无人飞行器用交流发电机调压器原理研究

胡中华，许 昕

（中国电子科技集团公司 第38研究所，合肥 230088）

无人飞行器采用三相同步交流发电机（硅整流发电机）作为供电主电源，先整流，再滤波，实现输出符合精度要求的电压[1]。其中，三相同步交流发电机有整体式和普通式2种，二者均由前端盖、风扇、轴、定子、转子、调节器组件等组成，其分解图如图1所示。

因发电机转子由发动机通过皮带驱动旋转，而无人飞行器正常飞行时，受飞行高度、风向、风力等因素影响，发动机转速变化范围较大，发动机与发电机二者转速比通常为1.7～3，故发电机转子转速变化范围很大。在结构一定及磁场强度不变的条件下，发电机输出电压大小与发电机的转速成正比，由此引起发电机的输出电压范围大，难以满足飞行器用电设备的工作电压范围要求。

图1 交流发电机解体图Fig.1 AC generator decomposition diagram

为使不同转速下发电机电压均能保持恒定输出，满足用电设备对输入电压范围的限制，必须配套电压调节器，稳定发电机电压输出。电压调节器把发电机输出电压控制在规定范围内，其功用是在发电机转速变化时，自动控制发电机电压保持恒定，使其不因发电机转速高时电压过高，以致烧坏机载用电设备（飞控机、测控电台、高度表、导航、飞参和大气机等）和导致应急蓄电池过充；也不会因发电机转速稍低而输出电压不足，导致机载用电设备无法正常工作[2]。

1 电压调节器的分类

1.1 按工作原理

电压调节器按工作原理，分为触点式电压调节器和电子式电压调节器。其中，电子式电压调节器可分为晶体管调节器、集成电路调节器和电脑控制调节器3种。随着电子技术的发展，目前交流发电机电压调节器几乎全部采用电子式调节。电子式调节具有精度高、无火花、重量轻、体积小、寿命长、可靠性高、电波干扰小等优点[3-4]。具有代表性的2款调节器如图2所示。

图2 典型调节器实物照片Fig.2 Physical photo of typical regulators

1）触点式调节器 触点式调节器分为单级和双级。其基本原理是根据反馈电压信号控制活动触点，调节励磁线圈上的串联电阻值。当电压高于调节电压值时，调节串联电阻变大，反之则减小，从而调节励磁电流，达到调压的目的。

2）晶体管调节器/集成电路调节器 晶体管调节器的工作原理与集成电路调节器的相同，均通过稳压管感应发电机的输出电压信号控制开关管，实现控制发电机的励磁电流，从而使发电机输出电压保持恒定。

二者的区别在于，集成电路调节器将晶体管调节电路的若干元件集成在同一芯片上。晶体管调节器通常使用发电机指定调节器，若采用代替型号，需确保标称电压和搭铁形式与原有型号一致，否则发电机可能因励磁电路不同而不能正常调压[5]。集成电路调节器除具有晶体管调节器的优点外，还具有超小型化、内装式、重量轻、冷却效果好等优点，减少了外接线（通常 2～3 根）[6-7]。

3）数字调节器 该调节器工作原理是电压传感器测量的同步发电机输出电压与电压基准值进行比较，根据二者的偏差，基于一定的控制算法，由CPU产生PWM波脉冲宽度占空比控制IGBT功率主回路输出，从而改变励磁线圈电流，达到缩小发电机电压偏差，实现稳压的目的[8]。

1.2 按搭铁类型

电子调节器按交流发电机搭铁类型分为内搭铁型和外搭铁型2种，分别适用于内搭铁型交流发电机、外搭铁型交流发电机。

晶体管调节器最好使用指定调节器，如采用其他型号替代，除标称电压、功率等规定参数与原调节器相同外，搭铁形式也必须相同，否则发电机可能因励磁电路不通而无法正常工作。

2 电压调节器的调压原理

交流发电机的三相绕组产生的相电动势有效值为 Eφ=CeФn（式中 Ce为发电机的结构常数；n为转子转速；Ф为转子的磁极磁通），即交流发电机感应电动势与转子转速和磁极磁通成正比。发电机的转速随工况变化在不停改变，若维持Eφ恒定，需要调节Ф，而Ф与励磁电流成正比，因此需要调节励磁电流。

故交流发电机电压调节器的调压原理是：当发电机转速升高时，调节器减小发电机励磁电流以减小Ф，使发电机的输出电压Eφ保持不变；当发电机的转速降低时，调节器增大发电机励磁电流来增加Ф，使发电机的Eφ保持不变。

调节励磁的方式主要有2种（见表1），一种是励磁电流时大时小（大小控制），另一种是励磁电流时有时无 （开/关控制）。触点式电压调节器采用后者，而电子调节器采用前者。

表1 励磁调节方式Tab.1 Excitation regulation mode

3 电子调节器电路的工作原理

在此，分别以外搭铁晶体管、内搭铁晶体管、数字调节器为例，介绍电子调节器的工作原理。其它类型的工作原理并无本质区别[9]。

3.1 外搭铁型

外搭铁型晶体管电子调节器虽型式多样，但基本工作原理均如图3所示。

图3 外搭铁型晶体管电子调节器原理Fig.3 Schematic diagram of transistor electronic regulator for external lap iron

图中，当转速高时电压高，稳压二极管击穿，三极管VT1导通，三极管VT2截止，转子励磁线圈断电，转子磁场强度降低，电压降低，续流二极管VD对转子线圈保护；转速低时电压低，稳压二极管截止，三极管VT1截止，三极管VT2导通，转子激磁线圈通电，转子磁场强度较强，电压升高。

3.2 内搭铁型

内搭铁型晶体管电子调节器电路如图4所示，励磁线圈介于晶体管与搭铁之间。

图4 内搭铁型晶体管调节器原理Fig.4 Schematic diagram of transistor electronic regulator for internal lap iron

3.3 数字调节器

数字调节器的工作原理（如图5所示），是励磁系统在不加外励磁的情况下进行剩磁直接启动，若启动不成功则投入外加启励电源，通常外加励磁时间维持2～3 s，自动断开；如仍然未发电，可再次外加励磁。运行过程中，调节器CPU根据A/D变换器采集发电机电压，通过PWM模块控制开关管导通时间，实现对反复调节励磁线圈的导通时间，实现控制励磁电流大小，稳定输出端电压，形成闭环励磁调节系统。

图5 内搭铁型数字调节器原理Fig.5 Schematic diagram of digital regulator for internal lap iron

4 充电指示灯控制电路

4.1 故障报警灯

无人飞行器主电源为机载用电设备进行供电，其状态直接影响到飞机的安全性。因此，设置监测和显示发电机与调节器的工作状态指示灯（地面调试用）和故障报警信号是必不可少的。

故障报警灯安装在机载配电盒面板上，仅限于地面调试时观察使用，在空中飞行状态下，将该信号发送给飞控机，并借助链路传送地面，以便及时掌握发电机工作状态，必要时启动应急飞行模式。

4.2 指示灯监测原理

指示灯按监测原理，分为以下2种（见表2）：

1）中性点电压控制 发电机N点的直流输出电压的电压控制通过继电器或开关管实现故障报。

2）二极管端输出电压控制 通过对比蓄电池端与二极管端的电压，进行做差，以控制故障指示灯。

表2 充电指示灯点亮方式Tab.2 Lighting mode of charging indicator

5 应用实例

某型交流发电机AC×××RA 28V，专用调压器型号为605-×，负责完成发电机励磁调压，典型应用可分为无电池应用和有电池应用2类。发电机引线端子分别为 B+，B-，L，WL，N，引线设置见表 3。

5.1 AC×××RA无电池应用

无电池应用是指发电机不需要对蓄电池进行充电，此时需要外接电容组件对整流后的直流进行滤波。励磁系统首先用同步发电机剩磁启动，若启动不成功投入启励电源（他励），机端电压达到65%额定值时，断开启励回路。AC×××RA无电池应用电路如图6所示。图中，蓄电池作为启励电源，提供初始励磁，由于电容组件中二极管的隔离，发电机直流输出不能对蓄电池充电。开关S1实现对发电机励磁的开关控制，达到激磁和灭磁的作用。

表3 某型交流发电机AC×××RA接线端定义Tab.3 Definition of AC×××RA connection terminal for a certain type of alternator

图6 AC×××RA无电池应用电路Fig.6 Circuit for AC×××RA without battery generator

5.2 AC×××RA有电池应用

AC×××RA有电池应用电路如图7所示。无电池应用时，通常没有电容组件，因为电池可以起到平滑滤波作用，所以省去电容组件。开关S1实现对发电机励磁的开关控制。

图7 AC×××RA有电池应用电路Fig.7 Circuit diagram for AC×××RA with battery generator

DS1位充电指示灯，又称故障报警灯。当发电机工作正常时DS1熄灭；当发电机故障时DS1点亮。初始工作时开关闭合S1，指示灯亮 （此时不代表故障），转子励磁，发电机开始发电，发电机建压后指示灯熄灭。

5.3 介于二者之间的特殊应用

如图6所示，AC×××RA发电机无电池典型应用时没有故障报警指示灯报警，是因为厂家认为在无电池的情况下不需要对电池进行充电，因此没有必要将L调节器L端引出来。

在实际应用中，往往还需要对发电机状态进行监控，通过指示灯报警，同时将故障信号发送给控制器，以便控制器做出判断，决定是否进入应急状态。为此，需要将调节器L端子引出，AC×××RA发电机无电池典型应用具体如图8所示；为防止蓄电池对发电机反流，串入1个防反二极管。

图8 AC×××RA发电机无电池典型应用Fig.8 Typical application of AC×××RA generator without battery

6 结语

文中针对无人机机载电气系统，研究了以交流发电机整流输出作为主电源的电压调节器的作用及工作原理，并对具体使用的发电机有电池但不需要充电的情况，进行了讨论，给出了针对该问题的实用电路，从而为采用该类型发电机作为主电源的飞行器及其它飞行器电源系统设计提供了借鉴。