【正文】 章 導(dǎo)言同步發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)研究的內(nèi)容包括兩個主要方面：勵磁機(jī)和勵磁調(diào)節(jié)器，對勵磁系統(tǒng)的控制是對發(fā)電機(jī)運(yùn)行實(shí)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(jī)的重要配套裝備。進(jìn)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(dǎo)體技術(shù)的研制和應(yīng)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(yīng)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(jìn)一步促進(jìn)了勵磁控制技術(shù)的發(fā)展。在本次課題設(shè)計中，首先對發(fā)電機(jī)勵磁原理作出分析，選擇適合中小型發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的算法，適應(yīng)單片機(jī)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(yīng)的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真，實(shí)現(xiàn)各項參數(shù)的正常要求。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。 圖25（a）為輸入負(fù)序電壓的矢量。因此，檢測電路起到比較與整定電壓的作用，故又稱比較整定電路。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間常數(shù), IZTL為勵磁調(diào)節(jié)器單元部分的電流。圖中將綜合放大和功率放大合并為一個單元，并認(rèn)為未加校正裝置。當(dāng)＜0時為負(fù)調(diào)差，調(diào)節(jié)特性上翹，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無功電流增大而上升。勵磁控制回路可以根據(jù)機(jī)端電壓偏差和其他反饋信號自動調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，從而達(dá)到自動改變勵磁電流的目的。同時，該比較器的輸出的上升沿也為AD轉(zhuǎn)換開始提供依據(jù)。由晶閘管構(gòu)成的三相全橋半控整流是勵磁系統(tǒng)的功率單元，為使半控橋正常工作，需要使晶閘管元件按照一定的次序?qū)ǎ@就需要按照一定的次序?qū)чl管的門極施加觸發(fā)脈沖。去抖動時間短，會造成連續(xù)按鍵；去抖動時間長，會使按鍵遲鈍。控制算法是勵磁控制系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，控制算法的選擇關(guān)系到整個控制系統(tǒng)的控制效果。根據(jù)數(shù)值積分原理： （45） 誤差函數(shù)的微分則可以進(jìn)行如下近似： （46）綜合（43），（44），（46）可以得到如下的差分方程： U(n)= （47）在以上三個式子中，T為采樣時間間隔，分別為，的簡寫，=0，1，2，…………，n。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計算程序，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高有用信號在采集值中的比例，減少各種干擾和噪聲。包括向?qū)?、文本編輯器和調(diào)試器等；工程項目采用模塊化管理，可視化編程；提供多種向?qū)еС謩討B(tài)添加/刪減各種模塊和中斷函數(shù)，自動生成代碼；文本編輯器支持自動提示函數(shù)參數(shù)信息，函數(shù)檢索和插入等功能。STK500方式也有其缺點(diǎn)：價格較高。軟件系統(tǒng)主要是對要采集的端電壓信號、端電流、頻率和相位等參數(shù)的運(yùn)算和處理，并根據(jù)采集到參數(shù)的變化設(shè)置相應(yīng)的中斷服務(wù)程序以進(jìn)行控制輸出、設(shè)定開機(jī)關(guān)機(jī)功能等。因此，必須采取有效的抗干擾措施，以保障它的穩(wěn)定運(yùn)行。信號在印刷線路板上傳輸有一定的延遲時間，其傳播速度約為光速的1／3—1／2之間?？刂葡到y(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，那樣會增加系統(tǒng)本身的成本；況且在實(shí)際中，往往是完成了整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計后，才發(fā)現(xiàn)存在的干擾，此時若推翻原來的設(shè)計就浪費(fèi)了寶貴的時間和人力物力：因此軟件抗干擾技術(shù)就是監(jiān)督和判斷應(yīng)用系統(tǒng)是否出錯或失效的一種方法，這是應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾的最后一道屏障。2．使用AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)參數(shù)的采集。 //輸出 PORTD = 0x0。 adc_d=0。//等待 return ADC。0x00ff。 TCNT0 = 0x00。 //T/C中斷屏蔽寄存器}/***************定時器1中斷函數(shù)，***************/SIGNAL(SIG_OVERFLOW1){ TCNT1=0。 led[13]=(k_change/10)%10。 //提取當(dāng)前輸入捕獲計數(shù)值 round_icp=number_icp_newodd_dat_icp。led_list()。 //異步模式狀態(tài)寄存器 OCR2 = 0x00。 }}//cSIGNAL(SIG_OVERFLOW0){ if(t0_h) { TCNT0 = 0x00。 t0_l=t2amp。=0xf8。 //開全局中斷 m_i=0。 //保存各相要延時的時間參數(shù)static void io_init(void){ PORTB = 0x0。為防止程序進(jìn)入死循環(huán)，經(jīng)常采用看門狗技術(shù)。克服電磁干擾問題，最主要的手段就是接地。微控制器主要采用高速CMOS技術(shù)制造。其中定時器0工作于定時器模式，每10ms產(chǎn)生一次中斷，用來定時采樣同步發(fā)電機(jī)電壓值，如圖58，其中ADC中斷完成發(fā)電機(jī)電壓轉(zhuǎn)換值的讀取，定時器0完成ADC轉(zhuǎn)換的啟動。這樣不但麻煩，而且需要斷點(diǎn)拆下器件，容易弄壞器件的引腳。與并口下載方式和USB下載方式相對比，STK500具有速度快，AVR Studio直接支持該下載方式等優(yōu)點(diǎn)。由于C語言在單片機(jī)設(shè)計中具有直觀、可讀性強(qiáng)、程序移植容易等優(yōu)點(diǎn)，AVR單片機(jī)一般都是應(yīng)用基于C語言的編譯器和集成環(huán)境。此外，在計算機(jī)發(fā)生故障時，由于執(zhí)行裝置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。微分控制能迅速的反映偏差的變化率，因而能使控制器具有“超前”控制功能；同時根據(jù)自動控制理論可知，適當(dāng)?shù)膽?yīng)用微分控制可以減少控制系統(tǒng)輸出的超調(diào)量，并且有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，正是因?yàn)槿绱?，通過綜合的應(yīng)用以上控制，可以使控制器具有相當(dāng)高的“智能”。其接線圖如下圖所示。圖312裝置外部觸點(diǎn)開關(guān)回路 開關(guān)量輸出電路開關(guān)量輸出除了CPU主系統(tǒng)的端口輸出、信號線、晶閘管驅(qū)動等低壓輸出外，還包括保護(hù)的跳閘出口、合閘出口、中央信號繼電器驅(qū)動等與強(qiáng)電有關(guān)的電路。將整形后的電流信號輸入AVR單片機(jī)的ICP引腳，當(dāng)外部中斷引腳INT0觸發(fā)的同時也將ICP引腳設(shè)置為上升沿觸發(fā)，當(dāng)電流信號的上升沿到來時，定時器1的數(shù)值t保存到單片機(jī)內(nèi)部的寄存器, 這樣就測得了電壓和電流的過零時間差，即可求得功率因數(shù)角，并推斷出電壓和電流之間的時間關(guān)系如下： (34) （35）當(dāng)小于即時，可判斷電流滯后于電壓；當(dāng)大于即時，則判斷電流超前于電壓，如圖38所示。全波精密整流電路如圖34所示。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。這些變化與機(jī)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(fù)荷，機(jī)組的無功調(diào)節(jié)特性應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)差系數(shù)。這里只介紹自勵式直流勵磁機(jī)的傳遞函數(shù)。為增加運(yùn)算放大器帶負(fù)荷的能力，在限福電路之后，增加一級互補(bǔ)射極跟隨器，作功率放大。第二節(jié)是由，和，組成的兩級RC濾波器，其作用是濾去殘余的高次諧波分量。圖24 測量比較環(huán)節(jié)框圖（1）正序電壓濾過器： 濾過器的輸入是調(diào)差環(huán)節(jié)的輸出，是已修正過的發(fā)電機(jī)電壓。勵磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖22所示。微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定靈活方便，便于在線修改、調(diào)試工作量小，受到了人們的普遍歡迎。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，70年代后，執(zhí)行環(huán)節(jié)大部分采用可控硅整流橋，目前國內(nèi)對全控橋可控硅勵磁系統(tǒng)的研究主要集中于大型機(jī)組，并與全數(shù)字式同步勵磁控制系統(tǒng)配套使用，這樣既解決了靈敏度的同題，也大幅度地提高了反應(yīng)速度?？v觀同步發(fā)電機(jī)勵磁裝置的發(fā)展歷史可知，最初的勵磁調(diào)節(jié)器是以發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓偏差()為反饋量，由于當(dāng)時的機(jī)組容量不大，電網(wǎng)規(guī)模較小，所以基本能滿足安全運(yùn)行的要求。使得勵磁部分的電路較復(fù)雜。向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出勵磁電流，而獲得勵磁電流的方法一般稱之為勵磁方式，產(chǎn)生勵磁電流的裝置則稱為勵磁系統(tǒng)。 同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)相當(dāng)復(fù)雜，本文只研究發(fā)電機(jī)空載起勵的過程， 因此，可對發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)描述進(jìn)行簡化。其作用是將發(fā)電機(jī)電壓變換成能與基準(zhǔn)電壓作比較的平滑的直流電壓。運(yùn)算放大器原理接線如圖2－8所示。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(yīng)在相位上嚴(yán)格保持同步。在變化時，測量件測得的發(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。再通過軟件計算得到發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況、勵磁系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)節(jié)器輸出參數(shù)等全部信息。勵磁電流If 經(jīng)電流互感器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)放大電路得到05V電壓信號輸入單片機(jī)進(jìn)行處理。信號轉(zhuǎn)換電路如圖36所示。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。該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。 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(shí)際輸出值y進(jìn)行比較，構(gòu)成控制偏差e =wy (41)圖41 PID調(diào)節(jié)器框圖 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。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(jìn)行了改進(jìn)，提出了以下增量型控制算法。則每次采樣后都與其前一個采樣值進(jìn)行比較，一但兩個差值超過了，則表面采集的信號中有校大的干擾。AVR并口下載線的制作方法有很多，這里，推薦一種簡單實(shí)用的接線方式，其原理圖如圖52所示：圖52 并口下載線原理圖程序下載是指將編譯好的目標(biāo)文件燒入到單片機(jī)里面，使單片機(jī)可以運(yùn)行程序。ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。因此，成功的抗干擾系統(tǒng)是硬件和軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的。復(fù)位線、中斷線和其它一些控制線最容易受到外界噪聲的干擾。開關(guān)量干擾信號多數(shù)是尖脈沖狀的，作用時間很短，所以在對開關(guān)量輸入信號進(jìn)行采集時，要消除多路開關(guān)的抖動，消除采樣數(shù)據(jù)中的零電平漂移。參考文獻(xiàn)[1] 許克明，田懷智 . 電力系統(tǒng)自動化裝置. 重慶大學(xué)出版社，2002[2] 海濤，李嘯驄等. 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