汽油发电机组励磁调节器的性能

　　引 言

 

　　数字式励磁调节器以其适应性强、功能扩展方便、励磁调节性能好及可靠性高等优点,越来越受到人们的重视,并得到了广泛应用。然而,由于数字式励磁调节装置造价相对较高,至今难以应用在汽油发电机组上。针对上述情况,本文提出了一种应用于小型汽油发电机组的数字式励磁调节器,并在设计的基础上,进行了动态性能的分析试验。该调节器的控制电路由AT89C51单片机为核心的数字电路构成,采用脉宽调制(PWM)直流斩控方式来调节励磁电流,并采用改进型PID控制算法来实现自动调节的功能。整个调节器除了具有数字式调节器应有的优点外,还具有体积小、造价低等特点,很适合在小型汽油发电机组上应用和推广。

 

　　1、数字式励磁调节器的基本原理

 

　　1.1 数字式励磁调节器的结构特点

 

　　本文所提出的数字式励磁调节器在设计上有两个特点:一是反馈电压值的多点采样;二是采用PWM直流斩波方式调节励磁电压。

 

　　(1)反馈电压值的多点采样,提高了调节精度。反馈电压值的测取精度直接影响着励磁调节器的调节精度及发电机组的性能。为了得到每个调节周期中精确的电压有效值,本设计采用周期采样和电压采样同步进行的方式。由采样所得周期来确定采样点时刻,且采用多点采样的方法,采样次数根据本试验程序上的安排以及单片机在整个周期所作的工作要求,选取n=10来实现有效值的测量。

 

　　(2)采用PWM方式调节励磁电流是当前比较先进的技术。该数字式励磁调节器也采用了这种技术,并将绝缘栅双极晶体管(IGBT)与发电机的励磁绕组串联,对励磁电压进行PWM直流斩波调节电压,从而调节励磁电流的大小。

 

　　PWM直流斩波方式具有以下优点:开关频率较高;仅靠励磁绕组电感的滤波作用就足以获得脉动很小的直流电流;励磁电流容易连续;磁通的运行平稳;调压范围较宽,可达1B10 000;电流波形比分流系统好,在相同的平均电流情况下,发电机的损耗和发热都较小;负载突变时,快速响应性能好,动态抗干扰能力强;电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,调节器效率较高。

 

　　1.2 数字式励磁调节器的硬件构成

 

　　数字式励磁调节器的硬件原理图如图1所示。由图可知:硬件电路的设计结构简单、性价比高。

 

　　图1 励磁调节器的硬件原理图

 

　　数字式励磁调节器主要由四个部分组成。

 

　　(1)主控模块。其主要功能是对数据采集部分的数据进行处理, PWM脉冲产生,占空比控制和调节以及PID控制算法的实现等。

 

　　(2)数据采集部分。实现对输出电压信号周期以及有效值的测取,并将测量值输入单片机进行数据的处理。整个模块以ADC0809为核心,对电压信号进行模数转换,并将模拟信号经过整形后供单片机同步采集周期信号,作为数据采集点确定的依据。

 

　　(3)功率驱动模块。其功能是使得单片机输出的PWM脉冲波能够达到驱动IGBT的需要,同时要有光电隔离电路,增加系统的抗干扰性能。

 

　　(4)励磁主回路部分。其功能是为同步发电机励磁线圈提供励磁电压。

 

　　该数字式励磁调节器的调节过程是:发电机输出电压下降)周期检测)确定多点采样点位置)电压多点采样)单片机计算有效值)自适应PID调节)PWM脉冲宽度增加)发电机励磁电压增加)发电机励磁电流增加)发电机输出电压增加。当发电机电压升高时,调节过程则与上述相反。

 

　　2、数字式励磁调节器的软件构成

 

　　数字式励磁调节器软件采用模块化结构设计,其主程序流程如图2所示。各种功能都由相应的子程序来完成,通用性强,可适应不同的要求。调节器上电后首先执行的是初始化和自检,初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、以及各种程序模块的初始化等;初始化结束以后,表明励磁调节器已准备就绪,接着程序进入起励的设置和起励条件的判别,励磁调节器等待转速信号,在发电机开机而转速未达到额定转速的95%之前将电压给定值设置在空载额定位置,转速一旦达到额定转速的95%,则主程序立刻进入主循环。主循环中首先是数据采集和处理部分,主要由2个子模块组成:发电机输出交流电压采样处理子模块、发电机输出交流电压周期采样处理子模块;然后进入采样点确定子模块,它利用所测取输出交流电压周期和选取的采样点个数来确定采样点的具体时间和位置。

 

　　图2 数字式励磁调节器软件流程图

 

　　得到输出交流电压的有效值; PID调节计算模块将采集的数据结果与额定值进行比较,并计算出输出PWM脉冲的占空比,进而对励磁电流进行调节。

 

　　3、改进型PID控制策略的设计

 

　　改进型PID数字控制是本励磁调节装置的核心部分。发电机励磁调节系统是一个非线性系统,而PID算法是一种线性控制算法。因此,单一的PID控制算法是不能彻底解决励磁调节系统非线性问题的。从工程实际出发,采用自适应PID控制策略,即根据发电机组工况和负载的变化,动态地改变PID参数,以减小或消除励磁调节系统的非线性因素。

 

　　数字式励磁调节器是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此,必须对PID模型进行离散化处理,用数字形式的差分方程代替连续的微分方程。

 

　　汽油发电机组结构复杂,难以建立精确的数学模型,且动态过程的各个阶段对控制增量要求不尽相同,需对PID参数进行实时整定。针对调节系统的非线性和时变性特点,对基本算法进行了以下改进。

 

　　(1)为了提高系统响应速度、增加稳定性,在试验的基础上,摸索出励磁调节过程不同阶段(发电机组不同负载变化)所需的PID参数,由控制程序根据实际励磁调节的需要对PID参数进行实时调整,即采用自适应PID控制策略。

 

　　(2)将控制参数与发电机组进行了匹配试验,确定了控制参数输出量中的开环基值,即前馈补偿值,该值的引入将会减小闭环调整时间。

 

　　(3)在励磁调节过程中,经常会出现突加和突卸负载的工况,输出电压波动及偏差较大,此时由于积分环节的积累作用,导致超调量过大,严重影响励磁调节的品质。为避免PID控制中积分项引起的超调,提高其调节品质,采用积分分离算法,即仅仅使用PD项进行调节。

 

　　4、励磁调节器动态性能分析试验

 

　　试验对象是一台汽油发电机组,同步发电机为单相自励有刷同步发电机,输出额定功率为2000W。动态性能分析试验主要研究在发电机组突加负载和突卸负载时,输出电压的瞬时电压调整率和稳定时间等性能指标与数字式励磁调节装置控制参数之间的关系。

 

　　发电机组突加负载和突卸负载的过程是:当发电机组处于空载稳定工况时,发电机组突加额定负载2 000W,测取输出电压变化的情况;待输出电压稳定以后,再突然卸去全部负载,同时测取发电机组突卸负载时输出电压的变化。从而得到系统突加和突卸负载时的动态调压特性。

 

　　分析动态过程发电机组输出电压变化的情况,确定数字式励磁调节器控制参数对发电机组输出电压影响的趋势,从而优化控制参数,达到更好的调节性能。对试验结果进行分析,仍然分为突加负荷和突卸负荷两种工况进行分析。根据试验过程中所出现的问题,针对发电机组突加和突卸全部负荷过程的曲线进行详细分析,得出最佳的控制调节量。以突加全部负载为例,突卸全部负载与突加全部负载相类似,这里不加赘述。

 

　　当发电机组处于稳定的工作状态时,突然加上全部负载,直到再次稳定下来,整个动态过程的过渡过程曲线如图3所示。

 

　　图3 发电机突加负载过渡过程曲线图

 

　　由图3可知,在发电机突加负载的过渡过程中,满负荷的突加对输出电压的影响最大,进行恰当的调节是提高调节装置性能的关键所在。如图3所示:在OA段突加全部负载,输出电压迅速下降,此时励磁电流应迅速增大,减小输出电压变化的最大值(降低A点电压),但随之会出现较大的超调量,使得稳定时间变长;在AB段,由于PWM脉冲占空比迅速增大,使得输出电压也迅速上升,输出电压的第二个峰值变大,增加输出电压稳定时间,因此在该段可以适当消除超调量; BC段应及时消除超调量,减小第二个峰值,缩短稳定时间,尽快使输出电压稳定下来。

 

　　根据以上分析,分别对OA段、AB段和BC段进行修改控制程序的调节量,选取3组不同的控制参数,分别进行试验,记录试验结果,根据结果分析各阶段控制参数对调节装置动态性能的影响。

 

　　(1)加大OA段控制程序的调节量,保持AB和BC段控制程序的调节量不变,分别测量3次,每次的调节量依次递增,输出电压动态特性数据如表1所示。

 

　　表1 OA段控制参数的动态特性数据表

 

　　(2)加大AB段控制程序的调节量,保持OA和BC段控制程序的调节量不变,分别测量3次,每次的调节量依次递增,输出电压动态特性数据如表2所示。

 

　　表2 AB段控制参数的动态特性数据表

 

　　(3)加大BC段控制程序的调节量,保持OA和AB段控制程序的调节量不变,分别测量3次,每次的调节量依次递增,输出电压动态特性数据如表3所示。

 

　　表3 段控制参数的动态特性数据表

 

　　由试验结果可知:加大OA段控制程序的调节量,能够降低机端电压的变化量,减小瞬态电压调整率,但稳定时间会变长,其原因是加大OA段的调节量会使得超调增大;加大AB段和BC段控制程序的调节量,减小了超调,同时也缩短了稳定时间,而且加大BC段控制程序的调节量,调压性能较好,可以使得瞬态电压调整率达到5. 15%,稳定时间达到2. 1 s。因此,恰当选取AB段和BC段的调节量,能有效地减小超调量,降低瞬态电压调整率,缩短稳定时间。

 

　　结 语

 

　　实践证明,数字式励磁调节器的设计合理,且体积小、造价低,适合应用在汽油发电机组上。通过对数字式励磁调节器动态性能试验数据的分析,不难看出,选择适合的控制参数是提高励磁调节器动态性能的重要因素,并且在励磁调节器良好性能的基础上,有效地改善了输出电压的电压调整率及稳定时间等性能指标。试验用小型汽油发电机组输出电压各方面性能都达到了国内外先进水平,使国内小型汽油发电机组生产出口局限性的问题得以有效解决,并为今后同类型产品的开发和生产提供了积极的参考价值。