【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 同時(shí)也引起母線電壓的變化。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)。 調(diào)差系數(shù) ? 可由下式表示 ? %=feff UUU 21? 100% （ 2－ 7） feU 為發(fā)電機(jī)額定電壓， 1fU 、 2fU 分別是發(fā)電機(jī)空載電壓、額定無功電流時(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。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 16 第三章 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)的總體設(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)讀寫的能力 )； 512字節(jié) EEPROM； 1K字節(jié) SRAM； 32個(gè)通用 I/O口線； 開關(guān)量輸入 /輸出回路由并行口、光電耦合電路及 光電隔離開關(guān) 等組成 ；人機(jī)接口部分主要包括顯示、鍵盤、各種面板開關(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： 電 壓 檢 測(cè)電 流 檢 測(cè)電 源 模 塊精密整流濾波放大C P U 主 系 統(tǒng)頻 率 檢 測(cè)鍵 盤 與 L E D 顯 示光電隔離通 信 接 口P W M輸出光電隔離濾波放大移相觸發(fā)控制強(qiáng) 勵(lì) 與 滅 磁 電 路時(shí) 鐘 定 值模 塊過 零 比 較 器開 關(guān) 量輸 出 圖 31 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置總體硬件框圖 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 17 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。 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組移相觸發(fā)電路 M G aM G bM G c勵(lì)磁調(diào)節(jié)回路ABC1S3S5S4D 6D 2D2R1R1GK2GKD 圖 32 勵(lì)磁電源主回路 系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量電路 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)過程序運(yùn)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(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。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 18 過零比較器反相光電隔離與門At m ega l 16同步處理電路濾波整流強(qiáng)勵(lì)磁滅磁電路過零比較器同相光電隔離與門相位超前或 滯后判斷電路濾波整流計(jì)數(shù)器 1計(jì)數(shù)器 2 PD 口A / D A / D電力電網(wǎng)系統(tǒng)電壓互感器電流互感器同步發(fā)電機(jī)8 M 晶振電路5 V 5 V 圖 33 系統(tǒng)參數(shù)測(cè) 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(jī)輸出電壓經(jīng)過 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 ATmega16 的一路 A/D 送入單片機(jī)，經(jīng)過程序運(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)的門檻電壓 (二極管有 左右的電壓降 ),輸出電壓的有效值并不是 2 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。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 19 1fR2fR1R 2R3R 4R3fR?? ??iu 0u1D2D 39。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。32121 21 fff RRRRR ????，對(duì) 1A ，當(dāng) iu 0 的時(shí)候，放大器輸出為負(fù)， 1D 導(dǎo)通， 2D 截止，則iifo uuRRu 2131 ????，當(dāng) iu 0 的時(shí)候，放大器輸出為正， 1D截止， 2D 導(dǎo)通， 3fR 上沒有電流流過， 01?ou 。利用 A2 的反相求和可得： 2121 0fofio R uRuRu ??? 整理可得： )( 1 ioo uuu ??? (31) 即 iu 0 時(shí)有 iioo uuuu ???? )( 1 iu 0 時(shí)有 iioo uuuu ????? )( 1 (32) 所以 io uu ? (33) 由此可以看到經(jīng)過精密整流電路后，經(jīng)過調(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 增加一個(gè)比較器來判定，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)換開始提供依據(jù)。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 20 t?iUoU t? 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)殡妷骸? 發(fā)電機(jī)頻率的檢測(cè) 通過 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)通過過零比較電路，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。 F??7R k10 5R 3R40 1 0640 1 06BU 2 CU 3 DU 312Ck10 k1 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)上升沿到來時(shí)，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，一直到第二個(gè)上升沿到來，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： 10T t t?? ，其倒數(shù)即為頻率 f， 如 圖 37所示 。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 21 tT f = 1 / TU 1t0t 圖 37 頻率的計(jì)算 功率因數(shù)角與功率因數(shù)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 清零并開始計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)上升沿中斷的到來，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 時(shí)，定時(shí)器 1的數(shù)值 t保存到單片機(jī)內(nèi)部的 ICP 寄存器 , 這樣就測(cè)得了電壓和電流的過零時(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： ?? 2??Tt (34) ?? 2??? T tT （ 35） 當(dāng) ? 小于 ? 即 2/Tt? 時(shí)，可判斷電流滯后于電壓；當(dāng) ? 大于 ? 即 2/Tt?時(shí)，則判斷電流超前于電壓 ，如圖 38所示。 廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)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(jì)算出功率因數(shù) 角后，就可以得到功率因 數(shù) ?cos?K 。 設(shè)計(jì)方法可以在一個(gè)周期內(nèi)便計(jì)算出功率因數(shù)角，并可判斷出電流和電壓之間的相互關(guān)系，具有較好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性 ，同時(shí) 避免了對(duì)單片機(jī)引入過多中斷，使程序的跳轉(zhuǎn)更加清晰。 移相觸發(fā)電路 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要作 用是通過給定控制電壓 kU 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 fI ，達(dá)到控制端電壓 0U 的目的。由 晶閘管構(gòu)成的三相全橋半控整流是勵(lì)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)?，這就需要按照一定的次序