【正文】 N 74 L S 59 5 Z Z 圖 315 液晶顯示電路原理圖 電源電路 該勵(lì)磁 系統(tǒng)中單片機(jī)及其它芯片需 +5V 直流穩(wěn)定電壓供電。如果直接與單片機(jī)連接，要占用 12 個(gè)管腳，造成引腳資源的浪費(fèi)，并且單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力也有限。該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。 K3K1R K 41 0KR K 31 0KR K 21 0KV C CC41 04C31 04C21 04K4R K 11 0KC11 0412345S W 1K2 圖 314 鍵盤(pán)掃描電路 本裝置的顯 示模塊使用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，采用動(dòng)態(tài)掃描方式。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，去抖動(dòng)時(shí)間選為 45 ms。 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 25 輸出R O 11K1 2U 1 A7 4 H C 1 4C O 11 0 4P A 11243U T 1K P C 4 5 2+ 1 2 VC O MR J 11 0 0 ΩJ1H G 4 1 8 3D J 1F M 1 0 7O U T J 1L E D 1 R?1KV C C 1 2 圖 313 裝置開(kāi)關(guān)量輸出回路 鍵盤(pán)顯示電路 在鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì)中，掃描鍵盤(pán)要有合適的去抖動(dòng)時(shí)間。為提高抗干擾能力，本設(shè)計(jì)采用了光電 隔離電路，圖中 CPU 主系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)后，同一回路的 LED 指示燈立即點(diǎn)亮，表示光電隔離芯片的出口端已經(jīng)導(dǎo)通，此時(shí)繼電器便發(fā)生動(dòng)作，使裝置的 COM 端子和 OUTJ1 端子導(dǎo)通， 完成勵(lì)磁系統(tǒng)的相應(yīng)輸出動(dòng)作進(jìn)行調(diào)控。在本微機(jī)裝置中一般采用光電隔離措施，通用的原理電路如圖 312 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 24 K E Y 1K E Y 2K E Y 3K E Y 4R K 110 KR K 210 KR K 310 KV C CC K 110 4C K 210 4C K 310 4R K 410 KC K 410 4A T m e g a 6 4 LS4S3S2S1 圖 311 裝置內(nèi)部觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)回路 (2)從裝置外部經(jīng)過(guò)端子排引入裝置的觸點(diǎn)，例如在運(yùn)行中可切換的各種壓板、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、斷路器等。 ?U ttU同步信號(hào)觸發(fā)脈沖 圖 310 同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào) 外圍電路設(shè)計(jì) 開(kāi)關(guān)量輸入 電路 微機(jī) 勵(lì)磁調(diào)節(jié) 裝置的開(kāi)關(guān)量輸入指的是觸點(diǎn)狀態(tài)（接通或斷開(kāi)）的輸入，可以分為兩類(lèi)： (1)安裝在裝置面板上的觸點(diǎn)，例如鍵盤(pán)上的按鍵、復(fù)位按鈕等。 觸發(fā)電路的 同步信號(hào)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(yáng)極電壓為正半周時(shí)發(fā)出，使觸發(fā)脈沖與主回路同步。 觸發(fā)電路的調(diào)制波是由如圖 39左邊部分所示，由 NE555 芯片構(gòu)成的多諧振蕩器， 其可控制端 5腳電壓的高低，改變其振蕩頻率和占空比，使 5 腳輸出 方波。 勵(lì)磁系統(tǒng) 移相觸發(fā)電路原理 圖見(jiàn)圖 39。 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(guò)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。 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 。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(kāi)始計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)上升沿中斷的到來(lái)，該時(shí)間間隔即為一個(gè)周期 T，其倒數(shù)即為頻率f。 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。 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。 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖 36所示。 發(fā)電機(jī)頻率的檢測(cè) 通過(guò) AVR單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)可以準(zhǔn)確求得頻率。 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(lèi)似。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(guò)精密整流電路后，經(jīng)過(guò)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(wú)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(guò) 增加一個(gè)比較器來(lái)判定，該比較器輸出的上升沿對(duì)應(yīng)著原波形的正半周。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。 全波精密整流電路如圖 34 所示。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(mén)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。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(guò)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。 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(guò)零比較器反相光電隔離與門(mén)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(guò)零比較器同相光電隔離與門(mén)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(guò) 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。經(jīng)過(guò)程序運(yùn)算，把電壓偏差輸出到 D/A（ PWM），經(jīng)過(guò)觸發(fā)電路，控制晶閘管導(dǎo)通角。 系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)的總體框圖如圖 33所示 。 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。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。 整流二 極管 是共陽(yáng)極接法，晶閘管是共陰極接法， D為續(xù)流二極管?？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(pán) 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(guò) 零 比 較 器開(kāi) 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。 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(guò)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。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。 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)。 ? =0 為無(wú)差特性，這時(shí)發(fā)電機(jī)電壓為恒定值。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(wú)功電流增大而上升。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(wú)功電流增大而降低。這些變化與機(jī)組的無(wú)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(wú)功負(fù)荷，機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)特性應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)差系數(shù)。因此，勵(lì)磁控制系統(tǒng)總的控制調(diào)節(jié)規(guī)律是依據(jù)電壓偏差Δ U，不斷的改變勵(lì)磁控制系統(tǒng)給定控制電壓 kU ，使之 跟隨電網(wǎng)的無(wú)功功率 Q的變化。 Δ U對(duì) ? 的控制調(diào)節(jié)規(guī)律 ： 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)主要作用是通過(guò)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。通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用，依電壓偏差 U?來(lái)調(diào)節(jié)三相半控橋晶閘管的導(dǎo)通角 ? ，調(diào)整勵(lì)磁電流，以保持發(fā)電機(jī)端電壓在額定給定水平， 導(dǎo)通角 ? 與電壓偏差值 U? 有以下關(guān)系： Δ U= 0NU 0U ， 當(dāng)Δ U大于零時(shí)，系統(tǒng)減小導(dǎo)通角 ? ，勵(lì)磁電流 fI 升高，0U 也隨升高，直到 0U ＝ 0NU ，電壓偏差等于零。所以，要保證供電質(zhì)量，同步發(fā)電機(jī)必須隨著無(wú)功負(fù)荷的變化 不斷調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。要保持勵(lì)磁電流不變，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無(wú)功電流的增大而減小，因此維持發(fā)電機(jī)端一定的電壓是不可能的。圖中將綜合放大和功率放大合并為一個(gè)單元，并認(rèn)為未加校正裝置。ES 為一個(gè)非線性函數(shù)，在這里將不做介紹。 1)( )()( (25) 式中 Kf 為勵(lì)磁機(jī)放大系數(shù)， Tf 為勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)。這里只介紹自勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)的傳遞函數(shù)。現(xiàn)以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成的移相觸發(fā)電路進(jìn)行討論。同步變壓器為 ? ／ Y— 11接線，使同名相的同步電壓超前主電路電壓 ?30 ，圖中未單獨(dú)畫(huà)出同步電路。 觸發(fā)電路的移相范圍應(yīng)足夠?qū)?，移相平穩(wěn)，線性度好；觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，使晶閘管可靠導(dǎo)通；脈沖應(yīng)有一定寬度，尤其是對(duì) 于勵(lì)磁系統(tǒng)這樣的大電感電路，只有當(dāng)脈沖有足夠?qū)挾?，剛?dǎo)通的晶閘管中電流逐漸上升時(shí)，觸發(fā)脈沖仍未消失，保證晶閘管不會(huì)重新熄滅；觸發(fā)脈沖的前沿要陡；整個(gè)觸發(fā)電路應(yīng)有較強(qiáng)的抗干擾能力。若整流橋是三相全控，則晶閘管導(dǎo)通順序?yàn)椋?A、－ C、＋ B、－ A、＋ C、－ B，則三相觸發(fā)電路按相每隔 ?60 向?qū)?yīng)相發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖；若是三相半控橋，則每隔 ?120 發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖。 移相觸發(fā)環(huán)節(jié) (1)任務(wù)及對(duì)環(huán)節(jié)的要求：將控制信號(hào) KU 轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖，以觸發(fā)對(duì)應(yīng)相的晶閘管，達(dá)到調(diào)節(jié)勵(lì)磁的目的。 1RRK f?U?K 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： 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 12 STKSU SIS