硅整流式交流发电机在活塞通用飞机上的应用

许明轩

摘 要：近年来，快速发展的经济为我国通用航空产业提供了广泛的发展空间，通用航空的发展环境也不断得到改善。在这种良好的背景下，积极开展通用飞机型号研制，为民航市场提供更多性能稳定、安全可靠、经济实惠的通用飞机是一项利国利民的伟大事业。该文首先分析了硅整流发电机的原理和使用环境，然后以国家立项的通用飞机型号作为背景需求，通过计算分析、实例选型和试验验证，最终得出一套可行的主电源系统设计选型方法。

关键词：整流 交流发电机 通用飞机

中图分类号：V242 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02

1885年美国科学家特斯拉发明了交流发电机。交流发电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机，其在工业部门得到广泛应用，航空领域也是如此[1]。航空活塞发动机因其原理简单可靠、燃油经济性好和结构重量轻等优点，在轻型通用飞机上得到广泛使用。受发动机配套和适航取证（发动机需单独取TC证）限制，活塞发动机供应商往往将起动机和发电机作为发动机附件整体提供。目前，世界范围内的航空活塞发动机供应商均标配硅整流式交流发电机作为飞机主电源和备用电源。飞机电源系统的基本使用模式如下：正常情况下，由发电机向全机所有用电设备供电，同时向应急蓄电池浮充电；发动机失效或主电源故障后，由应急蓄电池向应急负载供电。

1 原理

1.1 发电原理

硅整流式交流发电机的发电原理如图1所示[2]。

图1 硅整流式交流发电机发电原理

在交流发电机内部有一个由发动机带动的转子（旋转磁场）。磁场外有一个定子绕组，绕组有3组线圈（3相绕组），3相绕组彼此相隔120°。当转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线而产生电动势。

定子3相绕组感生电动势的大小为：

由此上述公式可知，交流电动势的幅值是发电机转速的函数。因此，当转速n变化时，3相电动势的波形为变频率、变幅值的交流波形。交流电动势的波形如图2所示。

图2 交流电动势波形

1.2 整流原理

交流发电机定子的3相绕组中，感应产生的是交流电，由6只二极管组成的三相桥式整流电路变换为直流电。二极管具有单向导电性，当给二极管加上正向电压时，二极管导通；当给二极管加上反向电压时，二极管截止。

1.2.1 导通原则

二极管的导通原则如图3所示。

图3 二极管导通图

a）当3只二极管负极端相连时，正极端电位最高者导通；b）当3只二极管正极端相连时，负极端电位最低者导通。

1.2.2 整流过程

桥式整流电路如图4所示。通过分析二极管的导通原则可得出电压波形，如图5所示。

图4 三相整流电路

图5 三相电压波形和整流波形

1.3 调压原理

由于交流发电机的转子是由发动机通过皮带驱动旋转的，且发动机和交流发电机的转速比恒定，这样将引起发电机的输出电压发生较大变化，无法满足机载用电设备的工作要求。为了满足用电设备恒定电压的要求，交流发电机必须配置电压调节器，使其输出电压在发动机所有工况下基本保持恒定。由公式（4）可知，交流发电机所产生的感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。交流发电机的电压调节器就是通过控制励磁电流的方法来调节输出电压，使发电机的输出电压在一定范围内保持波动。

2 应用实例

以国内某型活塞通用飞机为例，详述硅整流式交流发电机的选型应用。

2.1 负载分析

负载分析是将各个独立的电气系统或各类电源所供电的那些负载，按照其在飞机飞行任务的各个阶段的用电情况进行统计计算，以确定该系统在飞机各飞行阶段的用电要求[3]。通过计算分析得出电源使用图如图6所示。

2.2 发电机选型

根据负载分析的结果，并与发动机供应商Lycoming公司进行协商，发电机初步选型为30 V，90 A硅整流式交流发电机，具体参数如表1所示。

2.3 容量裕度

电源容量裕度Hp表示飞机向将来可能要装机使用的用电设备提供电功率的能力，同时也表示电源的利用程度。容量裕度计算公式如下[4]：

Hp=（J-L）/ J ×100% （5）

其中：Hp—电源容量裕度

J—电源修正容量

L—电源负载

经计算，主电源连续供电容量裕度为39.68%，满足行业规范要求。

3 地面试验

为了验证所选交流发电机的实际供电能力，依据飞机对主电源的使用需求进行地面模型试验。

3.1 试验框图

主电源地面模型试验原理框图如图7所示。

图7 主电源地面模型试验框图

3.2 试验内容

3.2.1 负载特性试验

将发电机转速分别调整为4000 r/min、6000 r/min、8 000 r/min，加载使发电机输出电流分别为0 A（系统空载）、10 A、30 A、50 A、70 A、90 A，测量发电机电流、电压调节点电压，得出发电机在3种转速下的负载特性V = f（i）曲线。

3.2.2 转速特性试验

将发电机输出电流分别调整为0 A（系统空载）、30 A、60 A、90 A，改变发电机转速分别稳定在4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、7 000 r/min、8 000 r/min，测量发电机的转速与电压调节点电压，绘出发电机在4种电流输出时的转速特性 V = f（n）曲线

3.3 试验数据

3.3.1 负载特性曲线

主电源负载特性曲线如图8所示。

图8 负载特性曲线

3.3.2 转速特性曲线。主电源转速特性曲线如图9所示。

3.4 试验结论

根据上述试验数据，结合飞机各种状态下的用电需求，得出该型交流发电机的选型完全满足飞机实际供电需求。

图9 转速特性曲线

4 结语

硅整流式交流发电机作为主电源用于飞机型号在国内尚无较多实例。该文所叙述的交流发电系统目前正随型号进行适航验证试飞，预计2014年将随飞机型号取得中国民航颁发的适航证。硅整流式交流发电机以其独有的技术性能和成本优势，必将在通用飞机上得到广泛应用，开拓出广阔的市场。

参考文献

[1] 周洁敏.飞机电气系统[M].北京：科学出版社，2010：25.

[2] 吴建华.汽车发电机原理[M].北京：机械工业出版社，2009：12-14.

[3] 楼仁熊.飞机电气负载和电源容量分析[J].民用飞机设计与研究，2002，14（1）：27-30.

[4] 马述训.飞机设计手册-电气系统设计[M].北京：航空工业出版社，1999：34.