【文章內(nèi)容簡介】 同時也引起母線電壓的變化。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(fù)荷，機組的無功調(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)電機額定電壓， 1fU 、 2fU 分別是發(fā)電機空載電壓、額定無功電流時的電壓。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)差單元的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中，當(dāng)無功電流增大，勵磁調(diào)節(jié)器將感受到發(fā)電機電壓虛假地提高，于是調(diào)節(jié)裝置將減小發(fā)電機的勵磁電流，致使發(fā)電機電壓降低，所以得到下傾的外特性。當(dāng) ? ＜ 0時為負(fù)調(diào)差，調(diào)節(jié)特性上翹，發(fā)電機端電壓隨著無功電流增大而上升。在帶有負(fù)調(diào)差單元的自動調(diào)節(jié)勵磁裝置中，當(dāng)無功電流增大時，勵磁調(diào)節(jié)器將感受到發(fā)電機電壓虛假地降低，有相反的調(diào)節(jié)過程，致使發(fā)電機電壓升高，于是得到上翹的外特性。 ? =0 為無差特性，這時發(fā)電機電壓為恒定值。 同步發(fā)電機并聯(lián)運行的穩(wěn)定性 電力系統(tǒng)在運行時隨時會受到各種干擾，這就需要同步發(fā)電機具有維持或恢復(fù)同步運行的能力，即保持同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的穩(wěn)定性。 廣西大學(xué)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(yīng)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)。再通過軟件計算得到發(fā)電機的運行工況、勵磁系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)節(jié)器輸出參數(shù)等全部信息。最后，將 調(diào)節(jié) 參數(shù)輸出并控制 移相觸發(fā)電路 ,使得勵磁電源主回路的晶閘管導(dǎo)通角改變 ,從而 控制 發(fā)電機的勵磁。 本裝置硬件系統(tǒng)總體可分為 6個部分： 數(shù)據(jù)采集單元，微機處理單元，開關(guān)量輸入 /輸出接口 單元，人機接口單元， 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，經(jīng)過預(yù)處理后轉(zhuǎn)化為所需數(shù)字量 ；微機處理單元以 ATmega16微處理器 為核心， ATmega16是基于增強的 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，同時具有 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時讀寫的能力 )； 512字節(jié) EEPROM； 1K字節(jié) SRAM； 32個通用 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)可以完成機間通信及遠(yuǎn)動的要求；電源 系統(tǒng)提供了整個裝置所需的直流穩(wěn)壓電源，保證整個系統(tǒng)的可靠供電。總體設(shè)計如圖 31所示： 電 壓 檢 測電 流 檢 測電 源 模 塊精密整流濾波放大C P U 主 系 統(tǒng)頻 率 檢 測鍵 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 勵 與 滅 磁 電 路時 鐘 定 值模 塊過 零 比 較 器開 關(guān) 量輸 出 圖 31 勵磁調(diào)節(jié)裝置總體硬件框圖 廣西大學(xué)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(yīng)用 17 單片機勵磁控制系統(tǒng)主回路 勵磁電源主回路： 該系統(tǒng)的勵磁電源部分即為控制主回路，是一個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磁機的勵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。因為是三相電源，所以觸發(fā)脈沖間相位也依次相差 120176。， 勵磁 控制回路可以根據(jù)機端 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。 發(fā)電機勵磁繞組移相觸發(fā)電路 M G aM G bM G c勵磁調(diào)節(jié)回路ABC1S3S5S4D 6D 2D2R1R1GK2GKD 圖 32 勵磁電源主回路 系統(tǒng)參數(shù)測量電路 參數(shù)測量系統(tǒng)的參數(shù)測量都是由單片機系統(tǒng)來完成 ,檢測同步發(fā)電機端電壓和勵磁電流，將它們經(jīng)過整流變送后輸入單片機的 A/D 口；同時將測得的端電壓和勵磁電流通 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，并且取得系統(tǒng)的同步信號。 系統(tǒng)測量環(huán)節(jié)的總體框圖如圖 33所示 。 發(fā)電機的機端電壓 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，與對應(yīng)的給定值進(jìn)行比較。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(dǎo)通角。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進(jìn)行處理。 廣西大學(xué)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(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勵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數(shù)器 1計數(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8 M 晶振電路5 V 5 V 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。整流后的電壓信號經(jīng)電容濾波后便可以通過 ATmega16 的一路 A/D 送入單片機，經(jīng)過程序運算，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，從而控制勵磁電流。 由于普通橋式整流電路存在兩個二極管 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。這是一個非線性整流電路，存在兩個二極管 PN 結(jié)的門檻電壓，整流后的電壓有損失，不利于發(fā)電機的起勵控制。 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 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(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 1A ，當(dāng) iu 0 的時候，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 時有 iioo uuuu ???? )( 1 iu 0 時有 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電，且幅值為正 ， 從波形上無法分辨哪個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 增加一個比較器來判定，該比較器輸出的上升沿對應(yīng)著原波形的正半周。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)。 廣西大學(xué)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(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)加一個電阻就可以變?yōu)殡妷骸? 發(fā)電機頻率的檢測 通過 AVR單片機軟件設(shè)計可以準(zhǔn)確求得頻率。其軟件實現(xiàn)原理為： 將前面測量電壓時采集到的正弦信號通過過零比較電路，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 接入到 AVR 單片機的一個外部中斷引腳 INT0， ICP1 端口 。 信號轉(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 頻率測量信號轉(zhuǎn)換電路 AVR 單片機設(shè)定為上升沿觸發(fā)，當(dāng)?shù)谝粋€上升沿到來時，定時器開始計時，一直到第二個上升沿到來，此時讀取定時器數(shù)值，再用這兩次的數(shù)值差乘以定時器單次計數(shù)間隔時間，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 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 21 tT f = 1 / TU 1t0t 圖 37 頻率的計算 功率因數(shù)角與功率因數(shù)的計算 要計算功率因數(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間上的超前滯后關(guān)系，僅占用單片機的一個外部中斷， 一個輸入捕獲引腳 ICP 和一個定時器 /計數(shù)器，實現(xiàn)起來較為方便。 ICP 引腳的功能為捕捉邊沿信號，當(dāng)該引腳有信號邊沿觸發(fā)時，可以將此時的定時器值放入寄存器。 將整形后的電壓信號輸入 AVR的外部中斷引腳 INT0，上升沿觸發(fā)中斷。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。 將整形后的電流信號輸入 AVR 單片機的 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保存到單片機內(nèi)部的 ICP 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： ?? 2??Tt (34) ?? 2??? T tT （ 35） 當(dāng) ? 小于 ? 即 2/Tt? 時，可判斷電流滯后于電壓；當(dāng) ? 大于 ? 即 2/Tt?時，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 單片機在同步發(fā)電機勵磁控制系統(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 計算出功率因數(shù) 角后，就可以得到功率因 數(shù) ?cos?K 。 設(shè)計方法可以在一個周期內(nèi)便計算出功率因數(shù)角，并可判斷出電流和電壓之間的相互關(guān)系，具有較好的實時性和準(zhǔn)確性 ，同時 避免了對單片機引入過多中斷，使程序的跳轉(zhuǎn)更加清晰。 移相觸發(fā)電路 同步發(fā)電機勵磁控制系統(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