电压调节器设计

基于PWM控制的交流发电机电压调节器

摘要：本文介绍了基于SG3525 PWM控制器的交流发电机电压调节器的硬件电

路。较为详细地分析了通过检测交流发电机的输出平均电压来改变输出PWM波

的占空比，进而控制电机励磁绕组产生合适的励磁电流来使输出电压稳定于规定

的水平。

关键词：电压调节器；PWM

Alternator voltage regulator based on the PWM Controller Abstracts：This article introduces the design of hardware of the alternator voltage regulator system based on the SG3525 PWM controller for synchronous machines. Detailed analysis of how to change the average duty cycle of the PWM wave by detecting the average output voltage of the alternator, and thus control the motor field winding to generating the appropriate excitation current,so that the output voltage is stabilized at the required level.

Key words: Voltage regulator; PWM

前言：

电压调节电路是航空发电机Array的重要组成部分。其基本组成有

电压检测、比较、放大与执行和

控制几个环节，如图1所示。本

文的交流发电机调压系统是以

SG3525芯片为核心的。交流发电

机的输出平均电压经电压采样电

路反馈到SG3525的1脚，即误差

放大器的反相端。当输出电压有

波动时，误差放大器会放大误差，

后续电路将会自动调节其输出

图1 电压调节器方块图

PWM波的占空比，进而使功率驱

动电路的输出波形的导通时间改变，从而调节了发电机的励磁电流，使其输出电压回复为正常值。

1 输出电压检测电路

本调节器输出电压的检测采用

平均电压检测，如图2所示。电压

Ud由三相电压经变压整流后取得，

其平均值取决于三个线电压的大

小。

图2 平均电压检测电路

对于三相航空交流发电机，额定输出电压为Uo=200V。假设其波动范围为±10%，取变压器变比为20:1。则当发电机正常工作时，由上面公式可算得

12.15V< Ud<14.86V

当超过这个范围时，应该进行欠电压、过电压保护。

采用平均电压检测，当一相电压升高，而伴随出现另一相或另两相电压的降低时，Ud平均值有可能维持不变。因此，Ud平均值稳定，并不意味各相（或线）电压的稳定，这是平均电压检测的缺点。

2 控制电路

本交流调压器的控制电路由通用公司的SG3525芯片构成，图3表示其内部结构图。

SG3525 主要由以下几部分组成：基准电压，振荡器，误差放大器，PWM比较器及锁存器，分相器，欠压锁定，输出级，软起动及关断电路。

SG3525芯片是的一款具有软启动、过压保护、闭环调节功能的PWM产生芯片，具有两路PWM输出。SG3525的外部引脚如图4所示。其中，脚16为SG3525的基准电压源输出，精度可以达到（5.1±1％）V，并可向外输出40mA电流，而且设有过流保护电路。脚5，脚6，脚7内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。脚2为误差放大器的同相输入端，脚1为误差放大器的反相输入端，脚9为补偿输入端。

SG3525 的PWM 比较器的输入端设有软起动功能。只需在脚8至地接一个电容C4，利用上电时电源对电容C的充电过程来钳制内部比较器的输入电压，使得锯齿波与比较器输入电压交截产生的PWM 波的占空比逐步展开，从而实现软启动功能。

图3 SG3525内部结构框图图4 SG3525外部引脚图

SG3525输出的PWM波频率是由公式

f=错误!

决定。本调压器取f=10kHz,C2=0.2uF，得R3=746.2Ω，取标称值750Ω。

根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络。

脚13所接电阻R4，电容C3是将SG3525输出的PWM进行反相以配合后续的驱动电路，电容C3起滤波作用，电阻R4起限流作用，可分别取100KΩ和0.1uF。二极管D1是限制电流流向，防止反向灌入SG3525电流而烧坏芯片。其电路图见下图5，其中IO1为检测到的输出平均电压。

图5 SG3525控制电路

3 放大、控制执行和励磁电流的调节

SG3525产生的脉冲信号输到交流励磁机的励磁回路，来控制励磁电流的大小，如图6所示。晶体管V1和V2组成调压器的功率放大电路，它将SG3525产生的PWM波信号功率放大，以驱动控制执行回路，同时，对脉冲信号起到整形作用。

晶体管V3和励磁机的励磁绕组W组成调压器的控制执行回路，是调压系统的执行环节。当晶体管V3导通时，励磁电压Ec加于励磁绕组，励磁电流增加；当晶体管V3截止时，二极管D2续流，励磁电流减小。故励磁电流具有脉动特性，其平均值If决定发电机输出电压Uo的大小。

图6 励磁回路电路图

励磁电流大小由下面公式决定：

If =Ec rw Dc

式中：Ec 为励磁电压，取Ec=48V ；

Rw 为励磁绕组电阻，取Rw=10Ω；

Dc=Ton T ,为末级晶体管的占空比。

按设计要求，励磁电流If 的范围为：0.2—2.0A ，所以由上面公式可求得占空比Dc 的范围：0.04—0.42.

V3完全导通时，励磁电流最大，此时有

I fmax= Ec Rw+R11 =2.0A

求得R11=14Ω，取标称值15Ω.

在本调压器中,为了加快功率管的导通过程，同时能截止反偏，从而改善调 压器的动态响应特性，采用加速电容C6。本调节器取1.0uF ，在实际设计中可以根据实验结果调整。当晶体管V2截止时,功率管V3导通，当V2截止瞬时,加速电容C6将电阻R10短路，此瞬间流过功率管的基极电流为

I bm = Ec-Ube R9

在正常导通时，电容C6充电完成，流过功率管V3的基极电流为

I b =Ec-Ube R9+R10 > I c β

取 Ic=2A ，β=5 ，则

I b =Ec-Ube R9+R10 =48-0.7R9+R10 >0.4A 取R9=R10=60K Ω。