發(fā)電機(jī)的空載電動(dòng)勢(shì)E0與勵(lì)磁電流成函數(shù)關(guān)系，因此可計(jì)算出負(fù)載電流和頻率變化部分引起的勵(lì)磁電流變化大小。

實(shí)際運(yùn)行中，由于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)是變化的，很難精確計(jì)算出當(dāng)前負(fù)載下所需的勵(lì)磁電流大小，只能粗略計(jì)算。勵(lì)磁電流反饋的主要作用是加快負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)速度，實(shí)際勵(lì)磁電流值由電壓環(huán)調(diào)節(jié)控制。

4.2 多環(huán)調(diào)壓過程

多環(huán)控制的電壓調(diào)節(jié)電路工作過程如下:

（1）電壓環(huán)調(diào)節(jié)將給定基準(zhǔn)電壓Uref與反饋檢測(cè)電壓Ui比較后，計(jì)算得到勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)量Iu。

（2）通過檢測(cè)負(fù)載電流IL的大小，計(jì)算所需的勵(lì)磁電流大小，與電壓環(huán)輸出的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)量Iu相疊加后，作為勵(lì)磁電流環(huán)的給定量Iref。

（3）勵(lì)磁電流環(huán)調(diào)節(jié)器將給定勵(lì)磁電流量Iref和檢測(cè)得到的實(shí)際勵(lì)磁電流量Iwij做比較，得到勵(lì)磁電流誤差量△Iref，計(jì)算得到勵(lì)磁電路大功率開關(guān)管的導(dǎo)通比σ，驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電路的開關(guān)管，達(dá)到勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)電壓的目的。

4.3 試驗(yàn)情況

多環(huán)調(diào)節(jié)技術(shù)與電壓加勵(lì)磁電流的雙環(huán)反饋控制相比較，兩者都有抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，在負(fù)載發(fā)生變化的情況下，都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓的功能。而多環(huán)調(diào)壓方法更能明顯提高發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間。針對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行多環(huán)控制和電壓加勵(lì)磁電流的雙環(huán)控制試驗(yàn)，在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)突加、突卸負(fù)載的電壓調(diào)節(jié)時(shí)間相比較見表2。對(duì)比數(shù)據(jù)表明，多環(huán)控制下的電壓調(diào)節(jié)時(shí)間明顯縮短。

多環(huán)調(diào)節(jié)控制技術(shù)的缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)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(jì)算方面的硬件要求。

表2 多環(huán)控制與雙環(huán)控制的負(fù)載突加／突卸調(diào)節(jié)時(shí)間［1，4］

5 結(jié)束語

非線性負(fù)載帶來的諧波會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓波形畸變，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不均帶來的頻率變化會(huì)引起發(fā)電機(jī)電感等參數(shù)的變化，使得不同轉(zhuǎn)速時(shí)負(fù)載電流變化會(huì)帶來不同的勵(lì)磁電流變化，影響了航空交流發(fā)電機(jī)的電壓輸出品質(zhì)。本文研究了交流發(fā)電機(jī)的基本調(diào)壓電路原理，對(duì)電壓檢測(cè)和反饋控制兩個(gè)影響發(fā)電機(jī)調(diào)壓效果的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，采用AD536A專用檢測(cè)芯片進(jìn)行電壓有效值檢測(cè)，提高了電壓檢測(cè)精度；采用基于高速數(shù)字處理芯片的多環(huán)反饋調(diào)壓技術(shù)能解決發(fā)電機(jī)頻率、電樞電感變化和負(fù)載電流性質(zhì)不同帶來的調(diào)壓性能影響，明顯提高發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，取得較好的調(diào)壓效果。

［1］International organization for standardization:ISO／CD 1540Aerospace:Characteristics of AircraftElectrical Systems［S］.ISO，2004.

［2］周潔敏.飛機(jī)電氣系統(tǒng)［M］.南京:南京航空航天大學(xué)，2005.

［3］盧建華，吳曉男，楊秀珍.一種基于集成電路脈沖調(diào)寬式電壓調(diào)節(jié)器的研制［J］.儀表技術(shù)，2010，（7）:7－9，13.

［4］趙 鵬，李志剛.AD536A的性能及其應(yīng)用［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2004，（2）:17－19.

［5］楊善水，張旭明，張卓然，等.基于有效值檢測(cè)的航空變頻交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓技術(shù)［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42，（6）:717－721.

［6］張卓然，陳志輝，楊善水，等.飛機(jī)發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立與研究［J］.航空學(xué)報(bào)，2004，25，（5）:490－494.

［7］楊善水，張卓然，楊春源，等.基于多環(huán)調(diào)壓控制的混合勵(lì)磁航空變頻交流發(fā)電系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27，（3）:176－180.