（电力电子与电力传动专业论文）汽油发电机组逆变器和控制器的研究.pdf

a b s t r a c t g a s o l i n ep o w e rg e r n e r a t o rh a sb e e nw i d e l yu e s e di nv a r i o u sa r e a sa sa cp o w e r s o u r c eb e c a u s eo fi t sf l e x i b i l i t yc o n v e n i e n c ea n ds t a b i l i t y i nc u r r e n ty e a r s ，勰t h ef a s t d e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y , m a n yp r o v i n c e sh a sb e e ns h o r to f p o w e r t os o m ee x t e n t a sa r e s u l t ，g a s o l i n ep o w e rg e r n e r a t o r , a ss p a r ep o w e rs o u r c e ，b e c o m em o r ea n d m o r e i m p o r t a n t t h ec o n v e n t i o n a lg a s o l i n ep o w e rg e m e r a t o re x p o r tt h eo r i g i n a le l e c t r i c i t y p r o d u c e db ye l e c t r i c a lm a c h i n e ，t h ed i s a d v a n t a g ei st h e 丘e q u e n c ea n dv o l t a g eo f t h e e l e c t r i c i t ya r en o tv e r ys t a b l e t h e m o s tn e w s t y l eg a s o l i n ep o w e rg e m e r a t o r c o m b i n e dw i t hp o w e re l e c t r o n i c se o i l v e r t e r sa n de l e c t r o n i cs p e e dc o n t r o l l e r , h a s s h o w ni t ss u p e r i o r i t yi ng o o do u t p u tq u a l i t ya n dl o wo i lc o n s u m p t i o n t h i st y p e m a c h i n ei sc a l l e dd i g i t a lp o w e rg e m e r a t o r t h i sa r t i c l ea i m st od e s i g nt h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t so f d i 百t a lp o w e rg e m e r a t o r t h em a i nw o r kc o n s i s t so ft w op a r t s ：i p o w e re l e c t r o n i c sc o n v e r t s ；i i e l e c t r o n i cs p e e d c o n t r o l l e ro f t h em o t o r t h ef i r s tc h a r p td e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n to fg a s o l i n ep o w e rg e m e r a t o r , i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do f t h i st h e s i s t h es e c o n dc h a r i o tm a i n t yd e s c r i b l et h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fg a s o l i n ep o w e r g e m e r a t o r t h et h i r dc h a r i o tf o c u s e so nt h ed e s i g eo fs p e e dc o n t r o l l e ro ft h em o t o r , f u z z y c o n t r o la n dp i dc o n t r o la r eb o t hu s e dt of o r mah y b r i dc o n t r o l l e r t h ef o u r t hc h a r p ti n t r o d u c e st h ep o w e re l e c t r o n c i sc o n v e r t s ( i n v e r t e r ) d e s i g n ，b o t h h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r er e p r e s e n t e d f i n a l l yt h ef i f t hc h a r p ti l l u s t r a t et h ee x p e r i m e n tr e s u l t s k e y w o r d ：g a s o l i n ep o w e rg e r n e r a t o r , m o t o r , s p e e dc o n t r o l ，i n v e r t e r i i 第一章绪论 1 1 汽油发电机组概述 能源是国民经济的基础。自改革开放以来，电力工业作为能源的支柱产业， 虽然有了很大的发展，全国各地不断建立起大中型火力发电厂、水电站及一些核 电厂、风力发电站，总装机容量迅猛地增长，但仍然难以满足经济发展的需要。 尤其是对于边远偏僻地区、临时性工业现场、不允许停电的要害部门，以及供电 负荷短缺、经常突然停电的经营场所，就特别需要能有移动方便、经济适用的后 备电源。小型汽油发电机组便是这种理想的设备，它能起到大电网无法替代的作 用【”。 汽油发电机组由汽油机、交流同步发电机和控制系统组成，是将汽油机输出 的机械能通过发电机转化为电能输出的机械系统。它的工作原理可以简单地概括 为：汽油燃烧产生热能推动发动机活塞连杆机构，使曲轴旋转做功产生机械 能带动发电机电枢旋转，切割定子磁场产生电能。因此可以将汽油发电机组 看做是“发动机一发电机”型式的小型移动电站。汽油发电机组因为具有体积 小、重量轻、操作简单、移动方便等优点，因此被广泛应用于家庭、工业、商业、 教育、医疗、军事等各个领域作为辅助或备用电源【2 j 。 早期的汽油发电机组采用分体式结构，汽油机与发电机各为一个整体，安装 在一个机架上，两者通过皮带连接。虽然结构简单，便于拆卸维修，但是体积、 重量大，性能指标( 电压调整率、油耗、噪声) 差。过去，这种机组多用于边远 地区为电源放映机提供电源。上个世纪九十年代，我国先后从欧美、日本等发达 国家引进了新型的汽油发电机组，这些机组的发动机和发电机同轴连接，这种发 动机和发电机一体化的设计，大大减小了机组的体积和重量( 和老式机组相比在 同等功率下，体积和重量减小了大约5 0 ) ，使得机组结构紧凑，性能优越。新 型的汽油发电机组的使用范围已不再局限与电影放映的领域，而是扩展到经济、 文化、军事、科研等诸多方面。 数码发电机是近几年中发展起来的一个新的发电机产品领域该产品的普及 化主要集中在五千瓦以下的小型发电机系统。数码发电机整体外观如图1 1 所示。 图1 1 数码式汽油发电机组整体外观 传统的发电机产品，主要采用低速发动机带动一个工频输出发电机进行正常 工作，直接输出对应要求电源，这一类型的系统，由于发动工作在较低的转速上，从 而导致其相对的体积较大、同时对于发电机而言，低转速的发电机的体积也难以 将体积做小，对整个系统而言就很难做到小型化、便携化。在输出电源的质量上 由于输出电源的电压、频率与发动机转速都成正比对应关系，由于发动机工作在 不同负载状态下的系统转速的波动将直接影响到输出电源电压、频率的稳定性， 其输出电源的波形直接受发电机的影响，一般小功率的这类型发电机的输出波 形的t d h 都不是太理想。数码发电机方案的产生使得以上的这些问题得到了很 好的解决。 传统的汽油发电机组采用a v r ( 自动电压调节器) 维持输出电压稳定。a v r 是一种半波相近控制闸流管型的自动电压调节器，是交流发电机励磁系统的一部 分。自动电压调整的基本原理是：由电压测量回路测量发电机端电压，经过相位 调制器转换成一系列的脉冲，经过同步开关的选择，此脉冲控制可控硅的导通时 间。当发电机端电压升高时，导通角变小，反之则变大，使发电机端电压维持在 额定电压附近。 数码发电机采用逆变技术，将发电机产生的原始交流电进行净化，电压经过 “交一直一交”转换，使输出电压和发动机转速无关，同时将电压畸变率降至最 低，输出电压接近完美的正弦波形。图1 2 为带a v r 的传统发电机和数码发电 机输出电压波形的比较。 图12 传统发电机和数码发电机输出电压波形 1 2 汽油机电子控制技术的重要性 在刚刚过去的2 0 世纪，科学技术取得了突飞猛进的进步，人类社会的物质 文明大为发展，人民的生活水平有了很大地提高。但是人们在取得这些成果的同 时也付出了惨重的代价，主要表现在能源的消耗和自然环境的污染破坏。作为发 展中国家，我国正处于迅速推进工业化和城市化的发展阶段，对能源依赖不断增 加，加之粗放型的经济增长方式，技术和管理水平落后，面临的严重的能源和环 境危机。对于像我国这样一个人口众多、资源不足的国家，走一条具有中国特色 的可持续发展道路，不仅是对联合国等国际组织的承诺，也是符合中国国情的需 要。可持续发展问题已不仅是各国政府的行为，它还是每个地区、每个行业、每 个企业、每个社会团体，甚至是每一个人的事情。 汽油机和柴油机统称为内燃发动机。发动机一直是能源消耗的大户，在世界 能源消耗中，发动机的油耗占有举足轻重的地位，所以降低发动机油耗一直是全 人类共同关注的问题。另外，发动机也是环境污染的罪魁祸首之一。内燃机对环 境的污染问题已经不容忽视。现在我们生活的这个地球环境状况日益恶化，由于 温室效应，全球气温升高，灾害性气候增加，特别是城市的污染问题更为严重。 在城市里，我们很难再呼吸到新鲜的空气，呼吸道疾病患者的人数在增加，人体 内的铅含量严重超标，这些主要都是因为内燃机的排气在起作用。因此，许多国 家都对发动机的排放制定了严格的限制标准，如欧洲1 9 9 2 年己实旌了e u r 0 一i 排放标准，1 9 9 5 年已实施e u r o - - i i 排放标准，2 0 0 0 年已实施e u r o - - i i i 排放 标准，2 0 0 5 年已实施e u r o - - i v 排放标准。我国在这方面与发达国家还有差距， 北京在2 0 0 5 年实施e u r o - - i i i 排放标准，2 0 1 0 年将与世界接轨。 面对日益严重的能源危机和环境危机，国际内燃机界不断地再寻找降低发动 机排放的途径。采用电子控制技术是当前发动机技术发展的重要方向之一。自 2 0 世纪7 0 年代，随着微电子和大规模集成电路技术的飞速发展，微电子产品的 成本大幅下降，而性能和可靠性逐步提高，这使得发动机系统采用微型计算机控 制技术成为可能。特别是单片机和d s p 的出现大大推进了发动机电子控制技术 的发展。模拟电子控制系统比之传统的机械控制系统已有很大的进步，但是模拟 控制仍不能满足更高的要求。数字控制具有线路简单、功耗低、控制精度高、抗 干扰能力强、可靠性高等优点，能完成发动机系统所需的高精度的实时控制。发 动机微机控制系统必将取代传统的机械控制系统。早在2 0 世纪7 0 年代，世界上 一些发达国家就已经致力与研究开发发动机电子控制技术，到目前为止，已经研 制并生产出了很过功能各异的发动机电子控制系统，其中有些已经产品化并投放 市场，取得了显著的经济效益。我国的发动机工业在过去几十年虽然取得了飞速 的发展，但存在的问题很多，由于过去我国发展走的是粗放型道路，高速发展是 以高投入换来的。我国的发动机产品一般质量不高，可靠性差、能耗高、排放污 染严重。国外在发动机方面已普遍采用电子控制技术，而我国在这方面却缺乏投 4 入，水平相对落后。为了维持我国发动机行业的可持续发展，必须加大在这方面 的人力、物力、财力的投入，以期取得重大突破，缩小和发达国家在发动机技术 领域的差距。可以说，研究和发展发动机电子控制技术在我国已势在必行。 1 3 本课题的研究意义 本世纪初，由于我国经济的高速发展，几乎全国各地都出现了电力短缺的现 象，这给我国内燃发电设备行业带了了机遇和挑战。国外的公司和企业凭借其雄 厚的资本、领先的技术实力，早已开始进军中国这个庞大的市场，给我国的本土 企业造成了很大的冲击。我国进口的发电机组以及发电机相关配套设备主要来自 日本、美国还有欧洲等一些国家。其中最大的出口国是日本，据统计，日本向我 国进口的发电机和发电机组总量占到我国同类产品进口总额的6 0 。福建自9 0 年代开始就逐渐成为了我国内燃机行业的一个产业基地，但是福建却也是我国进 口发电机组设备的一个大省，从2 0 0 4 年开始，福建进口发电机组的规模就一直 呈上升趋势，2 0 0 4 年1 5 月，福建省共进口发电机及发电机组1 4 3 5 台，比去 年同期增长1 4 倍，价值1 5 5 2 万美元，增长1 0 9 倍。由于发电机及发电机组需 求旺盛，华东地区的发电机及发电机组销售市场一路看好，导致国内发电机及发 电机组价格持续攀升。2 0 0 4 年1 至4 月份，国内发电机组平均价格上涨了4 0 。 而进口发电机及发电机组更具性价比优势，这也是拉动福建发电机及发电机组进 口猛增的一大原因。有关人士认为，虽然华东电网在未来几年内将增加装机容量 和电网建设，但近期“电荒”现象仍将持续，因此，发电机及发电机组的进口势头 还会攀升。因此，促进我国发电机设备行业技术更新，早日实现从传统的时代走 向数码发电的全新时代具有重要的现实意义，不仅可以缓解我国电力紧张的局 面，而且可以使我国的发电设备行业具备国际竞争力，与国外的公司展开市场竞 争。 在内燃发电机组中，小型汽油发电机组具有体积小、重量轻携带方便等特点。 在l o k w 以下的小容量发电机组中，数码发电型将是发展方向。国内无锡的开普 公司使这方面的先行者，已开发出l 1 0 k w 的数码发电机产品，市场反映良好， 取得了巨大的经济效益。目前数码发电机的市场还在扩大，为了适应市场的要求， 开发一种低成本的、高可靠性的通用型数码发电机组整机系统将具有很好的市场 前景。 1 4 汽油机电控调速系统发展历史和研究现状1 3 , 4 汽油机的调速系统从2 0 世纪到现在已经经历了三次变革，第一次是2 0 年 代机械喷射式供油系统的出现，第二次是5 0 年代增压技术的应用，第三次是 6 0 年代电子技术的发展和应用。目前，世界各国已将汽油机电控技术作为衡量 汽油机先进性的指标之一。 6 0 年代美国的w o o d w a r d 公司开发出2 3 0 1 e g 一3 p 型电液调速器，它由转速 传感器，电子控制器和电液执行器组成，是以模拟p i d 、p i 为核心的转速控制器。 从6 0 年代到8 0 年代是模拟电子调速器的鼎盛时期。8 0 年代开始，出现了以微 处理器为核心的数字电子调速器，其代表产品有美国w o o d w a r d 公司的p r o a c t 系列，德国m t u 公司的r 0 8 2 型，日本n a b c o 公司的m g 一8 0 型电子调速器 等。 汽油发动机电子调速系统研究工作的核心是控制算法的确定和实现，其中又 包括模型的建立和现代新型控制理论的应用。传统的查表法和经典p i d 控制已经 不能满足要求，国外电控调速系统的研究已逐渐转向状态空间、自适应、神经网 络和模糊控制等现代控制理论方法。例如，m d 1 e n s h n e r 等人利用发动机转速 的波动量做为反映发动机燃烧效率的一个指标，进行空燃比的控制使发动机处与 稀限运转状态，提高了燃料经济性。德国的u l r i c hl e n z 等人采用动态平均模型 对发动机建模，利用人工智能技术进行燃空比的精确控制。t o h r ut a k a h a s h i 等 人利用建立了发动机怠速工况的状态空间模型。j f c a s s i d y 等人在发动机的特 定转速一转矩点上建立了线性模型，并在该模型基础上讨论了线性二次型l q 理 论的应用。我国的专家学者在这方面也取得了一些成果，例如，张崔平的汽油机 怠速稳定性所的模糊控制系统仿真研究；陈恒的基于遗传算法的发动机模糊控 制：赵光宙的应用神经网络模糊控制器的发动机怠速控制等。 6 1 5 电力电子逆变技术发展和现状1 5 8 】 利用电力半导体器件，实现电能的变换与控制的技术，称为电力电子技术。 d c a c 逆变器是将直流电能变换成交流电能的电力电子变换器，是电力电子技 术中的一个重要组成部分。逆变技术的应用领域包括：电机传动、不间断电源、 变频电源、有源电力滤波器、市电电源无功补偿器、风力发电、太阳能光伏并网 发电等几乎所有需要将直流电变换成交流电的地方。 逆变技术的发展共经历了三个阶段。1 9 5 6 1 9 8 0 年为传统发展阶段，开关器 件以低速为主，逆变器的开关频率比较低，输出电压波形的改善以多重叠加法为 主，体积重量较大，逆变效率低。这个时期的逆变器主要又方波逆变器和阶梯波 合成逆变器。方波逆变器是最简单，发展最早的逆变器。它的主要特点是：电路 结构简单、功率器件开关频率低、输出电压不可调以及输出电压谐波含量高 ( t h d = 4 5 2 ) 。阶梯波合成逆变器是为了改善方波逆变器输出电压谐波含量 而发展起来的，它的原理是将多个方波进行移相叠加，使整个输出波形更加接近 与正弦波，起到降低谐波含量的作用。阶梯波逆变器的特点是功率器件开关频率 低，输出滤波器体积小，输出电压的波形质量跟阶数有关，阶数越高，则波形越 接近于正弦波，t h d 越低。但是阶数越高，需要的开关管就越多，电路拓扑越 复杂，同时输出电压的调节难度较大。 1 9 8 1 - - 2 0 0 0 年为高频化新技术阶段，开关器件以高速器件为主，逆变器的开 关频率较高，波形的控制以p i l l 为主，体积重量小，逆变效率高。p w m 逆变电路 电路简单，输出波形电压可控，谐波含量大大减少。所谓的p w m 是脉宽调制的意 思，就是用调制波( 一般是正弦波) 和载波( 一般是锯齿波和三角波) 进行比较 产生控制信号对开关器件进行控制。当调制波为正弦波时就是正弦脉宽调制，简 称为s p 州调制。s p w m 技术是由a s c h n o u n g 和b s t e m l e r 从通信系统调制技术 中引入到逆变器的控制中，之后s p w m 越来越受到关注。s p w m 逆变器也是目前影 响最大、使用最广泛的一类逆变器。 2 0 0 0 至今，逆变器的发展以综合性能为主，低速和高速器件并用，多重叠加 法和p 州并用，不再单纯的追求高的开关频率。软开关和谐振变化器是目前研究 的重点。软开关技术在不改变电路结构的情况下，是开关器件和电路中其他无源 7 元件形成谐振，从而使开关器件在工作中实现零电压转换或者零电流转换。软开 关技术降低了开关的损耗和开关通断时产生的d v l d t 和d v l d t ，减小了开关承受 的应力和电路的电磁干扰( e m i ) ，是p w m 逆变器实现高频化的有效途径。目前 p w m 软开关谐振技术是电力电子界研究最为热门的一个领域。 1 6 本文的主要工作 数码发电机是中小型汽油发电机组的发展方向，具有很好的发展前景。数码 发电机和传统的汽油发电机最直观的区别在于数码发电机具有一个功能完善的 电控模块，一般称之为数码发电机变频器。变频器的主要功能有两个，一是根据 负载调节汽油机转速，二是将发电机发出的中频( 3 0 0 h z 6 0 0 h z ) 三相交流电转 换成5 0 h z 的单相交流电。本文的目的就是要研究开发具备上述功能的i k w 汽油 发电机的变频器。主要工作包括： ( 1 ) 发动机运行过程的分析、模型的建立和仿真 ( 2 ) 使用a v r 单片机设计了电子调速器 ( 3 ) 研究了模糊控制在汽油机转速中的应用，设计完成模糊一p i d 混合控制器 ( 4 ) 设计a c d c a c 的功率主电路 ( 5 ) 以f r e e s c a l e 的d s p 芯片为核心设计实现了逆变器的数字控制器 ( 6 ) 研究了逆变器的控制算法 ( 7 ) 完成了整机的调试 1 7 本章小节 本章介绍了汽油发电机组的特点和用途，对数码发电机的优点进行了描述。 然后介绍了发动机电子调速以及电力电子逆变技术发展的历史和现状，最后简单 说明了本文的主要工作内容。 参考文献 1 曹字衡，曹阳，小型汽油发电机组，上海：上海交通大学出版社，2 0 0 2 2 周水清，汽油发动机作为发电机组动力的要求和现状，移动电源与车辆， 1 9 9 4 ，( 1 ) ：1 3 3 吴民桥，柴油机数字式电子调速器的技术现状和发展趋势，中外船舶科技， 2 0 0 1 ，( 4 ) ：2 0 2 4 4 赵文钦，黄启松，林辉，新编柴油汽油发电机实用维修技术，福州：福建科 学技术出版社，2 0 0 7 3 5 刘风君，现代逆变技术及应用，北京：电子工业出版社，2 0 0 6 9 6 王兆安，黄俊，电力电子技术，北京：机械工业出版社，2 0 0 0 7 陈道炼，d c a c 逆变技术以其用用，北京：机械工业出版社，2 0 0 3 1 1 8 徐德鸿，马浩，汪檩生，电力电子技术，北京：科学出版社，2 0 0 6 9 第二章汽油发电机组结构和工作原理 汽油发电机组是利用汽油机的动力，带动发电机转子旋转，产生感应电动势， 从而输出交流电能的机电系统。汽油机和发电机是汽油发电机组最主要的组成部 分和机械部分的主体。汽油机是汽油发动机的简称，汽油发电机组中的发电机一 般情况下是交流同步发电机。 2 1 汽油机工作原理 汽油发动机是以汽油为燃料的内燃机。所谓内燃机，就是把燃料在气缸内 燃烧产生的热能转化为机械能的机器。图2 1 是汽油发动机的结构示意图。它的 工作原理是，当汽油和空气的混合气进入气缸时，被上行的活塞压缩到燃烧室中 用电火花点燃，迅速燃烧的混合气使气缸内的压力骤然膨胀，压迫活塞做下行运 动，经过连杆的传递给曲轴转变成旋转运动。由于惯性作用，曲轴继续旋转，带 动活塞做上行运动，排出废气，之后又重新压缩进入气缸的混合气，如此循环往 复，产生动力。 发动机每经过进气、压缩、膨胀和排气四个过程，叫做完成一个工作循环。 凡是活塞在气缸内上下运动共四次，曲轴旋转两周完成一个工作循环的发动机， 叫四冲程发动机。而活塞上下运动两次，曲轴旋转一周完成一个工作循环贝f j n - 冲程发动机。 燃烧过程是汽油机工作循环中最重要的一个环节，在混合气进入气缸以后， 汽油机利用火花塞放电产生的高压电火花点燃混合气，混合气燃烧放热，使气缸 内的压力骤然升高，将活塞从上止点推动到下止点，从而产生动力。燃烧过程中 燃料的化学能先转化为热能然后又转化成机械能。燃烧的效率将直接影响到汽油 机工作的性能，燃料燃烧的越充分，释放的热量就越多，转化的机械能也就越多。 对燃烧过程的要求主要有两个：一是燃烧的速率，燃烧越快，燃烧就越及时，压 力上升就越快，有利于热功转换。二是燃烧时机，一般要求燃烧放热的过程在活 塞接近上止点时进行。 1 0 图2 1 汽油发动机结构示意图 2 2 汽油机的特性1 】 汽油机的工作状况由运行特征参数来描述，内燃机和输出功率和转速之间 有如下的关系 札= 等k w 其中肘是内燃机发出的驱动力矩，n 是内燃机的转速。 当内燃机稳定工作时，它的输出转矩等于负载的阻力矩，上面三个参数只有两个 是独立的，在一般情况下用m 和仃来表征内燃机的运行状况。 发电机用汽油机通常工作在某一转速下，而负载的变化幅度可能非常大，呈 跳跃式，为了保证输出电压和稳定，必须采用自动调速器来维持转速的恒定。这 种工作的状态称为线工况。 2 2 1 汽油机的速度特性 汽油机当化油器和点火提前角都已经调整好以后，调节节气门开度就可以就 改变转速。当节气门固定在一个位置上，汽油机的转速将随负载变化，而它的其 他性能参数随转速变化的关系，称为汽油机的速度特性。图2 2 是一般汽油机的 不同节气门开度下的速度特性趋向。 m e n e 图2 2 汽油机速度特性曲线 发动机的动力性能由扭矩特性决定，而扭矩m 。受很多因素影响，可由下面 的关系表示 m ：= k t 翌h ， m “ 式中足是某一固定系数，口由化油器决定，基本不随转速变化，而热效率研在 工作过程中变化极小，为了便于分析，忽略它的影响。这样，纽矩特性仅仅由充 气效率仉和机械效率随转速变化的规律决定。 图2 3 ( a ) 和2 3 ( b ) 分另l j 是充气效率仉和机械效率巩跟节气门开度之间的关系 曲线。在节气门全开时，仉和都在某一转速区问呈上凸形状。在节气门部分 开度时，仉和随转速的升高而下降，但下降的速率有所不同。仉和的乘积 决定了扭矩m 。曲线的形状，根据上面的分析，扭矩以曲线将时一条上凸的曲线。 由此可知，汽油机在某一处功率为最大，超过这个转速后功率开始下降，如果继 续增加发动机转速，不但不能提高输出功率，反而会增加磨损和惯性负荷。 1 2 ab 图2 3 充气效率巩和机械效率与节气门开度的关系 1 一节气门全开2 、3 、4 、5 一节气门部分开启 2 2 2 汽油机的负荷特性 负荷特性是指当转速不变时，汽油机燃油消耗量和有效燃油消耗率随负荷 变化的关系性能随负荷而变化的关系，变化的曲线如图2 4 所示。汽油发电机组 中的汽油机的负荷是发电机，工作的特点是转速保持不变。根据负荷大小的变化 调节节气门的大小，使得汽油机的转速基本维持稳定。当汽油机转速一定时，节 气门的开度跟随负荷变化，从而改变着进入气缸的混合气的数量，因此每小时的 燃油消耗量和有效燃油消耗率都将随着负荷的改变而变化。转速一定时，每小时 的燃油消耗量g 主要取决于节气门的开度和混合气的成分。总得来讲，燃油消 耗量跟节气门开度成正比关系，开度越大，进入气缸的混合气量越多，燃油的消 耗量也就增加。燃油消耗率随负荷的变化主要取决于机械效率仉和指示效率 研随负荷的变化规律，基本上和二者的乘积呈反比关系。随着负荷的增大，机械 效率仉和指示效率仇增大，降低，在全负荷工作条件下，混合气成分变浓， 燃烧不完全，指示效率研减小，又增大。 图2 4 汽油机负荷特性 n 。 2 2 3 汽油机的调速特性 发动机的转速通过控制节气门的开度来调节。发动机的转速和负荷随时间 变化的工作状态称为不稳定工况。发动机转速调节的过程就属于不稳定工况。以 加速过程为例，与稳定工况相比，它的进气量、混合气形成、燃烧等都会受到影 响。在加速过程中，因为惯性需要吸收部分功率，发动机的功率不能完全对外输 出，这使得发动机输出的有效功率下降。 发动机加速时，如果增加节气门开度过于急促，不仅不能缩短调节时间，反 而会使之加长，甚至引起振荡，也就是所谓的“游车”现象。图2 5 是一台发动 机的调速实验曲线。横坐标是节气门开启的时间r ，纵坐标表示曲轴平均角加速 、 度兰；和完成加速的时间t 。从图中可以看出，存在一个最佳开启速度，节气门 d f 开启过快或者过慢都会增加调节时间。对这个现象的原因可以解释为：节气门开 启过快，由于燃料惯性和粘度比空气大得多，混合气必然出现短时间变稀的现象。 虽然在化油器设计时，已经设置加速泵来防止这种现象的发生，但是由于节气门 开度过大，迸气管内压力上升，而管臂的温度仍然比较低，所以雾化条件变差， 使得汽油来不及蒸发形成混合气，即使汽油进入了气缸，也有可能因为气化不良 而导致不完全燃烧。因此，过急地打开节气门对发动机的加速反而不利。 4 t ( s ) 图2 5 加速时曲轴角加速度_ d o ) 和完成时间t 与节气门t 打开时间的关系 a t 发动机加速时输出功率为 n ：= n ；一n ：一n i 稳定工况时输出个功率m 为 n c = n l n m 其中，一加速时发动机运动件吸收的惯性功率； m 、7 一稳定工况和加速工况下指示功率； 虬、 0 一稳定工况和加速工况下机械损失功率。 加速时，发动机输出功率下降为a n e = ( 一i ) 一( 虬一帆) + n j 。其中机械 损耗功率变化不大，若忽略此项，则发动机在加速过程中的输出功率下降可以认 为是指示功率下降和运动件惯性吸收两部分原因造成的。图2 6 是发动机加速过 程中纽矩的变化规律，可见加速过程中发动机输出纽矩有大幅度的下降。 2 3 同步发电机 图2 6 加速时发动机扭矩m 。的变化 同步发电机是把机械能转换成交流电的设备，它可以分为旋转电枢式和旋转 磁极式两种，虽然结构上有所不同，但是它们工作的基本原理都是磁场和导线的 相对运动，切割磁力线，产生感应电动势。同步发电机由定子和转子组成。定子 又包括支撑的机座、导磁的定子铁心、导电的定子绕组等部分，是产生感应电动 势和电流的地方，又称为电枢。转子主要由转子铁心和磁极绕组组成，是发电机 建立磁场的部分。 同步发电机的磁极在设计时已选择成适当的形状，使得发电机工作时，定子 和转子之问的磁场强度近似于正弦分布。所谓“同步”是指发电机转子的旋转速 度和定子磁场的旋转速度保持一致。在中小型发电机组中常常使用无刷同步发电 机作为发屯装置。无刷同步发屯机的定子部分包括：机座、定子铁心、定子绕组、 端盖、轴承盖、交流励磁机的定子等；转子部分包括：转子铁心、磁极绕组、转 轴、轴承、风扇、交流励磁机电枢和旋转整流器等。图2 7 是极对数为2 的无刷 同步发电机结构模型。 1 6 图2 7 同步发电机模型 子 2 3 1 同步发电机工作原理 同步发电机输出交流电频率，电机的极对数p 和转速甩之间的关系为 6 0 厂 ”= p 定子的三相绕组在空间的位置是对称的，彼此相差1 2 0 。的相位【2 1 。当转子旋 转产生一个旋转的磁场，使得定子绕组相对与旋转磁场产生切割磁力线运动，产 生对称三相感应电动势，即 e a = 已s i n o t e b = 已s i n ( c o t 一1 2 0 。) e c = es i n ( o ，t + 1 2 0 。) 式中瓦一相电动势有效值 出一电角速度( o j = 2 丌f ，= 等) 定子每相绕组感应电动势的有效值为 e 。= 4 4 4 4 n 9 式中：k 一绕组系数 ，一感应电动势频率 一每相绕组的匝数 7 从上式可知，发电机定子感应电动势与每相绕组的线圈匝数和感应电动势的频率 成正比。定子绕组匝数越多、转子转速越高，感应电动势就越高。 2 3 2 同步发电机的负载运行【3 l 当发电机空载时，输出端电压等于感应电动势。当发电机带负载运行时，其 端电压和电动势不相等。以凸极式同步发电机为例，在忽略定子绕组的情况下， 发电机一相定子绕组的电势平衡方程式为： u 2 e o j l d xd j i q x q 其中【，一输出端电压 e 一空载电势 l 一同步发电机电枢电流纵轴电流分量 l 一电枢电流横轴电流分量 l 一电枢电流 以一纵轴同步电抗 以一横轴同步电抗 图2 8 是感性和容性负载下，凸极式同步发电机的电势向量图，从图中可是看出 感性负载情况下，输出端电压小于感应电动势，电容性负载时，端电压大于感应 电动势。 2 4 本章小节 电感性负载 电容性负载 图2 8凸极性同步发电机电势向量图 本章是关于汽油发电机组中的两个主要组成部分汽油机和同步发电机。首先 介绍了汽油发动机工作循环的过程以及其原理。然后详细分析和描述了汽油机的 速度特性、负荷特性和调速特性，这三种特性是评价汽油机的重要指标，为后面 调速控制器的设计提供了参照的依据。最后介绍了同步发电机的工作原理和结 构，并对其带负载是的输出特性进行了分析。 参考文献 【1 】西安交通大学内燃机教研室，内燃机原理，北京：中国农业机械出版社，1 9 8 1 2 【2 】辜承林，陈乔夫，熊永前，电机学，武汉：华中科技大学出版社，2 0 0 5 8 【3 】苏石川，元广杰，杨宗明，现代柴油发电机组的应用和管理，北京：化学工 业出版社，2 0 0 5 6 9 第三章汽油机转速控制系统设计 汽油发动机拖动发电机向外部负载供电，要求发电机产生的交流电压和频率 越稳定越好，而电压和频率直接和发动机转速有关，发动机转速忽高忽低会造成 发电机输出电压不稳定i l l 。虽然在数码发电机组中，发电机输出电压并不是直接 输出给负载，而是整流后作为逆变器的输入电压。输入电压的波动对逆变器系统 来说是个扰动量，希望其越小越好。因此，如果发动机的转速控制不当，将造成 逆变器输入电压的较大波动，从而增加逆变环节设计的难度。 传统的发动机转速控制系统，一般采用机械控制的手段，转速的测量、误差 信号的放大以及执行机构的调节动作都通过机械元件来实现，控制的响应速度和 精度都很有限，无法满足高性能的要求。研究和开发电子调速器，就是为了提高 控制器的动态性能和静态性能，使发动机的转速能够迅速平稳地跟踪负载的变 化，从而提升整个发电机组的工作效率和输出电源的品质。 为达到稳定转速的目的，根据负载的变化，相应地调整节气门的开度，改变 进入气缸的混合气的数量。当负载增加时，为了不使发动机转速下降，要加大节 气门开度，增加混合气数量，当负载减少时，为了不使发动机转速上升，要关小 节气门开度，减少混合气的数量。图3 1 为调速控制系统的示意图，其中将步进 电机作为控制节气门开度的执行机构。 图3 1 汽油机转速控制系统 3 1 调速器的性能指标2 】 衡量调速器工作性能的指标主要有瞬时调整率万、转速不稳定度妒、过渡过 程稳定时问f 等。汽油机调速的过渡过程如图3 2 所示。 瞬时调整率定义为 图3 2 汽油机调速过渡过程 占：堡1 以 表示过渡过程转速变化瞬时增长的百分率： 式中 一动态过程最高( 或最低) 转速( r m i n ) n 一负载变化前的稳定转速( r m i n ) 胛一额定最高转速( r m i n ) 转速的不稳定度定义为 口：鱼些二鱼q 不稳定度反映的是稳态工况时发动机转速的波动情况 式中 n 一某稳定工况下的平均转速 2 t ( s ) n l n l 。一某稳定工况的最大转速 f i r , t i n 一某稳定工况的最小转速 在图中可以看出，稳定时间f 是发动机从一个转速过渡到一个新的转速所经历的 时间，这也是调速器的个重要指标，t 越短说明调速器的动态特性越好。 3 2 发动机数学模型【3 - 5 根据达朗贝尔原理，发动机的运动方程为 j 等= m d _ m c 式中 心一发动机输出转矩( n 肌) 丝一阻力矩( ，所) ： j 一发动机曲轴处的转动惯量( 瞎m 2 ) ； 缈一曲轴角速度( 1 s ) 。 发动机输出转矩帆与节气门位置以和发动机的转速有关，是二者的函数， 因此有 m d = f 皑。，曲 一般情况下，阻力矩m ，与转速和负载特性有关，所以 m 。= f ( l ，缈) 将式展开线性化后代入，得 - ，丝a r t = 尝蚺薏吼一警协警址 a 越。 5 0 跣 令警一警嘭c 为自稳系数，上式又可以化为 ，警+ 乃薏皈一警盟 稀上瓦尢凼仄化，等m 吃2 妒，似。2 叩，a l t 2 l 上式成为 j q 警呶y = 薏锄一警t 旯 上式同时除以吮( 标定工况时的主动转矩) ，得到 乃警+ = 切一鼻五 其中 铲薏笔( 发动机的力口速时间常数) 乃2 瓦j 。- o e ( 发动机自稳系数，指发动机自动平衡能力) = 瓦o m a 笔( 发动机特性系数，指节气门单位开度对引起输出转矩变 化的大小1 屯= 雩争警( 阻力矩系数，表示阻力矩变化的大小) 对于负载为发电机时，司近似认为k 2 1 ，2 1 ，式司以简化为 乃警+ 中旯 当负载不变化时，五= o ，上式成为乃警+ 不= 叩 对上式做拉普拉斯变换，得到 乃s y ( 5 ) + y o ) = 叩0 ) 因此，发动机转速对于节气门开度位移的传递函数为 啪) 2 鬻2 丽1 玎t 印j ，+ f 根据内燃机工作的特点，从节气门开度改变到输出转矩发生变化有一个时间上的 滞后过程，因此发动机传递函数还应该加入一个纯滞后环节，整个发动机可近似 为一个惯性环节串联一个纯滞后环节，传递函数为 3 3 控制策略和方梨6 。9 】 g = 螽 p i d 控制由于其结构简单、易于实现，并且鲁棒性较强，是当前工业控制中 使用最普遍的控制方法，以往的发动机电子调速器采用的都是p i d 控制。p i d 控 制本质上是一种线性控制器，是一种基于系统精确模型的控制方法。一旦控制对 象的特性发生变化，其控制的效果就会下降。虽然上节已经推导出发动机的数学 模型，但是发动机的实际工作过程及其复杂，受多方面外界因素的影响，其运行 参数也随着工作时间的增长而变化。当发动机的温度和负荷变化时，原来设定的 p i d 控制参数可能不再满足要求，或者控制的效果明显下降。对于发动机这样一 个非线性的、时变的、不确定的系统，很难找到在所有条件下都适用的p i d 参 数影响控制效果的提高。这就需要找寻新的控制方法来应对这种情况。 模糊控制的特点是不需要控制对象的精确模型，它是建立在人类专家经验的 基础上，模仿人类在控制活动中的思考和决策过程，通过对信息的模糊化处理， 形成系统状态的模糊概念，然后通过基于专家经验的模糊控制规则进行推理，最 后做出模糊判决，从而对系统进行控制。模糊控制是一种非线性的控制方法，它 具有超调量小、鲁棒性强、对系统参数变化和外界扰动不敏感等优点，因此非常 适合发动机系统的控制。但是，由于模糊控制是一种非线性控制，它虽然响应快， 动态特性好，但是它无法把误差降低到零，在静态时总是存在一个偏差。p i d 控 制由于存在积分作用，可以完全消除稳态误差，因此本文拟采用模糊一p d 混合 控制的方法，将模糊控制和p i d 控制结合起来，取长补短。在大误差情况下， 采用模糊控制，使系统快速响应，同时减小超调；在小误差情况下，采用p i d 控制，以减小静差，提高控制精度。 3 3 1 数字p i d 控制 p i d 控制器的控制规律为 们) = 州r ) + 髟m 出+ 掣 式中，( f ) 为控制器的输出，p ( f ) 为控制器的输入；k ，、k ，、k 。分别为比例、 积分、微分系数1 1o ，j ”。 上式为模拟p i d 的算法，对其进行离散化，得到 t “( 尼) = k p e ( k ) + k z e ( j ) + k o e ( k ) - e ( k - 1 ) j f f i o 式中k 一采样序号； “( 七) 一第k 次采样时刻输出值： p ( ) 一第k 次采样时刻输入的偏差值； e ( k 一1 ) 一第( k 一1 ) 次采样时刻的偏差值； 数字p i d 算法通常又分为位置式和增量式，本文采用增量式p i d 算法。增量式 p i d 算法的输出是执行机构所需控制量的增量。根据递推原理 i i u ( k - 1 ) = k , , e ( k - 1 ) + k e ( j ) + k d t e ( k - 1 ) - e ( k 一2 ) 】 卢0 将两式相减得到 a u ( k ) = k p p ( 丘) + k p ( 七) + k d a e ( k ) 一a e ( k 一1 ) 】 式中 a u ( k ) = “( 七) 一u ( k 一1 ) 血( 七) = e ( k ) - e ( k 一1 ) 采用步进电机作为执行机构时，增量式p i d 的输出“( 七) 就对应本次步迸电机运 行的步数。 3 3 2 模糊控制( f u z z y ) 模糊控制是以模糊集合、模糊关系、模糊语言以及模糊逻辑和推理为基础的 智能控制理论。模糊系统理论是由美国的z a d e h 教授与1 9 5 6 年创立的，经过几 十年的发展，模糊控制的理论更加的完善成熟，被成功地运用到工业控制的各个 领域，取得了显著的成果。 模糊控制是种新型的智能控制方法，跟传统的经典控制有很大的区别。传 统的控制方法首先需要系统精确的数学模型，然后在这个模型的基础上分析和设 计控制器。然而，由于实际工程中的系统往往是非常复杂的，有的时候很难获得 系统比较准确的数学模型，这个时候经典控制的设计方法就会遇到困难。这类问 题运用模糊控制往往能收到良好的控制效果。 模糊控制系统的核心是模糊控制器，其基本结构如图3 2 所示。控制器的输 入是被控制量误差信号e 的精确值，把误差信号的精确量经过模糊器模糊化之 后成为模糊量e ，这个模糊量再作为模糊推理机的输入，模糊推理机根据模糊控 制规则库进行模糊推理决策，产生控制输出的模糊量u ，这个模糊量再经过解模 糊器成为最后控制量精确值u 。 图3 3 模糊控制系统框图 在模糊控制器中，将输入变量的个数定义为模糊控制器的维数。常见的 模糊控制器有一维、二维和三维，如图3 3 所示。一维模糊控制器只是将误差信 号e 作为输入，很难反映出系统动态特性，因此控制系统的动态特性不是很理想。 二维模糊控制器将误差信号e 和误差的变化率e c 作为输入信号，能较好地反映 受控对象的动态品质，因此控制效果要明显优于一维的模糊控制器。三维模糊控 制的结构复杂，规则繁多，推理时间长。一般来说，模糊控制器的维数越高，控 制的精度也越好，但是实现起来也越困难。目前使用最普遍的是二维模糊控制器，