數碼發電機控制器的研制

張 嫻 金華職業技術學院

王 璐 國網浙江省電力公司檢修分公司

數碼發電機控制器的研制

張 嫻 金華職業技術學院

王 璐 國網浙江省電力公司檢修分公司

本文針對數碼發電機的設計要求，給出了一種自動穩壓半控整流電路和基于EG8010純正弦波逆變發生器逆變電路的設計方案，并設計了一種變參數PID調節開度的控制算法，實現發電機自動穩壓和逆變供電。研制的數碼發電機控制器具有結構簡單、穩定可靠的特點。

數碼發電機；半控整流；EG8010；逆變器；變參數PID

數碼發電機是一種將高轉速汽油機動力轉化為電能的便攜式發電設備，是近些年來國內外市場上出現的新產品，它具有體積小、重量輕、污染小、噪音低的特點，特別適合戶外活動、野外露營、應急供電、汽車旅行等功率較小的使用場合，一般功率都小于3kW。

1. 數碼發電機的結構特點和工作原理

數碼發電機一般采用單缸四沖程或二沖程汽油發動機，發動機轉速在3000轉每分鐘到6000轉每分鐘的范圍內。三相永磁發電機在發動機輸出軸帶動下，輸出電壓在300V～500V之間，頻率在250Hz～650Hz左右。另外永磁發電機還會設計一組輔助供電的15～30V的交流電，供發電機控制器使用。

數碼發電機控制器由整流電路、逆變電路、油門控制電路組成。三相永磁發電機輸出的中頻電能先通過整流電路，整流并穩壓至400V。再通過逆變電路逆變成220V/50Hz的交流電。而油門控制電路，會根據供電情況，實時調整發動機油門開度，提高燃油效率和供電響應。

圖1 半控整流電路

2. 穩壓電路和逆變電路設計

2.1 三相半控整流電路

整流電路是數碼發電機重要組成部分，是數碼發電機整機性能的重要保證。整流電路的實現方法，有三相不控整流、晶閘管半控整流、全控整流和PWM整流等。由于晶閘管半控整流具有成本低、控制范圍合適的特點，一般數碼發電機整流電路都會選擇半控整流的方式。

而半控整流在實際使用中，也有許多不同控制方法。如SCR數字觸發、晶閘管開關控制等方式。本文采用的半控整流電路見圖1。

晶閘管T1、T2、T3和二極管D1、D2、D3組成三相半控電路，電壓檢測電路對輸出

的直流母線電壓進行監視，當電壓低于設定值時，觸發晶閘管驅動電路打開晶閘管，反之關閉晶閘管。使晶閘管在截止和全開之間切換，以達到控制電壓的目的。晶閘管觸發導通需要在門極施加電壓，一般會采用隔離電源或者脈沖變壓器。本方案在半控整流的基礎上再增加了三個二極管D4、D5、D6，與D1、D2、D3組成一組不控整流。不控整流得到的電壓Ub通常大于半控整流得到的直流母線電壓，利用該壓差驅動晶閘管。不需要使用脈沖變壓器或隔離電源，成本較其他方案更低，且簡單可靠。

2.2 逆變電路

通過一種自動穩壓半控整流電路，將發電機線圈發出的三相中頻電壓，再通過。應用了EG8010純正弦波逆變發生器芯片，搭建逆變后級。EG8010是一款數字化的、功能很完善的自帶死區控制的純正弦波逆變發生器芯片，應用于DC-DC-AC兩級功率變換架構或DC-AC單級工頻變壓器升壓變換架構，外接12MHz晶體振蕩器，能實現高精度、失真和諧波都很小的純正弦波50Hz或60Hz逆變器專用芯片。功率管驅動電路選用IR2110，采用自舉升壓的驅動方式。

圖2 變參數PID控制算法流程圖

3. 油門控制電路和控制算法

數碼發電機是通過汽油發動機拖動發電機向外供電的，發動機的輸出轉速直接影數碼發電機控制器的輸入電源，過高或過低的轉速都將影響發電機的工作效果。為了提高發電機的輸出效率和動態性能，數碼發電機一般采用根據負載變化實時控制油門開度的控制方式。

3.1 轉速采集電路和油門執行電路

永磁發電機設計有一組輔助供電，該電源輸出15～30V的交流電。該電源的頻率與發動機的轉速成正比。通過光耦隔離將交流電源轉化為脈沖信號，供主控單片機使用。發動機油門開度控制，選用了24BYJ24型兩相永磁步進電機。步進電機驅動電路選擇了LV8731，電路簡單可靠。

3.2 油門調速控制設計

汽油發動機的轉速控制，根據汽油發動機的實際運行轉速和負載變化，通過調節油門開度來改變供油量，使發動機工作在目標速度的范圍內。

PID控制是在工程實際中應用最為廣泛的調節器，具有結構簡單、魯棒性強的特點。PID控制屬于線性控制器，一旦控制對象的特性有變化，控制效果就會下降。由于汽油發動機在不同溫度、氣壓、負載下特性不同，而且隨著工作時長變化，發動機還會有磨損、熱衰的情況，原來設定的PID控制效果就會下降。而且發動機在實際生產過程中，由于精度、材料、裝配的差異，每兩只發動機的都會有差異。

本文采用了變參數PID控制的方法，在誤差大時，用一組系統快速反應且超調量小的參數。在誤差小時，用一組控制精度高穩態誤差小的參數。有Kp在誤差較小時的取值利于加快響應速度，Ki在誤差較小時取值有利于減小凈差，誤差較大時的取值有利于減小超調，Kd的取值有利于提高系統對干擾的靈敏度。根據參數的配置，得到程序流程圖，見圖2。

4. 裝機實驗和調試結果

根據設計要求制作了樣機，輸出為220V/50Hz，輸出功率1kW。整流電路濾波電容耐壓600V容量450uF，逆變電路平波電感3mH，平波電容2.2uF。圖3為測試樣機照片。輸出電壓波形穩定、畸變小，本文設計的控制電路能夠滿足實際工程的需要。

圖3 裝機實驗圖

5. 結論

發電機三相電壓經過半控整流后獲得了較為理想的直流母線電壓，經過EG8010搭建的逆變電路輸出工頻電壓。通過變參數PID控制油門開度提高了系統響應性能，使發電機控制電路達到了理想效果。

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[2] 夏極,巫影,吳峰.柴油機變參數PID控制及半實物仿真[J].船海工程,2006[6]:66-67

[3] 李旭春,肖佰旺,馬樂.數碼發電機整流開關控制電路設計[J].電力電子,2012[2]:19-21

張嫻(1986.06-），女，江蘇徐州人，講師，研究方向：電力電子及故障診斷。

王璐(1986.03-)，男，浙江金華人，工程師，從事變電運行工作。