一種能輸出較大沖擊電流的發電機勵磁控制系統

王運良 徐青松 董廣鵬

摘要：針對傳統發電機勵磁控制系統用于感性沖擊負載存在啟動電流過大過載導致發電機啟動失敗機組燜機的缺陷，提出一種新的勵磁控制方法，以實現不同負載電流、不同時間發電機組輸出不同電壓，并介紹了系統的結構和原理，實驗結果顯示此方法適合于啟動較大功率的空調、水泵等感性沖擊負載。

關鍵詞：勵磁控制，自動電壓調節，感性沖擊負載

1.引言

現有通用中小型汽油、柴油交流發電機組中，帶有自動電壓調節器的發電機組由于輸出電壓穩定，諧波含量較少而深受廣大用戶的偏愛。自動電壓調節器作為發電機組勵磁系統的重要組成部分，一直是各界研究的一個重要課題。[1]

目前市場上常見的自動電壓調節器多采用輸出電壓閉環調節的控制方式，即根據發電機輸出交流電壓控制轉子勵磁占空比：當輸出電壓偏高，減小轉子勵磁占空比；當輸出電壓偏低，增大轉子勵磁占空比。這種控制方式對于我們日常生活中照明、加熱等一些常見阻性負載適應性較好，但對于水泵、空調壓縮機等感應電動機負載，由于啟動瞬間電流較大或者過載情況，輸出電壓下降，在電壓閉環調節作用下，自動電壓調節裝置會工作在最大占空比狀態，機組瞬間輸出功率遠大于機組實際輸出能力，常常導致啟動失敗，甚至機組燜機損壞。

本文介紹的一種新的發電機勵磁控制方法可以有效解決上述難題，啟動較大功率容量的空調、水泵等感性沖擊負載。

2.勵磁控制系統的組成與工作原理

本文介紹的控制方法克服了現有技術缺陷，針對感性負載啟動瞬間，由于沖擊電流過大導致啟動失敗的情況，提供一種基于負載電壓、負載電流、負載持續時間自動調節勵磁輸出，從而控制發電機組輸出功率的控制方法。一方面，將負載電流作為影響勵磁輸出的一個因素，實際上是將輸出電流和輸出電壓關聯起來，根據不同的輸出電流控制發電機組的輸出功率，防止機組因為輸出功率過大而造成燜機損壞；另一方面，由于將負載持續時間作為影響勵磁輸出的另一個因素，實際上是利用機組慣性，瞬間輸出較大的沖擊功率，能使機組頂住感性負載啟動瞬間的沖擊，使感性負載成功啟動。

發電機勵磁控制系統包括電壓測量電路，電流測量電路、功率轉換電路和主控單元電路以及過流保護器短路控制電路等。電壓測量電路測量發電機輸出電壓，并將所測結果輸出給主控單元；電流測量電路測量發電機輸出電流，并將所測結果輸出給主控單元；主控單元電路根據電壓測量電路和電流測量電路的輸出控制功率轉換電路的輸出占空比。圖1為本發電機勵磁控制系統框圖。

主控單元電路根據電壓測量電路和電流測量電路的輸出控制功率轉換電路的輸出占空比，其工作特征為：當電流測量電路輸出低于設定值時，主控單元主要根據電壓測量電路的輸出動態調節功率轉換電路輸出占空比，以維持發電機輸出電壓穩定；當電流測量電路輸出高于設定值時，主控單元電路根據電壓測量電路的輸出、電流測量電路的輸出和負載持續時間循環改變功率轉換電路的輸出占空比，使發電機在極限功率輸出和設定功率輸出兩種狀態之間循環。

其中發電機工作在設定功率輸出狀態下且電流測量電路輸出高于設定值時，主控單元根據電壓測量電路的輸出和電流測量電路的輸出控制功率轉換電路輸出占空比，使得發電機工作在降電壓輸出模式、恒功率輸出模式和恒電流輸出模式。

3.控制系統的控制流程

設定輸出功率模式為降電壓輸出模式的控制系統控制流程圖如圖2所示。當發電機組由發動機帶動旋轉到一定轉速后，系統開始建壓，主控單元以一恒定的頻率f循環讀取負載電流測量電路輸出值I。如果I小于等于設定值Is，勵磁輸出主要根據電壓測量電路輸入V進行動態調節勵磁輸出占空比，使發電機處于穩壓輸出環節；如果I大于設定值Is，進一步讀取系統計數器值T，如果T為0，則將T賦值為Tm，如果T大于0，則將T減1，減1后如果T還大于極限功率輸出時間T0，勵磁輸出占空比主要根據負載電壓動態調節，以實現穩壓輸出，此時由于電流和電壓都比較大，發電機組處于輸出功率開環模式，即極限功率模式；減1后如果T小于等于T0，勵磁輸出進一步根據I適當減小，使輸出電壓降低，這樣發電機功率輸出處于閉環控制模式，即設定功率輸出模式。當下一個計時周期到達時，讀取負載電流測量電路輸出值I并重復上述過程。

設定輸出功率模式為恒功率模式和恒電流模式與降電壓模式原理類似，不再贅述。

4.實驗結果

本文所述的發電機勵磁控制模塊實物如圖3所示。其中白色線為18V交流電壓采樣線，藍色線為輸出負載電壓采樣線，紅黑線為發電機碳刷線，棕色線為斷路器線束，另由電流互感器負責負載電流取樣。

實驗基于2.5KW的汽油發電機組，負載電流、負載電壓和勵磁裝置主控單元控制方式轉換觸發波形如圖4所示。示波器CH1波形為負載電壓波形，CH2為電流互感器輸出經過整流后的信號，CH3波形為沖擊電流觸發波形（即系統控制模式轉變觸發信號），CH4波形為負載電流波形?？梢钥吹剑寒斚到y處于設定功率輸出狀態時，如電流測量電路輸出高于設定值（CH2），系統發出模式轉換觸發信號（CH3）使系統根據電壓測量電路的輸出和電流測量電路的輸出控制功率轉換電路輸出占空比，使發電機輸出電壓適當下降（CH1），這樣在機械系統慣性作用的配合下使輸出電流瞬間能大幅提高（CH4）。

本勵磁裝置已成功應用于某型2.0kW左右的發電機組，該型發電機組可以讓一臺1.5匹的空調成功啟動并平穩運行，即使空調在異常斷電停機的情況也可以順利啟動，此時啟動電流瞬間可以達到25A左右。而市場上正常的2.0kW的發電機組啟動過程中會因為啟動電流太大而導致機器直接熄火。

5.結語

本文提出了一種發電機勵磁控制系統控制方法，根據負載電壓、負載電流和負載持續時間同時控制輸出勵磁占空比，以實現不同負載電流、不同時間發電機組輸出不同電壓。該控制方法利用發電機組系統慣性可以循環實現發電機瞬間大電流沖擊輸出。相比于相同容量的傳統發電機組，更適合于較大功率的空調、水泵等感性沖擊負載。

參考文獻

[1]李基成.現代同步發電機勵磁系統設計和應用[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

[2]賴廣顯 新型柴油發電機組. 人民郵電出版社，2004.