基于转速表传感器的某装备无源供电装置研究

2019-04-12刘重发陈远江康辰龙张永锋

船电技术 2019年3期

刘重发，陈远江，张涛，康辰龙，张磊，张永锋

刘重发，陈远江，张涛，康辰龙，张磊，张永锋

（陆军工程大学军械士官学校，武汉 430075）

某装备设置有启动电动机启动和高压空气启动两种方式，发动机启动后带动硅整流发电机工作。硅整流发电机励磁由调压器控制，以保持输出电压的稳定。在没有蓄电池、外接电源或硅整流发电机无剩磁时，用高压空气或者其它方式启动发动机，硅整流发电机由于没有励磁而不发电。该装备发动机转速表传感器为三相永磁同步发电机，由发动机传动，只要发动机工作就能发电。实验证明，转速表传感器具备给硅整流发电机提供初始励磁的能力。设计一种装置，只要能启动发动机，均由转速表传感器给硅整流发电机提供初始励磁，使硅整流发电机在任何情况下都能正常供电。

硅整流发电机转速表传感器无源供电

0 引言

某装备设置有电启动和气启动两种启动方式。电启动使用启动电动机，与普通车船相同；气启动采用高压空气，依次给处于做功冲程的气缸注入高压空气，推动活塞运动，从而启动发动机。发动机工作时带动硅整流发电机，硅整流发电机由可控硅调压器控制励磁回路，从而保持输出电压的稳定。在没有蓄电池或外接电源时启动发动机，硅整流发电机因励磁回路不通而不能发电。当硅整流发电机转子绕组没有剩磁时，即使有蓄电池或外接电源，但硅整流发电机三相绕组没有剩磁电压而不能提供励磁，硅整流发电机不能发电。

发动机转速表由传感器和指示器组成，传感器为三相同步永磁发电机，由发动机传动。转速表传感器将发动机转速转换成对应频率的三相交流电传到指示器。指示器内三相同步电动机将相应频率的交流电还原成转速，通过电磁耦合器将转速变成转矩，控制指针指示相应转速值。因此，只要发动机运转，转速表传感器就能发电。

所以，无论有没有蓄电池、外接电源或剩磁，只要能启动发动机，在硅整流发电机建立电压前，由转速表传感器为硅整流发电机提供初始励磁，硅整流发电机建立电压后自己提供励磁，这样就能让硅整流发电机在任何情况下都能发电，保障装备战斗性能，即为无源供电。

1 基本原理

1.1 三相同步发电机

图1为旋转磁场式三相同步发电机的原理图。三相绕组AX、BY、CZ在空间上彼此相差120°电角度，每相绕组的匝数相等。当动力拖动转子以恒定转速n顺时针旋转时，转子磁极磁力线将依次切割三相定子绕组的导体，或者说三相定子绕组的导体依次做切割磁力线的运动，由电磁感应定律可知，三相定子绕组导体中将感应出交变的电动势。选择合适的极面形状和励磁绕组的分布情况，可使主磁级磁场的气隙磁场沿圆周按正弦规律分布，这样每相绕组的感应电动势A、B及C也随时间按正弦规律变化，且频率相同、幅值相等。电动势的正方向选定为自绕组的末端指向始端。

由图1可见，当S极的轴线顺时针转到A处时，A相的电动势达到正的幅值；再经过120°后S极轴线转到B处，B相的电动势达到正的幅值；再经过120°后，C相的电动势达到正的幅值，周而复始。所以A比B在相位上超前120°，B比C在相位上超前120°，C比A在相位上超前120°。如以A相为参考，则可得出：

三相电动势A、B、C用正弦波形表示如图2所示。

图2 三相电动势的正弦波

1.2 硅整流发电机

硅整流发电机是机内装有半导体整流器的三相交流同步发电机。三相交流同步发电机产生的是三相交流电，通过整流器而输出直流电，如图3所示。

硅整流发电机与可控硅调压器原理见图4所示。硅整流发电机定子绕组为三相绕组，转子绕组为励磁绕组，三相绕组的交流电由调压器内半可控桥式整流电路整流后供应励磁绕组。如果没有蓄电池或外接电源，半可控桥式整流电路不通，硅整流发电机无励磁不发电。若有蓄电池或外接电源，但转子无剩磁或剩磁很弱，定子三相绕组无剩磁电压或剩磁电压低于半可控桥式整流电路的导通阈值，硅整流发电机无励磁不发电。

试验证明，硅整流发电机只要能发出高于6 V的电压，就能自励建立电压，进入正常发电状态。硅整流发电机发出的6 V电压所需的励磁电压和电流如表1所示。从表1得出，随着发动机转速升高，硅整流发电机所需励磁电压和电流均下降。

1.3 转速表传感器

发动机转速表传感器为三相同步永磁发电机，由发动机传动，只要发动机运转，转速表传感器就能发电。转速表传感器在不同转速时的负载能力见表2所示，从表2可以看出，转速越高，转速表传感器负载能力越强。

图3 硅整流发电机

表1 硅整流发电机发出6 V电压所需的励磁电压和电流

表2 转速表传感器负载能力表

图4 系统框图

综合表1和表2可以看出，转速表传感器的负载能力，明显高于硅整流发电机发出的6 V电压所需的励磁电压和电流。

2 系统设计

2.1 系统框图

系统框图如图4所示，左侧虚线框为无源供电装置，中间为硅整流发电机，右侧为可控硅调压器，虚线框上边有用电装具和蓄电池组，下边有转速表传感器和指示器。无源供电装置主要由线路切换电路、整流稳压电路和励磁控制电路组成。线路切换电路在硅整流发电机电压低于6 V时，将转速表传感器线路切换到整流稳压电路；硅整流发电机电压高于6 V时，将转速表传感器线路切换到转速表指示器。整流稳压电路将转速表传感器发出的交流电整流稳压后送到励磁控制电路。励磁控制电路在硅整流发电机电压低于6 V时，由转速表传感器提供励磁；硅整流发电机电压高于6 V低于24 V时，由硅整流发电机自励发电；硅整流发电机电压高于24 V时，切断自励电路，由可控硅调压器控制励磁，发电机进入正常发电状态。

2.2 工作流程

系统工作流程如图5所示，启动发动机后，发动机带动转速表传感器和硅整流发电机转动。在硅整流发电机电压低于6 V时，由转速表传感器提供励磁，硅整流发电机开始建立电压。当硅整流发电机输出电压大于6 V小于24 V时，由硅整流发电机自励发电，同时将转速表传感器供电电路切换至转速表指示器。当硅整流发电机输出电压大于24 V时，由调压器控制励磁，同时切断自励电路，硅整流发电机进入正常工作状态。如果硅整流发电机工作不正常，系统重新开始。

3 结语

基于转速表传感器的某装备无源供电装置，其关键是利用转速表传感器为三相同步永磁发电机这个特点，让转速表传感器给硅整流发电机提供初始励磁。任何情况下只要能启动发动机，硅整流发电机都能正常发电。实验证明，安装无源供电装置的装备，在换季保养和平时训练时，可以不安装蓄电池，节省大量的人力物力。特别是战时，当蓄电池战损或故障时，无源供电装置能保证硅整流发电机正常供电，保持装备战斗力，具有很强的战斗意义。