汽油发电机

2024-09-06

汽油发电机（共4篇）

汽油发电机篇1

1概述

汽油发电机是直接对外部供电的设备, 国家标准规定供电设备输出的交流电压和频率必须稳定在一定范围, 否则可能会影响用电设备的使用效果, 甚至造成设备损坏[1]。因此, 利用电子调速器来调节汽油发电机组中汽油发动机的转速, 使其在发电机的各级负载下都能具有稳定的转速, 对提高发电机的供电品质, 保证发电机组运行的可靠性和安全性有着非常重要的作用, 而任何控制都要基于适当的模型, 因此, 对汽油发电机组合理建模对于汽油发电机组的调速控制至关重要。

2汽油发电机建模

在汽油发电机组中的汽油发动机, 工作特点是要求转速保持稳定。而汽油发动机转速的控制, 实质上是调速器根据汽油发动机的运行状况和外界负载变化情况, 调节化油器节气门开度来改变供油量, 使汽油机的转速保持在给定的转速范围内。当汽油发电机负载恒定而无其它因素扰动时, 汽油发动机工作于稳定工况。汽油发动机的稳定工况是由给定负荷下曲轴的恒定转速来表征的, 如果忽略机组的摩擦力矩Mr时, 只有当汽油发动机发出的输出力矩Md与转化至曲轴上的阻力矩Mf相等时, 即:

才能维持此稳定工况 (脚注0表示平衡状态) 。

根据达兰倍尔定理, 机组的运动方程可写成:

对于偏离平衡工况的微小波动, 按小偏差线性化方法有:

则式 (3) 可以写为:

汽油发动机输出力矩Md与单位时间内进入气缸的燃油混合气有关, 也可以看成是节气门开度角的函数。同时输出力矩还与汽油发动机转速有关。因此, 输出力矩Md是与的函数, 即:

将式 (5) 按泰勒级数展开:

为便于分析求解, 可按小偏差线性化原理, 忽略二次及高次项。这时公式 (6) 可写为:

将式 (8) 与式 (10) 代入式 (4) , 有:

或

如果节气门开度不变, 只考虑负载变化的作用, 则式 (15) 为

3模型验证

基于此模型利用自抗扰控制技术[2]对汽油发电机调速的稳定性进行了研究。图1是给系统加连续突变负载时汽油发电机工作情况。仿真结果表明在不同负载等级下系统静态转速波动率小于0.07%, 并且负载切换过程中转速的超调量小于0.14%, 过渡过程时间小于0.5s。

结束语

由仿真研究表明, 基于此模型的自抗扰控制器可以具有很好的自抗扰能力。

参考文献

[1]范晓东, 小型汽油发电机组[M].北京:科学出版社, 1989.

[2]韩京清.自抗扰控制技术[J].前沿科学, 2007, 1:24-31.

便携式汽油发电机控制模块的设计篇2

便携式汽油发电机因具有小巧、机动及噪音和气味小等优点,在10kW以下的小容量发电机组需求中有较大市场[1]。由于汽油发电机的输出功率通常情况下不可调节,造成在低负载下电能的不必要消耗。此外在不同的负载下要求发电机产生的电流、电压和频率越稳定越好,这就需要对发动机转速进行调节控制。传统汽油发电机中调节模块采用机械、液压方式来控制发动机转速,由于转速偏差测量与放大均通过机械元件实现,难以完成较为复杂的调节规律和控制功能,无法满足进一步提高调节精度和自动化程度的要求。因此性能更为优越的数字式和智能化控制将是今后发展的方向和重点。

2 控制系统构成

本文设计的便携式汽油发电机控制系统框图如图1所示。具体工作原理:首先将汽油发电机输出的三相交流电通过三相整流桥转变成直流高电压,经过功率因数校正环节后,再通过逆变环节转变成交流电,最后通过LC滤波器将输出电压变换成220V/50Hz的交流电供负载使用[2]。

系统以整流电路输出的直流电压、电流作为反馈量进行控制,通过调节汽油机的油门开度来保持整流电路部分输出电压的恒定。前级的DC/DC变换器可以实现输入、输出电压匹配及电气隔离,并且由于高频隔离,可降低电源的体积和成本。

控制模块的微处理器采用了M i c r o c h i p公司的dsPIC30F2010高性能16位单片机,它的特点是将控制和数字信号处理高速运算相结合,同时实现了对步进电机的控制和用于逆变环节的SPWM信号生成,为本系统设计提供了适合单芯片的解决方案。

dsPIC30F2010具有24位宽指令与16位宽数据总线,指令系统有83条指令,而且由于DSP引擎包含有1个高速的17位与17相乘的乘法器、1个40位的算术逻辑单元、2个40位宽的累加器以及1个40位的双向移位器,明显提高了芯片运算能力,从而具有DSP的处理能力。同时它提供六路死区时间可编程的P W M输出通道和3个16位计时器,4个16位的比较输入可以捕获电机位置传感器信号,6通道10位A/D转换器可用于处理电机速度反馈、电压、电流等模拟信号[3,4]。

3 系统硬件方案和工作原理

3.1 控制环节

由数字信号控制器dsPIC30F2010组成的控制环节电路如图2所示。采用8 M H z的晶振作为时钟输入,内部锁相环设为16倍频,可编程时钟分频器设为1分频,得到的系统时钟经4分频得到指令周期时钟为3 2 M。这样的运行速度,可以较好的满足本文采用的逆变技术(正弦脉宽调制逆变技术)对输出载波高频率的要求。

为了满足控制环节的功能需求,对控制器的I/O资源分配如下:RB0(智能/非智能模式切换)、RB1(油位状态指示)、RB2(电机转速过载检测)、RB4(电流检测)、RB5(电压检测)、RE2(继电器控制)、RE3(电源过载指示);RC13(步进时钟输出)、RC14(L297复位控制)、RD0(步进方向控制)、RD1(半步/全步模式切换)和R E 8(L297使能控制)用于对步进电机驱动环节进行控制;RB3(关断控制)、RE4(PWM输出)和RE5(SPWM输出)用于对逆变环节的驱动和控制。

3.2 逆变环节

逆变部分采用自关断器件I G B T实现单相全桥逆变。IGBT是全控型电力电子器件,它的控制极为绝缘栅场效应晶体管,输出极为双级功率晶体管,具有开关频率相对高,驱动功率小,构成的功率交换器输出电压纹波小,线路简单的特点。

在逆变环节设计时,除了需要驱动IGBT器件外,还要防止同一桥臂的上、下两个I G B T器件发生直通现象。为此须注入若干微秒的死区时间,以保证开关器件安全、可靠运行。

本文设计时采用了专为高电压、高速度功率IGBT设计的功率驱动芯片IRS2104。如图3所示,由dsPIC30F单片机产生1路50Hz的PWM信号和1路20kHz高频的SPWM信号,以及相应的控制关断(nSD)信号,经过光耦隔离后连接到IRS2104输入端,在输出端HO和L O分别产生两路对称的P W M信号对I G B T器件进行驱动和控制。

同时该驱动芯片可对逆变桥上、下桥臂提供可靠的死区时间,约为520ns,以避免同一桥臂上的被驱动功率元件IGBT在开关转换过渡期间发生同时导通。

3.3 电机驱动环节

为了调节汽油发电机的输出功率,需要改变油门开度。本文设计时通过采集整流后的电压、电流反馈量对步进电机进行闭环控制,进而实现对油门开度的控制。

本文设计的步进电机驱动电路如图4所示,包括步进电机控制器L297(含环形分配器)和双H桥式驱动器L298。由dsPIC30F单片机作为控制器向L297发出时钟信号(CLOCK)、正/反转选择(CW/CCW)、半步/全步模式选择(HALF/FULL)、复位信号(RESET)及使能控制(ENABLE)等信号。电路中可以调节步进电机控制器L297外围电路的参考电压(Vref),该电压将与通过管脚SENS1,SENS2所反馈的电位大小比较,来确定是否进行斩波控制,以达到控制电机绕组电流峰值、保护步进电机的目的。

3.4 功率因数校正环节

由于通过三相整流桥输出的电压可能无法匹配逆变器前级的电压要求,故设置D C/D C升压环节对电压进行调整。为了得到较高的功率因数,采用了功率因数校正(PFC)技术。该技术的目的是使电源的输入电流接近于正弦波且与输入电压同相,使功率因数接近1。

本系统采用平均电流控制技术原理,设计时采用了功率因数校正集成控制芯片UC3854,它的特点是当输入电压波动较大时,输出电压还可保持稳定。其控制原理是将电感、电流信号与锯齿波信号相加,当两信号之和超过基准电流时,开关管关断;当其和小于基准电流时,开关管导通。它的取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。采用功率因数校正技术,一方面使输入电流能跟随输入电压,从而实现单位功率因数;另一方面使反馈输出电压稳定,从而使D C/D C变换器的输入实现预稳。

4 控制软件设计

4.1 SPWM信号发生程序设计

D C/A C逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用,把直流电能变换成交流电能,虽然转换效率较高,但输出波形较差,是含有相当多谐波成分的方波。而实际应用需要输出较为理想的正弦波,这是逆变的关键技术之一。

采用S P W M波形调制,可以使得电压输出为正弦波。通常采用专用脉宽调制处理芯片来完成。由于产生不同的正弦脉宽调制波形,其调制处理芯片的算法、频率输出范围、波形产生机理、外围电路及其它功能强弱等方面有很大的不同,并且这些芯片技术不断发展,使得该技术越来越趋向于软件化。

本方案将高性能数字信号控制器dsPIC30F单片机用于D C/A C电源逆变器的设计中,通过软件产生S P W M信号,提高了系统集成度,控制了成本。S P W M信号产生算法主要包括自然采样法、对称规则采样法和不对称规则采样法[5]。其中自然采样法由于涉及超越方程,不适于实时控制。对称规则采样法数学模型简单,但是由于每个载波周期只采样一次,因此逼近程度仍存在误差。而不对称规则采样在每个采样周期采样两次,其阶梯波更接近于正弦波,所以谐波分量的幅值更小,逼近程度更高。采用不对称规则采样法产生S P W M信号,其原理如图5所示,不对称规则采样时阶梯波与三角波形成的交点不对称,分别在三角波的顶点对称轴位置t 1时刻和底点对称轴位置t 2时刻采样,产生S P W M信号的子程序流程图如图6所示。

为了保证控制系统运行的实时性,在程序中通过查表法不断向P W M占空比寄存器(PDC)更新预先算得的占空比值,实现S P W M信号的产生,图7为产生的S P W M信号波形。

4.2 控制器程序设计

控制主程序流程如图8所示,可以实现智能/非智能模式控制、过流保护、正弦脉宽调制波产生等。在定时器1的中断服务子程序中实现对占空比寄存器变量进行更新和A/D采集时间控制。通过对电压的A/D采集,用于作为反馈量控制步进电机对油门开度进行闭环控制。

由于汽油发电机的转速控制系统是典型的时变、非线性、多层次复杂系统,为了控制汽油发电机的转速在各种负荷变化情况下都具有较小的超调、较快的稳定时间,从而提高汽油发电机的发电品质,在程序中采用了带死区的变速PID算法实现闭环控制。由于控制系统中以步进电机为执行对象,故无需控制量的绝对值,而只需其增量。采用增量式PID控制算法,具有输出为增量、误动作影响小和便于实现无扰动切换的特点。

5 结束语

本文设计了用于满足中小功率供电需求的便携式汽油发电机控制模块,空载时输出的50Hz交流电压信号谐波失真(THD)在1%以内。图9为输出电压通过控制模块逆变后输出的50Hz交流电压信号波形。当负载发生变化时,输出电压波形基本不变,谐波失真在4%以内。同时该控制模块通过对油门作用使得汽油发电机在输出功率改变的同时发动机转速波动较小,从而保持发动机工作频率的稳定,提高发电机的供电品质。

参考文献

[1]周水清,汽油发电机作为发电机组动力的要求与国内现状[J].移动电源与车辆,1994,(1):1-4.

[2]周志敏,周纪海,纪爱华,逆变电源实用技术-设计与应用[M].北京:中国电力出版社,2005.

[3]JORGE ZAMBADA,Driving a BLDC with Sinu-soidal Voltages Using dsPIC30F[R],Microchip TechnologyInc.,2005.

[4]STEVE BOWLING,An Introduction to AC Induc-tion Motor Control Using the dsPIC30F MCU[R],Micro-chip Technology Inc.,2005.

汽油发电机篇3

fire water supply system

GUO Xiao-zhen1, NIU Su-ling2

(1. Beijing Chaoyang Fire Detachment, Beijing 100023, China;2.Beijing Chongwen Fire Detachment, Beijing 100050, China)

Abstract:

汽油发电机篇4

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[1]。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。为此, 本文在汽油发电机转速控制系统中引入了自抗扰控制技术。

2转速控制系统设计

设计的汽油机转速控制系统如图1所示, 其中将步进电机作为控制节气门开度的执行机构。

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。

3自抗扰控制器设计

自抗扰控制器包括跟踪微分器 (TD) [2]、扩张状态观测器 (ESO) [3]、非线性反馈控制律 (NLSEF) [2]、动态补偿线性化[4]四个部分。

3.1跟踪微分器 (TD) , 安排过渡过程并提取其微分信号, 给定速度信号作为参考输入。

3.2扩张状态观测器 (ESO) , 对系统的状态和扰动进行实时估计与补偿。

3.3非线性反馈控制律 (NLSEF) , 对状态误差进行非线性组合配置。

3.4动态补偿线性化, 估计补偿对象总和扰动来使对象变成纯积分器串联型对象, 这个动态估计补偿总和扰动的技术是整个自抗扰控制技术中的最关键, 最核心的技术。

结束语

自抗扰控制器, 其结构明晰、算法简单、响应速度快、控制精度高, 对受控对象模型的不确定性因素和外扰具有优良的适应性和鲁棒性, 从根本上解决了经典PID调节器的理论缺陷, 具有很好的应用前景。

参考文献