（电力电子与电力传动专业论文）小型汽油机变频发电机组电路设计与研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e 、i d ea p p l i c a t i o no fs m a l l - s c a l eg a s o l i n eg e n e r a t o rs e t , t h ev o l t a g e q u a l i t yh a sb e c o m ea l li s s u ee x t e n s i v e l yc o n c e r n e d t h eo r d i n a r yd o m e s t i cg e n e r a t o r s e t sa r es ol o n g e rp r e v a l e n ti nc h i n a , a n dh a v et og i v et h e i rw a yt ot h o s ew i t hh i 【曲 p e r f o r m a n c e t h i st h e s i sd e v o t e st od e s i g ns u c ham i n i a t u r eg a s o l i n eg e n e r a t o rs e t w i t hi n v e r t e rt h a tt h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e sa r eh e l d ：h i 曲e f f i c i e n c y , t r i v i a lv o l t a g e d i s t o r t i o n , l o wh a r m o n i c s ，s t a b l ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c y - - i e t h ea b i l i v yt om a i n t a i n a2 2 0 v 5 0 h zs i n u s o i dw a v e f o r mw h e nl o a di ss u d d e n l yc h a n g e d t h eg a s o l i n eg e n e r a t o rs e tw i mi n v e r t e ri sm a i n l yc o m p r i s e do fg a s o l i n ee n g i n e a l t e r n a t o r , r e c t i f i e ra n di n v e r t e la l t m m t o ro p e r a t e sa tas a m es p e e dw i t he n g i n e t h e v o l t a g ep r o d u c e db ym a i nw i n d i n go fa l t e r n a t o ri sd i o d e - r e c t i f i e dt od cv o l t a g e a n d t h ei n v e n e ri su s e dt op r o d u c ea cv o l t a g ef o rt h el o a d s t h et h r o t t l eo fe n g i n ei s a d j u s t e dt ok e e pe n g i n ew o r k i n gi nag i v e nm o d eb yc o n t r o l l e rb a s e do nf u z z yc o n t r o l a n dn e u r a ln e t w o r k i no r d e rt os u p p l yc o n s t a n ts i n n s o i dv o l t a g eo f2 2 0 v 5 0 h ze v e n w h e nt h el o a df l u c t u a t e d ，t h ef i e l dv o l t a g eo fg e n e r a t o ri sr e g u l a t e da u t o m a t i c a l l yb y a n a l o g u ec i r c u i t st om a k et h er e c t i f i e rp r o d u c e sap r e s p e c i f i e dd cv o l t a g e , a n dt h e d u t yr a t i oo f i g b ti nt h ei n v e r t e ri sr e a l - t i m ec o n t r o l l e db yd i g i t a lp i dc o n t r o l l e r t h e r e f o r et h eg e n e r a t o rs e tp r o p o s e di nt h et h e s i si sm o r ee f f i c i e n lf l e x i b l e u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e st h a nac o n v e n t i o n a lf i x e d s p e e dg e n e r a t o rs e t ；t h e s p e e do f t h ee n g i n ei sd e t e r m i n e df r o man s e rs e l e c t a b l ei n t e r f a c ef o rag i v e nl o a dt h a t c o n t r o l st h es e tt oo p e r a t ea ta no p t i m a lw o r k i n gs t a t u s t h ee x p e r i m e n t st h o r o u g h l y c a r r i e do u ts u b s t a n t i a t et h em e r i t sc l a i m e da b o v e p l u so t h e rq u a l i t i e ss u c h 嬲l o w n o i s e s ，i n s i g n i f i c a n tv o l t a g et i p p l e sa n dr i g i dp e r f o r m a n c ei n d i c e sf o rs t e a d ys t a t e k e yw o r d s ：g a s o l i n eg e n e r a t o rs e t ，i n v e r t e r , f u z z yc o n t r o l ，n e u r a ln e t w o r k , f i e l dv o l t a g er e g u l a t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：训j 轫 签字日期：劲t 年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：趔i 岛 导师签名 签字日期：枷年，月，日 签字隰埘年一f 月日 第一章绪论 第一章绪论 能源是国民经济的基础。电力工业作为能源的支柱产业，成为经济发展中不 可缺少的部分。在电网电力输送不到的边远偏僻山区，牧场、渔场、海岛、临时 性的建筑工地，以及供电负荷短缺、经常停电的经营场所等，特别需要能移动方 便、经济适用的后备电源。小型汽油发电枫组便是这种理想的设备，它移动灵活， 方便携带，即可作为动力、照明及通讯电源，又可作为电网的紧急备用电源【l 】。 从全世界范围看，近年来各国用电量与日俱增，据新的预测表明：全世界电 能的消耗将从1 9 9 6 年的1 2 1 4 4 k w h 增加到2 0 2 0 年的2 2 2 6 4 k w h 2 1 ，电力市场已出 现供不应求，小型发电机组的市场需求量也与日俱增，具有高性能的发电机组则 更占据有利地位。 1 1 小型汽油发电机组现状 我国从6 0 年代开始研制小机组，最初主要为电影放映队服务，8 0 年代以前 市场上基本以l d 一7 5 和d f 3 0 0 两种小机组为主。进入8 0 年代，特别是1 9 8 6 年 前后，随着我国各项经济事业的迅速发展，电力供应不足的矛盾臼益突出，缺电 现象十分严重。在国内新开发i k w 、1 5 k w 和3 k w 等规格小机组的同时，国外高 性能小机组开始大量涌入【3 】。先进的生产技术使进口小机组体小量轻、噪声低、 输出电压质量高、外形美观，而且品种繁多、规格齐全；国产小机组发展缓慢， 没有及时实现产品的更新换代，其技术与国际先进水平差距越来越大，在进口小 机组的冲击下，产销量一直上不去。 为了占领市场，如今国产小机组在品种、规格上不断拓展，性能和质量已大 大提高。对一些需求不高的用电设备，国产小机组以其低廉的价格获得青睐。但 在一些对电能质量要求高的场合，普通国产小机组已不能满足用户的要求，进口 小机组以其高质量的输出电压占据了有利地位。 国产小机组以广州众申公司的z s p 6 2 5 0 0 c 汽油发电机组为例，进口小机组以 日本y a m a h a 公司的e f 2 8 0 0 i 变频发电机组为例，表卜1 中给出了二者的性能参 数。 从表中可以看出，与国产小机组相比，进口小机组重量轻，输出电压幅值和 频率波动小、质量高，但价格也远高于国产小机组，这给进入普通家庭带来了障 碍。 第一章绪论 表卜1 国产机组与进口机组的性能参数 参数 稳态电压稳态频率 型号 额定功率额定电压重量价格 波动率 波动率 广州众申 z s p g 2 5 0 0 c 2 k w 2 2 0 v 巧o h z 1 0 2 4 5 k g1 5 0 0 元 j z 纠日4 e f 2 9 0 0 i 2 5 k w2 2 0 v 5 0 h z3 o 1 2 9 k g9 8 0 0 元 1 2 本课题意义及研究内容 进口小机组之所以具有竞争优势，靠的是其质量和性能。只要国产小机组在 生产技术、质量和品种规格上赶上国际先进水平，就一定能在各个领域占据有利 市场。本课题旨在开发一套高性能的小型汽油发电机组，在性能和外观上能与进 口机组媲美，在价格上又远低于进口机组，将汽油发电机组推广到小型企业、个 体用户和家庭中。 为了提高小型汽油发电机组性能，可从这几个方面改进小机组：发动机采用 新型汽油机或磁力发动机网；发电机采用无刷励磁方式或稀土永磁发电机【5 1 ：采 用逆变技术获得输出电压t 6 1 。其中改进发动机可以减小污染、噪音，降低油耗， 提高小机组效率；改进发电机能使机组体小量轻，运行可靠、故障率低，节油率 高；采用逆变技术能在提高效率、减小噪音的同时，提高小机组输出电压质量。 针对目前国产小电机组输出电能质量较差、不能带精度要求高的负载，以提 高小机组输出电压质量为首要目的，本文采用逆变技术改进小机组，设计了带变 频装置的汽油发电机组。即在交流发电机输出端接上整流和逆变装置，逆变桥的 输出供负载使用，并保证最终得到的电压为2 2 0 v 5 0 h z 恒定。 在传统发电机组中，发电机输出电压直接供负载使用。输出电压的幅值依靠 自动励磁调节器保持恒定；频率依靠发动机的机械式调速器保持恒定，即使机组 在稳态运行时其输出电压幅值和频率仍有较大波动( 见表1 1 ) 。为了保证输出电 压稳定在5 0 h z ，发动机只能工作在一个固定的转速下，这种固定转速的发动机 存在很多缺陷，比如当轻载运行时，发动机可能运行在“最优燃油消耗率的工作 区”之外【6 】。 当采用逆变技术后，发电机输出接逆变装置，逆变器输出电压供负载使用。 不管发动机转速如何，通过对逆变器控制均能使负载得到恒定的2 2 0 v 5 0 h z 交流 电压。发动机可工作在不同转速下，针对不同负载选择不f 司模式，使小机组更高 2 第一章绪论 效率地工作。在本文设计的变频发电机组中，发动机的工作模式由用户通过外壳 界面决定，用户可根据不同负载选择不同模式。如：可使发动机工作在噪音最低 的模式；排放污染最小的模式；对负荷瞬变最不敏感的工作点上等【6 】。从减小噪 音和燃油消耗率出发，供用户选择的工作模式为高速模式和低速模式两种。 变频发电机组比传统发电机组输出电压质量好、效率高、工作方式更灵活。 通过对逆变部分控制，输出电压畸变小，谐波含量低，幅值和频率更稳定【_ ”。发 动机少了固定转速的限制，可以与负载更佳配合，使机组工作在最优状态。 本文设计的小型汽油机变频发电机组由发动机、发电机、变频装置组成，并 对每部分进行反馈控制，使小机组获得整体较优的性能。主要工作概括如下： 1 控制发动机节气门开度，使发动机转速保持恒定，并始终工作在用户指 定的模式。通过检测负载电流和转速来实现，其中反馈负载电流属于粗调节气门 环节，采用查表方式实现；反馈转速属于细调节气门环节，采用模糊神经网络控 制器实现。 2 控制发电机励磁电流，使变频装置中逆变器输入电压以保持恒定。( 以为 发电机输出电压经不控整流桥及直流滤波电路得到。采用模拟电路组成的自动励 磁调节器实现。 3 即使输入电压恒定，当负载变化时，逆变器输出电压也会波动。因此， 需实时控制逆变桥开关占空比，使输出电压配始终恒定在2 2 0 v 。采用数字p i d 控制器，即实时采样虬瞬时值，与给定的正弦波形比较，偏差经p i d 算法后与 三角载波比较，得到逆变桥的开关占空比。 第二章数学模型与控制策略 第二章数学模型与控制策略 小型汽油机变频发电机组( 以下简称小机组) 由汽油发动机、交流发电机、 整流器及逆变器组成，其中整流器和逆变器统称为变频装置。发动机与发电机同 轴旋转，发电机输出端接变频装置，变频装置输出端接负载。小机组结构框图如 图2 1 所示。 + 挚奎1 = 2 或电流 。强电匿g 图2 - 1 小机组结构框图 发动机输入信号为节气门开度和点火提前角，其输出功率直接供给发电机， 转速拧和转矩已相互影响，互成反比关系。发电机为三相同步发电机，其励磁电 压u ，给转子绕组通电，用以建立主磁场。发电机输出电压经三相不控整流桥和 电解电容滤波后，得到高压直流。逆变桥为单相桥式电压型逆变电路，输出 的高频脉冲电压经低通滤波器后得到正弦电压输出。通过调节逆变桥开关占空 比，可控制最终输出的正弦电压频率和幅值。负载变化作为扰动输入信号。 2 1 数学模型 变频发电机中，各输入量均需反馈控制。为了便于设计合适的控制器，需对 系统各部分数学模型进行分析。 2 1 1 发动机 内燃机的实际热力循环是燃料的热能转变为机械能的过程，它由进气、压缩、 4 第二章数学模型与控制策略 燃烧、膨胀和排气等多个过程组成。在这些过程中，由燃料与空气组成的工质， 无论在质或量上都时刻发生着变化，伴随着各种复杂的物理、化学过程。同时， 机械摩擦、散热、燃烧、节流等引起的一系列不可逆损失也大量存在，要准确地 从理论上描述内燃机的实际过程，得到其精确的数学模型，在目前条件下是十分 困难的【引。本文对发动机的时滞特性，暂且用惯性环节来等效。 定义气缸内完成一个工作循环所得到的有用功为发动机的指示功，记为彬。 它除了和循环中热功转换的有效程度有关外，还和气缸容积的大小有关。若一台 内燃机的气缸数为i ，每, 舸f f o - r 作容积为k ( 肌3 ) ，转速为n ( r s ) ，每循环气体所 做的指示功为形。 定义平均指示压力，( n m 2 ) 为单位气缸容积一个循环所做的指示功( p a ) p ，互 ( 2 - 1 ) f2 吾 【j ，j 指示功率p 为单位时间内所做的指示功。则具有i 个气缸的发动机每秒所做 的指示功形为 只= 2 n f k 导扛2 w j n ，i ( 2 - 2 ) 式中，f 为冲程数，对四冲程内燃机：f = 4 ；对二冲程内燃机：f = 2 。 指示热效率巩是发动机实际循环指示功与所消耗的燃料热量的比值，即 栌堕 ( 2 3 ) 驴酋 心。3 式中，q l 为得到指示功形所消耗的热量( ，) 。对于一台发动机，当测得其指示功 率只( 后) 和每小时燃油消耗! t b ( k g h ) 时，根据巩的定义，可得 吼，：3 6 x l 0 3 p , ( 2 - 4 ) 仉2 矿 式中：3 6 x 1 0 3 为l k w g h 的热当量，g r ( g w h ) ；b 为每小时发动机的耗油量， 堙h ；h u 为所用燃料的低热值，材k g 。 发动机发出的指示功率需扣除运动件的摩擦功率以及驱动气门机构、风扇、 机油泵、发电机等附件所消耗的功率后才能变为曲轴的有效输出，所有这些消耗 功率的总和称为机械损失功率己，从而有效功率 。曰一只(2-5) 有效功率与指示功率之比称为机械功率 2詈(2-6) 5 第二章数学模型与控制策略 内燃机的有效功率可以利用各种型式的测功器和转速计分别测出发动机在 某一工况下曲轴的输出转矩及在n - - 1 2 9 下的发动机转速，按以下公式求得 p ：z 堡：里( 2 - 7 ) 。 w 6 09 5 5 0 式中，瓦为发动机输出转矩，。拼。 由式( 2 _ 4 ) ( 2 - 7 ) 可得：i 淼，7 。= 只= 委彖 ( 2 ，8 ) 定义有效热效率为：= r , r , ( 2 - 9 ) 则式( 2 - 8 ) 可写为：至淼= = 委蠹 ( 2 - 1 0 ) 对化油器式发动机，当转速不变时，节气门开度愈大，进气管道中阻力愈小， 空气管内的空气流量和流速愈大，从而喉部的空气流速、流量和真空度便愈大， 流出喷管的汽油流量也随之增大；当节气门开度一定时，发动机转速愈高，气缸 内真空度愈大，喉管中的空气流速和真空度也就愈高，进油量愈大1 9 。可见，油 耗曰同节气门开度和转速疗有关，其关系记为b = f 姐，功。 点火提前角口影响发动机油耗和输出功率【1 0 】，同一工况下相同油耗时，不同 的点火提前角可得到不同输出功率。因此口会影响发动机指示热效率巩，从而影 响有效热效率，将二者关系记为= g ( o ) 。 由分析可得发动机数学模型如图2 2 所示，其中f ( u ，i 1 ) 和g 妒) 均为非线性 函数，并随发动机工况变化而变化。 垒：蒯亚! 广1 巫h ：i 陋 2 1 2 发电机 图2 - 2 发动机数学模型 对同步发电机，已有很多常用的简化实用数学模型，如发电机实用六阶模型、 实用五阶模型、实用四阶模型、实用三阶模型及经典二阶模型等【i i 】。般在同步 发电机详细建模过程中，在d 轴上考虑的转子绕组有励磁绕组f 、等值阻尼绕组 d ，在q 轴上考虑的转子绕组有等值的阻尼绕组g 和q 。对于凸极水轮机，考虑 6 第二章数学模型与控制策略 d 绕组与q 绕组业已足够；对于隐极汽轮机，尚需要用q 轴上的g 绕组来等效 较弱的涡流效应。由于本文研究小型发电机组，电气量衰减的时间常数较之大型 同步发电机组小得多，故忽略电气暂态过程而仅采用经典模型研究发电机机械转 速的偏差。发电机的运动方程为 ，等= 瓦一z ( 2 1 1 ) 式中：j 为发电机组的转动惯量；呒为转子在同步转速下的动能；乙和五分别 为原动机机械转矩和发电机电磁转矩【1 2 1 。 由于国= 等，只= 国己，= 缈正，只= 刁e ，叩为发电机效率，只为发电 机输出功率。结合式( 2 i i ) 有 易川邓吾( ”瓦一j ( 2 1 2 ) 由此可得发电机数学模型如图2 - 3 所示。 l h 昂：矗邓吾c 行乙一- ，卜 图2 - 3 发电机数学模型 在图2 - 3 中，日为发电机空载电动势；f ( n ，哆) 是易与转速栉和励磁电压u ， 的函数关系，考虑铁心的饱和后为一非线性函数；u 为发电机输出端电压；，为 定子绕组电流；互为发电机同步电抗；尼为定子绕组电阻。 2 1 3 变频装置 发电机输出电压经整流、逆变及相应滤波环节后供给负载。下面分别讨论各 部分数学模型。 2 1 j 1 整流器 结构如图2 - 4 所示。采用三相桥式不控整流桥，蚱为二极管整流器的输出整 流电压；为滤波后的直流电压；为考虑整流管压降损耗的等效电阻；c 1 为 直流滤波电容；z 1 ( s ) 为逆变部分的输入阻抗，即整流桥的负载。 三相不控整流桥的输出电压蚱可用傅氏级数表示为1 3 1 ： 7 第二章数学模型与控制策略 脚= 了3 , g 唧一轰专鲁c o s 叫) 协 式中，k 为正整数；u 2 为交流输入相电压有效值；为输入电压基波频率。 式( 2 1 3 ) 可近似取前两项为： 唧= 半u 2 + 篙酬6 卿 万 j ) 石 甜。 图2 _ 4 整流器电路 直流滤波环节的电压、电流方程为： u p = + c 警2 由此可得直流滤波环节的数学模型如图2 - 5 所示。 i 逆： 变： 一一l 图2 - 5 直流滤波电路数学模型 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 2 1 3 2 逆变器 结构如图2 - 6 所示，采用单相桥式逆变电路，输出滤波器为二阶l - c 滤波器。 为直流母线电压；岛为输出滤波电感；c 2 为滤波电容；r 2 为包括电感内阻、 开关管压降和死区效应等损耗的等效电刚；z 2 0 ) 为负载阻抗。 8 第二章数学模型与控制策略 u 一 s j 岛 j r 2l 2 ) u 最制 s 3 】 岛 c 图2 - 6 单相逆变桥主电路 互 逆变桥中各功率开关器件都工作在开关状态，是一个线性与非线性相结合的 系统。由于开关频率矗远高于调制频率，可以利用平均状态空间法和线性化技 术，建立p w m 逆交器的线性化模型f 1 5 】。图2 - 6 中，可得电流、电压方程为： c 阜：f ，一0 _ ( 2 1 7 ) 露 z ，( j ) 工! = 吨一，2 t 一 ( 2 1 8 ) 办。 其中，地= ( 2 s 一1 ) ，f 为开关函数，当开关墨、墨开通，最、岛关闭时， s = 1 ，叱= ：当开关s 、岛关闭，最、马开通时，s = 0 ，吨= 一1 。 由此可得逆变器数学模型如图2 7 所示。 图2 - 7 逆变器数学模型 逆变器输出电压的基波频率为调制波频率，即厂= 厶。设变频装置的工作 效率为研，则其输出功率为= 吼，式中只为发电机输出功率。 2 2 控制策略 如图2 - 1 所示，系统输入量为发动机节气门开度、点火提前角、发电机励磁 电压、逆变桥开关占空比、负载。系统输出量为发动机转速、发电机端电压、整 流器输出电压、逆变器输出电压等。输入量的变化均会引起各输出量变化，各输 出量之间亦相互影响。要想系统稳定运行在给定状态，需要各输入量配合。由于 9 第二章数学模型与控制策略 影响发动机点火提前角的最主要因素是发动机转速，每时刻的点火提前角可根据 当前转速唯一确定，因此对发动机点火提前角控制可作为完全独立的部份研究， 本文未做讨论。 小机组给定参数有两个：输出电压和发动机转速n 。即“。要始终恒定在 2 2 0 v 5 0 h z ，九要恒定在用户指定的工作模式，负载为扰动因素。 当负载突然增大时，i 增大，输出电压下降，以也下降；同时负载增大。 引起尼增大，则d ， o 为学习率。实际运用中，可只调整哆和值，而勺取为= - 6 ， q 2 = - - 4 ，c t 3 = - 2 ，钆= 0 ，c s s = 2 ，c t 6 = 4 ，q 7 = 6 ，其中i = 1 ，2 。 3 3 2 参考模型 在图3 - 4 所示的控制系统中，参考模型一般选用二阶模型，这里取掌= 1 ， t o = 3 8 ，对应传递函数为 g ( s ) = 再砀o ) i n 2 孑= 万丽1 4 而4 4 鬲 3 - 2 7 ) 将式( 3 - 2 7 ) 转化成时域形式为 y ( o = 1 4 4 4 耙。3 “x ( f ) ( 3 2 8 ) 离散化为：y ( t ) “y ( k t ) ，x ( f ) * x ( k t ) ，则式( 3 - 2 8 ) 变为 y ( k t ) = 1 4 4 4 k t p 。3 ”x ( r r ) ( 3 2 9 ) 令口= 1 4 4 4 ，b = 3 8 ，y ( k t ) 记为y ( d ，则 y ( k ) = a k t g - ”x ( _ i ) ( 3 - 3 0 ) 同理有 y ( k + 1 ) = a ( k + 1 ) t e “) 7 x ( k + 1 ) ( 3 3 1 ) y ( 七+ 1 ) 一y ( k ) = 口( 七+ 1 ) r e 一6 + 1 r x ( 七+ 1 ) 一a k t p 一船x ( k ) ( 3 3 2 ) 若记缸( _ i ) = x ( k + 1 ) 一x ( k ) ，则式( 3 3 1 ) 化简为 y ( k + 1 ) = ( a k t e 一”口4 7 + a t e 一”p 。7 ) 【x ( _ j ) + 缸( j | ) 】 = a k t e 一”e ”x ( k ) + a t p b i t e ”x ( k ) + a k t e b t t e ”+ a t e 一”矿7 1 a x ( k ) ： e _ b r e - 。b t 】y ( _ j ) + a k t p e - b r + a t e - u r e - b r 缸( 七) ( 3 - 3 3 ) 彤 令c = e - b 7 ，则 y ( k + 1 ) = k + 翔y ( k ) + a k t c “1 + a t c “】a x ( k ) ( 3 - 3 4 ) 彤 采样周期r 确定后参数c 也确定了。当t = o 0 0 1 s 时， c = 口- 3 缸o 1 = o 9 9 6 2 ；当t = o 0 1 s 时，c = e - 3 1 柚m = o 9 6 2 7 。 由于输入x ( _ j ) 是转速给定值，只有用户更改时才有变动，因此上式中a x ( k ) 第三章模糊神经网络控制器设计 大部分时候都为0 ，这样y ( k + 1 ) 只与k 和y ( k ) 有关，计算量很小。 模糊神经网络控制器采用了5 层节点、每个输入量有7 个模糊子空间结构， 应用时可适当调整子空间个数。二阶参考模型也可根据实际工况进行适当调整。 3 4 控制程序设计 对发动机节气门开度控制分粗调和细调环节，其中粗调为查表控制，细调为 模糊神经网络控制。程序设计如下所示。 图3 7 为主程序流程图，包括三个子程序：“粗调节气门子程序”为发动机节 气门的粗调控制；“细调节气门子程序”为发动机节气门的细调控制；“修正粗调 表格子程序”负责修正节气门的粗调表格。 图3 7 主程序流程图3 - 8 粗调节气门子程序流程图 1 5 3 8 为“粗调节气门予程序”流程图。发动机节气门开度与负载电流l 的 第二章模糊神纤网络拧制器设计 对应关系通过仿真得到，从而可得步进电机转动齿数( 位冒) 与，。的对应关系。 在单片内存入在所有给定模式下步进电机位置与，的关系表，工作时根据当前模 式和负载电流查表输出对步进电机的控制量。直到连续两次读取的步进电机位置 值相等，粗调节气门完毕。 图3 9 为“细调节气门子程序”流程图。根据转速反馈，采用模糊神经网络 控制器调节发动机节气门。转速偏差e 、偏差变化率e c 为输入量，控制器输出与 参考模型的输出比较，若误差在给定范围内，则调节完毕。否则进入学习阶段， 调整控制器参数，重新计算输出新的控制量。 | 鳘i3 - 9 细调仃气门子程序流稃图 第三章模糊神经网络控制器设计 圈3 1 0 为“计算控制器输出子程序”流程图。按照3 3 1 所述，分别计算各 层节点输出值。可提前仿真得到参数c - 1 【7 】、c _ 2 【7 】、s i g m a _ l 7 、s i g m a _ 2 7 和 o m e g a 4 9 】的初值。 图3 一1 1 为“计算参考模型输出子程序”流程图。按照3 3 2 所述，在中断程 序里计算参考模型的输出k 。与j ，埘2 。其中采样周期t 设为1 m s ，a 为1 4 4 4 ；c 为 o 9 9 6 2 。 o l o = e ，io i n 】= e c i 根据0 1 0 、c _ l i 】、s i g m a 一1 i 】 的值计算0 2 _ 1 i 的值i = 0 6 i 根据o l 1 、c _ 2 【i 】，s i g m a _ 2 【i 1 的值计算0 2 2 i 】的值，i = o 6 0 由0 2 1 i ，0 2 2 j 】计算0 3 k 】 的值，x = o “6 j = 0 “6 。k = o 4 9 l # n 0 3 k 的值计算。4 k 】的值，k = 0 。4 9 l # a 0 4 k ，。- e g a k 的值计算。5 的值，k - o 。4 9 1 图3 一1 0 计算控制器输出子程序流程图图3 1 1 计算参考模型输出子程序流程图 图3 - 1 2 为“求取各梯度向量子程序”流程图。按照3 3 1 所述，分别计算各 层误差项及一阶梯度向量。在线调整参数为s i g m a _ w 】、s i g m a _ 2 7 和o m e g a 4 9 。 图3 1 3 为“修正粗调表格子程序”流程图。经细调节气门后系统已达稳态， 此时读取当前模式下实际负载电流和节气门开度值，与所存粗调表格中的对应关 系相比较，不一致则修改为实际值。 第三章模糊神经网络控制器设计 d e t a 5 = e l + e e l 0 根据0 4 k 】和d e t a 5 计算 o m e g a k 。k = o 4 9 山 根据o m e g a e k 和d e t a 5 计 算d e t a 4 k ，k = o 4 9 山 根据0 3 k 和d e t a 4 k 计 算d e t a 3 k ，k = o “4 9 山 计算d e t a 2 1 i 】，i = o 6 1 d e t a 2 2 j 】，j = o “6 。 0 l 由d e t a 2 1 i 、c _ l i 】，s i g m a _ l i 】 i计算s i g m a _ 1 i ，i = o “6 ； 0 i 由d e t a 2 2 j 】，c 一2 j ，g i g m a - 2 j 】 计算s i g m a _ 2 ， j 】，j = o “6 ； 3 1 2 求取各梯度向量子程序流程图图3 1 3 修正粗调表格子程序流程图 第四章励磁调节与逆变器设计 4 1 励磁调节 第四章励磁调节与逆变器设计 4 1 1 同步发电机励磁系统简介 同步电机是交流电机的一种，其运行特点是转子的旋转速度必须与定子磁场 的旋转速度严格同步，并由此而得名。同步电机主要用作发电机。 同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场。相应的， 将供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。励磁系统是同步电机的重要组成部 分，可分为两大类。一类是采用直流发电机供电励磁系统，另一类则通过整流装 置将交流电流变为直流电流以满足要求。下面进行简要介绍【2 6 1 。 直流发电机励磁系统 这是一种经典的励磁系统，并称该系统中的直流发电机为直流励磁机。直流 励磁机多采用他励或永磁励磁方式，且与同步发电机同轴旋转，输出的直流电流 经电刷、滑环输入同步发电机转子励磁绕组。 静止式交流整流励磁系统 这种励磁系统以将同轴旋转的交流励磁机的输出电流，经整流后供给发电机 励磁绕组的他励式系统应用最普遍。与传统的直流系统相比，其主要区别是变直 流励磁机为交流励磁机，从而解决了换向火花的问题。 旋转式交流整流励磁系统 静止式交流整流励磁系统去掉了直流励磁机的换向器，解决了换向火花问 题，但电刷和滑环仍然存在，还是有触点系统。如果把交流励磁机做成转枢式同 步发电机，并将整流桥固定在转轴上一道旋转，就可以将整流桥输出直接供给发 电机的励磁绕组，而毋需电刷和滑环，构成旋转的无触点( 或称无刷) 交流整流 励磁系统，简称无刷励磁系统。 4 1 2 励磁调节器设计 4 1 2 1 基本思想 本文设计的变频小机组中，发电机为三相同步发电机，其励磁方式为上述第 二种，即由同轴旋转的交流励磁机输出作为励磁电流来源。发电机定子上有两个 绕组：一个是提供发电机输出电压的主绕组；一个是提供发电机转子励磁电流的 交流励磁机定子绕组，这里称为副绕组。发电机转予上为励磁绕组，当外部给其 第四章励磁调节与逆变器设计 通入直流电流时，主磁场得以建立。发电机绕组分布如图4 一l 所示。 转子上童子上 图4 - 1 发电机绕组分布示意图 发电机主绕组输出接三相不控整流桥，整流桥输出电压经电解电容滤波得到 直流电压，再经逆变桥和三c 低通滤波器后得到交流输出电压u o 。端 接负载，且不论负载如何变化，u a 应保持为2 2 0 v 5 0 h z 正弦波。设发电机输出 相电压有效值为以，未接电解电容滤波时，不控整流桥输出电压平均值为： = 等蚪“ ( 4 ) 当接上电解电容时，设电容值为c ，则玑与c 和负载大小有关。当c 无穷 大时，以值为发电机输出线电压峰值，即： = 4 6 g “2 4 5 u 2 ( 4 - 2 ) 但c 不可能无穷大，因此值应在2 3 4 u 2 2 4 5 之间叨。c 越大，越 大；当c 确定后，负载越大，越小。与c 和负载均为非线性关系。 当负载突然变化时，和都要变化，需调节发电机励磁电流和逆变桥开 关占空比。如第二章所述，无论负载如何变化，始终自动调节发电机励磁电流， 使保持恒定；再通过反馈u o 调节逆变桥开关占空比，使“。保持恒定。励磁调 节装置可通过反馈以调节励磁电流，系统信号相互关联图如图4 2 所示。 图4 - 2 系统信号相互关联图 2 6 第四章励磁调节与逆变器设计 4 1 2 2 励磁调节电路 通过反馈以值调节发电机励磁电流，从而使恒定在某个设定值。自动励 磁调节电路如图4 - 3 所示。 v 阱 l ，土。”一【jl 呼一f 删铲 * l 一 c j 0 1 归。擗 、r 郅 岱 口 v z 卯l l l “2 ；i 二p r f “丫旷旷“ m 一 】 【 一 一【 一l v i ) j 0 4 一 一 图4 - 3自动励磁调节电路 电路中，输入信号有副绕组输入和玑输入，即图中的“a c c e s s o r y ”端和“u 。” 端；输出信号为励磁电压，即图中的“e x c i t a t i o n ”端。下面仔细分析励磁电流 的自动调节过程。 发电机刚起动时，为主磁场建立的过程。发电机能正常建立励磁电流的必要 条件就是转子必须有足够的剩磁。利用剩磁，当发动机拖动转子转动时，副绕组 端开始有交流电压输出，此交流电压经桥式整流后在电容c 5 0 1 两端产生直流电 压。由于刚起动时为0 ，所以稳压管v z 5 0 1 不被击穿，v t 5 0 1 不导通。因此 c 5 0 1 上的直流电压通过r 5 0 2 给v t 5 0 2 提供基极电流，从而v t 5 0 2 导通。v t 5 0 2 与v t 5 0 1 组成达林顿结构，以增大电流放大倍数，提高输出电流，所以v t 5 0 1 迅速导通。由电路图可知，励磁电流为v t 5 0 2 与v t 5 0 1 的集电极电流之和，发 电机转子开始有励磁电流输入。励磁电流的输入使得磁场强度增大，从而副绕组 输出电压增大，、】r t 5 0 2 的基极电流也增大，进而导致v t 5 0 2 与v t 5 0 1 的集电极 电流增大，转子的励磁电流也增大。励磁电流的增大进一步导致副绕组电压的增 大，如此反复，形成一个强烈的正反馈过程。这个正反馈过程将持续到巩达到 设定值。 随着主磁场的迅速建立与增大，发电机输出电压迅速增大，经不控整流桥后 直流电压也迅速增大。当增大到一定值时，v z 5 0 1 被击穿，从而v t 5 0 3 的基极电流建立，v t 5 0 3 导通。v t 5 0 3 的导通，导致v t 5 0 2 的基极电流迅速减 小，从而v t 5 0 1 与v t 5 0 2 的集电极电流减小，即发电机转子的励磁电流亦减小。 第四章励磁调节与逆变器设计 励磁电流减小使得发电机输出电压减小，以也减小，这又导致v z 5 0 1 不被击穿， v t 5 0 3 不导通，励磁电流又开始增大。可见，玑值可以控制励磁电流的增减， 最终励磁电流达到一个平衡点，也稳定在设定值。 当由于外在扰动或负载变化而增大或减小时，通过反馈作用于v z 5 0 1 和 v t 5 0 3 ，使励磁电流重新达到新的平衡点，玑仍将稳定在最初设定值上。吼的 设定值可以通过调节可变电阻r 5 0 5 来设定。当r 5 0 5 增大时，的设定值也增 大；减小r 5 0 5 可使玑的设定值减小。1 1 5 0 5 的值可在实验调试时确定。 电路中可调电阻r 5 0 3 的作用是调节v t 5 0 l 的基极电流，从而调节v t 5 0 1 的集电极电流。由于励磁电流主要由v t 5 0 1 的集电极电流组成，v t 5 0 2 的集电 极电流要比v t 5 0 1 的集电极电流小得多，调节r 5 0 3 可控制励磁电流在一定范围 内，不会太高而超出其允许值。在实验中经反复调试，将r 5 0 3 定在3 2 0 f 2 左右。 综上所述，利用发电机副绕组供给励磁电流，通过正反馈迅速建立励磁电流， 并通过以反馈使励磁电流稳定。实验证明此电路是可行的。 4 2 逆变器设计f 2 8 】 4 2 1 电路设计 硬件电路包括逆变桥、i g b t 驱动电路、保护电路，以及辅助直流电源电路 四部分。 4 2 1 1 主电路 逆变器主开关管选用绝缘栅双极型晶体管，简称i g b t 。它将功率m o s f e t 与b j t 的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路 简单等优点，又具有通态压降低、耐压高和承受电流大等优点明。主电路如图 4 - 4 所示。 图4 - 4 中，“+ ”与“以- ”为高压直流输入端，“。”与“虬：”为交流 正弦电压输出端，g 1 - 4 3 4 为门极电压脉冲输入端。v t 2 0 1 v 亿0 4 为主开关管， 选为富士公司的1 m b h 6 0 d 1 0 0 ( 1 0 0 0 v ，6 0 a ) ，且内部集成有同样快速的反并联 快恢复二极管，图中并未再画出。门极电阻选为5 0 q ，栅源电阻为2 k 。电容c 2 0 1 、 c 2 0 2 为直流滤波电容，采用并联形式，以提高电容值。电容c 2 0 3 、c 2 0 4 为缓 冲电容，吸收电路尖峰电压。电感l 2 0 1 为交流滤波电感，c 2 0 5 为交流滤波电容， 它们组成l c 低通滤波器，滤掉虬中的高次谐波【2 9 1 。电阻1 1 2 0 9 为主回路过流取 样电阻，其端电压值可用于检测主回路的电流是否超过允许值。c 2 0 6 - - c 2 0 9 为 逆变器各线路的接地电容。 第四章励磁调节与逆变器设计 图“主电路 4 2 1 2 驱动电路 驱动电路包括隔离部分、中间环节，和推挽输出部分 2 7 10 0 。四个主开关管 的驱动电路完全一样，只给出v t 2 0 1 的驱动电路如图4 - 5 所示。 单片机或数字芯片输出的控制脉冲带负载能力弱，不能直接驱动快速光耦， 因此需加一级三极管放大电路，如图中v t 3 1 1 所示。“p u l s e1 ”为给v 1 2 0 1 的 控制脉冲。光耦t l p s 5 9 为快速光耦，可用于开关频率达4 0 k h z 的驱动电路【3 1 】 ( 此逆变桥中开关频率为2 0 k i 七) 。v z 3 1 1 是给快速光祸提供+ 5 v 电源所用，该 电源由+ 2 0 v 电源v d d _ 1 分压得到。v t 3 1 2 起中间连接作用，v t 3 1 3 与y 1 3 1 4 组成推挽输出，提高带负载能力，其输出端接i g b t 门极电阻。v z 3 1 2 给i g b t 的可靠关断提供一5 v 偏压，它将v d d分成 与一 ，分别提供门极_i + 1 5 v5 vi g b t 脉冲的正负电压。 图4 - 5i g b t 驱动电路 v a o j v n 第四章励磁调节与逆变器设计 驱动电路的工作过程如下。当“p u l s e1 ”为高电平时，v r 3 1 1 导通，光耦 导通，则v r 3 1 2 的基极电位为低而不导通，+ 2 0 v 电源通过r 3 1 6 给v t 3 1 3 提供 基极偏置，使得v t 3 1 3 导通，“g 1 ”端输出高电平；同理，当“p u l s e ”为低_ l 电平时，v t 3 1 1 不导通，光耦亦不导通，则v t 3 1 2 的基极电位为高而导通，v t 3 1 2 的导通使得v