數(shù)字電壓調(diào)節(jié)技術在柴油發(fā)電機中的應用研究

鄭真福，瑪麗婭·巴特爾，周 俊

（69016部隊，新疆 烏魯木齊 830092）

0 引 言

現(xiàn)階段，柴油發(fā)電機中常用的調(diào)壓器通常為模擬式。有學者以45 kVA的交流發(fā)電機為主，并通過檢測有效值的手段設計一種模擬式調(diào)壓器，但受電壓單環(huán)調(diào)制的影響，未取得良好的動態(tài)性能。此外，部分學者以汽車高壓無刷直流發(fā)電機為切入點，認為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）電流型控制調(diào)壓方法比較重要。與模擬式電壓調(diào)節(jié)器相比，數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器具有抗干擾性強、控制策略靈活、控制參數(shù)調(diào)整簡便以及數(shù)據(jù)可記載等優(yōu)點。隨著柴油發(fā)電機組技術越來越成熟，新技術和新成果不斷被采納應用，研究數(shù)字電壓調(diào)節(jié)技術在柴油發(fā)電機中的應用刻不容緩。

1 調(diào)壓器功能

對于設計的數(shù)字調(diào)壓器，以某型車輛柴油發(fā)電機（10～30 kW）為調(diào)節(jié)對象，發(fā)電機的輸出電壓為220 V。數(shù)字調(diào)壓器的功能多樣，利用閉環(huán)控制發(fā)電機的輸出電壓不會超出正常范圍。利用上位機對輸出電壓進行監(jiān)測，并判斷負載電流的大小是否適宜，明確功率、勵磁電壓、勵磁電流有無呈現(xiàn)異常狀態(tài)等，及時檢查是否出現(xiàn)發(fā)電機過壓、勵磁過壓以及勵磁過流故障等問題[1]。同時，將發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）指示燈融入硬件電路板后，能夠在出現(xiàn)特定情況時進行光報警，由檢測控制電路實現(xiàn)保護工作，將報警信息體現(xiàn)在上位機的軟件面板上。

2 調(diào)壓器結(jié)構(gòu)及工作原理

發(fā)電機組的數(shù)字控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機組的數(shù)字控制系統(tǒng)

輸入輸出接口電路采樣發(fā)電機的輸出電壓、負載電流、勵磁電壓、勵磁電流以及定子溫度等信號[2]。在調(diào)壓的整個過程中，數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）電路發(fā)揮著重要作用，發(fā)電機的電壓經(jīng)變換后滿足調(diào)壓器的用電需求，調(diào)壓器則通過調(diào)節(jié)勵磁來實現(xiàn)調(diào)壓的功能。

數(shù)字調(diào)壓器的主要組成部分包括TMS320F28335最小系統(tǒng)、模擬量檢測與調(diào)理電路、數(shù)字輸入接口、輸出接口、功率放大電路以及勵磁主電路。以功率板為切入點，針對模擬量電路檢測的相關情況進行調(diào)整后再作用于DSP，與其中的模擬/數(shù)字（Analog/Digital，A/D）轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生接觸，避免模擬量信號始終保持原有狀態(tài)，使其處于數(shù)字量信號的范圍內(nèi)。采樣環(huán)節(jié)后，DSP獲取了相應的數(shù)字量信號，再借助適宜的算法呈現(xiàn)PWM波。上述步驟完畢后，將功率放大電路融入實際工作中，避免MOS管的開關呈現(xiàn)異常狀態(tài)。

3 柴油發(fā)電機組并機分析

3.1 發(fā)電機組并列條件

發(fā)電機組并列條件包括以下4點：一是發(fā)電機組電壓的有效值與波形不可產(chǎn)生任何偏差；二是兩臺發(fā)電機電壓的相位一致；三是兩臺發(fā)電機組的頻率無差異；四是兩臺發(fā)電機組的相序必須相同。

3.2 發(fā)電機組的準同期并列法

通過準同期法開展并列操作屬于一項積極措施，發(fā)電機組電壓不能出現(xiàn)差異性，頻率、相位都要處在同一范圍，可以通過裝在同期盤上的兩塊電壓表、兩塊頻率表以及同期表和非同期指示燈來監(jiān)視[3]。以其中一臺發(fā)電機組為操作重點，將更多注意力集中在負荷開關上，使電壓與母線產(chǎn)生聯(lián)系。合上同期開關，查看目前待并發(fā)電機組轉(zhuǎn)速的快慢并將其調(diào)節(jié)至正常范圍，縮小與同步轉(zhuǎn)速的差距。

從待并發(fā)電機組的電壓入手，遵循科學合理的原則對其展開調(diào)節(jié)，縮短其與另一臺發(fā)電機組電壓的差距，在頻率與電壓的差異性越來越小時，同期表的旋轉(zhuǎn)速度也產(chǎn)生明顯波動，即越來越慢，同期指示燈的明亮程度也受到影響。對于待并機組，如果與另一臺機組的相位完全一致，同期表指針指示的方向與之前不同，主要在上端位置的中心，同期燈的暗度最高。當待并機組和另一臺機組相位差值越來越大，直到最大限度時，同期表指示方向處在下方，此時同期燈十分明亮。如果同期表指針的旋轉(zhuǎn)以順時針為主，意味著待并發(fā)電機的頻率超過了另一臺機組，需針對待并發(fā)電機組展開調(diào)整，使其轉(zhuǎn)速保持較低狀態(tài)；反之，同樣作用在待并發(fā)電機組中，使其轉(zhuǎn)速保持增加狀態(tài)。

3.3 并列機組的逆功調(diào)整

現(xiàn)實的逆功情況將出現(xiàn)在兩臺機組的監(jiān)視儀表上，一種是轉(zhuǎn)速產(chǎn)生偏差而導致的逆功，另一種是電壓參差不齊而導致的逆功。明確其中1臺機組的轉(zhuǎn)速（頻率）所處范圍，根據(jù)視功率表的指示展開多角度分析，依據(jù)實際情況開展良好的調(diào)整工作，加大對功率表的調(diào)整力度，直至其指示回歸零為止。將兩臺機組的功率指示調(diào)節(jié)為適宜狀態(tài)，避免兩臺機的轉(zhuǎn)速（頻率）產(chǎn)生明顯偏差。如果此時依然未消除電流表的指示，那么此逆功現(xiàn)象的影響因素為電壓差。在處理電壓差導致的逆功現(xiàn)象時，如果兩臺機組的功率表指示都為零，而電流指示與電流表相關聯(lián)時，需從其中一臺發(fā)電機組入手，秉持著科學性的理念調(diào)整其電壓調(diào)整旋鈕。

4 數(shù)字調(diào)壓器的硬件設計

無論任何類型的發(fā)電機調(diào)壓器，都必須合理檢測控制對象。對于調(diào)壓器而言，要想實現(xiàn)調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流的目的，必須對發(fā)電機輸出電壓大小進行檢測。發(fā)電機電壓檢測電路的性能尤為重要，直接影響著電壓調(diào)節(jié)精度的大小，同時還會使電壓調(diào)節(jié)的可靠性受到一定干擾。對發(fā)電機輸出的三相交流電進行降壓處理，將電阻分壓真正利用起來，使其電壓值在運算放大器可以接受的范圍內(nèi)[4]。以A相為例，其降壓變換電路如圖2所示。

圖2 A相降壓變換電路

對于勵磁電流檢測電路，選擇的傳感器型號為ACS714LLCTR-20A-T，工作溫度為-40～85 ℃，靈敏度為100 mV/A，供電電壓為5.0 V，響應時間為5 μs。對于勵磁電壓檢測電路，將中旭電壓型霍爾傳感器HNV-300T作為主要工具，額定輸出電壓為5 V[5]。

在功率放大電路的幫助下，能夠進一步放大PWM控制信號，避免其與主功率管MOS管始終處于分離狀態(tài)，電路原理如圖3所示。

圖3 勵磁驅(qū)動功率放大電路

高速驅(qū)動開關SN75451是幫助邏輯“與”關系實現(xiàn)的有效途徑，如果其與PWM信號存在緊密聯(lián)系，那么此時SN75451將產(chǎn)生一定變化，其輸出為高，NPN型三極管Q3導通，使MOS管保持在較低電壓狀態(tài)。在二級管的影響下，柵源電容的電荷將受到直接影響。如果低電平為PWM信號，此時SN75451的輸出保持較低電壓狀態(tài)，NPN型三極管Q3與之前狀態(tài)明顯不同，工作電源的位置產(chǎn)生變化，與電阻產(chǎn)生接觸。

5 數(shù)字調(diào)壓器的軟件設計

對發(fā)電機的轉(zhuǎn)速進行分析屬于一項重要措施，可以明確是否與規(guī)定值產(chǎn)生偏差和有無必要轉(zhuǎn)變原有的調(diào)壓器。如果勵磁電壓值未超過安全值的情況下，關閉調(diào)壓系統(tǒng)才是最合理的。

調(diào)壓器的控制方式并不單一，除了與電壓單環(huán)調(diào)節(jié)息息相關之外，也包括了電壓及負載電流雙環(huán)調(diào)節(jié)、電壓及勵磁電流雙環(huán)調(diào)節(jié)、輸出電壓反饋調(diào)節(jié)中加入勵磁電流的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

針對交流發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器，其包括多種數(shù)字控制策略，例如數(shù)字控制策略、自適應的控制策略、模糊控制策略。在勵磁電流調(diào)節(jié)的基礎上，分析主發(fā)電機的特點、形態(tài)，對其電壓展開嚴格控制。但采樣獲取的反饋信號出現(xiàn)了諧波脈動成分，這種成分將導致控制器的穩(wěn)定性大打折扣?；诖耍瑢⒄芷谄交瑸V波作為主要手段，從而消除諧波脈動。在發(fā)電機運行的整個階段里，需將滿載幅度的載荷作為操作重點。通常情況下，PI算法具有在大偏差時積分累積過大、超調(diào)過大的缺點，與本系統(tǒng)要求產(chǎn)生偏差。為了使調(diào)壓器的效率更高，以復合PID控制算法作為首選。

6 結(jié) 論

綜上所述，在某型車載移動柴油發(fā)電機的基礎上，針對基于TMS320F28335芯片的數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器展開設計。通過分析數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器的特點和功能，秉持著科學性的理念針對輸入輸出接口電路展開設計，可以滿足相應規(guī)范中對柴油機的功能要求。