无刷发电机的 AVR（自动电压调节器）通过闭环反馈控制实现输出电压的动态调节，其调节步骤可分为初始化、实时采样、PID 运算、驱动执行、动态补偿、保护响应六个核心阶段。以下结合硬件实现与算法逻辑，分步骤解析其工作流程：
一、初始化阶段：参数配置与电压建立
1. 硬件连接与参数预设
电压检测与电源接入：AVR 通过电压互感器（PT）连接主定子输出端（如线电压 400V 或相电压 230V），同时从辅助绕组或永磁发电机（PMG）获取工作电源。
电位器初始设置：启动前需将 “电压调节” 电位器逆时针旋至最小位置，确保励磁电流处于最低状态，避免启动冲击。
频率与稳定性配置：通过跳线选择 50Hz 或 60Hz 模式，并根据发电机容量（如 90kW 以下选择 A-C 跳线）设置稳定性参数。
2. 剩磁自励启动
发动机带动主转子旋转时，剩磁在主定子中感应微弱电压（约几伏），经 PT 传输至 AVR。
AVR 内部电路通过高效半导体将剩磁电压整流为直流信号，触发励磁机定子绕组产生初始磁场。
励磁机转子切割磁场，输出交流电经旋转整流器转换为直流电，供给主转子励磁绕组，逐步建立主磁场。
二、实时采样阶段：电压与频率监测
1. 电压信号采集
分压与整流：主定子输出电压经 PT 降压（如 400V→10V）后，通过全波整流电路转换为直流信号（如 0-10V），并经电容滤波去除高频噪声。
A/D 转换：数字式 AVR（如使用 DSP 或单片机）将模拟电压信号转换为数字量（如 12 位精度，对应 0-4095 数值），供处理器运算。
2. 频率同步检测
AVR 通过零交叉检测电路识别主定子电压波形的过零点，计算周期并换算为频率（如 50Hz 对应 20ms 周期）。
若频率低于预设值（如 47Hz），AVR 触发低频保护，按 U/f 斜率降低输出电压，防止发动机过载。
三、PID 运算阶段：误差处理与控制信号生成
1. 电压偏差计算
将采样电压与内部基准值（如 380V 对应的数字量）比较，生成电压偏差信号 ΔU = 实际值 - 设定值。例如，若实际电压为 370V（对应数字量 3700），设定值为 3800，则 ΔU = -100。
2. PID 算法调节
比例（P）环节：快速响应偏差，输出与 ΔU 成比例的控制信号。公式为：P=KP×ΔU，其中K p为比例系数。例如，K p=0.1
时，ΔU=-100 对应 P=-10。积分（I）环节：累积历史偏差以消除稳态误差。公式为：I=K i×∑ΔU×Δt，其中K i为积分系数，Δt 为采样间隔（如 10ms）。若 ΔU 持续为负，I 值逐渐增大，最终将电压拉回设定值。
微分（D）环节：预测电压变化趋势，抑制超调。公式为D=K d ×(ΔU n−ΔU n−1 )/Δt，其中K d为微分系数。例如，当负载突减导致 ΔU 快速上升时，D 环节提前减小励磁电流。
3. 控制信号合成
将 P、I、D 输出叠加为总控制量（如 - 10 + 5 - 3 = -8），并通过脉宽调制（PWM）生成驱动信号。例如，控制量为 - 8 时，PWM 占空比降低，减少励磁机定子电流。
四、驱动执行阶段：励磁电流调整
1. PWM 信号放大
AVR 的 PWM 信号（如频率 20kHz）经驱动电路（含 IGBT 或晶闸管）放大，驱动励磁机定子绕组。例如，MX341 型 AVR 可输出 3A 连续电流，瞬间达 6A 以应对负载突变。
励磁机定子电流变化导致磁场强度改变，进而影响励磁机转子的感应电压。
2. 旋转整流与磁场传递
励磁机转子输出的交流电经旋转整流器（硅二极管组）转换为直流电，直接注入主转子励磁绕组。例如，励磁机输出 200V AC 经全波整流后变为 280V DC。
主转子磁场强度与励磁电流成正比，磁场切割主定子绕组，调整输出电压至目标值。
五、动态补偿阶段：负载与工况适应
1. 负载突变响应
突加负载：电压跌落时，AVR 的 PID 算法快速增大 PWM 占空比，励磁电流激增，主磁场增强，电压回升至额定值。例如，负载从空载突增至 80% 时，电压可在 80ms 内恢复至 97% 额定值。
突减负载：电压升高时，AVR 减小励磁电流，主磁场减弱，电压回落。微分环节提前预判变化，避免超调。
2. 功率因数与无功补偿
当负载功率因数滞后（感性负载）时，AVR 通过调差互感器检测无功电流，调整励磁电流以维持电压稳定。例如，顺时针调节 “无功调差” 电位器可增加励磁，补偿无功损耗。
多机并列运行时，AVR 通过调差环节实现无功功率的合理分配，防止某台发电机过载。
六、保护响应阶段：异常工况处理
1. 过励与欠励保护
若励磁电压超过设定值（如 120V DC），AVR 触发灭磁电路，断开励磁机定子电流，防止主转子过热。
欠励保护检测励磁电流下限，避免发电机失步，尤其在并网运行时至关重要。
2. 低频与无信号保护
当频率低于 47Hz（50Hz 系统）时，AVR 按 U/f 斜率降低电压（如每降低 1Hz 电压下降 3%），并点亮红色 LED 提示。
若检测到 PT 断线或信号丢失，AVR 自动将输出电压降至安全区域（如 50% 额定值），防止过压损坏设备。
七、实际调试步骤示例（以 KR440 型 AVR 为例）
空载电压整定：
启动发电机至额定转速，将 “电压调节” 电位器顺时针缓慢旋至电压表指示 380V（线电压）。
若电压波动，调节 “稳定性” 电位器至电压稳定，避免振荡。
低频保护验证：
降低发动机转速至 47Hz，观察 AVR 是否触发低频保护，电压是否按预设斜率下降，同时 LED 指示灯是否点亮。
负载测试：
逐步加载至额定负载，检查电压波动率是否在 ±1% 以内（如 380V±3.8V）。
突加 / 突减负载，测量电压恢复时间是否符合要求（如 300ms 内恢复至 97%）。
并列运行调整：
多机并联时，调节 “无功调差” 电位器，使各发电机无功功率分配均匀（偏差＜5%）。