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小型发电机组一般指功率在30千瓦以下的发电机组,主要用于银行、邮电、军事等作为应急后备电源。在部队的通信车、雷达车、卫星车、电子对抗车和指挥车等特种军用车辆上也有广泛应用。发电机组励磁控制器也称为自动电压调节器。20世纪50年代初期,自动电压调节器的主要功能是维持发电机电压为给定值。当时应用的电压调节器多为机械型的,其后又发展为电子型或者电磁型。20世纪50年代后期,出于提高发电机组系统稳定性的考虑,自动电压调节器的功能已不再局限于维持发电机电压恒定这一要求上,而更多地体现在提高发电机组的静态及动态稳定性方面。这标志着对励磁调节器的功能要求已有了根本的转变。
20世纪50年代至今,励磁控制技术也有了极大的发展。概括地说,励磁控制方式的演绎大致经历了单变量输入及输出的比例控制方式,线性多变量输入及输出的分变量反馈控制以及伴随控制理论发展起来的非线性分变量控制方式等几种主要的发展阶段。随着我国国防现代化装备水平的不断提高,对作为野战移动电源的发电机组也提出了更高的要求。小型军用发电机组的功能、可靠性、电磁兼容性等都必须满足各种军用装备的新要求。小型军用发电机组的控制技术也从原来的最基本的输出稳定控制,向多功能、高可靠性、智能化和远程控制方向发展。
1 励磁控制系统的构成
柴油发电机组主要由柴油机、发电机和励磁控制等几部分构成。其中励磁控制部分的作用是根据发电机输出的变化,自动调整励磁电流大小,从而保证发电机输出电压的稳定。励磁控制器通过对主绕组输出电压的采样,决定送给励磁绕组的励磁电流大小。当由于发电机组负载的变化而造成机组输出电压增加时,励磁控制器通过减小流过励磁绕组的励磁电流来降低输出电压。反之,当机组输出电压减小时,励磁控制器通过增加励磁电流来提高输出电压,从而保证了机组输出电压的稳定。
励磁控制器主要由电压反馈单元、输出给定单元、比较和PID调节单元和功率输出单元几部分组成。电压反馈部分是将主绕组的电压也就是机组的输出电压经电压传感器引入励磁控制器,作为判断输出电压变化的依据。电压传感器实际采用了2mA:2mA的电流型互感器来实现。为了提高控制的稳定性,反馈信号在进入PID调节部分之前进行了滤波和前置处理。比较和PID调节单元的作用是把电压反馈信号和输出给定信号进行比较,根据误差信号的大小由PID调节部分产生调节控制信号。该信号再经过后面的输出部分进行放大驱动来产生励磁绕组所需的励磁电流。
2 控制方式的实现
当一个自动调节系统的输入(给定和干扰)恒定不变时,整个系统处于一种相对平衡的状态,系统的各个环节暂不动作。它们的输出信号都处于相对静止状态。一旦系统受到干扰,平衡被破坏,被调量发生变化,调节器就开始调节,直到系统又重新进入稳态。
代表实际输出电压的电压反馈信号与输出给定信号的差值即误差信号,在PID处理部分进行比例、微分和积分运算,从而产生过程调节信号,然后经过反向和放大来驱动励磁线圈,通过调节励磁电流来稳定整个发电机组系统的输出电压。一个励磁系统瞬态过程性能的好坏主要是由PID调节电路来控制。一般来说无刷发电机相当于由二个大惯性环节串联成。发电机系统中要求系统的静态调压率愈高,则要求开环放大系数愈高。但在有惯性环节存在的系统中,放大倍数越大,调节过程就越不稳定,静态精度和动态稳定是一对矛盾。我们在系统中引入了有源校正环节(PID调节器),由运算放大器及其周围元器件等构成PID调节电路。PID调节器相当于一个放大系数可自动调整的放大器,其动态放大倍数很低,静态放大系数很高,反应时间很快,合理地解决了系统静态和动态矛盾。如果系统因扰动产生振荡,有源校正环节将快速使振荡收敛而趋于稳定。
调节中微分量的引入是不合适的。所以,励磁控制器的闭环调节采用的是比例加积分的调节方式。比例环节的作用是调节量的大小直接与误差信号成比例关系,误差越大调节量越大。而积分环节的作用是有效消除系统存在的静差,保证稳压精度。
3 结束语
采用PID调节方式的励磁控制器,在中小型柴油发电机组中得到了实际应用。特别是在小型军用柴油发电机组中的应用得到了比较理想的效果。
