吳家亮，王 聰

（1.重慶嘉競電子設備有限公司，重慶 北碚 400700；2.汕尾職業(yè)技術學院，廣東 汕尾 516600）

根據(jù)異步電動機的工作原理，只要降低發(fā)電機組啟動異步電動機時的輸出電壓，就可以降低異步電動機的啟動電流，從而達到增加發(fā)電機組啟動異步電動機能力的目的。目前，已經(jīng)有通過檢測發(fā)電機勵磁電流來降低發(fā)電機輸出電壓的調(diào)壓器：當勵磁電流大于設定值時，發(fā)電機輸出電壓迅速下降到一個定值；當勵磁電流小于設定值時，發(fā)電機輸出電壓快速上升到一個定值，從而降低發(fā)電機輸出電壓。然而，由于不同異步電動機的啟動電流不一樣，該方法不能適應所有的異步電動機，兼容性不好，已較少采用。此外，還有采用檢測發(fā)電機頻率來降低發(fā)電機輸出電壓的調(diào)壓器：當發(fā)電機頻率低于設定值時，發(fā)電機輸出電壓迅速下降到一個定值；當發(fā)電機頻率高于設定值時，發(fā)電機輸出電壓快速上升到一個定值，從而降低發(fā)電機輸出電壓。上述兩種方法雖然能降低發(fā)電機輸出電壓，但是由于發(fā)電機組輸出電壓變化率較大，引起發(fā)電機組負荷變化大、振動大，降低了發(fā)電機組的可靠性。

針對發(fā)電機組調(diào)壓器現(xiàn)有的缺點，利用自動控制理論和單片機技術，設計了一種新型軟啟動調(diào)壓器，可以在發(fā)電機組啟動異步電動機時，控制發(fā)電機組輸出電壓隨著發(fā)電機組頻率呈線性變化，且可以通過PID 算法自動調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓的變化率。該新型軟啟動調(diào)壓器既能適用于不同啟動特性的異步電動機，又可以避免因電壓變化率過大引起的發(fā)電機組振動、可靠性降低等問題。

1 系統(tǒng)設計原理

發(fā)電機組的負載電流變化時，發(fā)電機的定子繞組端電壓會發(fā)生變化，調(diào)壓器會相應調(diào)整輸出勵磁電流，以保持端電壓的恒定。

發(fā)電機組的調(diào)壓原理如1 所示。發(fā)電機副繞組提供勵磁能源，調(diào)壓器通過取樣繞組采集發(fā)電機的輸出電壓，通過取樣電路將采樣信號輸送給PID電路，經(jīng)過運算后控制驅(qū)動電路給勵磁繞組輸送電流，這樣就完成一個閉環(huán)控制。

圖1 普通發(fā)電機組調(diào)壓原理

根據(jù)電磁感應原理，發(fā)電機的感應電動勢如下所示：

ARDS診斷前，5例患者均表現(xiàn)為咳嗽咳痰、胸悶氣促，其中4例伴發(fā)熱；ARDS治療中，應用無創(chuàng)呼吸機通氣4例、有創(chuàng)機械通氣1例。

式中，Ce為發(fā)電機結(jié)構常數(shù)；n為發(fā)電機轉(zhuǎn)速（r/min）；Φ為每極磁通（Wb）。

如果交流發(fā)電機的轉(zhuǎn)速升高，調(diào)壓器的PID 控制電路能減小發(fā)電機的勵磁電流，這時發(fā)電機的輸出電壓就會恢復穩(wěn)定；反之，隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的下降，相應的PID 控制能夠增大勵磁電流，發(fā)電機的輸出電壓也能恢復穩(wěn)定。其PID 控制原理如圖2所示。

圖2 普通發(fā)電機組調(diào)壓控制流程

當發(fā)電機組啟動異步電動機時，由于電動機是感性負載，啟動時的電流是額定時的3 倍以上，這將造成啟動時的瞬時負載特別大，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速快速下降，發(fā)電機端電壓也快速降低。根據(jù)上述原理，發(fā)電機為了獲得穩(wěn)定端電壓值，調(diào)壓器會加大勵磁，進一步加大瞬時功率，從而導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速降低，甚至熄火。

為了解決上述問題，根據(jù)異步電動機軟啟動原理，設計了發(fā)電機組軟啟動調(diào)壓器，其電路原理如圖3所示。

圖3 發(fā)電機組軟啟動調(diào)壓器電路原理

本設計通過單片機運行PID 算法對發(fā)電機的勵磁電流進行閉環(huán)控制。為了實現(xiàn)軟啟動功能，增加了通過PID 算法對發(fā)電機目標電壓進行調(diào)節(jié)的功能，如圖4所示。

圖4 發(fā)電機組軟啟動調(diào)壓器控制流程

發(fā)電機組軟啟動調(diào)壓器通過對發(fā)電機組采樣繞組輸出的交流信號的頻率進行實時采集。當頻率小于設定值時，相應地減小目標電壓，功率輸出模塊的輸出目標電壓隨發(fā)電機輸出的頻率下降而線性下降，降低了發(fā)電機組的負荷，避免了發(fā)電機組因負荷過重導致的熄火。在異步電動機啟動成功后，發(fā)電機組的輸出電壓隨發(fā)電機輸出的頻率增高而線性增高。當頻率大于設定值時，恢復目標電壓，恢復調(diào)壓器的正常工作，從而實現(xiàn)對異步電動機的軟啟動。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 基于單片機電路設計

本設計選用的單片機型號為STC15W401AS，是單時鐘單片機，運行速度快。主要特點如下：

1）寬電壓、低功耗、超強抗干擾特性；

2）無法解密；

3）指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；

4）集成高精度R/C時鐘；

5）3路CCP/PWM/PCA；

6）8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（30萬次/s）；

7）1組高速同步串行通信口；

8）1組高速同步串行通信端口SPI。

通過單片機的AD 采樣功能實現(xiàn)發(fā)電機電壓和調(diào)壓器輸出電流采樣。通過單片機CCP 模塊實現(xiàn)一路頻率捕捉輸入，一路PWM 輸出。采用內(nèi)部晶振電路，避免外接晶振損壞引起的故障。

2.2 電壓采樣電路設計

電壓采樣電路如圖5 所示。取樣繞組的交流信號，經(jīng)過整流橋Z1 輸出直流信號，再經(jīng)由R1、R2、R3 組成的分壓電路分壓后送給單片機。R1 有限流的作用，防止單片機短路引起的故障。采用RC濾波電路，減小脈沖干擾，提高采樣精度。

圖5 電壓采樣電路

2.3 頻率采樣電路設計

頻率采樣電路如圖6 所示，取樣繞組的交流信號，經(jīng)二極管D11 整流成半波直流，經(jīng)過由電阻R23 和電容C9 組成的低通濾波器濾波，再通過由電阻R24、電阻R25、三極管Q5及電容C6組成的放大電路轉(zhuǎn)換成方波，送入單片機。

圖6 頻率采樣電路

2.4 勵磁電源及勵磁輸出電路設計

勵磁輸出電路如圖7 所示。副繞組的交流信號經(jīng)過整流橋D1 輸出直流信號后，再經(jīng)電容C8 濾波得到勵磁電源。三極管Q3為預放大器，用來放大單片機輸出的PWM信號，場效應管Q2為勵磁輸出主開關功率管，二極管D4為勵磁線圈續(xù)流二極管。

圖7 勵磁輸出電路

2.5 電流取樣電路設計

從電流取樣電阻R16 上取得的交流電壓是21 V，通過二極管D17 整流，電阻R17 和電容C10組成的低通濾波器后約為29 V，經(jīng)過10∶1 分壓后，輸入單片機的電壓只為2.9 V。A/D 轉(zhuǎn)換器為10位，參考電壓為5 V，A/D 采集結(jié)果寄存器值的計算公式為

頻率采樣采用CCP 模塊的捕獲模式，CCP 模塊自動記錄每個周期的計數(shù)個數(shù)，設每個計數(shù)周期的時長為1 us，計數(shù)最長為65 535，最長周期為65.535 ms，大于發(fā)電機輸出電壓周期，符合要求。

勵磁電流額定值為4 A，最大值為8 A，電流取樣電阻為0.1 Ω，額定取樣電壓為0.4 V，AD采集寄存器值計算公式為

硬件電路裝配成品如圖8所示。

圖8 電路成品

3 軟件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)軟件的執(zhí)行包括A/D 采樣程序、頻率采樣程序、保護程序、軟啟動控制程序、PID 運算程序及PWM輸出程序，其工作流程如圖9所示。

圖9 程序流程

軟啟動控制程序判斷頻率小于45 Hz 時，對PID運算程序的目標電壓進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)公式如下：

發(fā)電機電壓會隨著頻率的下降而下降，起降壓啟動的作用。

PID 模塊采用增量式PID 控制程序，n-1 時刻的控制量為

4 實驗記錄及分析

本實驗采用1 臺汽油發(fā)電機組作為實驗對象，發(fā)動機型號為190，發(fā)電機功率為6.5 kW，實驗臺采用8961F1 型發(fā)電機專用測試儀，測試負載有3 kW的離心風機和5.5 kW的離心風機各1臺。

4.1 帶載性能對比實驗

在190 單缸汽油發(fā)電機組上安裝一個普通調(diào)壓器，將啟動離心風機與本設計的軟啟動調(diào)壓器進行對比實驗，實驗記錄如表1所示。

表1 離心風機啟動能力對比

4.2 實驗分析

由表1 測試記錄可以清楚地看出，相同的發(fā)電機組啟動相同的3 kW 離心風機時，使用普通調(diào)壓器的發(fā)電機頻率下降較大，恢復時間較長；而在使用本設計的軟啟動調(diào)壓器時，由于采用降壓啟動的方法，發(fā)電機的電壓下降較大，但發(fā)電機的頻率下降較小，恢復時間較短。當帶動5.5 kW 離心風機時，使用普通調(diào)壓器的發(fā)電機組不能成功啟動，發(fā)電機組熄火；而采用本設計的軟啟動調(diào)壓器時，發(fā)電機組能成功啟動并且恢復時間較短。

5 結(jié)語

本軟啟動調(diào)壓器的設計是在傳統(tǒng)調(diào)壓器功能的基礎上，采用單片機控制技術，結(jié)合PID 算法和降壓啟動原理實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁電壓的控制，從而達到控制異步電動機軟啟動的目的。實驗表明，采用本設計的軟啟動調(diào)壓器控制發(fā)電機組，可以增加發(fā)電機組啟動異步電動機的能力，節(jié)約了用戶的采購和使用成本，降低了排放，節(jié)約了能源。