硅整流式交流發(fā)電機在活塞通用飛機上的應用

許明軒

摘 要：近年來，快速發(fā)展的經(jīng)濟為我國通用航空產(chǎn)業(yè)提供了廣泛的發(fā)展空間，通用航空的發(fā)展環(huán)境也不斷得到改善。在這種良好的背景下，積極開展通用飛機型號研制，為民航市場提供更多性能穩(wěn)定、安全可靠、經(jīng)濟實惠的通用飛機是一項利國利民的偉大事業(yè)。該文首先分析了硅整流發(fā)電機的原理和使用環(huán)境，然后以國家立項的通用飛機型號作為背景需求，通過計算分析、實例選型和試驗驗證，最終得出一套可行的主電源系統(tǒng)設(shè)計選型方法。

關(guān)鍵詞：整流 交流發(fā)電機 通用飛機

中圖分類號：V242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-02

1885年美國科學家特斯拉發(fā)明了交流發(fā)電機。交流發(fā)電機是用于實現(xiàn)機械能和交流電能相互轉(zhuǎn)換的機械。交流電機與直流電機相比，由于沒有換向器，因此結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，比較牢固，容易做成高轉(zhuǎn)速、高電壓、大電流、大容量的電機，其在工業(yè)部門得到廣泛應用，航空領(lǐng)域也是如此[1]。航空活塞發(fā)動機因其原理簡單可靠、燃油經(jīng)濟性好和結(jié)構(gòu)重量輕等優(yōu)點，在輕型通用飛機上得到廣泛使用。受發(fā)動機配套和適航取證（發(fā)動機需單獨取TC證）限制，活塞發(fā)動機供應商往往將起動機和發(fā)電機作為發(fā)動機附件整體提供。目前，世界范圍內(nèi)的航空活塞發(fā)動機供應商均標配硅整流式交流發(fā)電機作為飛機主電源和備用電源。飛機電源系統(tǒng)的基本使用模式如下：正常情況下，由發(fā)電機向全機所有用電設(shè)備供電，同時向應急蓄電池浮充電；發(fā)動機失效或主電源故障后，由應急蓄電池向應急負載供電。

1 原理

1.1 發(fā)電原理

硅整流式交流發(fā)電機的發(fā)電原理如圖1所示[2]。

圖1 硅整流式交流發(fā)電機發(fā)電原理

在交流發(fā)電機內(nèi)部有一個由發(fā)動機帶動的轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)磁場）。磁場外有一個定子繞組，繞組有3組線圈（3相繞組），3相繞組彼此相隔120°。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)的磁場使固定的電樞繞組切割磁力線而產(chǎn)生電動勢。

定子3相繞組感生電動勢的大小為：

由此上述公式可知，交流電動勢的幅值是發(fā)電機轉(zhuǎn)速的函數(shù)。因此，當轉(zhuǎn)速n變化時，3相電動勢的波形為變頻率、變幅值的交流波形。交流電動勢的波形如圖2所示。

圖2 交流電動勢波形

1.2 整流原理

交流發(fā)電機定子的3相繞組中，感應產(chǎn)生的是交流電，由6只二極管組成的三相橋式整流電路變換為直流電。二極管具有單向?qū)щ娦裕斀o二極管加上正向電壓時，二極管導通；當給二極管加上反向電壓時，二極管截止。

1.2.1 導通原則

二極管的導通原則如圖3所示。

圖3 二極管導通圖

a）當3只二極管負極端相連時，正極端電位最高者導通；b）當3只二極管正極端相連時，負極端電位最低者導通。

1.2.2 整流過程

橋式整流電路如圖4所示。通過分析二極管的導通原則可得出電壓波形，如圖5所示。

圖4 三相整流電路

圖5 三相電壓波形和整流波形

1.3 調(diào)壓原理

由于交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子是由發(fā)動機通過皮帶驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的，且發(fā)動機和交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速比恒定，這樣將引起發(fā)電機的輸出電壓發(fā)生較大變化，無法滿足機載用電設(shè)備的工作要求。為了滿足用電設(shè)備恒定電壓的要求，交流發(fā)電機必須配置電壓調(diào)節(jié)器，使其輸出電壓在發(fā)動機所有工況下基本保持恒定。由公式（4）可知，交流發(fā)電機所產(chǎn)生的感應電動勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和磁極磁通成正比。交流發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)器就是通過控制勵磁電流的方法來調(diào)節(jié)輸出電壓，使發(fā)電機的輸出電壓在一定范圍內(nèi)保持波動。

2 應用實例

以國內(nèi)某型活塞通用飛機為例，詳述硅整流式交流發(fā)電機的選型應用。

2.1 負載分析

負載分析是將各個獨立的電氣系統(tǒng)或各類電源所供電的那些負載，按照其在飛機飛行任務的各個階段的用電情況進行統(tǒng)計計算，以確定該系統(tǒng)在飛機各飛行階段的用電要求[3]。通過計算分析得出電源使用圖如圖6所示。

2.2 發(fā)電機選型

根據(jù)負載分析的結(jié)果，并與發(fā)動機供應商Lycoming公司進行協(xié)商，發(fā)電機初步選型為30 V，90 A硅整流式交流發(fā)電機，具體參數(shù)如表1所示。

2.3 容量裕度

電源容量裕度Hp表示飛機向?qū)砜赡芤b機使用的用電設(shè)備提供電功率的能力，同時也表示電源的利用程度。容量裕度計算公式如下[4]：

Hp=（J-L）/ J ×100% （5）

其中：Hp—電源容量裕度

J—電源修正容量

L—電源負載

經(jīng)計算，主電源連續(xù)供電容量裕度為39.68%，滿足行業(yè)規(guī)范要求。

3 地面試驗

為了驗證所選交流發(fā)電機的實際供電能力，依據(jù)飛機對主電源的使用需求進行地面模型試驗。

3.1 試驗框圖

主電源地面模型試驗原理框圖如圖7所示。

圖7 主電源地面模型試驗框圖

3.2 試驗內(nèi)容

3.2.1 負載特性試驗

將發(fā)電機轉(zhuǎn)速分別調(diào)整為4000 r/min、6000 r/min、8 000 r/min，加載使發(fā)電機輸出電流分別為0 A（系統(tǒng)空載）、10 A、30 A、50 A、70 A、90 A，測量發(fā)電機電流、電壓調(diào)節(jié)點電壓，得出發(fā)電機在3種轉(zhuǎn)速下的負載特性V = f（i）曲線。

3.2.2 轉(zhuǎn)速特性試驗

將發(fā)電機輸出電流分別調(diào)整為0 A（系統(tǒng)空載）、30 A、60 A、90 A，改變發(fā)電機轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在4 000 r/min、5 000 r/min、6 000 r/min、7 000 r/min、8 000 r/min，測量發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與電壓調(diào)節(jié)點電壓，繪出發(fā)電機在4種電流輸出時的轉(zhuǎn)速特性 V = f（n）曲線

3.3 試驗數(shù)據(jù)

3.3.1 負載特性曲線

主電源負載特性曲線如圖8所示。

圖8 負載特性曲線

3.3.2 轉(zhuǎn)速特性曲線。主電源轉(zhuǎn)速特性曲線如圖9所示。

3.4 試驗結(jié)論

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合飛機各種狀態(tài)下的用電需求，得出該型交流發(fā)電機的選型完全滿足飛機實際供電需求。

圖9 轉(zhuǎn)速特性曲線

4 結(jié)語

硅整流式交流發(fā)電機作為主電源用于飛機型號在國內(nèi)尚無較多實例。該文所敘述的交流發(fā)電系統(tǒng)目前正隨型號進行適航驗證試飛，預計2014年將隨飛機型號取得中國民航頒發(fā)的適航證。硅整流式交流發(fā)電機以其獨有的技術(shù)性能和成本優(yōu)勢，必將在通用飛機上得到廣泛應用，開拓出廣闊的市場。

參考文獻

[1] 周潔敏.飛機電氣系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，2010：25.

[2] 吳建華.汽車發(fā)電機原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：12-14.

[3] 樓仁熊.飛機電氣負載和電源容量分析[J].民用飛機設(shè)計與研究，2002，14（1）：27-30.

[4] 馬述訓.飛機設(shè)計手冊-電氣系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，1999：34.