一種交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器的設計
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飛機同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、負載(負載的大小或功率因素)變化時,其電壓將隨之變化。為保證用電設備的正常工作,就需要通過改變激磁機的激磁電流來調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的電壓。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/2949.htm該調(diào)節(jié)器針對三級式無刷交流發(fā)電機進行設計。所謂三級式交流發(fā)電機,即是指交流發(fā)電機由永磁式付激磁機、激磁機、發(fā)電機組成。所設計的調(diào)壓器原理電路如圖1所示。圖中,A1、A2、A3采用一片LM124進行設計。
由于采用集成芯片和大功率管進行電路的設計,首先必須解決整個電路的工作電壓。本設計利用航空發(fā)動機經(jīng)過恒速傳動裝置帶動永磁機的永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),在三相定子繞組中產(chǎn)生三相交流電,再由全波整流器進行整流,為調(diào)壓系統(tǒng)提供工作電源。
飛機交流發(fā)電機輸出的三相交流電經(jīng)變壓器B降壓,三相橋式整流器整流和阻容濾波后,加在R2、R3和電位計W的串聯(lián)電路上。由于濾波電路的時間常數(shù)較大,濾波后的電壓基本上是平穩(wěn)的直流。電位計W的活動觸點A經(jīng)電阻R4接在集成運算放大器A1的反相端,穩(wěn)壓管DZ1接在集成運算放大器A1的同相輸入端,穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓作為基準電壓。該電路檢測三相電壓的平均值。
集成運算放大器A1的外圍電路連接成比例放大環(huán)節(jié),發(fā)電機端電壓越高,測量比較電路的輸出電壓UAB越高,放大器輸出端D點的電位越低。該電路提高放大器前向通道的放大倍數(shù),減小系統(tǒng)調(diào)壓的靜態(tài)誤差。
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)定性和反應的快速性,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。
因為測量比較電路輸出電壓UAB為平穩(wěn)的直流電壓,為了進行調(diào)制而設計該電路。集成運放A3輸出端E點的電位穩(wěn)壓管DZ2和DZ3限制在UZ的范圍內(nèi),F點的電位為 ,其中,UZ為穩(wěn)壓管DZ2、DZ3的穩(wěn)定電壓。假定開始瞬間E點電位為+UZ,F點的電位為+bUZ,b點的電位為-bUZ。集成運算放大器A3由E點經(jīng)電阻R14向電容C9充電,使b點電位不斷升高。B點電位與時間的關系是,則:
(1)由初始條件t=0時,Ub=UZ-A=-bUZ可得A=(1+b)UZ,所以:
(2)可見電壓Ub是按指數(shù)曲線上升的。
電壓Ub加在A3的反相輸入端，Ub上升到略大于bUZ時,A3立即翻轉(zhuǎn),E點電位變?yōu)?/font>-UZ,F點電位為UF=-bUZ。
Ub由-bUZ上升到bUZ的時間t1由式(2)求出:
(3)此后電容器C5通過電阻R14放電,b點電位逐漸降低。在經(jīng)過時間t1后,b點電壓又降低為-bUZ,A3輸出端電壓UE又返回到+UZ。如此不斷循環(huán),每個循環(huán)的周期為
(4)設計過程中,使參數(shù)R14C5>>T,電壓Ub的上升曲線與下降曲線近似直線,所以該電路的輸出電壓的波形近似為三角波。參看圖2(a)。三角波發(fā)生器的輸出電壓加在比較放大器A2的同相輸入端。
集成運放A2用作比較放大器。差動放大器的輸出電壓UD加在A2的反相輸入端,三角波的輸出電壓Ub加在A2的同相輸入端。A2的輸出電壓UH取決于兩個輸入電壓的相對大小。當Ub>UD時,A2輸出電壓UH為正,當Ub
晶體管BG1對前級輸入的脈沖信號進行整形輸出標準的矩形波。大功率晶體管BG2、BG3采用達林頓連接,串聯(lián)在激磁機激磁線圈Wjj的電路中,改變其導通比,即可控制激磁電流的大小。二極管D13為續(xù)流二極管,在功率截止期間，它為激磁電流提供續(xù)流通路,以防止功率管由導通轉(zhuǎn)為截止時,在激磁繞組中產(chǎn)生過高的自感電勢功率管擊穿，同時又可使激磁電流平滑。R12為加速電阻，改善調(diào)壓系統(tǒng)的動態(tài)性能。
當發(fā)電機負載電流減小，端電壓升高時,測量比較電路的電位計W活動觸點A的電位升高,差動放大器A1的輸出電壓UD降低,比較放大器A2輸出的正脈沖寬度增大，使功率管BG2、BG3的導通比下降，激磁機的激磁電流下降,發(fā)電機電壓降低,從而使發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)定在額定范圍內(nèi);當發(fā)電機負載電流增大,發(fā)電機端電壓降低時,調(diào)節(jié)過程與上述過程相反。
新研制的電壓調(diào)節(jié)器電路參數(shù)經(jīng)反復計算和調(diào)整,保證了信號輸出的精度,波形規(guī)整,長時間工作穩(wěn)定可靠,達到穩(wěn)定發(fā)電機輸出電壓的要求。調(diào)壓精度穩(wěn)定在U額定±0.5V內(nèi)。發(fā)電機在大、小負載的工作狀態(tài)下,調(diào)壓器各級電壓波形如圖2所示。
與以往基于分立元器件所設計的電壓調(diào)節(jié)器相比,該調(diào)節(jié)器具有以下特點:
（1） 因為它的調(diào)制電路不是利用發(fā)電機電壓經(jīng)濾波整流后的三角波,而是由專門的電路產(chǎn)生的三角波來完成調(diào)制,因此這種調(diào)壓器也可用于直流發(fā)電機電壓的調(diào)節(jié)。
（2） 三角波的幅值與濾波電容器C1的電容量無關,因此,當環(huán)境溫度變化引起C1的電容量變化時，不會造成溫度誤差。
（3） 測量比較電路的變壓器B接成Y/Δ形式,次級繞組輸出電壓中出現(xiàn)三次及三的倍數(shù)次諧波,因此其波形較好,受負載變動的影響小,因而測量比較電路的輸出電壓UAB受負載變動的影響小,有利于提高調(diào)壓精度。
基于集成運放設計飛機交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器,不僅使設備的體積小、重量輕、價格低廉而且具有抗干擾能力強,可靠性好、調(diào)壓精度高等特點;同時,由于調(diào)壓器內(nèi)部電路信號傳遞關系簡單,便于地面維護人員的校驗和維修,因此具有顯著的經(jīng)濟和軍事效益。
參考文獻
1 譚建成，電機控制專用集成電路，機械工業(yè)出版社,1999。
2 [德]沃爾夫?qū)?施姆希，基本電路，科學出版社1997。
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