同步发电机的转速、负载(负载的大小或功率因素)变化时,其电压将随之变化。为保证用电设备的正常工作,就需要通过改变激磁机的激磁电流来调节同步发电机的电压。
该调节器针对三级式无刷交流发电机进行设计。所谓三级式交流发电机,即是指交流发电机由永磁式付激磁机、激磁机、发电机组成。所设计的调压器原理电路如图1所示。图中,A1、A2、A3采用一片LM124进行设计。
由于采用集成芯片和大功率管进行电路的设计,首先必须解决整个电路的工作电压。本设计利用航空发动机经过恒速传动装置带动永磁机的永磁转子旋转,在三相定子绕组中产生三相交流电,再由全波整流器进行整流,为调压系统提供工作电源。
交流发电机输出的三相交流电经变压器B降压,三相桥式整流器整流和阻容滤波后,加在R2、R3和电位计W的串联电路上。由于滤波电路的时间常数较大,滤波后的电压基本上是平稳的直流。电位计W的活动触点A经电阻R4接在集成运算放大器A1的反相端,稳压管DZ1接在集成运算放大器A1的同相输入端,稳压管DZ1的稳定电压作为基准电压。该电路检测三相电压的平均值。
集成运算放大器A1的外围电路连接成比例放大环节,发电机端电压越高,测量比较电路的输出电压UAB越高,放大器输出端D点的电位越低。该电路提高放大器前向通道的放大倍数,减小系统调压的静态误差。
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。
因为测量比较电路输出电压UAB为平稳的直流电压,为了进行调制而设计该电路。集成运放A3输出端E点的电位稳压管DZ2和DZ3限制在UZ的范围内,F点的电位为 ,其中,UZ为稳压管DZ2、DZ3的稳定电压。假定开始瞬间E点电位为+UZ,F点的电位为+bUZ,b点的电位为-bUZ。集成运算放大器A3由E点经电阻R14向电容C9充电,使b点电位不断升高。B点电位与时间的关系是,则:
(1)由初始条件t=0时,Ub=UZ-A=-bUZ可得A=(1+b)UZ,所以:
(2)可见电压Ub是按指数曲线上升的。
电压Ub加在A3的反相输入端，Ub上升到略大于bUZ时,A3立即翻转,E点电位变为-UZ,F点电位为UF=-bUZ。
Ub由-bUZ上升到bUZ的时间t1由式(2)求出:
(3)此后电容器C5通过电阻R14放电,b点电位逐渐降低。在经过时间t1后,b点电压又降低为-bUZ,A3输出端电压UE又返回到+UZ。如此不断循环,每个循环的周期为
(4)设计过程中,使参数R14C5>>T,电压Ub的上升曲线与下降曲线近似直线,所以该电路的输出电压的波形近似为三角波。参看图2(a)。三角波发生器的输出电压加在比较放大器A2的同相输入端。
集成运放A2用作比较放大器。差动放大器的输出电压UD加在A2的反相输入端,三角波的输出电压Ub加在A2的同相输入端。A2的输出电压UH取决于两个输入电压的相对大小。当Ub>UD时,A2输出电压UH为正,当Ub时,A2的输出电压为负。该电路完成对差功放大器输出电压的调制作用,即把数值不同的UD转变为不同宽度的输出脉冲。输入电压UD越高,比较放大器输出的正脉冲的宽度越窄;反之则反。比较放大器的输入与输出电压波形参看图2(a)、(b)。
晶体管BG1对前级输入的脉冲信号进行整形输出标准的矩形波。大功率晶体管BG2、BG3采用达林顿连接,串联在激磁机激磁线圈Wjj的电路中,改变其导通比,即可控制激磁电流的大小。二极管D13为续流二极管,在功率截止期间，它为激磁电流提供续流通路,以防止功率管由导通转为截止时,在激磁绕组中产生过高的自感电势功率管击穿，同时又可使激磁电流平滑。R12为加速电阻，改善调压系统的动态性能。
当发电机负载电流减小，端电压升高时,测量比较电路的电位计W活动触点A的电位升高,差动放大器A1的输出电压UD降低,比较放大器A2输出的正脉冲宽度增大，使功率管BG2、BG3的导通比下降，激磁机的激磁电流下降,发电机电压降低,从而使发电机的输出电压稳定在额定范围内;当发电机负载电流增大,发电机端电压降低时,调节过程与上述过程相反。
新研制的电压调节器电路参数经反复计算和调整,保证了信号输出的精度,波形规整,长时间工作稳定可靠,达到稳定发电机输出电压的要求。调压精度稳定在U额定±0.5V内。发电机在大、小负载的工作状态下,调压器各级电压波形如图2所示。
与以往基于分立元器件所设计的电压调节器相比,该调节器具有以下特点:
（1） 因为它的调制电路不是利用发电机电压经滤波整流后的三角波,而是由专门的电路产生的三角波来完成调制,因此这种调压器也可用于直流发电机电压的调节。
（2） 三角波的幅值与滤波电容器C1的电容量无关,因此,当环境温度变化引起C1的电容量变化时，不会造成温度误差。
（3） 测量比较电路的变压器B接成Y/Δ形式,次级绕组输出电压中出现三次及三的倍数次谐波,因此其波形较好,受负载变动的影响小,因而测量比较电路的输出电压UAB受负载变动的影响小,有利于提高调压精度
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