汽油發電機組勵磁調節器的性能

　　引 言

 

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

 

　　1、數字式勵磁調節器的基本原理

 

　　1.1 數字式勵磁調節器的結構特點

 

　　本文所提出的數字式勵磁調節器在設計上有兩個特點:一是反饋電壓值的多點采樣;二是采用PWM直流斬波方式調節勵磁電壓。

 

　　(1)反饋電壓值的多點采樣,提高了調節精度。反饋電壓值的測取精度直接影響著勵磁調節器的調節精度及發電機組的性能。為了得到每個調節周期中精確的電壓有效值,本設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,采樣次數根據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來實現有效值的測量。

 

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

 

　　PWM直流斬波方式具有以下優點:開關頻率較高;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;磁通的運行平穩;調壓范圍較寬,可達1B10 000;電流波形比分流系統好,在相同的平均電流情況下,發電機的損耗和發熱都較小;負載突變時,快速響應性能好,動態抗干擾能力強;電力電子器件只工作在開關狀態,主電路損耗較小,調節器效率較高。

 

　　1.2 數字式勵磁調節器的硬件構成

 

　　數字式勵磁調節器的硬件原理圖如圖1所示。由圖可知:硬件電路的設計結構簡單、性價比高。

 

　　圖1 勵磁調節器的硬件原理圖

 

　　數字式勵磁調節器主要由四個部分組成。

 

　　(1)主控模塊。其主要功能是對數據采集部分的數據進行處理, PWM脈沖產生,占空比控制和調節以及PID控制算法的實現等。

 

　　(2)數據采集部分。實現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據的處理。整個模塊以ADC0809為核心,對電壓信號進行模數轉換,并將模擬信號經過整形后供單片機同步采集周期信號,作為數據采集點確定的依據。

 

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

 

　　(4)勵磁主回路部分。其功能是為同步發電機勵磁線圈提供勵磁電壓。

 

　　該數字式勵磁調節器的調節過程是:發電機輸出電壓下降)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PID調節)PWM脈沖寬度增加)發電機勵磁電壓增加)發電機勵磁電流增加)發電機輸出電壓增加。當發電機電壓升高時,調節過程則與上述相反。

 

　　2、數字式勵磁調節器的軟件構成

 

　　數字式勵磁調節器軟件采用模塊化結構設計,其主程序流程如圖2所示。各種功能都由相應的子程序來完成,通用性強,可適應不同的要求。調節器上電后首先執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;初始化結束以后,表明勵磁調節器已準備就緒,接著程序進入起勵的設置和起勵條件的判別,勵磁調節器等待轉速信號,在發電機開機而轉速未達到額定轉速的95%之前將電壓給定值設置在空載額定位置,轉速一旦達到額定轉速的95%,則主程序立刻進入主循環。主循環中首先是數據采集和處理部分,主要由2個子模塊組成:發電機輸出交流電壓采樣處理子模塊、發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來確定采樣點的具體時間和位置。

 

　　圖2 數字式勵磁調節器軟件流程圖

 

　　得到輸出交流電壓的有效值; PID調節計算模塊將采集的數據結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節。

 

　　3、改進型PID控制策略的設計

 

　　改進型PID數字控制是本勵磁調節裝置的核心部分。發電機勵磁調節系統是一個非線性系統,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節系統非線性問題的。從工程實際出發,采用自適應PID控制策略,即根據發電機組工況和負載的變化,動態地改變PID參數,以減小或消除勵磁調節系統的非線性因素。

 

　　數字式勵磁調節器是一種采樣控制,它只能根據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,用數字形式的差分方程代替連續的微分方程。

 

　　汽油發電機組結構復雜,難以建立精確的數學模型,且動態過程的各個階段對控制增量要求不盡相同,需對PID參數進行實時整定。針對調節系統的非線性和時變性特點,對基本算法進行了以下改進。

 

　　(1)為了提高系統響應速度、增加穩定性,在試驗的基礎上,摸索出勵磁調節過程不同階段(發電機組不同負載變化)所需的PID參數,由控制程序根據實際勵磁調節的需要對PID參數進行實時調整,即采用自適應PID控制策略。

 

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

 

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

 

　　4、勵磁調節器動態性能分析試驗

 

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

 

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

 

　　分析動態過程發電機組輸出電壓變化的情況,確定數字式勵磁調節器控制參數對發電機組輸出電壓影響的趨勢,從而優化控制參數,達到更好的調節性能。對試驗結果進行分析,仍然分為突加負荷和突卸負荷兩種工況進行分析。根據試驗過程中所出現的問題,針對發電機組突加和突卸全部負荷過程的曲線進行詳細分析,得出最佳的控制調節量。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。

 

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

 

　　圖3 發電機突加負載過渡過程曲線圖

 

　　由圖3可知,在發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,進行恰當的調節是提高調節裝置性能的關鍵所在。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),但隨之會出現較大的超調量,使得穩定時間變長;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,增加輸出電壓穩定時間,因此在該段可以適當消除超調量; BC段應及時消除超調量,減小第二個峰值,縮短穩定時間,盡快使輸出電壓穩定下來。

 

　　根據以上分析,分別對OA段、AB段和BC段進行修改控制程序的調節量,選取3組不同的控制參數,分別進行試驗,記錄試驗結果,根據結果分析各階段控制參數對調節裝置動態性能的影響。

 

　　(1)加大OA段控制程序的調節量,保持AB和BC段控制程序的調節量不變,分別測量3次,每次的調節量依次遞增,輸出電壓動態特性數據如表1所示。

 

　　表1 OA段控制參數的動態特性數據表

 

　　(2)加大AB段控制程序的調節量,保持OA和BC段控制程序的調節量不變,分別測量3次,每次的調節量依次遞增,輸出電壓動態特性數據如表2所示。

 

　　表2 AB段控制參數的動態特性數據表

 

　　(3)加大BC段控制程序的調節量,保持OA和AB段控制程序的調節量不變,分別測量3次,每次的調節量依次遞增,輸出電壓動態特性數據如表3所示。

 

　　表3 段控制參數的動態特性數據表

 

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

 

　　結 語

 

　　實踐證明,數字式勵磁調節器的設計合理,且體積小、造價低,適合應用在汽油發電機組上。通過對數字式勵磁調節器動態性能試驗數據的分析,不難看出,選擇適合的控制參數是提高勵磁調節器動態性能的重要因素,并且在勵磁調節器良好性能的基礎上,有效地改善了輸出電壓的電壓調整率及穩定時間等性能指標。試驗用小型汽油發電機組輸出電壓各方面性能都達到了國內外先進水平,使國內小型汽油發電機組生產出口局限性的問題得以有效解決,并為今后同類型產品的開發和生產提供了積極的參考價值。