航空交流发电机电压调节技术及其改进

徐晓丹

（中国电子科学研究院，北京 100041）

0 引 言

航空交流发电机系统由机载发电机和电压调节器［1，2］组成，是飞机电源的重要组成部分，其性能决定了飞机电源输出品质。发电机的输出电压主要受发电机转速、负载大小、功率因数等因素影响，调压系统的作用在于能根据负载和转速的大小，由电压调节器快速响应电压变化要求，自动检测并调节发电机的输出电压，使电压稳定在一定工作范围内，保证用电设备的正常工作。

随着飞机用电设备大量采用非线性电力电子变换装置，谐波造成的电网污染和电压波形畸变将难以避免。传统的电压峰值或整流滤波平均值检测反馈调压［1，3］无论是在调压精度还是稳压动态性能上，都已无法满足使用要求。

本文以三级式无刷交流发电机为对象，介绍了交流发电机调压系统组成，阐述了调压原理，对调压电路及其工作过程进行分析。为改善非线性负载和发电机频率变化对电压调节的影响，提出了电压真有效值检测［4，5］和多环反馈控制［6，7］，试验表明了这两种方法可以解决发电机电压波形畸变和频率变化情况下的发电机电压调节问题。

1 发电机及其调压原理

三级式无刷交流发电机由主发电机、交流主励磁机、副励磁机以及旋转整流器转子组成。主发电机是旋转磁极式同步发电机，交流励磁机是旋转电枢式同步发电机，电枢绕组输出三相交流电，经整流后作为主发电机直流励磁电源，整流器装在转子上，随转子旋转，所以称旋转整流器。副励磁机又称永磁发电机，输出三相恒频交流电，经整流电路的整流、滤波，为调压器提供工作电压。

电压调节器又称调压器，是调压系统的核心部件，能动态调节发电机励磁电流，使输出电压稳定于规定水平，当供电系统出现短路时，调压器还能对发电机强行励磁保护，并限制发电机输出电流，防止电流过载。电压调节器以晶体管电压调节为基础，如图1（a）所示。大功率晶体管BG串联在励磁机励磁线圈Wij电路中，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，用来控制励磁机的励磁电流。等效电路如图1（b）所示。

设Rij和L为励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ioff，则功率管

图1 晶体管调压器原理图

导通和截止期间的电压平衡方程式为:

解上式方程，得:

式中，T＝t1＋t2；τ＝；A和B为积分常数。

式（3）和式（4）反映了发电机在大功率晶体管的控制作用下，励磁电流按照指数规律变化。在一个工作周期内，励磁电流的平均值可由以下积分公式求出:

式（5）表明，在功率管的控制下，励磁电流的平均值与功率管的导通比成正比。因此，只要使功率管导通比随发电机工作状态的变化而做相应改变，就可以控制励磁电流，从而控制发电机的输出电压在一定范围内可调。

2 基本调压电路分析

电压调节器基本电路由检测比较、波形调制、整形放大和功率控制四个主要模块组成，自动检测发电机输出的电压值变化，与调定的基准值进行比较，将偏差信号放大后，以此来改变励磁机的励磁电流，调节发电机输出电压，以获取稳定的电压输出。图2给出了基于集成运算放大器的电压调节器电路，各电路工作原理及信号波形分析如下。

图2 基于集成运放的调压器电路原理图

（1）电压检测比较电路

检测比较电路经隔离变压器降压、整流滤波后，由滑动电阻桥检测出发电机电压，并与基准电压进行比较，获得电压差值信号△U；经差动放大器A1放大，输出电压UD，差值电压△U越高，放大器输出的电位UD越低。

（2）波形调制电路

波形调制电路由三角波发生器和比较放大器组成。三角波发生器产生三角波调制信号加在比较放大器A2的同相端；前级检测输出电压UD加在A2的反相端，输出电压UH取决于两个输入电压的相对大小。该电路完成对检测比较电路输出电压的调制，即把数值不同的UD转变为不同宽度的输出脉冲。如图3（a）和（a′）、（b）和（b′）所示，分别为大负载和小负载条件下，三角波调制和比较放大电路的输出电压波形。

需要注意的是，电路中电阻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。

（3）整形放大电路

前级波形调制后的脉冲信号经晶体管BG1整形放大，输出前后沿较陡的矩形波，作为控制信号控制功率开关管的通断。由于三极管共射极电路具有输出电压与输入电压的倒相作用，因此整形后的输出脉冲UC1与脉冲信号UH刚好反相，如图3（c）和（c′）所示。

（4）功率控制

功率控制电路采用大功率晶体管BG2、BG3达林顿连接，串联在励磁机励磁线圈Wij的电路中，整形放大电路的输出脉冲UC1作为其基极输入，UC1的正负脉冲宽度可以改变功率控制晶体管的导通比，进而控制励磁电流的大小，达到调节输出电压的目的。

图3 调压器各级电压波形

通过以上分析，发电机调压工作过程为:当发电机带大负载、电流增大时，发电机输出电压降低，检测电压随之下降，与基准电压经差动放大后的电压差值信号反而升高，再经三角波调制后，输出信号正脉冲宽度减小；经晶体管整形放大并倒相后，正脉冲宽度反而增大，功率调制开关管的导通比也随之增大，励磁电流增加，调节发电机的电压使之上升；当发电机负载电流减小，发电机输出电压升高，调节过程与上述过程相反，从而使发电机的输出电压稳定在额定范围内。

3 电压检测技术

3.1 真有效值（True RMS）

发电机调压中，电压检测常用的有峰值和平均值检测法。峰值检测采用波峰系数来表示峰值与有效值之间的关系，半个周期检测一次，检测速度快，易于实现，但波峰系数受波形的影响大，反馈误差大；平均值检测方法与有效值成正比，在速度、精度方面介于有效值与峰值之间。当用电设备中含有大量电力电子整流变压装置时，负载的非线性特性将造成谐波污染，使发电机的电压输出波形畸变严重，波峰系数恶化，峰值和平均值检测与总有效值之比也将发生变化，检测精度下降。

普通的有效值为峰值的0.707倍，只在信号为标准正弦波时使用结果才准确。真有效值为基波与各次谐波有效值的方均根值，即基波和各次谐波平方和平均后再开方，如式（6）。

因此真有效值是谐波与基波共同作用的结果，更能直接反映调压点电压的真实变化情况，检测更精确，更适用于波形畸变情况。

3.2 AD536A检测电路

采用美国AD公司的真有效值－直流（RMS－DC）转换芯片AD536A进行电压真有效值检测。AD536A是真有效值转直流值的单块集成电路，可直接计算交、直流成分的任何复杂波形的真有效值。AD536A具有测量电压范围广（＞1V）、测量频带宽（2MHz）、处理速度快、精度高以及峰值因数补偿等特点，其内部含有求绝对值电路、平方除法器等电路，可将一个复杂的信号转换成与之等效的直流输出电平。

标准应用电路连接方式的AD536A电压有效值检测电路如图4所示，管脚4和14接入的平均电容Cav决定了电压检测响应时间和输出电压的纹波大小。减小Cav能提高检测响应时间，但纹波值变大；增加Cav能减小纹波，但动态时间变长，实时性变差。电路设计时，需权衡响应时间、测量精度和纹波等综合性能，选取最合适的平均电容值。针对该电路的大量实验表明，当电容Cav取0.1μF时，检测电路的动态响应时间、纹波和测量精度等综合性能最优。

尽管电容选取最优，AD536A输出的直流电平中交流纹波分量仍然会引起功率管导通比发生波动，加大电压调制量，必须增加纹波滤除电路进行滤除，可采用减法滤波和二极管整流电路对纹波和小干扰信号予以滤除。由于减法电路没有惯性环节，能在不增加响应时间的同时使纹波电压大大减少。

图4 电压真有效值的AD536A标准应用检测电路

3.3 试验结果

将JF－60型发电机接入三相平衡的交流非线性电子负载3kVA，利用频谱分析仪测试观察电压及谐波含量，并观测调压器的调压效果，调节点电压值误差在±0.5V波动。在功率因数0.7、电压谐波含量达到12.3%、波峰系数达到2.38时，调节点电压误差为有效值±0.5V（试验结果来自文献4）。将真有效值检测的测试数据与某型飞机上的基于平均值电压检测的测试数据相比较，如表1所示，表明采用有效值检测电路的调压器更适应发电机电压波形畸变的情况。

表1 电压真有效值与平均值检测的比较［1，4］

由于有效值是按照周期积分运算，至少需要检测一个周期，所以有效值检测比平均值检测速度慢，在电路设计中应尽可能提高其响应速度。

4 多环反馈控制技术

4.1 多环反馈原理

近年来随着交流发电机系统的发展，采用调节点电压、励磁电流以及频率、负载电流等多环调节技术将在调压系统中得到应用。由于发电机转速的变化引起发电机频率的变化，又会引起发电机电抗值和输出电压的变化，使得不同转速时负载电流变化会带来不同的励磁电流变化。为了抵消频率变化和负载电流的扰动带来的影响，提高系统的响应速度，在电压检测和励磁电流环的基础上，增加频率和负载电流反馈环，以抵消其影响。多环控制电路原理图如图5所示。

图5 多环控制调压电路原理

负载电流反馈补偿是基于电机的电枢反应理论进行计算的。图6为同步发电机电动势相量图。

xd，xq分别为同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗，发电机电抗值与频率成正比，随着转速的增加，输出电压频率增加，电抗值增大。在上述计算过程中，通过采样输出电压的频率，更新电抗值，计算发电机实际电抗值为x＝2πf L。

Ra为电枢绕组电阻，θ为功率角，φ为功率因数角；φ1为内功率因数角，即空载电动势与输出电流之间的相位角。通过分析，可以得到内功率因数角φ1的计算公式。

图6 同步发电机电势相量图

式中，U为稳定的输出电压；I为实际负载电流。由式（6）计算功率角θ＝φ－φ1，得出空载电动势为:

由于发电机的空载电动势E0与励磁电流成函数关系，因此可计算出负载电流和频率变化部分引起的励磁电流变化大小。

实际运行中，由于发电机工作状态是变化的，很难精确计算出当前负载下所需的励磁电流大小，只能粗略计算。励磁电流反馈的主要作用是加快负载扰动时的系统响应速度，实际励磁电流值由电压环调节控制。

4.2 多环调压过程

多环控制的电压调节电路工作过程如下:

（1）电压环调节将给定基准电压Uref与反馈检测电压Ui比较后，计算得到励磁电流调节量Iu。

（2）通过检测负载电流IL的大小，计算所需的励磁电流大小，与电压环输出的励磁电流调节量Iu相叠加后，作为励磁电流环的给定量Iref。

（3）励磁电流环调节器将给定励磁电流量Iref和检测得到的实际励磁电流量Iwij做比较，得到励磁电流误差量△Iref，计算得到励磁电路大功率开关管的导通比σ，驱动调节励磁电路的开关管，达到励磁电流调节电压的目的。

4.3 试验情况

多环调节技术与电压加励磁电流的双环反馈控制相比较，两者都有抗负载扰动的能力，在负载发生变化的情况下，都能实现稳定输出电压的功能。而多环调压方法更能明显提高发电系统的响应速度，减小系统的调节时间。针对发电机进行多环控制和电压加励磁电流的双环控制试验，在不同转速下发电机突加、突卸负载的电压调节时间相比较见表2。对比数据表明，多环控制下的电压调节时间明显缩短。

多环调节控制技术的缺点在于结构复杂，技术难度大，成本也更高，需采用DSP高速处理器满足其高处理速度和大容量计算方面的硬件要求。

表2 多环控制与双环控制的负载突加／突卸调节时间［1，4］

5 结束语

非线性负载带来的谐波会导致发电机电压波形畸变，而发电机转速不均带来的频率变化会引起发电机电感等参数的变化，使得不同转速时负载电流变化会带来不同的励磁电流变化，影响了航空交流发电机的电压输出品质。本文研究了交流发电机的基本调压电路原理，对电压检测和反馈控制两个影响发电机调压效果的关键技术进行了改进，采用AD536A专用检测芯片进行电压有效值检测，提高了电压检测精度；采用基于高速数字处理芯片的多环反馈调压技术能解决发电机频率、电枢电感变化和负载电流性质不同带来的调压性能影响，明显提高发电机系统的响应速度，取得较好的调压效果。

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