【正文】 的電流 于是有： 式中 可推得輸出電壓為： （2—3） 式（2—3）說(shuō)明，運(yùn)算放大器能對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行按不同比例相加，其比例僅與反饋電阻與各輸入電阻有關(guān)，與運(yùn)算放大器本身參數(shù)無(wú)關(guān)。各比例系數(shù)可以分別進(jìn)行整定。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的綜合放大環(huán)節(jié)電路如圖2－9所示。電路中加上了限幅與功率放大。圖29 綜合放大電路在輸人端，組成雙向限幅電路，保護(hù)集成放大電路。，與，組成輸出端的雙向限幅電路，使輸出電壓的幅值限制在移相觸發(fā)電路允許范圍。為增加運(yùn)算放大器帶負(fù)荷的能力，在限福電路之后，增加一級(jí)互補(bǔ)射極跟隨器，作功率放大。放大器上接入電位器是用來(lái)調(diào)零，當(dāng)輸入為零時(shí)，調(diào)節(jié)，使為零。與構(gòu)成消除高頻自激振蕩電路。圖210示出與主信號(hào)的關(guān)系特性（此時(shí)設(shè)其他信號(hào)均為0）改變與的比值，可以改變特性斜率；當(dāng)||大于一定值后，輸出不再變，呈飽和狀態(tài)，這是移相電路的要求而設(shè)定的。圖2－10 綜合放大電路工作特性功率放大單元的輸入為Uk，包括觸發(fā)電路在內(nèi)，功率放大單元也認(rèn)為是一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下： （24）式中Kp為功率放大系數(shù)，Tp為功率放大單元的時(shí)間常數(shù), IZTL為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器單元部分的電流。一般情況下，Tp很小，所以把綜合放大單元和功率放大單元看作是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。(1)任務(wù)及對(duì)環(huán)節(jié)的要求：將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖，以觸發(fā)對(duì)應(yīng)相的晶閘管，達(dá)到調(diào)節(jié)勵(lì)磁的目的。受控制的是三相整流橋，故應(yīng)有3套觸發(fā)電路。若整流橋是三相全控，則晶閘管導(dǎo)通順序?yàn)椋獳、－C、＋B、－A、＋C、－B，則三相觸發(fā)電路按相每隔向?qū)?yīng)相發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖；若是三相半控橋，則每隔發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖。為保證觸發(fā)電路對(duì)整流主電路在給定的角時(shí)發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路與同相主電路應(yīng)在相位上嚴(yán)格保持同步。觸發(fā)電路的移相范圍應(yīng)足夠?qū)?，移相平穩(wěn)，線性度好；觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，使晶閘管可靠導(dǎo)通；脈沖應(yīng)有一定寬度，尤其是對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)這樣的大電感電路，只有當(dāng)脈沖有足夠?qū)挾?，剛?dǎo)通的晶閘管中電流逐漸上升時(shí)，觸發(fā)脈沖仍未消失，保證晶閘管不會(huì)重新熄滅；觸發(fā)脈沖的前沿要陡；整個(gè)觸發(fā)電路應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力。(2)移相觸發(fā)電路工作原理：移相觸發(fā)電路包括同步電路、觸發(fā)電路及其脈沖輸出電路，圖 2－11為其工作示意圖。同步變壓器為／Y—11接線，使同名相的同步電壓超前主電路電壓，圖中未單獨(dú)畫(huà)出同步電路。移相觸發(fā)電路中的觸發(fā)器可以由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或單結(jié)晶體管觸發(fā)器等電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的移相觸發(fā)電路進(jìn)行討論。 圖 211 三相移相觸發(fā)電路工作示意圖勵(lì)磁機(jī)可以是直流的也可以是交流的，直流又分為自勵(lì)式和他勵(lì)式。這里只介紹自勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)的傳遞函數(shù)。勵(lì)磁機(jī)的輸入為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的輸出電流，輸出為勵(lì)磁機(jī)的端電壓Uf ，該單元也是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為： (25)式中Kf為勵(lì)磁機(jī)放大系數(shù)，Tf為勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)。為一個(gè)非線性函數(shù)，在這里將不做介紹。 將已知單元的傳遞函數(shù)按圖22組成整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)框圖，如圖212所示。圖中將綜合放大和功率放大合并為一個(gè)單元，并認(rèn)為未加校正裝置。圖212 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖作為簡(jiǎn)單分析，略去勵(lì)磁機(jī)的飽和特性和放大器的限幅，則直接可以寫(xiě)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下： (26) 勵(lì)磁控制系統(tǒng)的基本任務(wù) 系統(tǒng)電壓的控制電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷是經(jīng)常變動(dòng)的，同步發(fā)電機(jī)的功率也隨之相應(yīng)變化，而勵(lì)磁系統(tǒng)最基本的任務(wù)是要求及時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以維持發(fā)電機(jī)端或系統(tǒng)某一點(diǎn)電壓在給定水平。要保持勵(lì)磁電流不變，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無(wú)功電流的增大而減小，因此維持發(fā)電機(jī)端一定的電壓是不可能的。要維持發(fā)電機(jī)端電壓，必須增大勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)的外特性向上移。所以，要保證供電質(zhì)量，同步發(fā)電機(jī)必須隨著無(wú)功負(fù)荷的變化不斷調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。在變化時(shí)，測(cè)量件測(cè)得的發(fā)電機(jī)端電壓與設(shè)定的額定基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，結(jié)果是電壓偏差。通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用，依電壓偏差來(lái)調(diào)節(jié)三相半控橋晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)整勵(lì)磁電流，以保持發(fā)電機(jī)端電壓在額定給定水平，導(dǎo)通角與電壓偏差值有以下關(guān)系：ΔU=，當(dāng)ΔU大于零時(shí)，系統(tǒng)減小導(dǎo)通角，勵(lì)磁電流升高，也隨升高，直到＝，電壓偏差等于零。當(dāng)ΔU小于零時(shí)，系統(tǒng)將增大導(dǎo)通角，勵(lì)磁電流減小，隨之降低，直到＝，偏差等于零為止。ΔU對(duì)的控制調(diào)節(jié)規(guī)律：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要作用是通過(guò)給定控制電壓控制三相半橋整流電路的導(dǎo)通角，從而調(diào)控勵(lì)磁電流，達(dá)到控制端電壓的目的。而同步發(fā)電機(jī)控制端電壓的波動(dòng)主要體現(xiàn)為電網(wǎng)的無(wú)功功率Q的不斷變化。因此，勵(lì)磁控制系統(tǒng)總的控制調(diào)節(jié)規(guī)律是依據(jù)電壓偏差ΔU，不斷的改變勵(lì)磁控制系統(tǒng)給定控制電壓，使之跟隨電網(wǎng)的無(wú)功功率Q的變化。幾臺(tái)發(fā)電機(jī)在同一母線上并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，改變?nèi)魏我慌_(tái)機(jī)組的勵(lì)磁電流不僅影響該機(jī)組的無(wú)功電流，而且還影響同一母線上并聯(lián)運(yùn)行其它機(jī)組的無(wú)功電流，與此同時(shí)也引起母線電壓的變化。這些變化與機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)特性有關(guān)，為了合理而穩(wěn)定地分配組間的無(wú)功負(fù)荷，機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)特性應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)差系數(shù)。調(diào)差系數(shù)可由下式表示 %=100% （2－7）為發(fā)電機(jī)額定電壓，、分別是發(fā)電機(jī)空載電壓、額定無(wú)功電流時(shí)的電壓。當(dāng)正調(diào)差系數(shù)為＞0，其調(diào)節(jié)特性下傾，發(fā)電機(jī)電壓隨著無(wú)功電流增大而降低。在帶有正調(diào)差單元的自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置中，當(dāng)無(wú)功電流增大，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將感受到發(fā)電機(jī)電壓虛假地提高，于是調(diào)節(jié)裝置將減小發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，致使發(fā)電機(jī)電壓降低，所以得到下傾的外特性。當(dāng)＜0時(shí)為負(fù)調(diào)差，調(diào)節(jié)特性上翹，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無(wú)功電流增大而上升。在帶有負(fù)調(diào)差單元的自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置中，當(dāng)無(wú)功電流增大時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器將感受到發(fā)電機(jī)電壓虛假地降低，有相反的調(diào)節(jié)過(guò)程，致使發(fā)電機(jī)電壓升高，于是得到上翹的外特性。=0為無(wú)差特性，這時(shí)發(fā)電機(jī)電壓為恒定值。 同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性電力系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)隨時(shí)會(huì)受到各種干擾，這就需要同步發(fā)電機(jī)具有維持或恢復(fù)同步運(yùn)行的能力，即保持同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。第三章 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是：將輸入的電氣信號(hào)，經(jīng)各自的信號(hào)處理及變換電路對(duì)信號(hào)濾波、隔離放大適配到A/D轉(zhuǎn)換的量程內(nèi)。再通過(guò)軟件計(jì)算得到發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況、勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)節(jié)器輸出參數(shù)等全部信息。最后，將調(diào)節(jié)參數(shù)輸出并控制移相觸發(fā)電路,使得勵(lì)磁電源主回路的晶閘管導(dǎo)通角改變,從而控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁。本裝置硬件系統(tǒng)總體可分為6個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集單元，微機(jī)處理單元，開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口單元，人機(jī)接口單元，通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集單元的功能是采集由被保護(hù)設(shè)備的電流電壓互感器輸入的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后轉(zhuǎn)化為所需數(shù)字量；微機(jī)處理單元以ATmega16微處理器為核心，ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，同時(shí)具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫(xiě)的能力)；512字節(jié)EEPROM；1K字節(jié)SRAM；32個(gè)通用I/O口線；開(kāi)關(guān)量輸入/輸出回路由并行口、光電耦合電路及光電隔離開(kāi)關(guān)等組成；人機(jī)接口部分主要包括顯示、鍵盤(pán)、各種面板開(kāi)關(guān)等，通信系統(tǒng)可以完成機(jī)間通信及遠(yuǎn)動(dòng)的要求；電源系統(tǒng)提供了整個(gè)裝置所需的直流穩(wěn)壓電源，保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠供電?？傮w設(shè)計(jì)如圖31所示： 圖31 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置總體硬件框圖 單片機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主回路勵(lì)磁電源主回路：該系統(tǒng)的勵(lì)磁電源部分即為控制主回路，是一個(gè)由可控硅和二極管組成的三相半控，經(jīng)這一回路整流后的電壓就是勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組可變的電源電壓。如圖32所示。整流二極管是共陽(yáng)極接法，晶閘管是共陰極接法，D為續(xù)流二極管。在電路中僅在橋的一側(cè)用可控的晶閘管，故稱為半控橋整流。三相半橋中，三個(gè)晶閘管的導(dǎo)通順序與三相電源的順序相同,從左到右依次導(dǎo)通。因?yàn)槭侨嚯娫?，所以觸發(fā)脈沖間相位也依次相差120176。，勵(lì)磁控制回路可以根據(jù)機(jī)端電壓偏差和其他反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，從而達(dá)到自動(dòng)改變勵(lì)磁電流的目的。圖32 勵(lì)磁電源主回路參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量都是由單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成,檢測(cè)同步發(fā)電機(jī)端電壓和勵(lì)磁電流，將它們經(jīng)過(guò)整流變送后輸入單片機(jī)的A/D口；同時(shí)將測(cè)得的端電壓和勵(lì)磁電流通過(guò)比較器、光電隔離器等環(huán)節(jié)得到頻率和相位角的脈沖方波信號(hào)，并且取得系統(tǒng)的同步信號(hào)。系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)的總體框圖如圖33所示。發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓Ud經(jīng)電壓互感器后，經(jīng)三相整流濾波電路后經(jīng)過(guò)ATmega16的一路A/D送入單片機(jī)，與對(duì)應(yīng)的給定值進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算，把電壓偏差輸出到D/A（PWM），經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路，控制晶閘管導(dǎo)通角。勵(lì)磁電流If 經(jīng)電流互感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路得到05V電壓信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。圖33 系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量電路結(jié)構(gòu)框圖同步發(fā)電機(jī)輸出電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器取樣后，由測(cè)量變壓器降壓得到5V按正弦波變化的電壓，再送入精密整流電路整流便可以得到整形后的電壓。整流后的電壓信號(hào)經(jīng)電容濾波后便可以通過(guò)ATmega16的一路A/D送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算，便可以得到我們所要顯示的電壓值。另外，還可以由程序?qū)⑵渑c對(duì)應(yīng)的給定值進(jìn)行比較，得到我們想要的電壓偏差，把電壓偏差送至D/A，通過(guò)觸發(fā)電路可以控制晶閘管導(dǎo)通角，從而控制勵(lì)磁電流。由于普通橋式整流電路存在兩個(gè)二極管PN結(jié)的門(mén)檻電壓(),輸出電壓的有效值并不是Vm。這是一個(gè)非線性整流電路，存在兩個(gè)二極管PN結(jié)的門(mén)檻電壓，整流后的電壓有損失，不利于發(fā)電機(jī)的起勵(lì)控制。故我們采用精密整流濾波電路，以克服普通橋式整流電路的不足,克服二極管死區(qū)電壓現(xiàn)象，從而提高了測(cè)量精度。全波精密整流電路如圖34所示。圖34 全波精密整流電路圖34中為半波精密整流電路，為反相加法器電路。，對(duì)，當(dāng)0的時(shí)候，放大器輸出為負(fù)，導(dǎo)通，截止，則，當(dāng)0的時(shí)候，放大器輸出為正，截止，導(dǎo)通，上沒(méi)有電流流過(guò)。利用A2的反相求和可得： 整理可得： (31)即 0時(shí)有 0時(shí)有 (32)所以 (33)由此可以看到經(jīng)過(guò)精密整流電路后，經(jīng)過(guò)調(diào)整的交流電壓、電流變成A/D轉(zhuǎn)換可以接受的單向脈動(dòng)電，且幅值為正，從波形上無(wú)法分辨哪個(gè)半波為原波形的正半周，因此，需附加判斷翻轉(zhuǎn)之后的正負(fù)半周，可通過(guò)增加一個(gè)比較器來(lái)判定，該比較器輸出的上升沿對(duì)應(yīng)著原波形的正半周。同時(shí)，該比較器的輸出的上升沿也為AD轉(zhuǎn)換開(kāi)始提供依據(jù)。圖35 精密整流后的波形圖電流采樣與電壓采樣類似。只需在電流互感器的二次側(cè)加一個(gè)電阻就可以變?yōu)殡妷?。通過(guò)AVR單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確求得頻率。其軟件實(shí)現(xiàn)原理為：將前面測(cè)量電壓時(shí)采集到的正弦信號(hào)通過(guò)過(guò)零比較電路，將其轉(zhuǎn)換為只有正值和負(fù)值的方波，將方波通過(guò)反相光電隔離芯片，可以屏蔽外部干擾，還可以濾除方波中的低電平，得到系統(tǒng)的頻率信號(hào)接入到AVR單片機(jī)的一個(gè)外部中斷引腳INT0，ICP1端口。信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖36所示。 圖36 頻率測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換電路AVR單片機(jī)設(shè)定為上升沿觸發(fā)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，一直到第二個(gè)上升沿到來(lái)，此時(shí)讀取定時(shí)器數(shù)值，再用這兩次的數(shù)值差乘以定時(shí)器單次計(jì)數(shù)間隔時(shí)間，即可得到交流電壓或電流的周期：，其倒數(shù)即為頻率f，如圖37所示。圖37 頻率的計(jì)算要計(jì)算功率因數(shù)，首先要獲取功率因數(shù)角。在本文中，利用AVR單片機(jī)的硬件特性，通過(guò)一次采集獲得頻率及相位角（功率因數(shù)角），并可判斷電壓和電流在時(shí)間上的超前滯后關(guān)系，僅占用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷，一個(gè)輸入捕獲引腳ICP和一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為方便。ICP引腳的功能為捕捉邊沿信號(hào)，當(dāng)該引腳有信號(hào)邊沿觸發(fā)時(shí)，可以將此時(shí)的定時(shí)器值放入寄存器。將整形后的電壓信號(hào)輸入AVR的外部中斷引腳INT0，上升沿觸發(fā)中斷。單片機(jī)接收到上升沿觸發(fā)中斷后，將定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1清零并開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)上升沿中斷的到來(lái)，該時(shí)間間隔即為一個(gè)周期T，其倒數(shù)即為頻率f。將整形后的電流信號(hào)輸入AVR單片機(jī)的ICP引腳，當(dāng)外部中斷引腳INT0觸發(fā)的同時(shí)也將ICP引腳設(shè)置為上升沿觸發(fā)，當(dāng)電流信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器1的數(shù)值t保存到單片機(jī)內(nèi)部的寄存器, 這樣就測(cè)得了電壓和電流的過(guò)零時(shí)間差，即可求得功率因數(shù)角，并推斷出電壓和電流之間的時(shí)間關(guān)系如下：