劉重發(fā)，陳遠(yuǎn)江，張 濤，康辰龍，張 磊，張永鋒

基于轉(zhuǎn)速表傳感器的某裝備無源供電裝置研究

劉重發(fā)，陳遠(yuǎn)江，張 濤，康辰龍，張 磊，張永鋒

（陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校，武漢 430075）

某裝備設(shè)置有啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和高壓空氣啟動(dòng)兩種方式，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)硅整流發(fā)電機(jī)工作。硅整流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁由調(diào)壓器控制，以保持輸出電壓的穩(wěn)定。在沒有蓄電池、外接電源或硅整流發(fā)電機(jī)無剩磁時(shí)，用高壓空氣或者其它方式啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，硅整流發(fā)電機(jī)由于沒有勵(lì)磁而不發(fā)電。該裝備發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表傳感器為三相永磁同步發(fā)電機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)工作就能發(fā)電。實(shí)驗(yàn)證明，轉(zhuǎn)速表傳感器具備給硅整流發(fā)電機(jī)提供初始勵(lì)磁的能力。設(shè)計(jì)一種裝置，只要能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，均由轉(zhuǎn)速表傳感器給硅整流發(fā)電機(jī)提供初始勵(lì)磁，使硅整流發(fā)電機(jī)在任何情況下都能正常供電。

硅整流發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)速表傳感器 無源供電

0 引言

某裝備設(shè)置有電啟動(dòng)和氣啟動(dòng)兩種啟動(dòng)方式。電啟動(dòng)使用啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，與普通車船相同；氣啟動(dòng)采用高壓空氣，依次給處于做功沖程的氣缸注入高壓空氣，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，從而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)帶動(dòng)硅整流發(fā)電機(jī)，硅整流發(fā)電機(jī)由可控硅調(diào)壓器控制勵(lì)磁回路，從而保持輸出電壓的穩(wěn)定。在沒有蓄電池或外接電源時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，硅整流發(fā)電機(jī)因勵(lì)磁回路不通而不能發(fā)電。當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組沒有剩磁時(shí)，即使有蓄電池或外接電源，但硅整流發(fā)電機(jī)三相繞組沒有剩磁電壓而不能提供勵(lì)磁，硅整流發(fā)電機(jī)不能發(fā)電。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表由傳感器和指示器組成，傳感器為三相同步永磁發(fā)電機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。轉(zhuǎn)速表傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)頻率的三相交流電傳到指示器。指示器內(nèi)三相同步電動(dòng)機(jī)將相應(yīng)頻率的交流電還原成轉(zhuǎn)速，通過電磁耦合器將轉(zhuǎn)速變成轉(zhuǎn)矩，控制指針指示相應(yīng)轉(zhuǎn)速值。因此，只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速表傳感器就能發(fā)電。

所以，無論有沒有蓄電池、外接電源或剩磁，只要能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在硅整流發(fā)電機(jī)建立電壓前，由轉(zhuǎn)速表傳感器為硅整流發(fā)電機(jī)提供初始勵(lì)磁，硅整流發(fā)電機(jī)建立電壓后自己提供勵(lì)磁，這樣就能讓硅整流發(fā)電機(jī)在任何情況下都能發(fā)電，保障裝備戰(zhàn)斗性能，即為無源供電。

1 基本原理

1.1 三相同步發(fā)電機(jī)

圖1為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)式三相同步發(fā)電機(jī)的原理圖。三相繞組AX、BY、CZ在空間上彼此相差120°電角度，每相繞組的匝數(shù)相等。當(dāng)動(dòng)力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極磁力線將依次切割三相定子繞組的導(dǎo)體，或者說三相定子繞組的導(dǎo)體依次做切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，由電磁感應(yīng)定律可知，三相定子繞組導(dǎo)體中將感應(yīng)出交變的電動(dòng)勢(shì)。選擇合適的極面形狀和勵(lì)磁繞組的分布情況，可使主磁級(jí)磁場(chǎng)的氣隙磁場(chǎng)沿圓周按正弦規(guī)律分布，這樣每相繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)A、B及C也隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，且頻率相同、幅值相等。電動(dòng)勢(shì)的正方向選定為自繞組的末端指向始端。

由圖1可見，當(dāng)S極的軸線順時(shí)針轉(zhuǎn)到A處時(shí)，A相的電動(dòng)勢(shì)達(dá)到正的幅值；再經(jīng)過120°后S極軸線轉(zhuǎn)到B處，B相的電動(dòng)勢(shì)達(dá)到正的幅值；再經(jīng)過120°后，C相的電動(dòng)勢(shì)達(dá)到正的幅值，周而復(fù)始。所以A比B在相位上超前120°，B比C在相位上超前120°，C比A在相位上超前120°。如以A相為參考，則可得出：

三相電動(dòng)勢(shì)A、B、C用正弦波形表示如圖2所示。

圖2 三相電動(dòng)勢(shì)的正弦波

1.2 硅整流發(fā)電機(jī)

硅整流發(fā)電機(jī)是機(jī)內(nèi)裝有半導(dǎo)體整流器的三相交流同步發(fā)電機(jī)。三相交流同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的是三相交流電，通過整流器而輸出直流電，如圖3所示。

硅整流發(fā)電機(jī)與可控硅調(diào)壓器原理見圖4所示。硅整流發(fā)電機(jī)定子繞組為三相繞組，轉(zhuǎn)子繞組為勵(lì)磁繞組，三相繞組的交流電由調(diào)壓器內(nèi)半可控橋式整流電路整流后供應(yīng)勵(lì)磁繞組。如果沒有蓄電池或外接電源，半可控橋式整流電路不通，硅整流發(fā)電機(jī)無勵(lì)磁不發(fā)電。若有蓄電池或外接電源，但轉(zhuǎn)子無剩磁或剩磁很弱，定子三相繞組無剩磁電壓或剩磁電壓低于半可控橋式整流電路的導(dǎo)通閾值，硅整流發(fā)電機(jī)無勵(lì)磁不發(fā)電。

試驗(yàn)證明，硅整流發(fā)電機(jī)只要能發(fā)出高于6 V的電壓，就能自勵(lì)建立電壓，進(jìn)入正常發(fā)電狀態(tài)。硅整流發(fā)電機(jī)發(fā)出的6 V電壓所需的勵(lì)磁電壓和電流如表1所示。從表1得出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，硅整流發(fā)電機(jī)所需勵(lì)磁電壓和電流均下降。

1.3 轉(zhuǎn)速表傳感器

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表傳感器為三相同步永磁發(fā)電機(jī)，由發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速表傳感器就能發(fā)電。轉(zhuǎn)速表傳感器在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的負(fù)載能力見表2所示，從表2可以看出，轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)速表傳感器負(fù)載能力越強(qiáng)。

圖3 硅整流發(fā)電機(jī)

表1 硅整流發(fā)電機(jī)發(fā)出6 V電壓所需的勵(lì)磁電壓和電流

表2 轉(zhuǎn)速表傳感器負(fù)載能力表

圖4 系統(tǒng)框圖

綜合表1和表2可以看出，轉(zhuǎn)速表傳感器的負(fù)載能力，明顯高于硅整流發(fā)電機(jī)發(fā)出的6 V電壓所需的勵(lì)磁電壓和電流。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖4所示，左側(cè)虛線框?yàn)闊o源供電裝置，中間為硅整流發(fā)電機(jī)，右側(cè)為可控硅調(diào)壓器，虛線框上邊有用電裝具和蓄電池組，下邊有轉(zhuǎn)速表傳感器和指示器。無源供電裝置主要由線路切換電路、整流穩(wěn)壓電路和勵(lì)磁控制電路組成。線路切換電路在硅整流發(fā)電機(jī)電壓低于6 V時(shí)，將轉(zhuǎn)速表傳感器線路切換到整流穩(wěn)壓電路；硅整流發(fā)電機(jī)電壓高于6 V時(shí)，將轉(zhuǎn)速表傳感器線路切換到轉(zhuǎn)速表指示器。整流穩(wěn)壓電路將轉(zhuǎn)速表傳感器發(fā)出的交流電整流穩(wěn)壓后送到勵(lì)磁控制電路。勵(lì)磁控制電路在硅整流發(fā)電機(jī)電壓低于6 V時(shí)，由轉(zhuǎn)速表傳感器提供勵(lì)磁；硅整流發(fā)電機(jī)電壓高于6 V低于24 V時(shí)，由硅整流發(fā)電機(jī)自勵(lì)發(fā)電；硅整流發(fā)電機(jī)電壓高于24 V時(shí)，切斷自勵(lì)電路，由可控硅調(diào)壓器控制勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)進(jìn)入正常發(fā)電狀態(tài)。

2.2 工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖5所示，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)速表傳感器和硅整流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在硅整流發(fā)電機(jī)電壓低于6 V時(shí)，由轉(zhuǎn)速表傳感器提供勵(lì)磁，硅整流發(fā)電機(jī)開始建立電壓。當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)輸出電壓大于6 V小于24 V時(shí)，由硅整流發(fā)電機(jī)自勵(lì)發(fā)電，同時(shí)將轉(zhuǎn)速表傳感器供電電路切換至轉(zhuǎn)速表指示器。當(dāng)硅整流發(fā)電機(jī)輸出電壓大于24 V時(shí)，由調(diào)壓器控制勵(lì)磁，同時(shí)切斷自勵(lì)電路，硅整流發(fā)電機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。如果硅整流發(fā)電機(jī)工作不正常，系統(tǒng)重新開始。

3 結(jié)語(yǔ)

基于轉(zhuǎn)速表傳感器的某裝備無源供電裝置，其關(guān)鍵是利用轉(zhuǎn)速表傳感器為三相同步永磁發(fā)電機(jī)這個(gè)特點(diǎn)，讓轉(zhuǎn)速表傳感器給硅整流發(fā)電機(jī)提供初始勵(lì)磁。任何情況下只要能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，硅整流發(fā)電機(jī)都能正常發(fā)電。實(shí)驗(yàn)證明，安裝無源供電裝置的裝備，在換季保養(yǎng)和平時(shí)訓(xùn)練時(shí)，可以不安裝蓄電池，節(jié)省大量的人力物力。特別是戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)蓄電池戰(zhàn)損或故障時(shí)，無源供電裝置能保證硅整流發(fā)電機(jī)正常供電，保持裝備戰(zhàn)斗力，具有很強(qiáng)的戰(zhàn)斗意義。

圖5 控制流程

[1] 張德寶等. 利用空氣啟動(dòng)系統(tǒng)的無蓄電池供電裝置設(shè)計(jì)[J]. 移動(dòng)電源與車輛, 2004.

[2] 劉重發(fā)等. 基于非蓄電池啟動(dòng)的履帶式車輛無源供電裝置研究[J]. 船電技術(shù), 2014.

[3] 劉重發(fā). 自行火炮底盤電氣設(shè)備[M]. 武漢軍械士官學(xué)校, 2012.

Research on Passive Power Supply Device of Certain Equipment Based on Tachometer Sensor

Liu Zhongfa, Chen Yuanjiang, Zhang Tao, Kang Chenlong, Zhang Lei, Zhang Yongfeng

(Ordnance NCO academy, Army Engineering University, Wuhan 430075, China )

TM31

A

1003-4862（2019）03-0033-04

2018-07-13

劉重發(fā)（1973-）男，漢族，副教授，研究方向：自行火炮維修。E-mail: hblchf@139.com