【正文】 以一般均采用多相整流電路；由于整流電壓平穩(wěn)，其后的濾波單元可以采用較小的濾波電容而獲得滿意的直流電壓。(3)濾波電路：濾波電路如圖26所示，2為輸入端，接至整流電路，4為輸出端，接至檢測電路。該電路利用電橋原理使電橋具有選頻濾波特性，即頻率為選頻的波形時(shí)，濾波電橋無輸出。第二節(jié)是由，和，組成的兩級(jí)RC濾波器，其作用是濾去殘余的高次諧波分量。其作用是將整流濾波輸出的電壓與比較電路中的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到一個(gè)反映發(fā)電機(jī)電壓偏差的直流電壓信號(hào)輸出到綜合放大環(huán)節(jié)。因此，檢測電路起到比較與整定電壓的作用，故又稱比較整定電路。 綜合放大環(huán)節(jié)(1)任務(wù)及對(duì)環(huán)節(jié)的要求：該環(huán)節(jié)的任務(wù)是，將偏差電壓與其他輔助信號(hào)電壓進(jìn)行線形綜合放大，以提高整個(gè)裝置的靈敏度，并給出適合移相觸發(fā)環(huán)節(jié)需要的控制電壓，其他輔助信號(hào)包括反饋，限制以及可以反映發(fā)電機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)變量。 (2)工作原理：綜合放大環(huán)節(jié)一般均采用直流運(yùn)算放大器來構(gòu)成。圖28 運(yùn)算放大器原理接線圖運(yùn)算放大器的開環(huán)（無反饋電阻時(shí)）放大系數(shù)很大（K~），加入后，輸入端相加點(diǎn)的電位總是接近零電位，即，輸入到放大器的電流 于是有： 式中 可推得輸出電壓為： （2—3） 式（2—3）說明，運(yùn)算放大器能對(duì)多個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行按不同比例相加，其比例僅與反饋電阻與各輸入電阻有關(guān)，與運(yùn)算放大器本身參數(shù)無關(guān)。由運(yùn)算放大器構(gòu)成的綜合放大環(huán)節(jié)電路如圖2－9所示。圖29 綜合放大電路在輸人端，組成雙向限幅電路，保護(hù)集成放大電路。為增加運(yùn)算放大器帶負(fù)荷的能力，在限福電路之后，增加一級(jí)互補(bǔ)射極跟隨器，作功率放大。與構(gòu)成消除高頻自激振蕩電路。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： （24）式中Kp為功率放大系數(shù)，Tp為功率放大單元的時(shí)間常數(shù), IZTL為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器單元部分的電流。(1)任務(wù)及對(duì)環(huán)節(jié)的要求：將控制信號(hào)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。若整流橋是三相全控，則晶閘管導(dǎo)通順序?yàn)椋獳、－C、＋B、－A、＋C、－B，則三相觸發(fā)電路按相每隔向?qū)?yīng)相發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖；若是三相半控橋，則每隔發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖。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。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，圖中未單獨(dú)畫出同步電路?，F(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。這里只介紹自勵(lì)式直流勵(lì)磁機(jī)的傳遞函數(shù)。為一個(gè)非線性函數(shù)，在這里將不做介紹。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。要保持勵(lì)磁電流不變，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無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。所以，要保證供電質(zhì)量，同步發(fā)電機(jī)必須隨著無功負(fù)荷的變化不斷調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用，依電壓偏差來調(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)通角與電壓偏差值有以下關(guān)系：ΔU=，當(dāng)ΔU大于零時(shí)，系統(tǒng)減小導(dǎo)通角，勵(lì)磁電流升高，也隨升高，直到＝，電壓偏差等于零。ΔU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)主要作用是通過給定控制電壓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，達(dá)到控制端電壓的目的。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ΔU，不斷的改變勵(lì)磁控制系統(tǒng)給定控制電壓，使之跟隨電網(wǎng)的無功功率Q的變化。這些變化與機(jī)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(jī)組的無功調(diào)節(jié)特性應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼{(diào)差系數(shù)。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)電壓隨著無功電流增大而降低。當(dāng)＜0時(shí)為負(fù)調(diào)差，調(diào)節(jié)特性上翹，發(fā)電機(jī)端電壓隨著無功電流增大而上升。=0為無差特性，這時(shí)發(fā)電機(jī)電壓為恒定值。第三章 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的硬件設(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)。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。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?？傮w設(shè)計(jì)如圖31所示： 圖31 勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置總體硬件框圖 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。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。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。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。系統(tǒng)測量環(huán)節(jié)的總體框圖如圖33所示。經(jīng)過程序運(yùn)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。圖33 系統(tǒng)參數(shù)測量電路結(jié)構(gòu)框圖同步發(fā)電機(jī)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。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。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。全波精密整流電路如圖34所示。對(duì)，當(dāng)0的時(shí)候，放大器輸出為負(fù)，導(dǎo)通，截止，則，當(dāng)0的時(shí)候，放大器輸出為正，截止，導(dǎo)通，上沒有電流流過。同時(shí)，該比較器的輸出的上升沿也為AD轉(zhuǎn)換開始提供依據(jù)。只需在電流互感器的二次側(cè)加一個(gè)電阻就可以變?yōu)殡妷?。其軟件?shí)現(xiàn)原理為：將前面測量電壓時(shí)采集到的正弦信號(hào)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(hào)接入到AVR單片機(jī)的一個(gè)外部中斷引腳INT0，ICP1端口。 圖36 頻率測量信號(hào)轉(zhuǎn)換電路AVR單片機(jī)設(shè)定為上升沿觸發(fā)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)上升沿到來時(shí)，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，一直到第二個(gè)上升沿到來，此時(shí)讀取定時(shí)器數(shù)值，再用這兩次的數(shù)值差乘以定時(shí)器單次計(jì)數(shù)間隔時(shí)間，即可得到交流電壓或電流的周期：，其倒數(shù)即為頻率f，如圖37所示。在本文中，利用AVR單片機(jī)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(shí)間上的超前滯后關(guān)系，僅占用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷，一個(gè)輸入捕獲引腳ICP和一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)起來較為方便。將整形后的電壓信號(hào)輸入AVR的外部中斷引腳INT0，上升沿觸發(fā)中斷。將整形后的電流信號(hào)輸入AVR單片機(jī)的ICP引腳，當(dāng)外部中斷引腳INT0觸發(fā)的同時(shí)也將ICP引腳設(shè)置為上升沿觸發(fā)，當(dāng)電流信號(hào)的上升沿到來時(shí)，定時(shí)器1的數(shù)值t保存到單片機(jī)內(nèi)部的寄存器, 這樣就測得了電壓和電流的過零時(shí)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(shí)間關(guān)系如下： (34) （35）當(dāng)小于即時(shí)，可判斷電流滯后于電壓；當(dāng)大于即時(shí)，則判斷電流超前于電壓，如圖38所示。設(shè)計(jì)方法可以在一個(gè)周期內(nèi)便計(jì)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(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)避免了對(duì)單片機(jī)引入過多中斷，使程序的跳轉(zhuǎn)更加清晰。由晶閘管構(gòu)成的三相全橋半控整流是勵(lì)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)?，這就需要按照一定的次序?qū)чl管的門極施加觸發(fā)脈沖。圖39 移相觸發(fā)電路原理移相觸發(fā)單元產(chǎn)生可調(diào)相位的脈沖，由來觸發(fā)晶閘管，使其觸發(fā)角能夠隨著主控制器單元輸出的控制數(shù)據(jù)而改變，以控制晶閘管整流電路的輸出，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。此方波與UA進(jìn)入的信號(hào)相與，得到電壓、電流三相參數(shù)的相位值，并送入推挽電路，進(jìn)行放大，最后通過兩個(gè)二級(jí)管整流得到正向觸發(fā)脈沖。同步信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)圖如圖310示。這類開關(guān)量輸入與CPU主系統(tǒng)使用共同電源，無需電氣隔離，可直接接CPU端口，如圖311所示。這類開關(guān)量輸入與CPU主系統(tǒng)使用不同電源，需要電氣隔離。圖312裝置外部觸點(diǎn)開關(guān)回路 開關(guān)量輸出電路開關(guān)量輸出除了CPU主系統(tǒng)的端口輸出、信號(hào)線、晶閘管驅(qū)動(dòng)等低壓輸出外，還包括保護(hù)的跳閘出口、合閘出口、中央信號(hào)繼電器驅(qū)動(dòng)等與強(qiáng)電有關(guān)的電路。如圖313所示。去抖動(dòng)時(shí)間短，會(huì)造成連續(xù)按鍵；去抖動(dòng)時(shí)間長，會(huì)使按鍵遲鈍。鍵盤掃描電路如圖314所示。在短時(shí)間內(nèi)逐個(gè)掃描數(shù)碼管，使目測起來數(shù)碼管總是為點(diǎn)亮狀態(tài)。由于一個(gè)數(shù)碼管組需要8個(gè)段碼以及4個(gè)位碼總共12個(gè)引腳進(jìn)行控制。所以本裝置使用2個(gè)8位移位寄存器74HC595組成的串連轉(zhuǎn)換為并聯(lián)的電路來驅(qū)動(dòng)2個(gè)4位8段數(shù)碼管組，其電路圖如圖315所示。電源設(shè)計(jì)原理圖如316所示：可先用變壓器對(duì)220V的交流電降壓，然后通過對(duì)變壓器次級(jí)輸出9V的交流電壓由整流橋作全波整流，經(jīng)電容濾波以及穩(wěn)壓7805芯片得到所需的電壓。其接線圖如下圖所示。由于計(jì)算機(jī)上也裝有RS232通信接口，勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置即能與上位機(jī)進(jìn)行直接接口通信?？刂扑惴ㄊ莿?lì)磁控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，控制算法的選擇關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的控制效果。在目前控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大多采用微機(jī)控制技術(shù)，此時(shí)使用的是數(shù)字PID控制器，它是將模擬PID控制算法離散化，通過程序?qū)崿F(xiàn)，不需要像模擬控制系統(tǒng)那樣用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，因此使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便，由于PID控制算法具有直觀的物理解釋，并且能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的要求，特別在工業(yè)過程中，由于對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論分析綜合要耗費(fèi)很大代價(jià)進(jìn)行模型辨識(shí)，往往不能得到預(yù)期的效果，所以PID調(diào)節(jié)器常被人們采用，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定； 因此至今PID控制仍然是常規(guī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用最普遍的控制算法。本節(jié)將著重介紹數(shù)字PID算法以及其在本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的具體實(shí)現(xiàn)，PID參數(shù)可由運(yùn)行調(diào)試人員通過鍵盤輸入并保存。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對(duì)象的特性和控制要求，也可以靈活地改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。比例積分微分調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)器的如下規(guī)律： (42)式中：Td——微分時(shí)間。只要偏差不為零，它將通過積分作用影響控制量u，并減小偏差，直至偏差為零，控制作用不再變化，系統(tǒng)才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。微分控制能迅速的反映偏差的變化率，因而能使控制器具有“超前”控制功能；同時(shí)根據(jù)自動(dòng)控制理論可知，適當(dāng)?shù)膽?yīng)用微分控制可以減少控制系統(tǒng)輸出的超調(diào)量，并且有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高，正是因?yàn)槿绱?，通過綜合的應(yīng)用以上控制，可以使控制器具有相當(dāng)高的“智能”。理想PID控制器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的關(guān)系如下： （43）將上式兩邊同時(shí)求拉氏變換后，寫出控制器傳遞函數(shù)形式為： （44） 式中 稱為比例系數(shù)，的倒數(shù)在過程控制中稱為比例帶。根據(jù)數(shù)值積分原理： （45） 誤差函數(shù)的微分則可以進(jìn)行如下近似： （46）綜合（43），（44），（46）可以得到如下的差分方程： U(n)= （47）在以上三個(gè)式子中，T為采樣時(shí)間間隔，分別為，的簡寫，=0，1，2，…………，n。因此，利用式（47）計(jì)算出來的u(n)序列就能與按（43）產(chǎn)生的u(t)功能相近。但是分析（47）可以發(fā)現(xiàn)有不少缺陷，首先是計(jì)算工作量大，每計(jì)算一次u(n)要完成n+3次加法和至少3次乘法，而且計(jì)算量隨著時(shí)間的推移逐漸增加；其次要保存e(t)所有采樣時(shí)刻的值，這就要占用比較大的內(nèi)存空間。通過分析（47）可以知道，如果先不計(jì)算u(n)，而是計(jì)算其增量，則可以免除每次加法計(jì)算。如果是用u(n)來進(jìn)行控制，可以先利用式（410）計(jì)算出，再根據(jù)下式計(jì)算u（n）： （411） 為了編制程序方便，可以將式（410）改寫成下式：