專利名稱：發電機組預知式電子調速器及調速方法
技術領域：
本發明涉及發動機控制技術，尤其是一種發電機組預知式電子調速器及對應的調速方法，屬于發動機調速領域。
背景技術：
發電機組做為常用或備用電源在現代社會中廣泛應用。發電機組的重要控制裝置調速器的主要功能是控制發動機的轉速在需要的范圍內。即當發電機組的負荷發生變化時，能自動調節發動機的燃料供給量，以保持發動機轉速的波動盡可能的小。隨著發電機組
技術的進步，調速器也經歷了機械式調速器、液壓式調速器、氣動式調速器、模擬式電子調速器和數字式電子調速器幾個階段。其中數字式電子調速器主要由轉速傳感器、輸入電路、微處理器、驅動電路、執行器、通信電路和電源電路組成。轉速傳感器產生的轉速信號，經輸入電路轉換后，送入微處理器；微處理器對轉速信號進行PID (比例積分微分算法)運算后輸出控制信號；控制信號經驅動電路放大后控制執行器轉動；執行器轉動引起發動機燃料供給量的變化，從而改變發動機的轉速。以上這些控制過程形成了一個閉環控制。數字式電子調速器的優點在于它的參數可以方便的調試從而適用不同的發動機的調速要求，因此被廣泛使用。眾所周知，發電機組的主要負荷是我們常見的異步電機，如冰箱、空調和洗衣機等都是由異步電機驅動的。因為異步電機的啟動電流是它額定電流的2倍以上。例如對于冰箱而言，配發電機組的功率應該是冰箱本身功率的4倍；對于洗衣機而言，配發電機組的功率應該是洗衣機本身功率的3倍；對于空調而言，配發電機組的功率應該是空調本身功率的2倍。當發電機組帶上異步電機時，發電機的電流會突然增加，而由于慣性的作用發動機的轉速會間隔一定時間后才會開始下降。而目前所有調速器都是檢測到發動機的轉速降低后，才會增加燃料，這在控制上來說，已經滯后了。另外由于發動機的燃燒特性，即便燃料增加，發動機的扭矩也不會迅速增加，以至發動機的轉速會接著下降一定時間后才會開始上升，這很容易造成異步電動機啟動的時候拖死發動機。所以在給異步電機這樣的負載選配發電機組時要求留有足夠的功率冗余，這無疑是大馬拉小車，造成使用成本增大。
發明內容
針對現有技術存在的上述不足，本發明提供一種發電機組預知式電子調速器及對應的調速方法，本發明能夠預判發動機的轉速變化趨勢，從而在發動機轉速變化前開始控制，以防止發動機轉速大幅度波動，達到提高發電機組帶異步電機負荷的能力。為了實現上述目的，本發明的目的是這樣實現的一種發電機組預知式電子調速器，包括轉速傳感器、運行/怠速開關、輸入電路和微處理器，該轉速傳感器和運行/怠速開關分別與所述輸入電路的輸入端連接，該輸入電路的輸出端與所述微處理器的輸入端連接，該微處理器的輸出端通過步進電機驅動電路與步進電機執行器連接，其特征在于，還包括用于對發電機組電流取樣的電流取樣電路，該電流取樣電路的輸出端與所述輸入電路的輸入端連接。轉速傳感器、運行/怠速開關分別實時將發動機轉速信號、運行/怠速信號傳輸到輸入電路，發動機轉速信號經輸入電路轉換為矩形波信號后傳輸到微處理器，微處理器對轉速信號進行PID運算后輸出控制信號到步進電機驅動電路，該步進電機驅動電路對輸入的信號進行放大后控制步進電機執行器對發動機供油量進行控制，使發動機運轉在額定轉速。發動機轉速發生變化，步進電機執行器工作引起發動機燃料供給量的變化，從而調節發動機運行在額定轉速。以上控制過程形成了一個閉環控制系統。運行/怠速開關用于切換發電機組的工作狀態。微處理器實時監測電流取樣電路輸出的發電機組電流取樣信號。當發電機組電流取樣信號突然大幅增加，微處理器立即控制提高發動機供油量，使發電機組的發動機有足夠的能力來阻止由于負荷突然增加引起的轉速大幅下降；同理當負荷電流大幅減小時，調速器能在發動機轉速未上升前就開始大幅減小燃油供給，防止由于負荷突卸引起的轉速大幅上升，從而提高發電機組帶負荷的能力，特別是帶異步電機負荷的能力。 本電子調速器還包括通信電路，該通信電路與所述微處理器雙向通信連接。通信電路使用戶可以通過上位機瀏覽、設置本調速器的控制參數、運行狀態參數。發電機組預知式電子調速方法，使用上述的發電機組預知式電子調速器，其特征在于，按如下步驟進行
步驟I、所述輸入電路實時將輸入的發動機轉速信號和發電機組電流取樣信號進行處理后傳輸到微處理器；
步驟2、微處理器對輸入的發動機轉速信號進行PID運算后輸出控制信號到步進電機驅動電路，該步進電機驅動電路通過步進電機執行器控制發動機燃油供給量，控制發動機運行在額定轉速；
步驟3、微處理器實時監測發電機組電流取樣信號，通過監測該發電機組電流取樣信號來判斷發動機的負荷狀況；
當檢測到發電機取樣電流變化幅度超過設定值X時，微處理器一方面根據負荷電流的變化率調整PID的參數及步進電機驅動電路的驅動頻率和步進電機執行器的步距角，另一方面改變設定的額定轉速以加大微處理器的控制輸出量，最后通過步進電機驅動電路控制步進電機執行器改變燃油供給量；
當檢測到電流取樣信號的電流變化率小于設定值X時，微處理器判定負荷為穩定狀態，微處理器根據負荷電流的大小調整PID的參數及步進電機驅動電路的驅動頻率和步進電機執行器的步距角，以便調速器控制發動機轉速恢復穩定狀態；
微處理器改變調速器設定的額定轉速運行一定時間后，再恢復以前設定的目標轉速。延時時間一般都很短，在需要大電流啟動的異步電機啟動后，即可控制發動機轉速回到原來的額定轉速。此時只需要發動機運轉在原來既定的額定轉速即可提供電器運行所需要的功率。發電機組電流取樣信號電流變化幅度超過設定值X時，微處理器將設定的額定轉速提高或降低五分之一。本發明具有如下優點本發明的電子調速裝置及調速方法，是在異步電機啟動需要大電流時，提前提高發動機的供油量，阻止發動機轉速大幅降低，從而提高了發電機組帶異步電機負荷的能力。從而使得小功率的發電機組能夠帶動大啟動功率的用電器，避免了使用大功率的發電機組造成成本的增大，且避免了平時使用時候冗余功率的浪費。當負荷電流大幅減小時，調速器能在發動機轉速未上升前就開始大幅減小燃油供給，防止由于負荷突卸引起的轉速大幅上升，使得輸出電壓頻率穩定，提高電子調速裝置的穩定性和通用性。當負荷電流變化較小時(如變化率在6%以內)，微處理器判定負荷為穩定狀態，調速器能相應的調整PID的參數及步進電機驅動電路的驅動頻率和步進電機執行器的步距角，以便調速器在任何負荷狀況及工況下都能控制發動機轉速保持穩定狀態。本發明在發電機輸出電流突然增加時能夠迅速增大發動機燃料供給量，達到迅速增大發動機輸出扭矩，而無需額外增大發電機組冗余扭矩的發電機組預知式電子調速器及 其調速方法，從而大大節約了購置設備的成本和使用成本。同樣這種調速器能通過檢測發電機輸出電流來判斷發動機的負荷變化情況，無論負荷突加、突卸、還是穩定，都能根據發動機的負荷狀況來自動調整調整器的參數，以便調速器在任何負荷狀況下都能控制發動機轉速波動率保持在最優狀態。
圖I為本發明的電路原理框圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細說明。本發明通過檢測發電機組電流取樣信號變化來預判發動機的轉速變化趨勢，從而達到在發動機轉速變化前開始控制，以防止發動機轉速大幅度波動，達到提高發電機組帶異步電機負荷的能力，最終實現降低用戶的使用成本，降低材料、能源消耗的目的。其具體實現方案如圖I所示，一種發電機組預知式電子調速器，包括轉速傳感器、運行/怠速開關、輸入電路和微處理器，該轉速傳感器和運行/怠速開關分別與所述輸入電路的輸入端連接，該輸入電路的輸出端與所述微處理器的輸入端連接，該微處理器的輸出端通過步進電機驅動電路與步進電機執行器連接，還包括用于對發電機組電流取樣的電流取樣電路，該電流取樣電路的輸出端與所述輸入電路的輸入端連接。還包括通信電路，該通信電路與微處理器雙向通信連接。電源電路為本發明的電子調速器提供穩定可靠的電源。發電機組預知式電子調速方法，使用上述的發電機組預知式電子調速器，按如下步驟進行
步驟I、所述輸入電路實時將輸入的發動機轉速信號和發電機組取樣電流信號進行處理后傳輸到微處理器；
步驟2、微處理器對輸入的發動機轉速信號進行PID運算后輸出控制信號到步進電機驅動電路，該步進電機驅動電路通過步進電機執行器控制發動機燃油供給量，控制發動機運行在額定轉速；步驟3、微處理器實時監測發電機組電流取樣信號，通過監測該發電機組電流取樣信號來判斷發動機的負荷狀況；
當檢測到發電機取樣電流突然大幅變化，變化幅度超過設定值X時(一般情況下，X取值為5% 6%)，微處理器一方面根據負荷電流的變化率調整PID的參數及步進電機驅動電路的驅動頻率和步進電機執行器的步距角，另一方面改變設定的額定轉速以加大微處理器的控制輸出量，最后通過步進電機驅動電路控制步進電機執行器改變燃油供給量；
當檢測到電流取樣信號的電流變化率小于設定值X時，微處理器一方面根據負荷電流的大小調整PID的參數及步進電機驅動電路的驅動頻率和步進電機執行器的步距角，以便調速器控制發動機轉速恢復穩定狀態；
發電機組電流取樣信號突然大幅變化超過設定值X時，微處理器將設定的額定轉速提高或降低五分之一。 本發明工作原理轉速傳感器產生的轉速信號，經輸入電路(輸入電路即整形濾波電路)轉換為矩形波后，送入微處理器；微處理器對轉速信號進行PID (比例積分微分)運算后輸出控制信號；控制信號經驅動電路放大后控制執行器轉動；步進電機執行器轉動引起內燃發動機燃料供給量的變化，從而改變內燃發動機的轉速。以上這些控制過程形成了一個閉環控制系統。運行/怠速開關用于切換發電機組的工作狀態，電源電路為電子調速器提供穩定可靠的電源。通信電路使用戶可以通信上位機軟件瀏覽、設置本調速器的控制參數、運行狀態參數。調速器實時檢測發電機負荷電流(發電機組取樣電流)的變化，通過檢測發電機組取樣電流的大小來判斷發動機的負荷狀況，當檢測到負荷電流突然大幅變化時(變化幅度可預先設定和修改)，調速器一方面根據負荷電流的變化情況調整PID的參數及步進電機驅動電路的驅動頻率和步進電機驅動電路的步距角；另一方面當負荷電流突然增大時，調速器的設定目標轉速從1500轉/分或3000轉/分提高到1800轉/分或3600轉/分。而當負荷電流突然減小時，調速器的設定目標轉速從1500轉/分或3000轉/分減小到1200轉/分或2400轉/分，延時一段時間后再恢復到以前的目標轉速。通過上述手段，當負荷電流大幅增加時，調速器能在發動機轉速未下降前就開始大幅增加燃料供給，使發電機組發動機有足夠的能力來阻止由于負荷突加引起的轉速大幅下降；同理當負荷電流大幅減小時，調速器能在發動機轉速未上升前就開始大幅減小燃料供給，防止由于負荷突卸引起的轉速大幅上升，從而提高發電機組帶負荷的能力和穩定性，特別是帶異步電機的能力。另外由于發動機在不同負荷狀況下的調速性能有較大的差異，單一的調速器參數只能在固定的負荷狀況下保證發動機頻率波動率的最優。本調速器能根據負荷的大小調整調速器的PID參數及步進電機的驅動頻率和驅動步距角，從而保證發電機組在多種負荷的情況下頻率波動率達到最優。舉例說明現有額定功率為25KW的發電機組，發電機組的發動機的額定轉速3000轉/分，此時輸出50HZ交流電，用于給家用用電設備供電。家用用電設備的額定功率低于25KW，但是家用用電設備的啟動總功率為30KW。在啟動用電設備時，啟動功率達到30KW，發電機組輸出電流大幅變化。但是發電機組的額定功率已經不能滿足啟動電流需求。此時微處理器提前控制步進電機執行器加大供油量，提高發電機組的發動機轉速到3600轉/分，輸出60HZ的交流電。60HZ的交流電不影響電器的正常使用。發動機輸出大功率帶動發電機組運轉，當電器啟動完畢后，通過步進電機執行器控制發電機組的發動機回到在額定轉速。由此可見由于發電機組電流大幅變化時，提前控制發動機提高轉速或降低轉速，阻止發動機轉速大幅波動，從而提高發電機組帶異步電機負荷的能力。而且使得小功率的發電機組能夠啟動大啟動功率的用電器，避免了使用大功率的發電機組造成成本的增大，且避免了平時使用時候冗余功率的浪費，具有良好的使用價值，便于產品的推廣使用。本發明的上述實施例僅僅是為說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施 方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發明的技術方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍之列。
權利要求
1.一種發電機組預知式電子調速器，包括轉速傳感器、運行/怠速開關、輸入電路和微處理器，該轉速傳感器和運行/怠速開關分別與所述輸入電路的輸入端連接，該輸入電路的輸出端與所述微處理器的輸入端連接，該微處理器的輸出端通過步進電機驅動電路與步進電機執行器連接，其特征在于，還包括用于對發電機組電流取樣的電流取樣電路，該電流取樣電路的輸出端與所述輸入電路的輸入端連接。
2.根據權利要求I所述的發電機組預知式電子調速器，其特征在于，還包括通信電路，該通信電路與所述微處理器雙向通信連接。
3.發電機組預知式電子調速方法，使用權利要求I或2所述的發電機組預知式電子調速器，其特征在于，按如下步驟進行 步驟I、所述輸入電路實時將輸入的發動機轉速信號和發電機組電流取樣信號進行處理后傳輸到微處理器； 步驟2、微處理器對輸入的發動機轉速信號進行PID運算后輸出控制信號到步進電機驅動電路，該步進電機驅動電路通過步進電機執行器控制發動機燃油供給量，控制發動機運行在額定轉速； 步驟3、微處理器實時監測發電機組電流取樣信號，通過監測該發電機組電流取樣信號來判斷發動機的負荷狀況； 當檢測到電流取樣信號的電流變化率超過設定值X時，微處理器一方面根據負荷電流的變化率調整PID的參數及步進電機驅動電路的驅動頻率和步進電機執行器的步距角，另一方面改變設定的額定轉速以加大微處理器的控制輸出量，最后通過步進電機驅動電路控制步進電機執行器改變燃油供給量； 當檢測到電流取樣信號的電流變化率小于設定值X時，微處理器判定負荷為穩定狀態，微處理器根據負荷電流的大小調整PID的參數及步進電機驅動電路的驅動頻率和步進電機執行器的步距角，以便調速器控制發動機轉速恢復穩定狀態。
4.根據權利要求3所述的發電機組預知式電子調速方法，其特征在于，發電機組電流取樣信號電流變化率超過設定值時，微處理器將設定的額定轉速提高或降低五分之一。
全文摘要
發電機組預知式電子調速器及調速方法，是在現有的裝置基礎上增加對發電機組電流取樣的電流取樣電路，微處理器實時監測電流取樣電路輸出的發電機組電流取樣信號。當發電機組電流取樣信號突然大幅增加，微處理器立即控制提高發動機供油量，使發電機組的發動機有足夠的能力來阻止由于負荷突然增加引起的轉速大幅下降；同理當負荷電流大幅減小時，調速器能在發動機轉速未上升前就開始大幅減小燃油供給，防止由于負荷突卸引起的轉速大幅上升，從而提高發電機組帶負荷的能力，特別是帶異步電機負荷的能力，以便調速器在任何負荷狀況下都能控制發動機轉速波動率保持在最優狀態。
文檔編號F02D1/02GK102797566SQ20121032927
公開日2012年11月28日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者吳家亮, 陶春, 唐平, 吉月紅 申請人:重慶嘉競電子設備有限公司