【正文】 欠勵限制曲線如圖 55所示：景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）38minQ0QP圖 55 欠勵限制曲。為保證發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，根據(jù)發(fā)電機(jī)的 PQ特性曲線，限制發(fā)電機(jī)在一定的有功功率 P下的輸出滯相無功負(fù)荷如圖 54所示：Q0 P x PmaxQ圖 54 過勵限制圖在設(shè)計時將 PQ曲線以表格形式存放，根據(jù)實際的有功功率 P，查 PQ特性曲線表格得到對應(yīng)的最大允許無功功率 ，如果實際無功功率 且持maxQmaxQ?續(xù) 20s，則設(shè)置過勵限制標(biāo)志，從而驅(qū)動過勵控制程序使無功功率限制在允許值 內(nèi)。根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，勵磁系統(tǒng)允許強(qiáng)勵時間應(yīng)不小于 10秒，最長持續(xù)時間可達(dá) 50秒，并在一次強(qiáng)勵后一小時內(nèi)不再進(jìn)行強(qiáng)勵。當(dāng)強(qiáng)勵時,其容許的強(qiáng)勵時間隨發(fā)電機(jī)的勵磁電流的增大而減小，勵磁電流成倍增大，勵磁電壓也會升高，長期作用會造成發(fā)電機(jī)損壞。如果比值過高，則發(fā)電機(jī)及其相連的主變壓器的鐵芯就會發(fā)生磁飽和，使空載激磁電流過大，造成鐵芯過熱，因此有必要對比值加以限制，其特性曲線如圖 53所示：1FGU2FGUB4 5 4 7A0 5 0 f ( H z )逆 變圖 53 V/F限制關(guān)系圖當(dāng)發(fā)電機(jī)空載頻率高于 47Hz 時， 電壓給定值不受限制；若頻率在45～47Hz 之間時，如圖中的曲線 AB，電壓給定值 ，其中1k(45)FGFGUf???為發(fā)電機(jī)頻率；當(dāng)頻率小于 45 Hz 時，則逆變滅磁。同步發(fā)電機(jī)出于安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要,要求現(xiàn)代電力系統(tǒng)穩(wěn)定器必須配備完善的勵磁限制保護(hù)功能，包括V/F限制、強(qiáng)行勵磁功能、過電壓保護(hù)、過勵限制、欠勵限制等?；谠隽啃?PID具有上述優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的設(shè)計中，本文采用了增量型 PID控制算法作為勵磁控制調(diào)節(jié)算法。(1)uk?增量式 PID和位置式 PID相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：1)增量型 PID控制器只輸出增量，誤動作影響小，控制作用變化不會很明顯，必要時可用邏輯判斷的方法去掉；2)采用增量式 PID算法，易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換；3)位置型 PID每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，算式中要用到過去偏差的累加值，因而較易產(chǎn)生較大的積累誤差和積分飽和，從而影響控制效果。由圖可知，該電力系統(tǒng)穩(wěn)定器以發(fā)電機(jī)端電壓 作為反饋量，通過fUPID調(diào)節(jié)，從而達(dá)到維持發(fā)電機(jī)端電壓恒定的目的。 控制調(diào)節(jié)模塊控制算法是電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的核心，它在硬件支持下完成勵磁調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)算法、控制輸出等主要任務(wù)。式中， 表示采樣點(diǎn)數(shù)； 、 表示同一時第 K 點(diǎn)電壓、電流的采樣值；NKi 表示第( )采樣點(diǎn)電流的采樣值，比電壓采樣值 滯后電網(wǎng) 周期，4Ki?4? u14即相位上滯后 。其中，n景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）322022020()()cos()inTTnTnaftdafttdbftt??????????因此基波分量即當(dāng) n=l時的余弦和正弦系數(shù)分別為： 21 021 0()cos()inTTafttdbftt?????于是 中的基波分量為：()ft （51010cosinatbt???8）對式（48）進(jìn)行離散化，積分改為求和。前四種算法對輸入信號要求較高，在勵磁控制的采集電量非嚴(yán)格正弦（含高次諧波）的情況下誤差較大。在勵磁系統(tǒng)中需要計算電壓和電流的有效值以及有功功率和無功功率。理想的電壓和電流為純正弦的交流信號 [4]，其表達(dá)式為： （51）()sin()mutUt???? （52）iI?景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）31其有效值分別為： （53）201()TUutd?? （54）20()TIit電網(wǎng)線路中某一相的有功功率和無功功率分別為： （55）0011()()TTPptdutid??? （56）2Qqt??式中， 、 分別表示電壓和電流的峰值；mUI 表示角速度；? 表示周期；T由于這些信號的瞬時值是隨時間變化的交變量，而在實際應(yīng)用中，計算機(jī)所處理的信號均為離散的，因此要對連續(xù)的信號進(jìn)行離散化，即對于周期為的連續(xù)信號，在一個周期內(nèi)均勻采樣 點(diǎn)。對于勵磁電壓和勵磁電流可以通過ADC模塊對直流調(diào)理電路的輸出直接測量得到，開關(guān)量輸入可以通過TMS320F2812的 GPIO模塊對開關(guān)量調(diào)理電路的輸出直接測量得到。 主程序模塊設(shè)計 系統(tǒng)初始化?？飚?dāng) TMS320F2812上電開始運(yùn)行前，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要包括下面幾點(diǎn)：（1）TMS320F2812 系統(tǒng)時鐘的初始化和片內(nèi)外設(shè)時鐘的初始化；（2）通用 GPIO的初始化；（3）中斷向量表的初始化；（4）ADC 模塊的初始化，主要包括：AD 的啟動、AD 時鐘頻率的選擇、采樣模式的選擇、采樣通道的設(shè)定以及 AD中斷程序的設(shè)定；（5）事件管理器模塊的初始化，主要包括捕獲單元的設(shè)定、通用定時器的景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）30設(shè)定和中斷程序的設(shè)定；（6）電壓給定值、勵磁電流給定值、PID 控制參數(shù)的設(shè)定等。本文的軟件設(shè)計共使用了四個中斷程序完成了大部分主要工作，為 CPU節(jié)約了部分執(zhí)行時間。（2）在程序設(shè)計中，能用中斷的盡量采用中斷方式。根據(jù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器所要完成的不同功能，將整個電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的軟件劃分為主程序和中斷服務(wù)程序。在電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的軟件設(shè)計中，主要的設(shè)計思想有三個方面：一是滿足控制的實時性要求；二是軟件要充分發(fā)揮 TMS320F2812指令和硬件特點(diǎn)；三是軟件要有很強(qiáng)的靈活性、通用性和可靠性。景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）295 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的軟件設(shè)計 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器軟件總體設(shè)計思想在完善的硬件裝置的基礎(chǔ)上，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的主要功能均通過軟件完成。設(shè)計鍵盤可作為運(yùn)行維護(hù)人員向電力系統(tǒng)穩(wěn)定器輸入數(shù)據(jù)及控制命令的輸入設(shè)備，采用顯示器可作為顯示運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行結(jié)果的輸出設(shè)備。當(dāng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器遇到軟件或硬件PDINT的問題而致使至少有一相觸發(fā)脈沖發(fā)出不正常時，將會使相應(yīng)的脈沖故障檢測電路的輸出引腳呈低電平，與門 CD4082輸出也為低電平，這將引起 引PDINT腳中斷，促使 F2812在中斷服務(wù)子程序中做出相應(yīng)反應(yīng)。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。其它 5相的情況與此類似。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1CV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)。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，景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）28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)1CV位，輸出引腳 3呈低電平，電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。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。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。 脈沖故障檢測單元電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的工作是否正?？赏ㄟ^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)定器能及時糾正景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）27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)。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。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。 景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）26 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。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)電路和比較器實現(xiàn)硬件延時、分相、 利用計數(shù)器實現(xiàn)延時等。 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。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。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。在勵磁控制系統(tǒng)中，頻率的測量具有重要的地位，實時準(zhǔn)確地測量到系統(tǒng)頻率是實現(xiàn)跟蹤采樣、脈沖形成以及限制保護(hù)的基礎(chǔ)。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，在實際運(yùn)行中被廣泛采用。 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)。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。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。三相觸發(fā)脈沖按+A、+B、+C 相的順序依次相隔 120176。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。如圖 48所示：移 相 脈 沖 形 成 脈 沖 功 率 放 大同 步同步信號去 整 流橋 控 制 信 號 α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現(xiàn)，而同步信號整形和脈沖功率放大由硬件電路實現(xiàn)。 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。對于開關(guān)量輸入通道來說，當(dāng)其總線收發(fā)送器被選景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）23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。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?？偩€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)傳送方向為從 A到 B。 開關(guān)量輸出通道開關(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。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。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。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)傳送方向為 A到 B。圖 46所示的是其中一路開關(guān)量輸入。 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：景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）21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。（2）輸出信號：勵磁故障、勵磁事故、PT 斷線信號等。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。ADC的工作模式有兩種：同步采樣模式和順序采樣模式。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。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。TMS320F2812 芯片的 ADC模塊的功能框圖如圖 45所示：1 2位A D C模塊S / H AS / H BC 2 8 x模 擬 復(fù) 用 開 關(guān)系 統(tǒng) 時 鐘高 速 預(yù) 訂 標(biāo) 器系 統(tǒng) 時 鐘 輸 出結(jié) 果 寄 存 器結(jié) 果 寄 存 器 0結(jié) 果 寄 存 器 1結(jié) 果 寄 存 器 1 4結(jié) 果 寄 存 器