一种能输出较大冲击电流的发电机励磁控制系统

王运良 徐青松 董广鹏

摘要：针对传统发电机励磁控制系统用于感性冲击负载存在启动电流过大过载导致发电机启动失败机组焖机的缺陷，提出一种新的励磁控制方法，以实现不同负载电流、不同时间发电机组输出不同电压，并介绍了系统的结构和原理，实验结果显示此方法适合于启动较大功率的空调、水泵等感性冲击负载。

关键词：励磁控制，自动电压调节，感性冲击负载

1.引言

现有通用中小型汽油、柴油交流发电机组中，带有自动电压调节器的发电机组由于输出电压稳定，谐波含量较少而深受广大用户的偏爱。自动电压调节器作为发电机组励磁系统的重要组成部分，一直是各界研究的一个重要课题。[1]

目前市场上常见的自动电压调节器多采用输出电压闭环调节的控制方式，即根据发电机输出交流电压控制转子励磁占空比：当输出电压偏高，减小转子励磁占空比；当输出电压偏低，增大转子励磁占空比。这种控制方式对于我们日常生活中照明、加热等一些常见阻性负载适应性较好，但对于水泵、空调压缩机等感应电动机负载，由于启动瞬间电流较大或者过载情况，输出电压下降，在电压闭环调节作用下，自动电压调节装置会工作在最大占空比状态，机组瞬间输出功率远大于机组实际输出能力，常常导致启动失败，甚至机组焖机损坏。

本文介绍的一种新的发电机励磁控制方法可以有效解决上述难题，启动较大功率容量的空调、水泵等感性冲击负载。

2.励磁控制系统的组成与工作原理

本文介绍的控制方法克服了现有技术缺陷，针对感性负载启动瞬间，由于冲击电流过大导致启动失败的情况，提供一种基于负载电压、负载电流、负载持续时间自动调节励磁输出，从而控制发电机组输出功率的控制方法。一方面，将负载电流作为影响励磁输出的一个因素，实际上是将输出电流和输出电压关联起来，根据不同的输出电流控制发电机组的输出功率，防止机组因为输出功率过大而造成焖机损坏；另一方面，由于将负载持续时间作为影响励磁输出的另一个因素，实际上是利用机组惯性，瞬间输出较大的冲击功率，能使机组顶住感性负载启动瞬间的冲击，使感性负载成功启动。

发电机励磁控制系统包括电压测量电路，电流测量电路、功率转换电路和主控单元电路以及过流保护器短路控制电路等。电压测量电路测量发电机输出电压，并将所测结果输出给主控单元；电流测量电路测量发电机输出电流，并将所测结果输出给主控单元；主控单元电路根据电压测量电路和电流测量电路的输出控制功率转换电路的输出占空比。图1为本发电机励磁控制系统框图。

主控单元电路根据电压测量电路和电流测量电路的输出控制功率转换电路的输出占空比，其工作特征为：当电流测量电路输出低于设定值时，主控单元主要根据电压测量电路的输出动态调节功率转换电路输出占空比，以维持发电机输出电压稳定；当电流测量电路输出高于设定值时，主控单元电路根据电压测量电路的输出、电流测量电路的输出和负载持续时间循环改变功率转换电路的输出占空比，使发电机在极限功率输出和设定功率输出两种状态之间循环。

其中发电机工作在设定功率输出状态下且电流测量电路输出高于设定值时，主控单元根据电压测量电路的输出和电流测量电路的输出控制功率转换电路输出占空比，使得发电机工作在降电压输出模式、恒功率输出模式和恒电流输出模式。

3.控制系统的控制流程

设定输出功率模式为降电压输出模式的控制系统控制流程图如图2所示。当发电机组由发动机带动旋转到一定转速后，系统开始建压，主控单元以一恒定的频率f循环读取负载电流测量电路输出值I。如果I小于等于设定值Is，励磁输出主要根据电压测量电路输入V进行动态调节励磁输出占空比，使发电机处于稳压输出环节；如果I大于设定值Is，进一步读取系统计数器值T，如果T为0，则将T赋值为Tm，如果T大于0，则将T减1，减1后如果T还大于极限功率输出时间T0，励磁输出占空比主要根据负载电压动态调节，以实现稳压输出，此时由于电流和电压都比较大，发电机组处于输出功率开环模式，即极限功率模式；减1后如果T小于等于T0，励磁输出进一步根据I适当减小，使输出电压降低，这样发电机功率输出处于闭环控制模式，即设定功率输出模式。当下一个计时周期到达时，读取负载电流测量电路输出值I并重复上述过程。

设定输出功率模式为恒功率模式和恒电流模式与降电压模式原理类似，不再赘述。

4.实验结果

本文所述的发电机励磁控制模块实物如图3所示。其中白色线为18V交流电压采样线，蓝色线为输出负载电压采样线，红黑线为发电机碳刷线，棕色线为断路器线束，另由电流互感器负责负载电流取样。

实验基于2.5KW的汽油发电机组，负载电流、负载电压和励磁装置主控单元控制方式转换触发波形如图4所示。示波器CH1波形为负载电压波形，CH2为电流互感器输出经过整流后的信号，CH3波形为冲击电流触发波形（即系统控制模式转变触发信号），CH4波形为负载电流波形。可以看到：当系统处于设定功率输出状态时，如电流测量电路输出高于设定值（CH2），系统发出模式转换触发信号（CH3）使系统根据电压测量电路的输出和电流测量电路的输出控制功率转换电路输出占空比，使发电机输出电压适当下降（CH1），这样在机械系统惯性作用的配合下使输出电流瞬间能大幅提高（CH4）。

本励磁装置已成功应用于某型2.0kW左右的发电机组，该型发电机组可以让一台1.5匹的空调成功启动并平稳运行，即使空调在异常断电停机的情况也可以顺利启动，此时启动电流瞬间可以达到25A左右。而市场上正常的2.0kW的发电机组启动过程中会因为启动电流太大而导致机器直接熄火。

5.结语

本文提出了一种发电机励磁控制系统控制方法，根据负载电压、负载电流和负载持续时间同时控制输出励磁占空比，以实现不同负载电流、不同时间发电机组输出不同电压。该控制方法利用发电机组系统惯性可以循环实现发电机瞬间大电流冲击输出。相比于相同容量的传统发电机组，更适合于较大功率的空调、水泵等感性冲击负载。

参考文献

[1]李基成.现代同步发电机励磁系统设计和应用[M]. 北京：中国电力出版社，2006.

[2]赖广显 新型柴油发电机组. 人民邮电出版社，2004.