【文章內(nèi)容簡介】 0～3V，所以需要添加交流信號的調(diào)理電路以滿足AD的要求[11][13]。在自動控制設(shè)備中，常采用電量變送器[6]對輸入的模擬量進(jìn)行測量。電量變送器是一種把某種形式的電量變換成與之成線性關(guān)系的直流信號的裝置，它的輸出通常為0～5V或4～20mA的直流信號。電量變送器接線簡單、安裝方便，通常這些電量變送器為保證變送電量的精度，會采取很多措施，如在變送器中加入了整流、濾波、補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)，但是這樣做使得整個裝置的時間常數(shù)變大，對于需要快速響應(yīng)的勵磁系統(tǒng)來說是非常不利的。電量變送器一般只能反映被測量的單一信息(如有效值)，丟失了很多有用的信息，不能用于需要采集交流信號瞬時值的控制系統(tǒng)。針對電量變送器的這些缺點(diǎn)，本文采用由運(yùn)算放大器組成的電平抬升電路作為模擬量輸入信號的調(diào)理電路，其電路原理圖如圖443所示： 圖42 電壓輸入調(diào)理電路圖43 電流輸入調(diào)理電路如圖42,43所示，第一級采用射級跟隨方式提高電路的輸入阻抗，第二級為反相器，通過可調(diào)電位器調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)，將輸出信號調(diào)解到0～3V測量直流信號有多種方案，如采用隔離放大器、霍爾傳感器等，本文采用隔離放大器進(jìn)行測量。在勵磁電路里，交流信號可以通過電壓互感器將主回路與控制器電路隔離開來，而直流信號勵磁電流和勵磁電壓不能通過互感器，直流信號一般采取線性光耦或直流變送器來進(jìn)行隔離。本文勵磁電流采用線性隔離放大器SLC8000進(jìn)行隔離,其隔離放大原理如圖44所示：圖44 隔離放大電路原理圖首先勵磁電流經(jīng)過分流器調(diào)整為0～75mV，再通過上圖所示的隔離放大電路將其調(diào)整為0～3V的電壓信號接入TMS320F2812的ADCIN取引腳。勵磁電壓則通過變送器將其變換為0～5V的電壓信號，然后經(jīng)過電阻分壓將其調(diào)整到0～3V接入ADCIN引腳。 ADC采樣模塊發(fā)電機(jī)端電壓/電流經(jīng)調(diào)理電路后變?yōu)榉逯禐?～3V的信號，接入TMS320F2812的AD通道。F2812的ADC模塊有16個通道，可配置為2個獨(dú)立的8通道模塊，分別服務(wù)于事件管理器A和B，兩個獨(dú)立的8通道模塊也可以級聯(lián)構(gòu)成一個16通道模塊。TMS320F2812芯片的ADC模塊的功能框圖如圖45所示：圖45 ADC模塊的功能框圖ADC模塊有兩種排序模式：單排序器模式（級聯(lián)構(gòu)成16狀態(tài)）和雙排序器模式（兩個相互獨(dú)立的8狀態(tài)）。在這兩種模式下，ADC都可以自動的進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換操作。每次當(dāng)ADC收到一個開始轉(zhuǎn)換請求，可以自動地完成多個轉(zhuǎn)換。對于每個轉(zhuǎn)換，都可以通過模擬復(fù)用器選擇16個輸入通道中的任一通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，數(shù)字結(jié)果將保存到相應(yīng)的結(jié)果寄存器中。用戶也可以對同一通道進(jìn)行多次采樣，從而實(shí)現(xiàn)過采樣算法，這樣得到的采樣結(jié)果比一般的采樣結(jié)果分辨率要高[6] [10]。ADC的工作模式有兩種：同步采樣模式和順序采樣模式。ADC可以同時采樣保持兩個ADC輸入引腳的能力，再分別對采樣保持器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣就可以同時采集到同一相電壓和電流的瞬時值。在采用同時采樣模式時應(yīng)保證一個引腳取自ADCINA0～ADCINA7，另一個引腳取自ADCINB0～ADCINB7，同時這兩個輸入要有同樣的采樣保持偏移，也要注意轉(zhuǎn)換結(jié)果在結(jié)果寄存器中的次序。 開關(guān)量輸入輸出單元電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的開關(guān)量輸入/輸出主要包括：（1）輸入信號：開/停機(jī)信號、增/減磁信號、手動/自動開關(guān)、滅磁開關(guān)合閘信號等。（2）輸出信號：勵磁故障、勵磁事故、PT斷線信號等。開關(guān)量輸入輸出通道的主要任務(wù)就是讓TMS320F2812能夠獲取現(xiàn)場的各種開關(guān)狀態(tài)，以便進(jìn)行分析判斷，并輸出相應(yīng)的開關(guān)信號去控制指示燈、繼電器及發(fā)出報警等。 開關(guān)量輸入通道本論文中所設(shè)計的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的開關(guān)量輸入通道電路原理如圖46所示：圖46 開關(guān)量輸入電路這個開關(guān)量輸入通道由總線收發(fā)器、光電隔離電路和數(shù)據(jù)緩沖組成。本文中的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采用了總線收發(fā)送器74LV245作為TMS320F2812的開關(guān)量輸入擴(kuò)展，每一路開關(guān)量經(jīng)光電耦合器隔離后與總線收發(fā)送器的B端的一個引腳相連。圖46所示的是其中一路開關(guān)量輸入?？偩€收發(fā)送器74LV245的B端口接于TMS320F2812的數(shù)據(jù)總線上，A端口接于光電耦合器的輸出端。由于總線收發(fā)送器74LV245具有雙向傳送數(shù)據(jù)的功能，其傳送方向由DIR端控制，而在開關(guān)量輸入通道中信號只需要單方向傳送，因此在開關(guān)量輸入通道中，總線收發(fā)送器的DIR端接電源，令總線收發(fā)送器的數(shù)據(jù)傳送方向?yàn)锳到B?？偩€收發(fā)送器的使能端G由外部擴(kuò)展區(qū)片選信號和地址線經(jīng)地址譯碼器譯碼后得到的CS_Kin控制信號選通。根據(jù)控制電路的地址分配電力系統(tǒng)穩(wěn)定器開關(guān)量輸入、輸出通道，開關(guān)量輸入通道地址存儲單元的16位有效數(shù)據(jù)對應(yīng)16位開關(guān)量，TMS320F2812以訪問外部I/O的方式從該地址單元讀取相關(guān)的開關(guān)量狀態(tài)，以便進(jìn)行判斷處理。整個開關(guān)量輸入通道工作原理是：正常工作條件下，當(dāng)接在光電耦合器輸入端限流電阻外側(cè)的開關(guān)量為低電平時，光電耦合器的輸入端的發(fā)光二極管未承受正向電壓，故不發(fā)光，從而導(dǎo)致其輸出端的光電三極管不導(dǎo)通。這時在上拉電阻的作用下，總線收發(fā)送器的A端引腳呈現(xiàn)為高電平，該電平狀態(tài)經(jīng)TMS320F2812讀取后存入相應(yīng)開關(guān)量狀態(tài)變量。同理，當(dāng)接在光電耦合器輸入端限流電阻外側(cè)的開關(guān)量為高電平時，光電耦合器輸出端的光電三極管就會導(dǎo)通，由于光電三極管飽和導(dǎo)通時，其c～e間的電壓很小，這時總線收發(fā)送器的A端引腳相當(dāng)于接地，即為低電平，然后F2812控制器就接受外部的命令。開關(guān)量輸出通道電路原理如圖47所示：圖47 開關(guān)量輸出電路開關(guān)量輸出通道同樣也采用了總線收發(fā)送器74LV245作為TMS320F2812的開關(guān)量輸出擴(kuò)展。圖37中只給出了控制一路指示燈和控制一路繼電器的情況。總線收發(fā)送器的B端口接于數(shù)據(jù)總線上，A端口接于光電耦合器的輸入端，總線收發(fā)送器的DIR端接+5V電源，其數(shù)據(jù)傳送方向?yàn)閺腁到B。開關(guān)量輸出通道中的總線收發(fā)送器的使能端G也由地址線及CS_Kout信號來控制。與開關(guān)量輸入通道相比，開關(guān)量輸出通道中多了一個74AHC373鎖存器，用于鎖存由TMS320F2812發(fā)出的數(shù)字開關(guān)量信號。當(dāng)TMS320F812通過OUT或IN指令訪問開關(guān)量輸入輸出通道時，IS控制線由高變低，與此同時地址線也變成與OUT或IN指令中的I/O空間地址相對應(yīng)的狀態(tài)，經(jīng)地址譯碼器譯碼后，選通與I/O地址相對應(yīng)的總路收發(fā)送器。對于開關(guān)量輸入通道來說，當(dāng)其總線收發(fā)送器被選通后，來自光電耦合器的開關(guān)量輸入信號將通過總線收發(fā)送器被送到數(shù)據(jù)總線上，并在IN指令的作用下被保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器單元。而對于開關(guān)量輸出通道來說，當(dāng)其總線收發(fā)送器被選通后，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)通過總線收發(fā)送器被送到74AHC373鎖存器的輸入端，并在74AHC373的時鐘信號下降沿到來時，鎖存由OUT指令送出的數(shù)據(jù)，以驅(qū)動相應(yīng)的指示燈和繼電器。 同步檢測及移相觸發(fā)單元在勵磁系統(tǒng)中，移相觸發(fā)單元的任務(wù)是產(chǎn)生可以改變相位的脈沖，用來觸發(fā)整流橋中的晶閘管，使觸發(fā)脈沖的相位及控制角隨控制電壓的大小而改變，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)勵磁的目的。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的移相觸發(fā)單元的組成一般包括同步、移相脈沖形成、脈沖功率放大等幾個基本環(huán)節(jié)。如圖48所示：圖48 移相觸發(fā)單元組成框圖同步信號的捕獲和移相脈沖的形成由軟件實(shí)現(xiàn)，而同步信號整形和脈沖功率放大由硬件電路實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)代大中型同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中，功率單元基本上都是采用晶閘管整流橋來控制勵磁電流的大小。對于不同的接線方式的晶閘管整流電路，由于晶閘管在每個周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間不同，故觸發(fā)電路與主電路之間的相位配合關(guān)系也就不同。本文中的主回路采用三相全控橋，如圖49所示：圖49 三相全控整流電路在整流工作狀態(tài)下，共陰極組的晶閘管只有在其陽極電位最高的一段區(qū)間內(nèi)才有可能導(dǎo)通，因此共陰極組的觸發(fā)脈沖應(yīng)在這一段區(qū)間內(nèi)發(fā)出。三相觸發(fā)脈沖按+A、+B、+C相的順序依次相隔120176。發(fā)出。共陽極組的晶閘管只有在其陰極電位最低的一段區(qū)間內(nèi)才有可能導(dǎo)通，共陽極組的觸發(fā)脈沖應(yīng)在這一段區(qū)間內(nèi)發(fā)出。三相脈沖按－C、－A、－B相的順序依次相隔120176。發(fā)出，這樣對于整個三相全控橋來說，六相觸發(fā)脈沖應(yīng)按+A、－C、+B、－A、+C、－B的順序依次隔60176。發(fā)出。 同步信號的檢測同步整形電路將交流同步電壓信號整形成同周期的方波信號，送入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的捕獲單元，當(dāng)捕獲到方波信號的上升沿時，產(chǎn)生中斷請求，作為移相觸發(fā)脈沖的起點(diǎn)。同步方式可分為兩種方式，即單相同步方式和三相同步方式。單相同步方式與三相同步方式相比，單相同步方式簡化了硬件電路，減少了中斷源，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，在實(shí)際運(yùn)行中被廣泛采用。因此，本文中所設(shè)計的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采取單相同步方式。在勵磁控制系統(tǒng)中，頻率的測量具有重要的地位，實(shí)時準(zhǔn)確地測量到系統(tǒng)頻率是實(shí)現(xiàn)跟蹤采樣、脈沖形成以及限制保護(hù)的基礎(chǔ)。本文中測頻電路和同步電路采用同一電路，同步信號檢測電路原理圖如圖410所示：圖410 同步信號檢測電路該同步檢測電路由濾波電路、LM358比較電路、TLP181高速光電隔離器件等元件組成。在同步電壓輸入到LM358之前，采用了低通濾波電路對輸入的同步電壓信號進(jìn)行濾波，濾除同步電壓中的高頻干擾信號。通過LM358完成同步電壓的過零點(diǎn)檢測，形成同步方波信號，最后經(jīng)過光電隔離器件TLP181與DSP進(jìn)行隔離。此同步信號既可以作為可控硅觸發(fā)脈沖的同步信號，又可兼做DSP電力系統(tǒng)穩(wěn)定器電量采樣的測頻信號。同步電壓經(jīng)電壓比較器整形成方波，并經(jīng)過光耦隔離接入TMS320F2812的事件管理器的捕獲單元，當(dāng)CAP口捕獲到方波信號的上升沿時，作為移相脈沖的同步信號；當(dāng)再次捕獲到方波信號的上升沿時，記下兩次跳變的周期，從而得到當(dāng)前系統(tǒng)頻率。 移相脈沖的形成脈沖形成環(huán)節(jié)的作用是在決定了觸發(fā)脈沖的起始時刻后，由單穩(wěn)電路產(chǎn)生一定寬度的觸發(fā)脈沖，并為下一次的觸發(fā)作好準(zhǔn)備，它最終影響著勵磁控制系統(tǒng)的性能和安全可靠性。 在可控硅整流系統(tǒng)中，可控硅的觸發(fā)需要由脈沖移相和脈沖放大兩部分組成。脈沖移相觸發(fā)控制一般有不同方案，例如：用軟件中斷方法，利用外部硬件鎖相環(huán)電路和比較器實(shí)現(xiàn)硬件延時、分相、 利用計數(shù)器實(shí)現(xiàn)延時等。 本文脈沖的形成和移相[10]是通過TMS320F2812片上的脈寬調(diào)制電路（PWM）來實(shí)現(xiàn)的，PWM脈沖的產(chǎn)生受片內(nèi)比較器的比較動作影響，具體的移相觸發(fā)脈沖的形成由軟件完成。 脈沖功率放大電路功率放大環(huán)節(jié)的作用是對前面產(chǎn)生的具有一定寬度的觸發(fā)脈沖進(jìn)行電流放大，以滿足觸發(fā)電路的要求。PWM電路輸出的脈沖功率小，不能夠直接驅(qū)動可控硅導(dǎo)通，為保證可控硅的可靠觸發(fā)，觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的陡度、幅度和寬度，所以必須添加功率放大模塊進(jìn)行功率放大。對于不同機(jī)組，其脈沖形成部分是相同的，但其功率放大部分是有所不同的。本文中采用的是三相全控橋式整流電路，具有六組結(jié)構(gòu)相同的脈沖功率放大電路，每組脈沖功率放大電路原理圖如圖411所示：圖411 脈沖功率放大電路原理圖圖311中為防止干擾，光耦把勵磁系統(tǒng)與外部隔離， RC1限流并使脈沖前沿變陡。脈沖變壓器突然關(guān)斷時，Dl起到續(xù)流的作用，D2與D3用于保護(hù)晶閘管觸發(fā)極，R3為限流電阻，R4和發(fā)光二極管LED用于脈沖指示。該電路在F2812脈寬調(diào)制電路輸出的觸發(fā)寬脈沖基礎(chǔ)上，使之變成與之對應(yīng)的一系列窄脈沖，從而形成脈沖列輸出，經(jīng)功率放大后輸出到可控硅的門極，觸發(fā)相應(yīng)的可控硅導(dǎo)通。 脈沖故障檢測單元電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的工作是否正常可通過晶閘管觸發(fā)脈沖的正常與否反映，為保證晶閘管觸發(fā)脈沖的正常發(fā)出，本文的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器采用了脈沖故障檢測單元來檢測晶閘管觸發(fā)脈沖的丟失情況，以便使電力系統(tǒng)穩(wěn)定器能及時糾正錯誤，若是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器無法恢復(fù)的故障，則停止觸發(fā)脈沖輸出，并自動切換到另外一個控制通道，以免損害發(fā)電機(jī)。F2812片上有一個功率驅(qū)動保護(hù)引腳()，該引腳的狀態(tài)為低電平時將會產(chǎn)生一個功率驅(qū)動保護(hù)中斷，若該中斷使能位被置位時，F(xiàn)2812的CPU將會響應(yīng)該中斷，使事件管理器模塊的所有輸出引腳都變?yōu)楦咦钁B(tài)，從而停止觸發(fā)脈沖輸出。本文就是利用這一引腳將觸發(fā)脈沖的故障情況傳遞給CPU以便作進(jìn)一步處理。脈沖故障檢測電路[12]的原理圖以及與擴(kuò)展連接的情況如圖412所示：圖412 脈沖故障檢測電路圖圖412所示的脈沖故障檢測單元適用于三相橋式全控整流晶閘管觸發(fā)脈沖的故障檢測，主要部分為可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它由555定時器構(gòu)成。在圖中，最上面的可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為+A相晶閘管觸發(fā)脈沖的脈沖故障檢測電路，然后依次下來為B、C相的脈沖故障檢測電路。下面以+A相脈沖故障檢側(cè)電路為例說明其工作原理。在電源接通時，在+A相沒有觸發(fā)脈沖的情況下，光電耦合器輸出端不導(dǎo)通，電容C1充電，當(dāng)(555定時器的2腳電壓)達(dá)到2/3VCC時，555定時器復(fù)位，輸出引腳3呈低電平，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。此后當(dāng)+A相出現(xiàn)第一個觸發(fā)脈沖時，光電耦合器UIA輸出端導(dǎo)通，電容C1放電，當(dāng)C1放電至小于1/3VCC時，555定時器置位，輸出為高電平，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。當(dāng)?shù)谝粋€觸發(fā)脈沖消失后，C1重新充電，如果在未達(dá)到2/3VCC之前，+A相又有新的脈沖到來，則光電耦合器輸出端導(dǎo)通，C1再次放電，電路仍維持在暫穩(wěn)態(tài)。只有在此后一段時間內(nèi)，+A相沒有新的觸發(fā)脈沖到來時，由于C1充電，故重新達(dá)到2/3VCC，電路才回到穩(wěn)定狀態(tài)，555定時器輸出低電平。其它5相的情況與此類似。由于本文設(shè)計的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的每一相晶閘管在一個周期內(nèi)只需觸發(fā)一次，也就是說同一相的兩個連繼觸發(fā)脈沖的間隔約為10ms，為保證在觸發(fā)脈沖正常發(fā)出時，脈沖故障檢測單元處于暫穩(wěn)態(tài)，電容CC3和C5的充電時間必須大于10ms。它們的充電時間可由下式整定： 上式中，R、C分別對應(yīng)圖314中的RRR6和CCC5。當(dāng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器正常發(fā)出觸發(fā)脈沖時，脈沖故障檢測電路的輸出引腳都呈高電平(555定時器的3腳處于暫穩(wěn)態(tài))，四輸入與門CD408