炭片式和晶体管调压器并联均流控制特性对比_宋勇刚.pdf

中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-56-航空航天载能力。在直流发电机调压器中增加均流控制反馈回路，与电压调节反馈回路叠加后去调整直流发电机输出电压，即可实现直流发电机的并联运行。结合上述调压器特点，易得出晶体管调压器由于电压调节精度高且动态响应快，在并联均流控制上更有优势，但在实际试飞中，通过对比具有类似电源结构的两型飞机直流发电机并联运行效果后发现，炭片式调压器控制的直流发电机在并联运行后输出电流更为稳定，反而晶体管调压器控制的直流发电机并联运行后输出电流波动大，系统表现得“不稳定”。本文从调压器的原理分析入手，给出了导致上述现象的原因。炭片式调压器和晶体管调压器原理炭片式调压器炭片式调压器主要由串入发电机励磁回路的炭柱和调节炭柱电阻的电磁铁和弹簧组成。在电磁铁和弹簧的作用下，炭柱承受的压力改变，炭柱阻值随之改变，从而通过调节励磁电流大小，实现调节发电机输出电压的目的。炭片式调压器实现并联均流控制的途径是在左侧的电磁铁中增加一组线圈，该线圈通入的电流大小受并联发电机间输出电流的相对大小来控制，这样就可实现调节并联输出电流的目的。对于炭片式调压器，若需励磁电流改变If，则发电机输出电压必须先改变U。设发电机输出电压为额定电压U=UN、输出电流为额定电流I=IN时的励磁电流为IfN，则：If=IfN-kc1（U-UN）（kc10）（1）根据直流发电机的调节特性，当输出电流IO减小时，If减小为If，则重新平衡后有：If=IfN-kc1（U-UN）（2）因If-If=kc1（U-U）0，则输出电流I减小时，炭片式调压器会使得重新稳定后的输出电压U大于负载电流减小前的输出电压U，即发电机输出电压随输出电流变化关系表现出“下垂”特性，假设为线性关系，则可表达为：U=U0-KcI （3）其中U0为空载输出电压，Kc为电压下垂系数。由知，炭片式调压器在两台直流发电机并联运行时的运行原理如图 1 所示，均衡电流ieq=keq（I1-I2）。对于左侧发电机而言，ieq的作用效果是减小输出电压，对右侧发电机作用则相反，结合知，此时有：U1=U01-Kc1 I1-Kce1（I1-I2）（4）U2=U02-Kc2 I2-Kce2（I2-I1）（5）其中，U01、U02分别为两台发电机空载输出电压；Kc1、Kc2分别与各自发电机的励磁特性、配套炭片式调压器的电磁铁绕组参数、弹簧参数和炭柱自身压力特性相关；为均流反馈系数，与均流敏感电阻Kce1、Kce2均流绕组参数以及炭行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度炭片式和晶体管调压器并联均流控制特性对比宋勇刚宋勇刚中国飞行试验研究院宋勇刚（1990），陕西西安，硕士，工程师。研究方向：飞机电气系统试飞试验。28V 直流电源系统是飞机上非常成熟的一种电源系统，其结构简单，且易实现并联运行和起动发电功能一体化。飞机发电机需要调压器来保证输出电压基本保持稳定，满足相关技术指标规定和机载用电设备需求。目前仍在广泛使用的一种是炭片式调压器，常见于比较老的飞机。因其功率损耗大，易磨损，调压精度低且动态响应慢，现代飞机通常采用晶体管调压器，具有体积小，重量轻，功率损耗小，调压精度高且动态响应快等特点。晶体管调压器基本克服了炭片式调压器存在的诸多缺点，因此成为目前的主流直流发电机调压器类型。在采用 28V 直流电源作为主电源的中型飞机上，发电机数量较多，但单台容量偏小，为了提高用电设备的供电冗余度，往往采用并联运行，这样也可以增加电源系统带大负-57-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期航空航天柱压力特性相关。由式（4）、式（5）知，炭片式调压器控制的直流发电机并联系统由于输出电压“下垂”特性，会有利于系统的均流运行，即使没有均流绕组参与（Kce=0），输出电流大的发电机输出电压会降低，输出电流小的发电机输出电压会升高，使得输出电流趋近于平均电流。在此基础上，依靠并联均流环节，若本发电机输出电流大于对方发电机输出电流，则会进一步降低输出电压，反之则会升高输出电压。由于U0和Kc不可能完全相同，输出电压下垂特性导致并联输出电流不会完全相同，但均流调节环节则必须在存在电流差的基础上才能参与调节，因此炭片式调压器控制下的并联均流系统是有差调节，不能实现完全的均流。晶体管调压器相较于炭片式调压器靠炭柱电阻变化来平滑改变励磁电流，晶体管调压器则是依靠串联于励磁回路的晶体管，通过改变晶体管的导通比来调节发电机励磁电流。因此励磁电流会在上升和下降状态中不断切换，保证电流平均值达到给定值。电流波动幅度取决于开关周期，为了使励磁电流波动不至于影响输出电压，要求晶体管开关周期不能太长。某型晶体管调压器均流和调压环节原理如图 2 所示。图 2 中前级运算放大器电路为比例放大电路，其输入电压可视为R2电阻的端电压，输出为均流反馈Vef，该信号与调压反馈信号Vof叠加后，通过后级运放控制晶体管开关状态。图 2 中均流敏感点和均流连接点的连接方法如图 3 所示。当发电机单独运行时，均流连接点处断开，此时均流调理电路输出Vef=0；当发电机并联运行时，则Vea=（Ve1+Ve2）/2=-Rp（I1+I2）/2，（Rp1=Rp2=Rp）。Vea表征了并联发电机输出平均电流的大小。基于此，图 2 中R1端电压为：VR1=Vea-Ve1=Rp/2（I1-I2）（6）可见VR1与并联发电机输出电流差成正比。而均流调理电路输出Vef=KteVR1，此处Kte均流反馈系数，其值由Rp和放大电路放大系数kp决定。在绝对均流时，均流调理电路输出Vef=0，此时均流反馈回路失去作用，故该型晶体管调压器对于均流调节也是有差调节。从图 2 中可看出，后级运放工作在比较器状态，调压器采用乒乓控制保证输出电压能够很好地跟随电压给定，因此该型晶体管调压器对于输出电压调节为无差调节。系统参数对均流效果的影响从第一节知，两种调压器对于并联均流调节均是有差调节，并不能完全消除并联运行时的电流差，因此，直流发电系统在没有均流调节的情况下，各参数差异应尽可能小。为了获取除并联均流调节环节参数外系统其他参数对并联均流效果的影响，首先对均流环节不参与情况下的发电机并联运行效果进行仿真分析。无均流调节时系统参数差异对均流效果影响均流环节不参与时，两台直流发电机并联运行，分别对右直流发电系统的参数进行调节，每次只改变一个参数，改变方式为空载电压差异为 0.1V，其余参数均增加至原参数值的 1.1 倍，在此情况下进行仿真，统计两种负载情况下两台直流发电机输出电流差异，表 1 所示为两种调压器分别在不同参数差异下的仿真结果，其中电流差异值为电流差值与额定电流的百分比。从表 1 的仿真结果可以看出，炭片式调压器控制下的两台直流发电机并联系统，在两发电机和调压器参数完全相同的情况下，并联输出电流差异基本可以忽略，纵向对比可发现，发电机转速差异、发电机正极输出线路电阻以及发电机空载电压差异对并联均流效果的影响最为明显，三种因素同时存在差异时并联输出电流差异可达14.90%。而对晶体管调压器而言，因其电压调节为无差调节，发电机转速对并联输出电流差异的影响基本可以忽略，但其余两个因素差异对并联输出电流差异影响与炭片式调压器基本相同。正极输出线路电阻因为在发电机调压敏感点之外，所以其上的电压降并不能像发电机电枢电阻和负极均衡电阻一样被调压器抵消。其次，因为晶体管调压器的误差调节特性，反而使得同样空载电压差异下，并联输出电流差异比具有电压下垂特性的炭片式调压器要大。如表 1 最后一行所示，晶体管调压器在两种因素叠加下，最大并联输出电流差异可达 14.80%。表 1 无均流调节下参数差异对均流效果的影响影响因素炭片式调压器40%100%晶体管调压器40%100%基准0.20%0.24%0.00%-0.00%电枢电阻0.28%0.43%0.16%-0.19%发电机转速-1.15%-0.97%0.05%-0.32%正极线路电阻1.81%5.14%1.95%5.07%负极均衡电阻0.20%0.24%0.00%0.00%电压反馈系数0.41%0.78%N/AN/A空载电压-9.14%-9.27%-9.96%-9.96%多因素叠加-11.70%-14.90%-11.30%-14.80%均流环节参数差异对均流效果影响均流环节参数差异对均流效果影响仿真结果如表2所示。图 1 炭片式调压器控制发电机并联运行原理图 2 某型晶体管调压器原理电路图 3 两台发电机并联均流敏感电路连接方式中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-58-航空航天表 2 第一行所示结果为在表 1 最后一行所示结果的基础上，当均流环节参数不存在差异时的均流效果，对比可知，均流环节和明显降低并联输出电流差异。纵向对比表 2 各行数据可发现，对当增加输出电流较大一台发电机的均流电阻值时，可较明显的减小输出电流差异；增大均流反馈系数的作用虽然与增加均流电阻阻值效果类似，但不如其作用明显。对于晶体管调压器，虽然均流环节减小了电流差异的平均值，但同时也使得两台发电机输出电流出现明显波动。表 2 均流调节下参数差异对均流效果的影响影响因素炭片式调压器40%100%晶体管调压器40%100%基准-5.90%-7.60%（-0.5-9.1）%（-5-14）%均流电阻-5.25%-5.19%（0-8.5）%（-5-13.5）%均流系数-5.80%-7.40%（+4-10）%（+9-14）%这种输出电流波动主要是因为晶体管的开关周期不固定，很容易因为输出电流差导致晶体管较长时间处于一种状态，从而造成励磁电流波动，继而导致两台并联发电机的感应电动势出现较大差异，在两台发电机回路内部产生了环流，叠加在发电机输出电流上，使发电机输出电流波动。某型飞机直流发电机并网运行案例分析某型飞机直流发电机采用了晶体管调压器进行输出电压和并联均流调节，其输出电流波形如图 4 所示，类似直流发电机但采用炭片式调压器的发电机并联输出电流如图5所示。对比可见晶体管调压器控制下的发电机输出电流波动十分明显。这种大幅的输出电流波动在发电机负载较小时可能会导致发电机输出电流出现反流，触发发电机反流保护，进而导致发电机退网。如第二节所分析，如此大的并联输出电流波动与该型调压器晶体管的驱动方式直接相关。因为晶体管的开关周期不固定，会直接导致励磁电流波动增加，继而导致电枢绕组感应电动势波动较大，当两台并联发电机的感应电动势峰谷相遇时，就会出现较大的环流。欲减小该波动，可考虑使晶体管的开关周期固定，并且在合理范围内缩短其开关周期，这样就可以减小励磁电流波动，继而减小输出电流波动。若使用传统的 PI 控制器对输出电压进行闭环调节，PI控制器输出与三角波进行比较，可实现在保证输出电压稳定的同时，减小励磁电流波动，减小环流。针对此改进方案，进行了仿真验证，结果如图 6 所示。在仿真中，t=1s 时两台发电机开始并联工作，从图 6 仿真结果可以看出，本文提出的改进方案可以明显减小输出电流波动，有效解决直流并联输出电流波动大的问题。结语本文在分析传统炭片式调压器和晶体管调压器原理的基础上，得出了两种调压器针对并联调节均是有差调节，但相比于炭片式调压器对输出电压的有差调节，晶体管调压器很容易做到对输出电压的无差调节，更利于发电机并联运行，其次，通过仿真手段分析了对均流效果影响最大的系统参数，给出了某型晶体管调压器控制下并联发电机输出电流波动大的原因，最后给出了改进措施并通过仿真手段证明了改进方案的有效性。图 5 炭片式调压器控制下的并联输出电流波形图 4 晶体管调压器控制下的并联输出电流波形（b）改进后图 6 改进控制方法前后并联仿真结果（a）改进前