基于软启动原理的发电机组调压器的设计与研究

吴家亮，王 聪

（1.重庆嘉竞电子设备有限公司，重庆 北碚 400700；2.汕尾职业技术学院，广东 汕尾 516600）

根据异步电动机的工作原理，只要降低发电机组启动异步电动机时的输出电压，就可以降低异步电动机的启动电流，从而达到增加发电机组启动异步电动机能力的目的。目前，已经有通过检测发电机励磁电流来降低发电机输出电压的调压器：当励磁电流大于设定值时，发电机输出电压迅速下降到一个定值；当励磁电流小于设定值时，发电机输出电压快速上升到一个定值，从而降低发电机输出电压。然而，由于不同异步电动机的启动电流不一样，该方法不能适应所有的异步电动机，兼容性不好，已较少采用。此外，还有采用检测发电机频率来降低发电机输出电压的调压器：当发电机频率低于设定值时，发电机输出电压迅速下降到一个定值；当发电机频率高于设定值时，发电机输出电压快速上升到一个定值，从而降低发电机输出电压。上述两种方法虽然能降低发电机输出电压，但是由于发电机组输出电压变化率较大，引起发电机组负荷变化大、振动大，降低了发电机组的可靠性。

针对发电机组调压器现有的缺点，利用自动控制理论和单片机技术，设计了一种新型软启动调压器，可以在发电机组启动异步电动机时，控制发电机组输出电压随着发电机组频率呈线性变化，且可以通过PID 算法自动调节发电机输出电压的变化率。该新型软启动调压器既能适用于不同启动特性的异步电动机，又可以避免因电压变化率过大引起的发电机组振动、可靠性降低等问题。

1 系统设计原理

发电机组的负载电流变化时，发电机的定子绕组端电压会发生变化，调压器会相应调整输出励磁电流，以保持端电压的恒定。

发电机组的调压原理如1 所示。发电机副绕组提供励磁能源，调压器通过取样绕组采集发电机的输出电压，通过取样电路将采样信号输送给PID电路，经过运算后控制驱动电路给励磁绕组输送电流，这样就完成一个闭环控制。

图1 普通发电机组调压原理

根据电磁感应原理，发电机的感应电动势如下所示：

ARDS诊断前，5例患者均表现为咳嗽咳痰、胸闷气促，其中4例伴发热；ARDS治疗中，应用无创呼吸机通气4例、有创机械通气1例。

式中，Ce为发电机结构常数；n为发电机转速（r/min）；Φ为每极磁通（Wb）。

如果交流发电机的转速升高，调压器的PID 控制电路能减小发电机的励磁电流，这时发电机的输出电压就会恢复稳定；反之，随着发电机转速的下降，相应的PID 控制能够增大励磁电流，发电机的输出电压也能恢复稳定。其PID 控制原理如图2所示。

图2 普通发电机组调压控制流程

当发电机组启动异步电动机时，由于电动机是感性负载，启动时的电流是额定时的3 倍以上，这将造成启动时的瞬时负载特别大，发电机的转速快速下降，发电机端电压也快速降低。根据上述原理，发电机为了获得稳定端电压值，调压器会加大励磁，进一步加大瞬时功率，从而导致发电机转速降低，甚至熄火。

为了解决上述问题，根据异步电动机软启动原理，设计了发电机组软启动调压器，其电路原理如图3所示。

图3 发电机组软启动调压器电路原理

本设计通过单片机运行PID 算法对发电机的励磁电流进行闭环控制。为了实现软启动功能，增加了通过PID 算法对发电机目标电压进行调节的功能，如图4所示。

图4 发电机组软启动调压器控制流程

发电机组软启动调压器通过对发电机组采样绕组输出的交流信号的频率进行实时采集。当频率小于设定值时，相应地减小目标电压，功率输出模块的输出目标电压随发电机输出的频率下降而线性下降，降低了发电机组的负荷，避免了发电机组因负荷过重导致的熄火。在异步电动机启动成功后，发电机组的输出电压随发电机输出的频率增高而线性增高。当频率大于设定值时，恢复目标电压，恢复调压器的正常工作，从而实现对异步电动机的软启动。

2 硬件系统设计

2.1 基于单片机电路设计

本设计选用的单片机型号为STC15W401AS，是单时钟单片机，运行速度快。主要特点如下：

1）宽电压、低功耗、超强抗干扰特性；

2）无法解密；

3）指令代码完全兼容传统8051；

4）集成高精度R/C时钟；

5）3路CCP/PWM/PCA；

6）8路高速10位A/D转换（30万次/s）；

7）1组高速同步串行通信口；

8）1组高速同步串行通信端口SPI。

通过单片机的AD 采样功能实现发电机电压和调压器输出电流采样。通过单片机CCP 模块实现一路频率捕捉输入，一路PWM 输出。采用内部晶振电路，避免外接晶振损坏引起的故障。

2.2 电压采样电路设计

电压采样电路如图5 所示。取样绕组的交流信号，经过整流桥Z1 输出直流信号，再经由R1、R2、R3 组成的分压电路分压后送给单片机。R1 有限流的作用，防止单片机短路引起的故障。采用RC滤波电路，减小脉冲干扰，提高采样精度。

图5 电压采样电路

2.3 频率采样电路设计

频率采样电路如图6 所示，取样绕组的交流信号，经二极管D11 整流成半波直流，经过由电阻R23 和电容C9 组成的低通滤波器滤波，再通过由电阻R24、电阻R25、三极管Q5及电容C6组成的放大电路转换成方波，送入单片机。

图6 频率采样电路

2.4 励磁电源及励磁输出电路设计

励磁输出电路如图7 所示。副绕组的交流信号经过整流桥D1 输出直流信号后，再经电容C8 滤波得到励磁电源。三极管Q3为预放大器，用来放大单片机输出的PWM信号，场效应管Q2为励磁输出主开关功率管，二极管D4为励磁线圈续流二极管。

图7 励磁输出电路

2.5 电流取样电路设计

从电流取样电阻R16 上取得的交流电压是21 V，通过二极管D17 整流，电阻R17 和电容C10组成的低通滤波器后约为29 V，经过10∶1 分压后，输入单片机的电压只为2.9 V。A/D 转换器为10位，参考电压为5 V，A/D 采集结果寄存器值的计算公式为

频率采样采用CCP 模块的捕获模式，CCP 模块自动记录每个周期的计数个数，设每个计数周期的时长为1 us，计数最长为65 535，最长周期为65.535 ms，大于发电机输出电压周期，符合要求。

励磁电流额定值为4 A，最大值为8 A，电流取样电阻为0.1 Ω，额定取样电压为0.4 V，AD采集寄存器值计算公式为

硬件电路装配成品如图8所示。

图8 电路成品

3 软件系统设计

系统软件的执行包括A/D 采样程序、频率采样程序、保护程序、软启动控制程序、PID 运算程序及PWM输出程序，其工作流程如图9所示。

图9 程序流程

软启动控制程序判断频率小于45 Hz 时，对PID运算程序的目标电压进行调节，调节公式如下：

发电机电压会随着频率的下降而下降，起降压启动的作用。

PID 模块采用增量式PID 控制程序，n-1 时刻的控制量为

4 实验记录及分析

本实验采用1 台汽油发电机组作为实验对象，发动机型号为190，发电机功率为6.5 kW，实验台采用8961F1 型发电机专用测试仪，测试负载有3 kW的离心风机和5.5 kW的离心风机各1台。

4.1 带载性能对比实验

在190 单缸汽油发电机组上安装一个普通调压器，将启动离心风机与本设计的软启动调压器进行对比实验，实验记录如表1所示。

表1 离心风机启动能力对比

4.2 实验分析

由表1 测试记录可以清楚地看出，相同的发电机组启动相同的3 kW 离心风机时，使用普通调压器的发电机频率下降较大，恢复时间较长；而在使用本设计的软启动调压器时，由于采用降压启动的方法，发电机的电压下降较大，但发电机的频率下降较小，恢复时间较短。当带动5.5 kW 离心风机时，使用普通调压器的发电机组不能成功启动，发电机组熄火；而采用本设计的软启动调压器时，发电机组能成功启动并且恢复时间较短。

5 结语

本软启动调压器的设计是在传统调压器功能的基础上，采用单片机控制技术，结合PID 算法和降压启动原理实现对发电机励磁电压的控制，从而达到控制异步电动机软启动的目的。实验表明，采用本设计的软启动调压器控制发电机组，可以增加发电机组启动异步电动机的能力，节约了用户的采购和使用成本，降低了排放，节约了能源。