汽油發(fā)電機組勵磁調(diào)節(jié)器的性能

　　引 言

 

　　數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器以其適應(yīng)性強、功能擴展方便、勵磁調(diào)節(jié)性能好及可靠性高等優(yōu)點,越來越受到人們的重視,并得到了廣泛應(yīng)用。然而,由于數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)裝置造價相對較高,至今難以應(yīng)用在汽油發(fā)電機組上。針對上述情況,本文提出了一種應(yīng)用于小型汽油發(fā)電機組的數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器,并在設(shè)計的基礎(chǔ)上,進行了動態(tài)性能的分析試驗。該調(diào)節(jié)器的控制電路由AT89C51單片機為核心的數(shù)字電路構(gòu)成,采用脈寬調(diào)制(PWM)直流斬控方式來調(diào)節(jié)勵磁電流,并采用改進型PID控制算法來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的功能。整個調(diào)節(jié)器除了具有數(shù)字式調(diào)節(jié)器應(yīng)有的優(yōu)點外,還具有體積小、造價低等特點,很適合在小型汽油發(fā)電機組上應(yīng)用和推廣。

 

　　1、數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的基本原理

 

　　1.1 數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)特點

 

　　本文所提出的數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器在設(shè)計上有兩個特點:一是反饋電壓值的多點采樣;二是采用PWM直流斬波方式調(diào)節(jié)勵磁電壓。

 

　　(1)反饋電壓值的多點采樣,提高了調(diào)節(jié)精度。反饋電壓值的測取精度直接影響著勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度及發(fā)電機組的性能。為了得到每個調(diào)節(jié)周期中精確的電壓有效值,本設(shè)計采用周期采樣和電壓采樣同步進行的方式。由采樣所得周期來確定采樣點時刻,且采用多點采樣的方法,采樣次數(shù)根據(jù)本試驗程序上的安排以及單片機在整個周期所作的工作要求,選取n=10來實現(xiàn)有效值的測量。

 

　　(2)采用PWM方式調(diào)節(jié)勵磁電流是當前比較先進的技術(shù)。該數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器也采用了這種技術(shù),并將絕緣柵雙極晶體管(IGBT)與發(fā)電機的勵磁繞組串聯(lián),對勵磁電壓進行PWM直流斬波調(diào)節(jié)電壓,從而調(diào)節(jié)勵磁電流的大小。

 

　　PWM直流斬波方式具有以下優(yōu)點:開關(guān)頻率較高;僅靠勵磁繞組電感的濾波作用就足以獲得脈動很小的直流電流;勵磁電流容易連續(xù);磁通的運行平穩(wěn);調(diào)壓范圍較寬,可達1B10 000;電流波形比分流系統(tǒng)好,在相同的平均電流情況下,發(fā)電機的損耗和發(fā)熱都較小;負載突變時,快速響應(yīng)性能好,動態(tài)抗干擾能力強;電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗較小,調(diào)節(jié)器效率較高。

 

　　1.2 數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成

 

　　數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的硬件原理圖如圖1所示。由圖可知:硬件電路的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、性價比高。

 

　　圖1 勵磁調(diào)節(jié)器的硬件原理圖

 

　　數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器主要由四個部分組成。

 

　　(1)主控模塊。其主要功能是對數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)進行處理, PWM脈沖產(chǎn)生,占空比控制和調(diào)節(jié)以及PID控制算法的實現(xiàn)等。

 

　　(2)數(shù)據(jù)采集部分。實現(xiàn)對輸出電壓信號周期以及有效值的測取,并將測量值輸入單片機進行數(shù)據(jù)的處理。整個模塊以ADC0809為核心,對電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并將模擬信號經(jīng)過整形后供單片機同步采集周期信號,作為數(shù)據(jù)采集點確定的依據(jù)。

 

　　(3)功率驅(qū)動模塊。其功能是使得單片機輸出的PWM脈沖波能夠達到驅(qū)動IGBT的需要,同時要有光電隔離電路,增加系統(tǒng)的抗干擾性能。

 

　　(4)勵磁主回路部分。其功能是為同步發(fā)電機勵磁線圈提供勵磁電壓。

 

　　該數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程是:發(fā)電機輸出電壓下降)周期檢測)確定多點采樣點位置)電壓多點采樣)單片機計算有效值)自適應(yīng)PID調(diào)節(jié))PWM脈沖寬度增加)發(fā)電機勵磁電壓增加)發(fā)電機勵磁電流增加)發(fā)電機輸出電壓增加。當發(fā)電機電壓升高時,調(diào)節(jié)過程則與上述相反。

 

　　2、數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的軟件構(gòu)成

 

　　數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,其主程序流程如圖2所示。各種功能都由相應(yīng)的子程序來完成,通用性強,可適應(yīng)不同的要求。調(diào)節(jié)器上電后首先執(zhí)行的是初始化和自檢,初始化包括標志位和變量的初始化、中斷初始化、以及各種程序模塊的初始化等;初始化結(jié)束以后,表明勵磁調(diào)節(jié)器已準備就緒,接著程序進入起勵的設(shè)置和起勵條件的判別,勵磁調(diào)節(jié)器等待轉(zhuǎn)速信號,在發(fā)電機開機而轉(zhuǎn)速未達到額定轉(zhuǎn)速的95%之前將電壓給定值設(shè)置在空載額定位置,轉(zhuǎn)速一旦達到額定轉(zhuǎn)速的95%,則主程序立刻進入主循環(huán)。主循環(huán)中首先是數(shù)據(jù)采集和處理部分,主要由2個子模塊組成:發(fā)電機輸出交流電壓采樣處理子模塊、發(fā)電機輸出交流電壓周期采樣處理子模塊;然后進入采樣點確定子模塊,它利用所測取輸出交流電壓周期和選取的采樣點個數(shù)來確定采樣點的具體時間和位置。

 

　　圖2 數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器軟件流程圖

 

　　得到輸出交流電壓的有效值; PID調(diào)節(jié)計算模塊將采集的數(shù)據(jù)結(jié)果與額定值進行比較,并計算出輸出PWM脈沖的占空比,進而對勵磁電流進行調(diào)節(jié)。

 

　　3、改進型PID控制策略的設(shè)計

 

　　改進型PID數(shù)字控制是本勵磁調(diào)節(jié)裝置的核心部分。發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng),而PID算法是一種線性控制算法。因此,單一的PID控制算法是不能徹底解決勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性問題的。從工程實際出發(fā),采用自適應(yīng)PID控制策略,即根據(jù)發(fā)電機組工況和負載的變化,動態(tài)地改變PID參數(shù),以減小或消除勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的非線性因素。

 

　　數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量。因此,必須對PID模型進行離散化處理,用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)的微分方程。

 

　　汽油發(fā)電機組結(jié)構(gòu)復雜,難以建立精確的數(shù)學模型,且動態(tài)過程的各個階段對控制增量要求不盡相同,需對PID參數(shù)進行實時整定。針對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的非線性和時變性特點,對基本算法進行了以下改進。

 

　　(1)為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、增加穩(wěn)定性,在試驗的基礎(chǔ)上,摸索出勵磁調(diào)節(jié)過程不同階段(發(fā)電機組不同負載變化)所需的PID參數(shù),由控制程序根據(jù)實際勵磁調(diào)節(jié)的需要對PID參數(shù)進行實時調(diào)整,即采用自適應(yīng)PID控制策略。

 

　　(2)將控制參數(shù)與發(fā)電機組進行了匹配試驗,確定了控制參數(shù)輸出量中的開環(huán)基值,即前饋補償值,該值的引入將會減小閉環(huán)調(diào)整時間。

 

　　(3)在勵磁調(diào)節(jié)過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)突加和突卸負載的工況,輸出電壓波動及偏差較大,此時由于積分環(huán)節(jié)的積累作用,導致超調(diào)量過大,嚴重影響勵磁調(diào)節(jié)的品質(zhì)。為避免PID控制中積分項引起的超調(diào),提高其調(diào)節(jié)品質(zhì),采用積分分離算法,即僅僅使用PD項進行調(diào)節(jié)。

 

　　4、勵磁調(diào)節(jié)器動態(tài)性能分析試驗

 

　　試驗對象是一臺汽油發(fā)電機組,同步發(fā)電機為單相自勵有刷同步發(fā)電機,輸出額定功率為2000W。動態(tài)性能分析試驗主要研究在發(fā)電機組突加負載和突卸負載時,輸出電壓的瞬時電壓調(diào)整率和穩(wěn)定時間等性能指標與數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)裝置控制參數(shù)之間的關(guān)系。

 

　　發(fā)電機組突加負載和突卸負載的過程是:當發(fā)電機組處于空載穩(wěn)定工況時,發(fā)電機組突加額定負載2 000W,測取輸出電壓變化的情況;待輸出電壓穩(wěn)定以后,再突然卸去全部負載,同時測取發(fā)電機組突卸負載時輸出電壓的變化。從而得到系統(tǒng)突加和突卸負載時的動態(tài)調(diào)壓特性。

 

　　分析動態(tài)過程發(fā)電機組輸出電壓變化的情況,確定數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器控制參數(shù)對發(fā)電機組輸出電壓影響的趨勢,從而優(yōu)化控制參數(shù),達到更好的調(diào)節(jié)性能。對試驗結(jié)果進行分析,仍然分為突加負荷和突卸負荷兩種工況進行分析。根據(jù)試驗過程中所出現(xiàn)的問題,針對發(fā)電機組突加和突卸全部負荷過程的曲線進行詳細分析,得出最佳的控制調(diào)節(jié)量。以突加全部負載為例,突卸全部負載與突加全部負載相類似,這里不加贅述。

 

　　當發(fā)電機組處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時,突然加上全部負載,直到再次穩(wěn)定下來,整個動態(tài)過程的過渡過程曲線如圖3所示。

 

　　圖3 發(fā)電機突加負載過渡過程曲線圖

 

　　由圖3可知,在發(fā)電機突加負載的過渡過程中,滿負荷的突加對輸出電壓的影響最大,進行恰當?shù)恼{(diào)節(jié)是提高調(diào)節(jié)裝置性能的關(guān)鍵所在。如圖3所示:在OA段突加全部負載,輸出電壓迅速下降,此時勵磁電流應(yīng)迅速增大,減小輸出電壓變化的最大值(降低A點電壓),但隨之會出現(xiàn)較大的超調(diào)量,使得穩(wěn)定時間變長;在AB段,由于PWM脈沖占空比迅速增大,使得輸出電壓也迅速上升,輸出電壓的第二個峰值變大,增加輸出電壓穩(wěn)定時間,因此在該段可以適當消除超調(diào)量; BC段應(yīng)及時消除超調(diào)量,減小第二個峰值,縮短穩(wěn)定時間,盡快使輸出電壓穩(wěn)定下來。

 

　　根據(jù)以上分析,分別對OA段、AB段和BC段進行修改控制程序的調(diào)節(jié)量,選取3組不同的控制參數(shù),分別進行試驗,記錄試驗結(jié)果,根據(jù)結(jié)果分析各階段控制參數(shù)對調(diào)節(jié)裝置動態(tài)性能的影響。

 

　　(1)加大OA段控制程序的調(diào)節(jié)量,保持AB和BC段控制程序的調(diào)節(jié)量不變,分別測量3次,每次的調(diào)節(jié)量依次遞增,輸出電壓動態(tài)特性數(shù)據(jù)如表1所示。

 

　　表1 OA段控制參數(shù)的動態(tài)特性數(shù)據(jù)表

 

　　(2)加大AB段控制程序的調(diào)節(jié)量,保持OA和BC段控制程序的調(diào)節(jié)量不變,分別測量3次,每次的調(diào)節(jié)量依次遞增,輸出電壓動態(tài)特性數(shù)據(jù)如表2所示。

 

　　表2 AB段控制參數(shù)的動態(tài)特性數(shù)據(jù)表

 

　　(3)加大BC段控制程序的調(diào)節(jié)量,保持OA和AB段控制程序的調(diào)節(jié)量不變,分別測量3次,每次的調(diào)節(jié)量依次遞增,輸出電壓動態(tài)特性數(shù)據(jù)如表3所示。

 

　　表3 段控制參數(shù)的動態(tài)特性數(shù)據(jù)表

 

　　由試驗結(jié)果可知:加大OA段控制程序的調(diào)節(jié)量,能夠降低機端電壓的變化量,減小瞬態(tài)電壓調(diào)整率,但穩(wěn)定時間會變長,其原因是加大OA段的調(diào)節(jié)量會使得超調(diào)增大;加大AB段和BC段控制程序的調(diào)節(jié)量,減小了超調(diào),同時也縮短了穩(wěn)定時間,而且加大BC段控制程序的調(diào)節(jié)量,調(diào)壓性能較好,可以使得瞬態(tài)電壓調(diào)整率達到5. 15%,穩(wěn)定時間達到2. 1 s。因此,恰當選取AB段和BC段的調(diào)節(jié)量,能有效地減小超調(diào)量,降低瞬態(tài)電壓調(diào)整率,縮短穩(wěn)定時間。

 

　　結(jié) 語

 

　　實踐證明,數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計合理,且體積小、造價低,適合應(yīng)用在汽油發(fā)電機組上。通過對數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器動態(tài)性能試驗數(shù)據(jù)的分析,不難看出,選擇適合的控制參數(shù)是提高勵磁調(diào)節(jié)器動態(tài)性能的重要因素,并且在勵磁調(diào)節(jié)器良好性能的基礎(chǔ)上,有效地改善了輸出電壓的電壓調(diào)整率及穩(wěn)定時間等性能指標。試驗用小型汽油發(fā)電機組輸出電壓各方面性能都達到了國內(nèi)外先進水平,使國內(nèi)小型汽油發(fā)電機組生產(chǎn)出口局限性的問題得以有效解決,并為今后同類型產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)提供了積極的參考價值。