数字电压调节技术在柴油发电机中的应用研究

郑真福，玛丽娅·巴特尔，周 俊

（69016部队，新疆 乌鲁木齐 830092）

0 引 言

现阶段，柴油发电机中常用的调压器通常为模拟式。有学者以45 kVA的交流发电机为主，并通过检测有效值的手段设计一种模拟式调压器，但受电压单环调制的影响，未取得良好的动态性能。此外，部分学者以汽车高压无刷直流发电机为切入点，认为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）电流型控制调压方法比较重要。与模拟式电压调节器相比，数字电压调节器具有抗干扰性强、控制策略灵活、控制参数调整简便以及数据可记载等优点。随着柴油发电机组技术越来越成熟，新技术和新成果不断被采纳应用，研究数字电压调节技术在柴油发电机中的应用刻不容缓。

1 调压器功能

对于设计的数字调压器，以某型车辆柴油发电机（10～30 kW）为调节对象，发电机的输出电压为220 V。数字调压器的功能多样，利用闭环控制发电机的输出电压不会超出正常范围。利用上位机对输出电压进行监测，并判断负载电流的大小是否适宜，明确功率、励磁电压、励磁电流有无呈现异常状态等，及时检查是否出现发电机过压、励磁过压以及励磁过流故障等问题[1]。同时，将发光二极管（Light Emitting Diode，LED）指示灯融入硬件电路板后，能够在出现特定情况时进行光报警，由检测控制电路实现保护工作，将报警信息体现在上位机的软件面板上。

2 调压器结构及工作原理

发电机组的数字控制系统如图1所示。

图1 柴油发电机组的数字控制系统

输入输出接口电路采样发电机的输出电压、负载电流、励磁电压、励磁电流以及定子温度等信号[2]。在调压的整个过程中，数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）电路发挥着重要作用，发电机的电压经变换后满足调压器的用电需求，调压器则通过调节励磁来实现调压的功能。

数字调压器的主要组成部分包括TMS320F28335最小系统、模拟量检测与调理电路、数字输入接口、输出接口、功率放大电路以及励磁主电路。以功率板为切入点，针对模拟量电路检测的相关情况进行调整后再作用于DSP，与其中的模拟/数字（Analog/Digital，A/D）转换模块产生接触，避免模拟量信号始终保持原有状态，使其处于数字量信号的范围内。采样环节后，DSP获取了相应的数字量信号，再借助适宜的算法呈现PWM波。上述步骤完毕后，将功率放大电路融入实际工作中，避免MOS管的开关呈现异常状态。

3 柴油发电机组并机分析

3.1 发电机组并列条件

发电机组并列条件包括以下4点：一是发电机组电压的有效值与波形不可产生任何偏差；二是两台发电机电压的相位一致；三是两台发电机组的频率无差异；四是两台发电机组的相序必须相同。

3.2 发电机组的准同期并列法

通过准同期法开展并列操作属于一项积极措施，发电机组电压不能出现差异性，频率、相位都要处在同一范围，可以通过装在同期盘上的两块电压表、两块频率表以及同期表和非同期指示灯来监视[3]。以其中一台发电机组为操作重点，将更多注意力集中在负荷开关上，使电压与母线产生联系。合上同期开关，查看目前待并发电机组转速的快慢并将其调节至正常范围，缩小与同步转速的差距。

从待并发电机组的电压入手，遵循科学合理的原则对其展开调节，缩短其与另一台发电机组电压的差距，在频率与电压的差异性越来越小时，同期表的旋转速度也产生明显波动，即越来越慢，同期指示灯的明亮程度也受到影响。对于待并机组，如果与另一台机组的相位完全一致，同期表指针指示的方向与之前不同，主要在上端位置的中心，同期灯的暗度最高。当待并机组和另一台机组相位差值越来越大，直到最大限度时，同期表指示方向处在下方，此时同期灯十分明亮。如果同期表指针的旋转以顺时针为主，意味着待并发电机的频率超过了另一台机组，需针对待并发电机组展开调整，使其转速保持较低状态；反之，同样作用在待并发电机组中，使其转速保持增加状态。

3.3 并列机组的逆功调整

现实的逆功情况将出现在两台机组的监视仪表上，一种是转速产生偏差而导致的逆功，另一种是电压参差不齐而导致的逆功。明确其中1台机组的转速（频率）所处范围，根据视功率表的指示展开多角度分析，依据实际情况开展良好的调整工作，加大对功率表的调整力度，直至其指示回归零为止。将两台机组的功率指示调节为适宜状态，避免两台机的转速（频率）产生明显偏差。如果此时依然未消除电流表的指示，那么此逆功现象的影响因素为电压差。在处理电压差导致的逆功现象时，如果两台机组的功率表指示都为零，而电流指示与电流表相关联时，需从其中一台发电机组入手，秉持着科学性的理念调整其电压调整旋钮。

4 数字调压器的硬件设计

无论任何类型的发电机调压器，都必须合理检测控制对象。对于调压器而言，要想实现调节发电机励磁电流的目的，必须对发电机输出电压大小进行检测。发电机电压检测电路的性能尤为重要，直接影响着电压调节精度的大小，同时还会使电压调节的可靠性受到一定干扰。对发电机输出的三相交流电进行降压处理，将电阻分压真正利用起来，使其电压值在运算放大器可以接受的范围内[4]。以A相为例，其降压变换电路如图2所示。

图2 A相降压变换电路

对于励磁电流检测电路，选择的传感器型号为ACS714LLCTR-20A-T，工作温度为-40～85 ℃，灵敏度为100 mV/A，供电电压为5.0 V，响应时间为5 μs。对于励磁电压检测电路，将中旭电压型霍尔传感器HNV-300T作为主要工具，额定输出电压为5 V[5]。

在功率放大电路的帮助下，能够进一步放大PWM控制信号，避免其与主功率管MOS管始终处于分离状态，电路原理如图3所示。

图3 励磁驱动功率放大电路

高速驱动开关SN75451是帮助逻辑“与”关系实现的有效途径，如果其与PWM信号存在紧密联系，那么此时SN75451将产生一定变化，其输出为高，NPN型三极管Q3导通，使MOS管保持在较低电压状态。在二级管的影响下，栅源电容的电荷将受到直接影响。如果低电平为PWM信号，此时SN75451的输出保持较低电压状态，NPN型三极管Q3与之前状态明显不同，工作电源的位置产生变化，与电阻产生接触。

5 数字调压器的软件设计

对发电机的转速进行分析属于一项重要措施，可以明确是否与规定值产生偏差和有无必要转变原有的调压器。如果励磁电压值未超过安全值的情况下，关闭调压系统才是最合理的。

调压器的控制方式并不单一，除了与电压单环调节息息相关之外，也包括了电压及负载电流双环调节、电压及励磁电流双环调节、输出电压反馈调节中加入励磁电流的调节结构。

针对交流发电机电压调节器，其包括多种数字控制策略，例如数字控制策略、自适应的控制策略、模糊控制策略。在励磁电流调节的基础上，分析主发电机的特点、形态，对其电压展开严格控制。但采样获取的反馈信号出现了谐波脉动成分，这种成分将导致控制器的稳定性大打折扣。基于此，将整周期平滑滤波作为主要手段，从而消除谐波脉动。在发电机运行的整个阶段里，需将满载幅度的载荷作为操作重点。通常情况下，PI算法具有在大偏差时积分累积过大、超调过大的缺点，与本系统要求产生偏差。为了使调压器的效率更高，以复合PID控制算法作为首选。

6 结 论

综上所述，在某型车载移动柴油发电机的基础上，针对基于TMS320F28335芯片的数字电压调节器展开设计。通过分析数字电压调节器的特点和功能，秉持着科学性的理念针对输入输出接口电路展开设计，可以满足相应规范中对柴油机的功能要求。