無(wú)人飛行器用交流發(fā)電機(jī)調(diào)壓器原理研究

胡中華，許 昕

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第38研究所，合肥 230088）

無(wú)人飛行器采用三相同步交流發(fā)電機(jī)（硅整流發(fā)電機(jī)）作為供電主電源，先整流，再濾波，實(shí)現(xiàn)輸出符合精度要求的電壓[1]。其中，三相同步交流發(fā)電機(jī)有整體式和普通式2種，二者均由前端蓋、風(fēng)扇、軸、定子、轉(zhuǎn)子、調(diào)節(jié)器組件等組成，其分解圖如圖1所示。

因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，而無(wú)人飛行器正常飛行時(shí)，受飛行高度、風(fēng)向、風(fēng)力等因素影響，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍較大，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)二者轉(zhuǎn)速比通常為1.7～3，故發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍很大。在結(jié)構(gòu)一定及磁場(chǎng)強(qiáng)度不變的條件下，發(fā)電機(jī)輸出電壓大小與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，由此引起發(fā)電機(jī)的輸出電壓范圍大，難以滿足飛行器用電設(shè)備的工作電壓范圍要求。

圖1 交流發(fā)電機(jī)解體圖Fig.1 AC generator decomposition diagram

為使不同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)電壓均能保持恒定輸出，滿足用電設(shè)備對(duì)輸入電壓范圍的限制，必須配套電壓調(diào)節(jié)器，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)電壓輸出。電壓調(diào)節(jié)器把發(fā)電機(jī)輸出電壓控制在規(guī)定范圍內(nèi)，其功用是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，自動(dòng)控制發(fā)電機(jī)電壓保持恒定，使其不因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)電壓過(guò)高，以致燒壞機(jī)載用電設(shè)備（飛控機(jī)、測(cè)控電臺(tái)、高度表、導(dǎo)航、飛參和大氣機(jī)等）和導(dǎo)致應(yīng)急蓄電池過(guò)充；也不會(huì)因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速稍低而輸出電壓不足，導(dǎo)致機(jī)載用電設(shè)備無(wú)法正常工作[2]。

1 電壓調(diào)節(jié)器的分類

1.1 按工作原理

電壓調(diào)節(jié)器按工作原理，分為觸點(diǎn)式電壓調(diào)節(jié)器和電子式電壓調(diào)節(jié)器。其中，電子式電壓調(diào)節(jié)器可分為晶體管調(diào)節(jié)器、集成電路調(diào)節(jié)器和電腦控制調(diào)節(jié)器3種。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，目前交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器幾乎全部采用電子式調(diào)節(jié)。電子式調(diào)節(jié)具有精度高、無(wú)火花、重量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、電波干擾小等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。具有代表性的2款調(diào)節(jié)器如圖2所示。

圖2 典型調(diào)節(jié)器實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Physical photo of typical regulators

1）觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器 觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器分為單級(jí)和雙級(jí)。其基本原理是根據(jù)反饋電壓信號(hào)控制活動(dòng)觸點(diǎn)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈上的串聯(lián)電阻值。當(dāng)電壓高于調(diào)節(jié)電壓值時(shí)，調(diào)節(jié)串聯(lián)電阻變大，反之則減小，從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，達(dá)到調(diào)壓的目的。

2）晶體管調(diào)節(jié)器/集成電路調(diào)節(jié)器 晶體管調(diào)節(jié)器的工作原理與集成電路調(diào)節(jié)器的相同，均通過(guò)穩(wěn)壓管感應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸出電壓信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而使發(fā)電機(jī)輸出電壓保持恒定。

二者的區(qū)別在于，集成電路調(diào)節(jié)器將晶體管調(diào)節(jié)電路的若干元件集成在同一芯片上。晶體管調(diào)節(jié)器通常使用發(fā)電機(jī)指定調(diào)節(jié)器，若采用代替型號(hào)，需確保標(biāo)稱電壓和搭鐵形式與原有型號(hào)一致，否則發(fā)電機(jī)可能因勵(lì)磁電路不同而不能正常調(diào)壓[5]。集成電路調(diào)節(jié)器除具有晶體管調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有超小型化、內(nèi)裝式、重量輕、冷卻效果好等優(yōu)點(diǎn)，減少了外接線（通常 2～3 根）[6-7]。

3）數(shù)字調(diào)節(jié)器 該調(diào)節(jié)器工作原理是電壓傳感器測(cè)量的同步發(fā)電機(jī)輸出電壓與電壓基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，根據(jù)二者的偏差，基于一定的控制算法，由CPU產(chǎn)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(lì)磁線圈電流，達(dá)到縮小發(fā)電機(jī)電壓偏差，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的[8]。

1.2 按搭鐵類型

電子調(diào)節(jié)器按交流發(fā)電機(jī)搭鐵類型分為內(nèi)搭鐵型和外搭鐵型2種，分別適用于內(nèi)搭鐵型交流發(fā)電機(jī)、外搭鐵型交流發(fā)電機(jī)。

晶體管調(diào)節(jié)器最好使用指定調(diào)節(jié)器，如采用其他型號(hào)替代，除標(biāo)稱電壓、功率等規(guī)定參數(shù)與原調(diào)節(jié)器相同外，搭鐵形式也必須相同，否則發(fā)電機(jī)可能因勵(lì)磁電路不通而無(wú)法正常工作。

2 電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)壓原理

交流發(fā)電機(jī)的三相繞組產(chǎn)生的相電動(dòng)勢(shì)有效值為 Eφ=CeФn（式中 Ce為發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；Ф為轉(zhuǎn)子的磁極磁通），即交流發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和磁極磁通成正比。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨工況變化在不停改變，若維持Eφ恒定，需要調(diào)節(jié)Ф，而Ф與勵(lì)磁電流成正比，因此需要調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。

故交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的調(diào)壓原理是：當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，調(diào)節(jié)器減小發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流以減小Ф，使發(fā)電機(jī)的輸出電壓Eφ保持不變；當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低時(shí)，調(diào)節(jié)器增大發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流來(lái)增加Ф，使發(fā)電機(jī)的Eφ保持不變。

調(diào)節(jié)勵(lì)磁的方式主要有2種（見(jiàn)表1），一種是勵(lì)磁電流時(shí)大時(shí)?。ù笮】刂疲硪环N是勵(lì)磁電流時(shí)有時(shí)無(wú) （開(kāi)/關(guān)控制）。觸點(diǎn)式電壓調(diào)節(jié)器采用后者，而電子調(diào)節(jié)器采用前者。

表1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式Tab.1 Excitation regulation mode

3 電子調(diào)節(jié)器電路的工作原理

在此，分別以外搭鐵晶體管、內(nèi)搭鐵晶體管、數(shù)字調(diào)節(jié)器為例，介紹電子調(diào)節(jié)器的工作原理。其它類型的工作原理并無(wú)本質(zhì)區(qū)別[9]。

3.1 外搭鐵型

外搭鐵型晶體管電子調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器原理Fig.3 Schematic diagram of transistor electronic regulator for external lap iron

圖中，當(dāng)轉(zhuǎn)速高時(shí)電壓高，穩(wěn)壓二極管擊穿，三極管VT1導(dǎo)通，三極管VT2截止，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈斷電，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度降低，電壓降低，續(xù)流二極管VD對(duì)轉(zhuǎn)子線圈保護(hù)；轉(zhuǎn)速低時(shí)電壓低，穩(wěn)壓二極管截止，三極管VT1截止，三極管VT2導(dǎo)通，轉(zhuǎn)子激磁線圈通電，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，電壓升高。

3.2 內(nèi)搭鐵型

內(nèi)搭鐵型晶體管電子調(diào)節(jié)器電路如圖4所示，勵(lì)磁線圈介于晶體管與搭鐵之間。

圖4 內(nèi)搭鐵型晶體管調(diào)節(jié)器原理Fig.4 Schematic diagram of transistor electronic regulator for internal lap iron

3.3 數(shù)字調(diào)節(jié)器

數(shù)字調(diào)節(jié)器的工作原理（如圖5所示），是勵(lì)磁系統(tǒng)在不加外勵(lì)磁的情況下進(jìn)行剩磁直接啟動(dòng)，若啟動(dòng)不成功則投入外加啟勵(lì)電源，通常外加勵(lì)磁時(shí)間維持2～3 s，自動(dòng)斷開(kāi)；如仍然未發(fā)電，可再次外加勵(lì)磁。運(yùn)行過(guò)程中，調(diào)節(jié)器CPU根據(jù)A/D變換器采集發(fā)電機(jī)電壓，通過(guò)PWM模塊控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)反復(fù)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)控制勵(lì)磁電流大小，穩(wěn)定輸出端電壓，形成閉環(huán)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

圖5 內(nèi)搭鐵型數(shù)字調(diào)節(jié)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(bào)警燈

無(wú)人飛行器主電源為機(jī)載用電設(shè)備進(jìn)行供電，其狀態(tài)直接影響到飛機(jī)的安全性。因此，設(shè)置監(jiān)測(cè)和顯示發(fā)電機(jī)與調(diào)節(jié)器的工作狀態(tài)指示燈（地面調(diào)試用）和故障報(bào)警信號(hào)是必不可少的。

故障報(bào)警燈安裝在機(jī)載配電盒面板上，僅限于地面調(diào)試時(shí)觀察使用，在空中飛行狀態(tài)下，將該信號(hào)發(fā)送給飛控機(jī)，并借助鏈路傳送地面，以便及時(shí)掌握發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，必要時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急飛行模式。

4.2 指示燈監(jiān)測(cè)原理

指示燈按監(jiān)測(cè)原理，分為以下2種（見(jiàn)表2）：

1）中性點(diǎn)電壓控制 發(fā)電機(jī)N點(diǎn)的直流輸出電壓的電壓控制通過(guò)繼電器或開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)故障報(bào)。

2）二極管端輸出電壓控制 通過(guò)對(duì)比蓄電池端與二極管端的電壓，進(jìn)行做差，以控制故障指示燈。

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

5 應(yīng)用實(shí)例

某型交流發(fā)電機(jī)AC×××RA 28V，專用調(diào)壓器型號(hào)為605-×，負(fù)責(zé)完成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)壓，典型應(yīng)用可分為無(wú)電池應(yīng)用和有電池應(yīng)用2類。發(fā)電機(jī)引線端子分別為 B+，B-，L，WL，N，引線設(shè)置見(jiàn)表 3。

5.1 AC×××RA無(wú)電池應(yīng)用

無(wú)電池應(yīng)用是指發(fā)電機(jī)不需要對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，此時(shí)需要外接電容組件對(duì)整流后的直流進(jìn)行濾波。勵(lì)磁系統(tǒng)首先用同步發(fā)電機(jī)剩磁啟動(dòng)，若啟動(dòng)不成功投入啟勵(lì)電源（他勵(lì)），機(jī)端電壓達(dá)到65%額定值時(shí)，斷開(kāi)啟勵(lì)回路。AC×××RA無(wú)電池應(yīng)用電路如圖6所示。圖中，蓄電池作為啟勵(lì)電源，提供初始勵(lì)磁，由于電容組件中二極管的隔離，發(fā)電機(jī)直流輸出不能對(duì)蓄電池充電。開(kāi)關(guān)S1實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的開(kāi)關(guān)控制，達(dá)到激磁和滅磁的作用。

表3 某型交流發(fā)電機(jī)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(wú)電池應(yīng)用電路Fig.6 Circuit for AC×××RA without battery generator

5.2 AC×××RA有電池應(yīng)用

AC×××RA有電池應(yīng)用電路如圖7所示。無(wú)電池應(yīng)用時(shí)，通常沒(méi)有電容組件，因?yàn)殡姵乜梢云鸬狡交瑸V波作用，所以省去電容組件。開(kāi)關(guān)S1實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的開(kāi)關(guān)控制。

圖7 AC×××RA有電池應(yīng)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(bào)警燈。當(dāng)發(fā)電機(jī)工作正常時(shí)DS1熄滅；當(dāng)發(fā)電機(jī)故障時(shí)DS1點(diǎn)亮。初始工作時(shí)開(kāi)關(guān)閉合S1，指示燈亮 （此時(shí)不代表故障），轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)開(kāi)始發(fā)電，發(fā)電機(jī)建壓后指示燈熄滅。

5.3 介于二者之間的特殊應(yīng)用

如圖6所示，AC×××RA發(fā)電機(jī)無(wú)電池典型應(yīng)用時(shí)沒(méi)有故障報(bào)警指示燈報(bào)警，是因?yàn)閺S家認(rèn)為在無(wú)電池的情況下不需要對(duì)電池進(jìn)行充電，因此沒(méi)有必要將L調(diào)節(jié)器L端引出來(lái)。

在實(shí)際應(yīng)用中，往往還需要對(duì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)指示燈報(bào)警，同時(shí)將故障信號(hào)發(fā)送給控制器，以便控制器做出判斷，決定是否進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)。為此，需要將調(diào)節(jié)器L端子引出，AC×××RA發(fā)電機(jī)無(wú)電池典型應(yīng)用具體如圖8所示；為防止蓄電池對(duì)發(fā)電機(jī)反流，串入1個(gè)防反二極管。

圖8 AC×××RA發(fā)電機(jī)無(wú)電池典型應(yīng)用Fig.8 Typical application of AC×××RA generator without battery

6 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載電氣系統(tǒng)，研究了以交流發(fā)電機(jī)整流輸出作為主電源的電壓調(diào)節(jié)器的作用及工作原理，并對(duì)具體使用的發(fā)電機(jī)有電池但不需要充電的情況，進(jìn)行了討論，給出了針對(duì)該問(wèn)題的實(shí)用電路，從而為采用該類型發(fā)電機(jī)作為主電源的飛行器及其它飛行器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了借鑒。