谐波励磁同步发电机数字电压调节器的研究
朱更军1,2，萧蕴诗1，刘静2
(1 同济大学，上海200092；2 浙江师范大学，浙江金华321004)
摘要：介绍了基于DSP(TMS320LF2407A)的谐波励磁发电机数字电压调节器工作原理：运用PWM技术、高频开关管和变参数PID算法实现对发电机输出电压的控制，并使用Delphi设计了上位机监控界而。实际运行结果表明该调节器具有调声速度快、精度高、性能可靠等特点。
关键词：谐波励磁；电压调节器；DSP；Delphi
中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1004-7018(2009)11-0021-12
0引 言
柴油发电机组作为备用电源、移动电源广泛地应用于野外无电网的场合，其中谐波励磁无刷同步发电机由于具有同有的电压调节方便、故障少、可靠性高等优点而得到迅速发展。励磁调节器是发电机的重要组成部分，它对保证供电质量具有关键作用。现有的模拟励磁电压调节器具有对电路工艺性要求高、存在温漂现象、功能少、维护不方便等缺点，难以满足用电设备的要求。目前，国内一些科研单位研制了一些基于单片机的励磁电压调节器，但由于单片机性能的限制，较难满足国家规定的电压调节器的性能指标。本文介绍了一种基于DSP和Delphi的谐波励磁同步发电机数字电压调节器。它具有控制精度高、抗干扰能力强、响应速度快等优点，因而具有广泛的工业应用前景。
1工作原理
每种数字电压调节器采用的处理器(CPU)不同，具体电路也会有所差别。但对于柴油发电机这种小型谐波励磁无刷同步发电机而言，它的励磁调节器的主要结构和原理是相似的，基本原理和结构如图1所示。
谐波励磁无刷同步发电机的工作原理是发电机的谐波绕组产生的三次谐波电压经过不可控全桥整成直流，为励磁机的励磁绕组提供电源，相应地在励磁机的电枢绕组上感应出三相电，经过旋转整流器整成的直流供给主发电机的励磁绕组。对主发电机而言，励磁机起电流放大的作用，给主发电机的励磁绕组供电，由于使用了励磁机和旋转整流器，使电机励磁实现了无刷化。电机端电压通过电压采样环节转换成适合于AD变换端口要求的正电压(O～5V)，另外，发电机负载电流通过电流采样环节转换为DSP接受的0～5 V电压。数字电压调节器的工作原理是：电压传感器测量的同步发电机端电压与给定值进行比较，根据端电压偏差和一定的控制算法计算出控制量来改变半导体开关管上脉冲宽度占空比，从而改变励磁机的励磁电流达到减小发电机端电压偏差的目的。同时，励磁调节器还可以通过测量发电机的无功电流实现发电机的并联运行。
2系统设计
2.1励磁调节器的基本结构
根据调节器的结构和原理，可以确定DSP励磁调节器的基本结构，如图2所示。它包含如下几个
模块：
(1)输入检测模块。其功能是实现电压信号的采集工作，通过DSP的AD变换通道，将模拟量转换成数字量，放人指定单元，供程序调用；
(2)PWM输出模块。其功能是实现送出控制方波驱动MOSFET开关管，它包含隔离放大电路；
(3)串行通信模块。其功能是实现DSP与PC机通信，通过DSP的串口通信接口模块(SCI)，经电平转换电路，连接到PC机；
(4)实时存储模块。其功能是实现在线存储一些重要的控制数据，通过DsP的数字输入输出模块
2.2变参数PID算法的应用
DSP的采用解决了励磁调节器系统的快速性问题。系统除了有快速性要求之外，还有控制精度的要求，而要达到较好的控制精度，必须采用一种好的控制算法。本文采用分段增量式PID算法。经过PID运算计算出PWM波的占空比变化量△Pk。当前应输出的占空比等于前一次输出的占空比加上△Pk。即：
为了解决系统快速性和超调之间的矛盾，Kp、Ki、Kd三个参数在整个调节过程中需要根据系统静差的变化而有所改变，所以本文采用了分段式HD算法，根据系统静差的不同采用不同的PID参数。
实验表明，控制分段不易太多，分段太多容易造成调节不平滑，甚至系统产生振荡。我们对调节器的调节曲线进行分析，找出****分段点，决定分两段进行调节。当电压偏差大于20 V时，Kp=O.04、Ki=0.1、Kd=0.06；当偏差小于20 V时，Kp=O.05、Ki=O.15、Kd=0.03。参数在150 kw发电机上进行实验，取得良好的调节效果。
另外，由于不同电机非线性情况不一样，PID参数需要调整，在调整过程中发现，在大偏差范围内(大于20 V)PID参数取值变化不大，而在小偏差范围(小于10 V)PID参数变化比较大。所以我们在上位机在线修改的PID参数是小范围的PID参数，而大范围的PID参数保持不变。
2.3 上位机利用Delphi实现监控功能
本调节器采用上位机实现监控功能，通过串口通信，使用功能强大的Delphi作人机接口界面，利用ACCESS数据库，对数据实时存储和实时曲线显示，较好地满足了上面的要求，在实际使用中取得良好的效果，监控界面如图3所示。
3实验结果
本文所介绍的发电机DAVR已经在不同功率的发电机上都进行了试验，发电机参数：额定电压400V，功率因数O.4，额定频率50 Hz，电压倍率1，电流倍率1，频率(f2)50 Hz。实验结果表明，发电机在DAVR的控制下性能指标都能达到国家标准。图4、图5是在150 kw谐波励磁发电机上按照国家标准突减、突加额定负载时发电机输出端电压的波形图。由图可知，发电机稳态电压调整率小于1％，突加负载、突减负载的调节时间均小于5 s，****超调量小于15％，均较好达到国家标准。
4结语
基于DSP的DAVR具有调节速度快、精度高、修改整定参数方便灵活、可靠性高、通用性好等优点。在实际的现场实验中取得了良好的调节效果，具有良好实际应用前景。
参考文献
[1]杨茹元,伍政团.无刷励磁系统及励磁控制系统原理分析与应用[J]电力系统自动化，1998,22(12)：74-78.
[3]杨冠城电力系统自动装置原理[M]北京中目电力出版社，1995.
[4] 北京闻亭科技发展有限公司TMS320F24X高速数宁信号处理器原理与应用[M].北京闻亭科技发展有限公司，1998.
作者简介：朱更军(1973-)，博士，讲师，主要研究方同为数字信号处理、非线性系统控制。
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