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正文內(nèi)容

單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計(jì)-展示頁

2025-07-05 12:58本頁面
  

【正文】 (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)。 圖 211 三相移相觸發(fā)電路工作示意圖勵(lì)磁機(jī)可以是直流的也可以是交流的,直流又分為自勵(lì)式和他勵(lì)式。移相觸發(fā)電路中的觸發(fā)器可以由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或單結(jié)晶體管觸發(fā)器等電路來實(shí)現(xiàn)。(2)移相觸發(fā)電路工作原理:移相觸發(fā)電路包括同步電路、觸發(fā)電路及其脈沖輸出電路,圖 2-11為其工作示意圖。為保證觸發(fā)電路對(duì)整流主電路在給定的角時(shí)發(fā)出觸發(fā)脈沖,觸發(fā)電路與同相主電路應(yīng)在相位上嚴(yán)格保持同步。受控制的是三相整流橋,故應(yīng)有3套觸發(fā)電路。一般情況下,Tp很小,所以把綜合放大單元和功率放大單元看作是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。圖210示出與主信號(hào)的關(guān)系特性(此時(shí)設(shè)其他信號(hào)均為0)改變與的比值,可以改變特性斜率;當(dāng)||大于一定值后,輸出不再變,呈飽和狀態(tài),這是移相電路的要求而設(shè)定的。放大器上接入電位器是用來調(diào)零,當(dāng)輸入為零時(shí),調(diào)節(jié),使為零。與,組成輸出端的雙向限幅電路,使輸出電壓的幅值限制在移相觸發(fā)電路允許范圍。電路中加上了限幅與功率放大。各比例系數(shù)可以分別進(jìn)行整定。運(yùn)算放大器原理接線如圖2-8所示。圖27 檢測電路接線及特性(a)檢測橋電路 (b)檢測橋的特性。圖2-7為檢測電路,電位器w用于調(diào)整電壓定值;兩個(gè)穩(wěn)壓值相同的穩(wěn)壓管WY1,WY2與兩個(gè)阻值相等的電阻組成對(duì)稱比較電路,又稱檢測橋,m,n為電路的輸出端, 輸出電壓偏差信號(hào),圖中右邊部分為檢測橋的特性。通過調(diào)節(jié)檢測電路中的整定電位器,能改變電壓的給定值。圖26 濾波電路(4)檢測電路:檢測電路是測量比較環(huán)節(jié)的核心部分。對(duì)于六相全波整流,選頻為600Hz橋式濾波電路選頻特性好,對(duì)直流電壓衰減小。濾波電路由兩節(jié)組成,第一節(jié)是由,和,和組成的橋式濾波電路,a,b是輸出端。濾波電容的減小則可提高整個(gè)測量回路的響應(yīng)速度。其作用是將發(fā)電機(jī)電壓變換成能與基準(zhǔn)電壓作比較的平滑的直流電壓。因此,當(dāng)輸入為不對(duì)稱電壓時(shí),負(fù)序分量被濾去,只有正序電壓輸出。由圖可見,濾過器輸出為零。圖中,各臂對(duì)稱位置的電阻、電容相等,且參數(shù)間關(guān)系為: (22)即,于是 、三條支路上的電流超前相應(yīng)線電壓 且上壓降為的兩倍,據(jù)此,可畫出當(dāng)負(fù)序電壓與正序電壓分別作用于濾過器時(shí)的矢量圖。采用正序?yàn)V過器的原因是在系統(tǒng)存在三相電壓不平衡時(shí);濾過器只輸出一個(gè)反應(yīng)電壓水平的正序電壓,能提高檢測的靈敏度,并使接于其后的測量變壓器始終處于對(duì)稱三相電壓下工作。該測量比較環(huán)節(jié)由正序電壓濾過器、多相整流、濾波及檢測橋等電路組成,如圖24所給框圖所示。 (21)式中 其時(shí)間常數(shù)約為幾十毫秒,為電壓比例系數(shù),為對(duì)應(yīng)時(shí)測量單元的輸出電壓。電壓最大值在額定電壓的附近, 因此,可以在該過程中忽略飽和現(xiàn)象,故同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)為:式中:表示其時(shí)間常數(shù),主要為勵(lì)磁繞組EW的時(shí)間常數(shù),其數(shù)值較小,取5s,為發(fā)電機(jī)的電壓放大系數(shù),當(dāng)忽略發(fā)電機(jī)的飽和影響時(shí) ,可用發(fā)電機(jī)的定子電壓和發(fā)電機(jī)空載額定轉(zhuǎn)子電壓之比表示。 同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)相當(dāng)復(fù)雜,本文只研究發(fā)電機(jī)空載起勵(lì)的過程, 因此,可對(duì)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)描述進(jìn)行簡化。從裝置的調(diào)節(jié)原理劃分,有比例式、比例—積分—微分式、最優(yōu)調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)式調(diào)節(jié)器等。由于電力系統(tǒng)運(yùn)行的需要及自動(dòng)裝置元件與計(jì)算技術(shù)的進(jìn)展,勵(lì)磁調(diào)節(jié)器也隨之發(fā)展。圖22 自動(dòng)勵(lì)磁系統(tǒng)框圖自動(dòng)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在測量輸入信號(hào),并與給定值作出比較、計(jì)算后,給出控制信號(hào)作用于勵(lì)磁功率單元,從而控制勵(lì)磁電流,達(dá)到勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)完成的功能。圖中,同步發(fā)電機(jī)是控制對(duì)象,勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是控制器。圖21 勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是由勵(lì)磁機(jī)、發(fā)電機(jī)、濾波器、放大器、移相觸發(fā)單元和測量比較單元等組成的反饋控制系統(tǒng),此系統(tǒng)直接控制同步發(fā)電機(jī)磁場電流,從而控制同步發(fā)電機(jī)的電勢、端電壓、無功功率和電流等參量。勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子提供直流電流,即勵(lì)磁電流;勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。自并勵(lì)方式是自勵(lì)系統(tǒng)中最簡單的一種勵(lì)磁方式,它不僅結(jié)構(gòu)簡單、效率高、維護(hù)費(fèi)用省,而且有很快的勵(lì)磁電壓響應(yīng)速度。向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出勵(lì)磁電流,而獲得勵(lì)磁電流的方法一般稱之為勵(lì)磁方式,產(chǎn)生勵(lì)磁電流的裝置則稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。第二章 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理分析優(yōu)良的勵(lì)磁控制系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性,而且可以有效的提高發(fā)電機(jī)及其相連電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。主要工作包括以Atmega系列超低功耗單片機(jī)為核心,輔助相應(yīng)的硬件電路和外圍設(shè)備,來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制。本文的主要研究內(nèi)容是單片機(jī)在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,主要應(yīng)用于中小型號(hào)發(fā)電廠和企業(yè)發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制系統(tǒng)方面。其改善了系統(tǒng)的阻尼,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的靜態(tài)與暫態(tài)性能,以單片機(jī)或微型計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要分為主要有16位和32位兩個(gè)類型,控制器有多種結(jié)構(gòu)形式,如單板機(jī)結(jié)構(gòu)、單片機(jī)結(jié)構(gòu)、工控機(jī)結(jié)構(gòu)以及可編程序控制器結(jié)構(gòu)等,其中單片機(jī)結(jié)構(gòu)和工控機(jī)結(jié)構(gòu)在當(dāng)今勵(lì)磁控制裝置市場中占了絕大部分?jǐn)?shù)額。這櫸就加快了產(chǎn)品的開發(fā)速度,也使得現(xiàn)場運(yùn)行人員在掌握某種功能的微機(jī)勵(lì)磁裝置的前提下,不需要花大力氣,就可以掌握另一種性能略有差別的裝置。簡化了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu),降低了成本。而用微機(jī)實(shí)現(xiàn)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)可克服上述矛盾,滿足運(yùn)行的要求,如采用雙散機(jī)切換可據(jù)高整個(gè)系統(tǒng)的可性。使得勵(lì)磁部分的電路較復(fù)雜。但無論如何數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器己成為復(fù)雜的多功能勵(lì)磁系統(tǒng)的首選,是最新勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展方向。國外從70年代開始研究數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,從80年代中期世界上第一臺(tái)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器DER,問世以來,國外的德國,瑞士,英國等眾多生產(chǎn)廠家紛紛研制并不斷推出新的產(chǎn)品,大大推動(dòng)了DER的發(fā)展和應(yīng)用,DER用的硬件一般自制專用控制板,分為單CPU系統(tǒng)和多CPU系統(tǒng)以及模擬—數(shù)字混合系統(tǒng)(數(shù)字部分采用PLC)等三種,單CPU系統(tǒng)的特點(diǎn)是快速、總體集成度高,因而成本也高。其調(diào)節(jié)控制算法為:,這種勵(lì)磁控制方式對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行性能有了很大的改善。然而隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展,單機(jī)容量的增大,使得僅以電壓偏差()為反饋量的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器不能滿足對(duì)電壓精度及穩(wěn)定運(yùn)行的要求,因此出現(xiàn)了PID 勵(lì)磁控制方式。然而仍有較大的時(shí)間常數(shù)。而且有一定的調(diào)節(jié)死區(qū)。通過鏈條傳動(dòng)以改變威磁帆磁場回路中的磁場電阻的方案。縱觀同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置的發(fā)展歷史可知,最初的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是以發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓偏差()為反饋量,由于當(dāng)時(shí)的機(jī)組容量不大,電網(wǎng)規(guī)模較小,所以基本能滿足安全運(yùn)行的要求。廣西地處西南,有豐富的水力資源,有著許多的中,小型水電站,在此基礎(chǔ)上發(fā)展的相關(guān)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也面臨著新的升級(jí)與改革,其裝備的同步發(fā)電機(jī)設(shè)備有的還在用可控硅靜止勵(lì)磁方式,采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié),勵(lì)磁系統(tǒng)不能按照給定電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),直接影響同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的供電質(zhì)量及其運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性,因此,許多電站提出了對(duì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的微機(jī)控制就產(chǎn)生了,提高了電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。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 第一章 導(dǎo)言同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)研究的內(nèi)容包括兩個(gè)主要方面:勵(lì)磁機(jī)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制是對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容,因而勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要配套裝備。勵(lì)磁電流是同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生無功功率的重要來源,因此,在電力系統(tǒng)運(yùn)行中,良好的勵(lì)磁控制系統(tǒng)對(duì)改善電力系統(tǒng)運(yùn)行有著重要的意義。本文利用ATMEL公司生產(chǎn)的Atmega系列單片機(jī)功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性高、精度高、運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)出適用于中小型同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的控制裝置,實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定水平,實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的無功功率的合理分配以及提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)器的執(zhí)行環(huán)節(jié)是采用電動(dòng)伺服馬達(dá)。這就帶來了調(diào)節(jié)速度慢的問題。磁放大器式的勛磁調(diào)節(jié)器克服了死區(qū)的問題。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展,70年代后,執(zhí)行環(huán)節(jié)大部分采用可控硅整流橋,目前國內(nèi)對(duì)全控橋可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)的研究主要集中于大型機(jī)組,并與全數(shù)字式同步勵(lì)磁控制系統(tǒng)配套使用,這樣既解決了靈敏度的同題,也大幅度地提高了反應(yīng)速度。它是從受控對(duì)象及調(diào)節(jié)器的常微分方程出發(fā),經(jīng)過拉氏變換建立各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)進(jìn)而得到受控系統(tǒng)及調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。進(jìn)入50年代后,隨著自動(dòng)控制理論的不斷發(fā)展與成熟,電子器件,半導(dǎo)體技術(shù)的研制和應(yīng)用也取得了長足發(fā)發(fā)展,從此打開了人們研制新型調(diào)節(jié)器的思路,70年代后,最優(yōu)控制理論應(yīng)用于電力系統(tǒng)勵(lì)磁控制的研究在國外就蓬勃地展開了,這些成果進(jìn)一步促進(jìn)了勵(lì)磁控制技術(shù)的發(fā)展。多CPU系統(tǒng)兼有并行處理的特點(diǎn),可滿足快速要求,調(diào)節(jié)器功能分配給不同的CPU單元,軟件編程簡化,缺點(diǎn)也是明顯的,多CPU需要一個(gè)多機(jī)并行的管理系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展,控制要求的不斷提高和控制理論的不斷發(fā)展,用常規(guī)模擬勵(lì)磁控制方法實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到指標(biāo)愈來愈困難,并且可靠性大大降低,因此對(duì)傳統(tǒng)的模擬式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器提出了挑戰(zhàn),模擬式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是以半導(dǎo)體元件為基礎(chǔ),它曾對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的發(fā)展起過積極的推動(dòng)作用,但由于現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組越來越大,對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的要求越來越高。這就不可避免地降低了整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性,另一方面,半導(dǎo)體元件參數(shù)的分散性較大,且焊接點(diǎn)較多,調(diào)試及檢修工作量大。微機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用,使得許多在模擬式調(diào)節(jié)器中無法實(shí)現(xiàn)的功能得以實(shí)現(xiàn),并可以用軟件功能代替模擬式中用較復(fù)雜的硬件實(shí)現(xiàn)的功能。而且對(duì)于一些特殊要求的功能,可以在硬件電路幾乎不變的情況下,修改軟件來達(dá)到。微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定靈活方便,便于在線修改、調(diào)試工作量小,受到了人們的普遍歡迎。采用單片機(jī)結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁控制器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低,除控制核心外的其它硬件部分可根據(jù)自已的需要自行設(shè)計(jì),因此這種勵(lì)磁控制器的硬件功能比較容易集成,是一種很有前途的新型調(diào)節(jié)器。在本次課題設(shè)計(jì)中,首先對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理作出分析,選擇適合中小型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的算法,適應(yīng)單片機(jī)的控制要求以及硬件配置;而后設(shè)計(jì)出基于AVR微處理器的數(shù)字式勵(lì)磁裝置的硬件原理圖,再根據(jù)原理圖和該裝置的硬件平臺(tái)在相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真,實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的正常要求。設(shè)計(jì)出來的裝置完成對(duì)電網(wǎng)電壓,頻率,相位等參數(shù)的檢測,并進(jìn)行綜合判斷,利用移相觸發(fā)電路和整流電路來實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流調(diào)節(jié),利用單片機(jī)的抗干擾措施實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及同步發(fā)電機(jī)的滅磁處理。勵(lì)磁控制系統(tǒng)應(yīng)承擔(dān)電力系統(tǒng)電壓控制、無功分配和提高同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性的任務(wù)。勵(lì)磁系統(tǒng)的種類很多,但主要可分為他勵(lì)系統(tǒng)自勵(lì)系統(tǒng)兩大類。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)一般由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩個(gè)部分組成,如圖21所示。整個(gè)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)是由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)構(gòu)成的一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖22所示。勵(lì)磁機(jī)為執(zhí)行環(huán)節(jié),而校正裝置是為改善系統(tǒng)特性而設(shè)定的。通用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器均按一定控制規(guī)律來自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁,故常稱自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置,漢語拼音簡寫為ZTL。從裝置的物理結(jié)構(gòu)上可分成機(jī)電型、電磁型、半導(dǎo)體型與數(shù)字型。圖23即為自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖,系統(tǒng)的 ZTL由調(diào)差、測量比較、綜合放大,同步與移相觸發(fā)及可控整流環(huán)節(jié)組成。在轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí),同步發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)可以用一階滯后環(huán)節(jié)來表示。圖23 自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖電壓測量比較單元由調(diào)節(jié)器的測量變壓器、整流濾波電路、比較器和調(diào)差環(huán)節(jié)、電壓互感器組成,作用是把發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓變成與之成正比的直流電壓,在正常情況下,TV和測量變壓器均不會(huì)飽和,可近似用一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)來描述:總的效應(yīng)可以用一階慣性環(huán)節(jié)近似表示其動(dòng)態(tài)特性。該環(huán)節(jié)的作用是將發(fā)電機(jī)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成比例的直流電壓,再將該直流電壓與給定基準(zhǔn)電壓作比較,得出電壓偏差值號(hào),在實(shí)際的裝置中,測量比較環(huán)節(jié)測量的是調(diào)差環(huán)節(jié)的輸出,對(duì)測量比較環(huán)節(jié)的要求是,對(duì)被測量電壓應(yīng)有高靈敏度時(shí)滯小,能及時(shí)反應(yīng)發(fā)電機(jī)電壓的變化;給定的基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定精確,并有足夠調(diào)節(jié)范圍,輸入電壓與輸出電壓之間為線性關(guān)系,輸出電壓的紋波小,整個(gè)環(huán)節(jié)不受系統(tǒng)頻率變化影響。圖24 測量比較環(huán)節(jié)框圖(1)正序電壓濾過器: 濾過器的輸入是調(diào)差環(huán)節(jié)的輸出,是已修正過的發(fā)電機(jī)電壓。正序電壓濾過器接線如圖25(a)所示,為便于說明,將接線圖改畫成圖25(b)所示電路。 圖25(a)為輸入負(fù)序電壓的矢量。圖25(b)為輸入正序電壓,濾過器有三相對(duì)稱電壓,及輸出。圖25 正序電壓濾過器原理接線圖(a)原理接線 (b)原理接線的另一種表示(2)多相整流:由測量變壓器與多相整流電路組成多相整流單元。因?yàn)檎飨鄶?shù)越多,整流電壓中所含紋波的最低頻率越高,且其幅值越小,因而直流電壓越平滑,所
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