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發電機的 AVR（自動電壓調節器）通過閉環反饋控制實現輸出電壓的動態調節，其調節步驟可分為初始化、實時采樣、PID 運算、驅動執行、動態補償、保護響應六個核心階段。以下結合硬件實現與算法邏輯，分步驟解析其工作流程：
一、初始化階段：參數配置與電壓建立
1. 硬件連接與參數預設
電壓檢測與電源接入：AVR 通過電壓互感器（PT）連接主定子輸出端（如線電壓 400V 或相電壓 230V），同時從輔助繞組或永磁發電機（PMG）獲取工作電源。
電位器初始設置：啟動前需將 “電壓調節” 電位器逆時針旋至最小位置，確保勵磁電流處于最低狀態，避免啟動沖擊。
頻率與穩定性配置：通過跳線選擇 50Hz 或 60Hz 模式，并根據發電機容量（如 90kW 以下選擇 A-C 跳線）設置穩定性參數。
2. 剩磁自勵啟動
發動機帶動主轉子旋轉時，剩磁在主定子中感應微弱電壓（約幾伏），經 PT 傳輸至 AVR。
AVR 內部電路通過高效半導體將剩磁電壓整流為直流信號，觸發勵磁機定子繞組產生初始磁場。
勵磁機轉子切割磁場，輸出交流電經旋轉整流器轉換為直流電，供給主轉子勵磁繞組，逐步建立主磁場。
二、實時采樣階段：電壓與頻率監測
1. 電壓信號采集
分壓與整流：主定子輸出電壓經 PT 降壓（如 400V→10V）后，通過全波整流電路轉換為直流信號（如 0-10V），并經電容濾波去除高頻噪聲。
A/D 轉換：數字式 AVR（如使用 DSP 或單片機）將模擬電壓信號轉換為數字量（如 12 位精度，對應 0-4095 數值），供處理器運算。
2. 頻率同步檢測
AVR 通過零交叉檢測電路識別主定子電壓波形的過零點，計算周期并換算為頻率（如 50Hz 對應 20ms 周期）。
若頻率低于預設值（如 47Hz），AVR 觸發低頻保護，按 U/f 斜率降低輸出電壓，防止發動機過載。
三、PID 運算階段：誤差處理與控制信號生成
1. 電壓偏差計算
將采樣電壓與內部基準值（如 380V 對應的數字量）比較，生成電壓偏差信號 ΔU = 實際值 - 設定值。例如，若實際電壓為 370V（對應數字量 3700），設定值為 3800，則 ΔU = -100。
2. PID 算法調節
比例（P）環節：快速響應偏差，輸出與 ΔU 成比例的控制信號。公式為：P=KP×ΔU，其中K p為比例系數。例如，K p=0.1
時，ΔU=-100 對應 P=-10。積分（I）環節：累積歷史偏差以消除穩態誤差。公式為：I=K i×∑ΔU×Δt，其中K i為積分系數，Δt 為采樣間隔（如 10ms）。若 ΔU 持續為負，I 值逐漸增大，最終將電壓拉回設定值。
微分（D）環節：預測電壓變化趨勢，抑制超調。公式為D=K d ×(ΔU n?ΔU n?1 )/Δt，其中K d為微分系數。例如，當負載突減導致 ΔU 快速上升時，D 環節提前減小勵磁電流。
3. 控制信號合成
將 P、I、D 輸出疊加為總控制量（如 - 10 + 5 - 3 = -8），并通過脈寬調制（PWM）生成驅動信號。例如，控制量為 - 8 時，PWM 占空比降低，減少勵磁機定子電流。
四、驅動執行階段：勵磁電流調整
1. PWM 信號放大
AVR 的 PWM 信號（如頻率 20kHz）經驅動電路（含 IGBT 或晶閘管）放大，驅動勵磁機定子繞組。例如，MX341 型 AVR 可輸出 3A 連續電流，瞬間達 6A 以應對負載突變。
勵磁機定子電流變化導致磁場強度改變，進而影響勵磁機轉子的感應電壓。
2. 旋轉整流與磁場傳遞
勵磁機轉子輸出的交流電經旋轉整流器（硅二極管組）轉換為直流電，直接注入主轉子勵磁繞組。例如，勵磁機輸出 200V AC 經全波整流后變為 280V DC。
主轉子磁場強度與勵磁電流成正比，磁場切割主定子繞組，調整輸出電壓至目標值。
五、動態補償階段：負載與工況適應
1. 負載突變響應
突加負載：電壓跌落時，AVR 的 PID 算法快速增大 PWM 占空比，勵磁電流激增，主磁場增強，電壓回升至額定值。例如，負載從空載突增至 80% 時，電壓可在 80ms 內恢復至 97% 額定值。
突減負載：電壓升高時，AVR 減小勵磁電流，主磁場減弱，電壓回落。微分環節提前預判變化，避免超調。
2. 功率因數與無功補償
當負載功率因數滯后（感性負載）時，AVR 通過調差互感器檢測無功電流，調整勵磁電流以維持電壓穩定。例如，順時針調節 “無功調差” 電位器可增加勵磁，補償無功損耗。
多機并列運行時，AVR 通過調差環節實現無功功率的合理分配，防止某臺發電機過載。
六、保護響應階段：異常工況處理
1. 過勵與欠勵保護
若勵磁電壓超過設定值（如 120V DC），AVR 觸發滅磁電路，斷開勵磁機定子電流，防止主轉子過熱。
欠勵保護檢測勵磁電流下限，避免發電機失步，尤其在并網運行時至關重要。
2. 低頻與無信號保護
當頻率低于 47Hz（50Hz 系統）時，AVR 按 U/f 斜率降低電壓（如每降低 1Hz 電壓下降 3%），并點亮紅色 LED 提示。
若檢測到 PT 斷線或信號丟失，AVR 自動將輸出電壓降至安全區域（如 50% 額定值），防止過壓損壞設備。
七、實際調試步驟示例（以 KR440 型 AVR 為例）
空載電壓整定：
啟動發電機至額定轉速，將 “電壓調節” 電位器順時針緩慢旋至電壓表指示 380V（線電壓）。
若電壓波動，調節 “穩定性” 電位器至電壓穩定，避免振蕩。
低頻保護驗證：
降低發動機轉速至 47Hz，觀察 AVR 是否觸發低頻保護，電壓是否按預設斜率下降，同時 LED 指示燈是否點亮。
負載測試：
逐步加載至額定負載，檢查電壓波動率是否在 ±1% 以內（如 380V±3.8V）。
突加 / 突減負載，測量電壓恢復時間是否符合要求（如 300ms 內恢復至 97%）。
并列運行調整：
多機并聯時，調節 “無功調差” 電位器，使各發電機無功功率分配均勻（偏差＜5%）。
