基于集成電路的航空交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計與實現(xiàn)

焦旭東，何金輝

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

飛機同步發(fā)電機在運行過程中會受到一些因素出現(xiàn)變化，這些因素主要有轉(zhuǎn)速、功率以及負載等等，且電壓也會受到相關(guān)影響而改變；為了保證用電設(shè)備的運行處于正常狀態(tài)，因此必須保證同步發(fā)電機的電壓合理，這就需要激磁機的激磁電流變化。有關(guān)航空交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計具有很大難度，以往許多相關(guān)領(lǐng)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(fā)電機的設(shè)計，通過對不同永磁發(fā)電機的比較，選擇科學的方案，采用Taguchi優(yōu)化了設(shè)計方法，同時建立了實驗正交矩陣，得出其電磁設(shè)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(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器在實際使用中仍存在一定不足，導(dǎo)致用電設(shè)備運行中存在一定程度的問題。而本次航空交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計是基于集成電路進行并實現(xiàn)，其優(yōu)點在于設(shè)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(jīng)濟效益、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(diào)節(jié)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(dǎo)通時間設(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(guān)系在功率管的控制下呈現(xiàn)正比。在電機運行過程中，σ只要保證與電機運行狀態(tài)的變化一致，便可對激磁電流進行控制，在固定的范圍內(nèi)，實現(xiàn)對發(fā)電機電壓的合理調(diào)節(jié)。

2 硬件電路設(shè)計

針對三級式無刷交流發(fā)電機的調(diào)節(jié)器設(shè)計，由激磁機、發(fā)電機以及永磁式付激磁機組成。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，需要調(diào)節(jié)電路中的運行電壓。設(shè)計過程中都須采用航空發(fā)動機的恒速轉(zhuǎn)動裝置，保持永磁機中永磁轉(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施整流和降壓[3-4]，此時出現(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 比較電路的測量

變壓器B對交流發(fā)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(xiàn)非常平穩(wěn)。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(wěn)壓管DZ1則連接到了其同相端，DZ1的穩(wěn)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(huán)節(jié)連接到A1的外圍電路，如果發(fā)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(shù)，那么則能夠起到有效減少靜態(tài)誤差的作用。R8和R9兩個電阻，與C2和C3兩個電容形成串連電路，產(chǎn)生的作用除了可增強調(diào)壓系統(tǒng)的性能之外，還可優(yōu)化系統(tǒng)的動態(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(xiàn)翻轉(zhuǎn)，此時E點電位的電壓則為-UZ，F(xiàn)點的電位是UF=-βUZ。

Ub在t1時間內(nèi)，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(jīng)過R14電阻之后放電，b點電位出現(xiàn)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(huán)狀態(tài)，且每一個循環(huán)的周期即可表達為：

在整個設(shè)計過程中，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曲線均表現(xiàn)的與直線相似。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)壓器的運行流程

若發(fā)動機出現(xiàn)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(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，同時也會降低激磁機中的電流以及發(fā)電機的電壓[6]，進而使得發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)定；若發(fā)動機出現(xiàn)端電壓降低，負載電流提升，則會出現(xiàn)與以上情況相反的運行狀態(tài)。

3 仿真實驗、系統(tǒng)對接調(diào)試

對于本次設(shè)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(fā)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(fā)電機輸出電壓的目的；在UF＜UFe的情況下則出現(xiàn)與以上情況完全相反的運行，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓的需求[12]。

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

1）該調(diào)壓器的調(diào)制電路是專門的電路所形成的三角波[14]，并未采用發(fā)電機電壓經(jīng)濾波整流后的三角波，所以就算在直流發(fā)電機電壓中也可采用該調(diào)壓器進行調(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(shù)次諧波情況出現(xiàn)，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(xiàn)變動，可進一步提升調(diào)壓的精確度。

4 結(jié)束語

通過分析當前有關(guān)航空交流發(fā)電機設(shè)計中集成電路的電壓調(diào)節(jié)器的研究，在本次設(shè)計以及實現(xiàn)中，我們了解到集成運放設(shè)計飛機交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器具有很大的使用優(yōu)勢，從表明上來看，設(shè)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(diào)節(jié)器具有很強的抗干擾能力，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)部電路信號傳遞關(guān)系并不復(fù)雜，因此地面維護工作相對來說非常簡單?？傊?，該調(diào)節(jié)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(guān)研究中必將能產(chǎn)生更佳效果。