無(wú)刷發(fā)電機(jī)的 AVR（自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器）通過(guò)閉環(huán)反饋控制實(shí)現(xiàn)輸出電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)步驟可分為初始化、實(shí)時(shí)采樣、PID 運(yùn)算、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、保護(hù)響應(yīng)六個(gè)核心階段。以下結(jié)合硬件實(shí)現(xiàn)與算法邏輯，分步驟解析其工作流程：
一、初始化階段：參數(shù)配置與電壓建立
1. 硬件連接與參數(shù)預(yù)設(shè)
電壓檢測(cè)與電源接入：AVR 通過(guò)電壓互感器（PT）連接主定子輸出端（如線電壓 400V 或相電壓 230V），同時(shí)從輔助繞組或永磁發(fā)電機(jī)（PMG）獲取工作電源。
電位器初始設(shè)置：?jiǎn)?dòng)前需將 “電壓調(diào)節(jié)” 電位器逆時(shí)針旋至最小位置，確保勵(lì)磁電流處于最低狀態(tài)，避免啟動(dòng)沖擊。
頻率與穩(wěn)定性配置：通過(guò)跳線選擇 50Hz 或 60Hz 模式，并根據(jù)發(fā)電機(jī)容量（如 90kW 以下選擇 A-C 跳線）設(shè)置穩(wěn)定性參數(shù)。
2. 剩磁自勵(lì)啟動(dòng)
發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)主轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，剩磁在主定子中感應(yīng)微弱電壓（約幾伏），經(jīng) PT 傳輸至 AVR。
AVR 內(nèi)部電路通過(guò)高效半導(dǎo)體將剩磁電壓整流為直流信號(hào)，觸發(fā)勵(lì)磁機(jī)定子繞組產(chǎn)生初始磁場(chǎng)。
勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子切割磁場(chǎng)，輸出交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器轉(zhuǎn)換為直流電，供給主轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，逐步建立主磁場(chǎng)。
二、實(shí)時(shí)采樣階段：電壓與頻率監(jiān)測(cè)
1. 電壓信號(hào)采集
分壓與整流：主定子輸出電壓經(jīng) PT 降壓（如 400V→10V）后，通過(guò)全波整流電路轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)（如 0-10V），并經(jīng)電容濾波去除高頻噪聲。
A/D 轉(zhuǎn)換：數(shù)字式 AVR（如使用 DSP 或單片機(jī)）將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量（如 12 位精度，對(duì)應(yīng) 0-4095 數(shù)值），供處理器運(yùn)算。
2. 頻率同步檢測(cè)
AVR 通過(guò)零交叉檢測(cè)電路識(shí)別主定子電壓波形的過(guò)零點(diǎn)，計(jì)算周期并換算為頻率（如 50Hz 對(duì)應(yīng) 20ms 周期）。
若頻率低于預(yù)設(shè)值（如 47Hz），AVR 觸發(fā)低頻保護(hù)，按 U/f 斜率降低輸出電壓，防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)載。
三、PID 運(yùn)算階段：誤差處理與控制信號(hào)生成
1. 電壓偏差計(jì)算
將采樣電壓與內(nèi)部基準(zhǔn)值（如 380V 對(duì)應(yīng)的數(shù)字量）比較，生成電壓偏差信號(hào) ΔU = 實(shí)際值 - 設(shè)定值。例如，若實(shí)際電壓為 370V（對(duì)應(yīng)數(shù)字量 3700），設(shè)定值為 3800，則 ΔU = -100。
2. PID 算法調(diào)節(jié)
比例（P）環(huán)節(jié)：快速響應(yīng)偏差，輸出與 ΔU 成比例的控制信號(hào)。公式為：P=KP×ΔU，其中K p為比例系數(shù)。例如，K p=0.1
時(shí)，ΔU=-100 對(duì)應(yīng) P=-10。積分（I）環(huán)節(jié)：累積歷史偏差以消除穩(wěn)態(tài)誤差。公式為：I=K i×∑ΔU×Δt，其中K i為積分系數(shù)，Δt 為采樣間隔（如 10ms）。若 ΔU 持續(xù)為負(fù)，I 值逐漸增大，最終將電壓拉回設(shè)定值。
微分（D）環(huán)節(jié)：預(yù)測(cè)電壓變化趨勢(shì)，抑制超調(diào)。公式為D=K d ×(ΔU n?ΔU n?1 )/Δt，其中K d為微分系數(shù)。例如，當(dāng)負(fù)載突減導(dǎo)致 ΔU 快速上升時(shí)，D 環(huán)節(jié)提前減小勵(lì)磁電流。
3. 控制信號(hào)合成
將 P、I、D 輸出疊加為總控制量（如 - 10 + 5 - 3 = -8），并通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)。例如，控制量為 - 8 時(shí)，PWM 占空比降低，減少勵(lì)磁機(jī)定子電流。
四、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行階段：勵(lì)磁電流調(diào)整
1. PWM 信號(hào)放大
AVR 的 PWM 信號(hào)（如頻率 20kHz）經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路（含 IGBT 或晶閘管）放大，驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁機(jī)定子繞組。例如，MX341 型 AVR 可輸出 3A 連續(xù)電流，瞬間達(dá) 6A 以應(yīng)對(duì)負(fù)載突變。
勵(lì)磁機(jī)定子電流變化導(dǎo)致磁場(chǎng)強(qiáng)度改變，進(jìn)而影響勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓。
2. 旋轉(zhuǎn)整流與磁場(chǎng)傳遞
勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子輸出的交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器（硅二極管組）轉(zhuǎn)換為直流電，直接注入主轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。例如，勵(lì)磁機(jī)輸出 200V AC 經(jīng)全波整流后變?yōu)?280V DC。
主轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流成正比，磁場(chǎng)切割主定子繞組，調(diào)整輸出電壓至目標(biāo)值。
五、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償階段：負(fù)載與工況適應(yīng)
1. 負(fù)載突變響應(yīng)
突加負(fù)載：電壓跌落時(shí)，AVR 的 PID 算法快速增大 PWM 占空比，勵(lì)磁電流激增，主磁場(chǎng)增強(qiáng)，電壓回升至額定值。例如，負(fù)載從空載突增至 80% 時(shí)，電壓可在 80ms 內(nèi)恢復(fù)至 97% 額定值。
突減負(fù)載：電壓升高時(shí)，AVR 減小勵(lì)磁電流，主磁場(chǎng)減弱，電壓回落。微分環(huán)節(jié)提前預(yù)判變化，避免超調(diào)。
2. 功率因數(shù)與無(wú)功補(bǔ)償
當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)滯后（感性負(fù)載）時(shí)，AVR 通過(guò)調(diào)差互感器檢測(cè)無(wú)功電流，調(diào)整勵(lì)磁電流以維持電壓穩(wěn)定。例如，順時(shí)針調(diào)節(jié) “無(wú)功調(diào)差” 電位器可增加勵(lì)磁，補(bǔ)償無(wú)功損耗。
多機(jī)并列運(yùn)行時(shí)，AVR 通過(guò)調(diào)差環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的合理分配，防止某臺(tái)發(fā)電機(jī)過(guò)載。
六、保護(hù)響應(yīng)階段：異常工況處理
1. 過(guò)勵(lì)與欠勵(lì)保護(hù)
若勵(lì)磁電壓超過(guò)設(shè)定值（如 120V DC），AVR 觸發(fā)滅磁電路，斷開勵(lì)磁機(jī)定子電流，防止主轉(zhuǎn)子過(guò)熱。
欠勵(lì)保護(hù)檢測(cè)勵(lì)磁電流下限，避免發(fā)電機(jī)失步，尤其在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)至關(guān)重要。
2. 低頻與無(wú)信號(hào)保護(hù)
當(dāng)頻率低于 47Hz（50Hz 系統(tǒng)）時(shí)，AVR 按 U/f 斜率降低電壓（如每降低 1Hz 電壓下降 3%），并點(diǎn)亮紅色 LED 提示。
若檢測(cè)到 PT 斷線或信號(hào)丟失，AVR 自動(dòng)將輸出電壓降至安全區(qū)域（如 50% 額定值），防止過(guò)壓損壞設(shè)備。
七、實(shí)際調(diào)試步驟示例（以 KR440 型 AVR 為例）
空載電壓整定：
啟動(dòng)發(fā)電機(jī)至額定轉(zhuǎn)速，將 “電壓調(diào)節(jié)” 電位器順時(shí)針緩慢旋至電壓表指示 380V（線電壓）。
若電壓波動(dòng)，調(diào)節(jié) “穩(wěn)定性” 電位器至電壓穩(wěn)定，避免振蕩。
低頻保護(hù)驗(yàn)證：
降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速至 47Hz，觀察 AVR 是否觸發(fā)低頻保護(hù)，電壓是否按預(yù)設(shè)斜率下降，同時(shí) LED 指示燈是否點(diǎn)亮。
負(fù)載測(cè)試：
逐步加載至額定負(fù)載，檢查電壓波動(dòng)率是否在 ±1% 以內(nèi)（如 380V±3.8V）。
突加 / 突減負(fù)載，測(cè)量電壓恢復(fù)時(shí)間是否符合要求（如 300ms 內(nèi)恢復(fù)至 97%）。
并列運(yùn)行調(diào)整：
多機(jī)并聯(lián)時(shí)，調(diào)節(jié) “無(wú)功調(diào)差” 電位器，使各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率分配均勻（偏差＜5%）。