【正文】 圖 33 系統(tǒng)參數(shù)測 量電路結(jié)構(gòu)框圖 電壓和電流參數(shù)采集 同步發(fā)電機輸出電壓經(jīng)過 電壓互感器 取樣后 ， 由測量變壓器降壓得到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。u1A 2A01u 圖 34 全波精密整流電路 圖 34 中 1A 為 半波 精密整 流電 路， 2A 為反相 加法 器電路。 信號轉(zhuǎn)換電路如圖 36所示。 廣西大學畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應用 22 Tt t電流滯后電壓 電流超前電壓2/Tt ? 2/Tt ?UIUIT 圖 38 功率因數(shù)角采集及判斷 計算出功率因數(shù) 角后，就可以得到功率因 數(shù) ?cos?K 。 觸發(fā)電路的 同步信號取自晶閘管整流裝置的主回路，保證 觸發(fā)脈沖在晶閘管陽極電壓為正半周時發(fā)出，使觸發(fā)脈沖與主回路同步。為提高抗干擾能力，本設(shè)計采用了光電 隔離電路，圖中 CPU 主系統(tǒng)發(fā)出動作信號后，同一回路的 LED 指示燈立即點亮，表示光電隔離芯片的出口端已經(jīng)導通，此時繼電器便發(fā)生動作，使裝置的 COM 端子和 OUTJ1 端子導通， 完成勵磁系統(tǒng)的相應輸出動作進行調(diào)控。該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。 MAX232 芯片是用來進行 RS232 通信，通信距離通常不大于 15米，它抗干擾能力強，適用于近距離通訊。 PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計 PID 調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它是將設(shè)定值 w 與實際輸出值 y 進行比較，構(gòu)成控制偏差 e =wy (41) K pK i / sK d / s對 象++++uy－ew測 量 變 送 圖 41 PID 調(diào)節(jié)器框圖 廣西大學畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應用 29 并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量（如圖 41 所示），所以簡稱為 P（比例）、 I（積分）、 D(微分 )調(diào)節(jié)器。 數(shù)字 PID 算法的實現(xiàn) 由于計算機控制系統(tǒng)只能處理數(shù)字信號，因此與模擬控制系統(tǒng)相比，微機控制系統(tǒng)的主要特點是離散化和數(shù)字化；一般控制系統(tǒng)的控制量和反饋量都是連續(xù)的模擬信號，為了把它 們輸入計算機，必須首先在具有一定周期的采樣時刻對它們進行實時采樣，形成一連串的脈沖信號；采樣后得到的離散模擬信號本質(zhì)上還是模擬信號，不能直接輸入計算機，還必須經(jīng)過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這就是數(shù)字化。 4． 2 .2 增量型 PID 控制算法 由于位置型控制算法存在諸多的問題，人們對其進行了改進，提出了以下增量型控制算法。因此，在實際控制中，增量式算法應用更為廣泛。算術(shù)平均值法主要對壓力，流量等含有周期性脈動的信號有效，而對突發(fā)的脈沖干擾效果則不太理想。如果采用增量算法，則由于式中不出現(xiàn)u0 項，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。將一個微分方程用差分方程近似離散化。但是如果積分 時間 Ti 太小，則積分控制作用太強，會使控制器系統(tǒng)輸出的超調(diào)量加大，甚至產(chǎn)生震蕩。 因此，在本單片機勵磁調(diào)節(jié)器中采用了數(shù)字 PID控制算法。 T19VC11 00 0 uC21 00 uC30 .1 uC40 .1 uV i n1GND3+ 5V 2U1L M 7 80 5 C K12J25V12J1A C 2 20 V1234D1 圖 316 電源設(shè)計原理圖 通訊接口電路設(shè)計 廣西大學畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應用 27 為了實現(xiàn)與上位機的通信，本系統(tǒng)采用了電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232。 K3K1R K 41 0KR K 31 0KR K 21 0KV C CC41 04C31 04C21 04K4R K 11 0KC11 0412345S W 1K2 圖 314 鍵盤掃描電路 本裝置的顯 示模塊使用數(shù)碼管進行顯示，采用動態(tài)掃描方式。在本微機裝置中一般采用光電隔離措施，通用的原理電路如圖 312 所示。 觸發(fā)電路的調(diào)制波是由如圖 39左邊部分所示，由 NE555 芯片構(gòu)成的多諧振蕩器， 其可控制端 5腳電壓的高低，改變其振蕩頻率和占空比，使 5 腳輸出 方波。單片機接收到上升沿觸發(fā)中斷后，將定時器 /計數(shù)器 1 清零并開始計數(shù)，直到下一個上升沿中斷的到來，該時間間隔即為一個周期 T，其倒數(shù)即為頻率f。 發(fā)電機頻率的檢測 通過 AVR單片機軟件設(shè)計可以準確求得頻率。 全波精密整流電路如圖 34 所示。經(jīng)過程序運算，把電壓偏差輸出到 D/A（ PWM），經(jīng)過觸發(fā)電路，控制晶閘管導通角。 整流二 極管 是共陽極接法，晶閘管是共陰極接法， D為續(xù)流二極管。 廣西大學畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應用 16 第三章 發(fā)電機勵磁控制 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計 單片 機 勵磁調(diào)節(jié)器的 主要 任務(wù)是：將輸入的電氣信號，經(jīng)各自的信號處理及變換電路對信號濾波、隔離放大適配到 A/D 轉(zhuǎn)換的量程內(nèi)。這些變化與機組的無功調(diào)節(jié)特性有關(guān)，為了合理而穩(wěn)定地分配組間的無功負荷，機組的無功調(diào)節(jié)特性應有適當?shù)恼{(diào)差系數(shù)。所以，要保證供電質(zhì)量，同步發(fā)電機必須隨著無功負荷的變化 不斷調(diào)節(jié)勵磁電流。 1)( )()( (25) 式中 Kf 為勵磁機放大系數(shù)， Tf 為勵磁機的時間常數(shù)。 觸發(fā)電路的移相范圍應足夠?qū)挘葡嗥椒€(wěn)，線性度好；觸發(fā)脈沖應有足夠的功率，使晶閘管可靠導通；脈沖應有一定寬度，尤其是對 于勵磁系統(tǒng)這樣的大電感電路，只有當脈沖有足夠?qū)挾?，剛導通的晶閘管中電流逐漸上升時，觸發(fā)脈沖仍未消失，保證晶閘管不會重新熄滅；觸發(fā)脈沖的前沿要陡；整個觸發(fā)電路應有較強的抗干擾能力。 5R 與 1C 構(gòu)成消除高頻自激振蕩電路。 廣西大學畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應用 10 UCE? CE? 0K?+ fR1U21R2 ?U?I fI 0III 圖 28 運算放大器原理接線圖 運算放大器的開環(huán)（無反饋電阻 fR 時）放大系數(shù) 0K 很大（ K 410 ~ 510 ），加入 fR 后，輸入端相加點 ? 的電位總是接近零電位，即 0??U ，輸入到放大器的電流 ，00?I 于是有： fIIII ???? 21 式中 11111 RURUUI ??? ? 22222 RUR UUI ??? ? ff RUUI ?? ? 可推得輸出電壓為： )(2211 URRURRU ff ??? （ 2— 3） 式（ 2— 3）說明，運算放大器能對多個輸入信號進行按不同比例相加，其比例僅與反饋電阻與各輸入電阻有關(guān)，與運算放大器本身參數(shù)無關(guān)。其作用是將整流濾波輸出的電壓與比較電路中的基準電壓進行比較，得到一個反映發(fā)電機電壓偏差的直流電壓信號 U? 輸出到綜合放大環(huán)節(jié)。因為整流相數(shù)越多，整流電壓中所含紋波的最 低頻率越高，且其幅值越小，因而直流電壓越平滑，所以一般均采用多相整流電路；由于整流電壓平穩(wěn)，其后的濾波單元可以采用較小的濾波電容而獲得滿意的直流電壓。B‘C 39。 至 測 量 變 壓 器調(diào) 壓 環(huán) 節(jié) 輸 出39。39。 圖 25（ a）為輸入負序電壓的矢量。正序電壓濾過器接線如圖 25（ a）所示， 為便于說明，將接線圖改畫成圖 25（ b）所示電路。tU?xU定值U?aU測 量 比 較交流勵磁電源同 步手 控Ku??同步發(fā)電機 圖 23 自動勵磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖 電壓測量比較單元的傳遞函數(shù) 電壓 測量比較單元由調(diào)節(jié)器的測量變壓器、整流濾波電路、比較器和調(diào)差環(huán)節(jié)、電壓互感器組成 ， 作用是把發(fā)電機機端電壓變成與之成正比的直流電壓，在正常情況下， TV和測量變壓器均不會飽和，可近似用一個一階滯后環(huán)節(jié)來描述： 總的效應可以用一階慣性環(huán)節(jié)近似表示其動態(tài)特性。 由于電力系統(tǒng)運行的需要及自動裝置元件與計算技術(shù)的進展，勵磁調(diào)節(jié)器也隨之發(fā)展。 勵磁功率單元向 同步發(fā)電機 的轉(zhuǎn)子提供直流電流，即勵磁電流；勵磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則控制勵磁功率單元的輸出。 主要工作包括以 Atmega 系列超低功耗單片機為核心 ，輔助相應的硬件電路和外圍設(shè)備，來實現(xiàn)對發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的控制。簡化了勵磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，降低了成本。國外從 70年代開始研究數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器，從 80年代中期世界上第一臺數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器 DER，問世以來，國外的德國，瑞士，英國等眾多生產(chǎn)廠家紛紛研制并不斷推出新的產(chǎn)品，大大推動了 DER的發(fā)展和 應用，DER用的硬件一般自制專用控制板，分為單 CPU系統(tǒng)和多 CPU系統(tǒng)以及模擬 —數(shù)字混合系統(tǒng) (數(shù)字部分采用 PLC)等三種，單 CPU系統(tǒng)的特點是快速、總體集成度高，因而成本也高。而且有一定的調(diào)節(jié)死區(qū)。廣西大學畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應用 1 第一章 導言 論文的選題背景及意義 同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)研究的內(nèi)容包括兩個主要方面：勵磁機和勵磁調(diào)節(jié)器，對勵磁系統(tǒng)的控制是對發(fā)電機運行實現(xiàn)控制的一項重要內(nèi)容，因而勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要配套裝備。這就帶來了調(diào)節(jié)速度慢的問題。進入 50年代后，隨著自動控制理論的不斷發(fā)展與成熟，電子器件，半導體技術(shù)的研制和應用也取得了長足發(fā)發(fā)展，從此打開了人們研制新型調(diào)節(jié)器的思路， 70年代后，最優(yōu)控制理論應用于電力系統(tǒng)勵磁控制的研究在國外就蓬勃地展開了， 這些成果進一步促進了勵磁控制技術(shù)的發(fā)展。微機控制技術(shù)的應用，使得許多在模擬式調(diào)節(jié)器中無法 實現(xiàn)的功能得以實現(xiàn)，并可以用軟件功能代替模擬式中用較復雜的硬件實現(xiàn)的功能。 在本次課題設(shè)計中，首先對發(fā)電機勵磁原理作出分析，選擇適合中小型發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的算法，適應單片機的控制要求以及硬件配置；而后設(shè)計出 基于 AVR 微處理器的數(shù)字式勵磁裝置的硬件原理圖，再根據(jù)原理圖和該裝置的硬件平臺在相應的開發(fā)環(huán)境下進行實驗和仿真，實現(xiàn)各項參數(shù)的正常要求。 同步發(fā)電機 的 勵磁系統(tǒng) 一般由勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器兩個部分組成，如圖 21所示。通用 的勵磁調(diào)節(jié)器均按一定控制規(guī)律來自動調(diào)節(jié)勵磁，故常稱自動調(diào)節(jié)勵磁裝置，漢語拼音簡寫為 ZTL。 廣西大學畢業(yè)設(shè)計 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應用 6 調(diào) 差穩(wěn) 壓 電 源各 種 控 制信 號綜 合 放 大移 相 觸 發(fā)?aI?tU? 39。采用正序濾過器的原因是在系統(tǒng)存在三相電壓不平衡時；濾過器只輸出一個反應電壓水平的正序電壓，能提高檢測的靈敏度，并使接于其后的測量變壓器始終處于對稱三相電壓下工作。AC 三條支路上的電流超前相應線電壓 C?30 且 1R 上壓降為 2R 的兩倍，據(jù)此，可畫出當負序電壓與正序電壓分別作用于濾過器時的矢量圖。39。因此，當輸入為不對稱電壓時，負序分量被濾去，只有正序電壓輸出。CCC1R 1R 2R 1R 2R 1RC CC 1R1R 1R2R 2R2REFD‘A 39。其作用是將發(fā)電機電壓變換成能與基準電壓作比較的平滑的直流電壓。 ab1 23 41R2RC 3R5R6 3C4C2C4R 圖 26 濾波電路 (4)檢測電路：檢測電路是測量比較環(huán)節(jié)的核心部分。運算放大器原理接線如圖 2－ 8所示。放大器上接入電位器 1W 是用來調(diào)零，當輸入為零時，調(diào)節(jié) 1W ，使 KU 為零。為保證觸發(fā)電路對整流主電路在給定的 ? 角時發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路與同相主電路應在相位上嚴格保持同步。勵磁機的輸入為勵磁調(diào)節(jié)器的輸出電流，輸出為勵磁機的端電壓 Uf ， 該單元也是一個一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為： ffEZTLfe KSTSSI SUSG ???? 39。要維持發(fā)電機端電壓，