发电机励磁装置设计(共43页)

精选优质文档-倾情为你奉上目 录第一章 引 论第一节 课题的提出励磁系统是同步发电机中最核心、最主要的组成部分之一，也是经典的同步发电机中最有发展前途的部分之一。随着科学技术的不断发展、生产的不断现代化，国民经济各部门都往高速化、自动化方向发展，对发电机供电质量的要求也越来越高。电压、频率和波形是电网电能质量的三大指标，而电压是否稳定是三大指标之首。电网电压水平取决于发电机的调节和控制系统的功能，随着电力系统自动化水平的不断提高，同步发电机的自动控制越来越与电力系统的自动控制紧密地联系在一起。励磁装置是发电厂的重要控制设备，电力系统要求它除了维持发电机电压恒定和进行无功调节外，还必须保证电力系统的动态和暂态稳定性。因此，励磁系统性能的好坏和运行的可靠性，直接影响同步发电机系统的供电质量及其运行的可靠性和稳定性。目前，己经投入实际使用的微机型励磁控制装置的控制核心使用的多为传统的单片机(如51系列、96系列)或工控机，由于运算精度和速度有限，速度等各种性能指标很低，满足不了高标准供电电网调节的要求。并且，它对动态过程的控制也不尽如人意。本文提出了适用于中小型同步发电机的励磁系统控制方案，并利用AVR高档单片机研制出励磁控制系统装置。由ATMEL公司生产的Atmega系列单片机功能强大、稳定性高、精度高、运算速度快，使得该励磁调节系统具有体积小、造价低、功能齐全、可靠性高、维护方便等众多优点，对于装备有同步发电机设备的中小企业及私人企业来说是理想的励磁控制装置。第二节 励磁控制系统技术的发展自50年代以来，随着时代的进展，不论是在控制理论还是在电子器件的研制和实际应用方面，均取得长足的进展，这些成果进一步促进了励磁控制技术的发展。随着电力电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高和控制理论的不断发展，用常规模拟励磁控制方法实现所要达到指标愈来愈困难，并且可靠性大大降低，应用微处理器作为控制核心的微机励磁控制就成了最好的选择。国外从20世纪70年代开始研究数字励磁调节器，从80年代中期世界上第一台数字式励磁调节器（digital-based excitation regulator简称DER）问世以来，国内外的众多生产厂家纷纷研制并不断推出新的产品，大大推动了DER的发展和应用。国外瑞士BBC公司、英国Rolls-Royce工业动力集团公司、ABB公司、加拿大CGE公司、奥地利ELIN公司以及德国SIEMENS公司等均生产DER，这些公司具有很强的科研开发能力。DER用的硬件一般自制专用控制板，10多年以来，我国在引入大容量发电机组的同时，也引入了一定数量的DER。从DER的硬件构成来看，分为单CPU系统和多CPU系统以及模拟数字混合系统(数字部分采用PLC)等三种。单CPU系统的特点是快速、总体集成度高，因而成本也高。主要生产厂家有ABB公司和我国的大部分生产厂家。多CPU系统兼有并行处理的特点，可满足快速要求，调节器功能分配给不同的CPU单元，软件编程简化，缺点也是明显的。多CPU需要一个多机并行的管理系统。采用多CPU厂家主要有英国Rolls-Roy工业动力集团公司、瑞士BHC公司UNITROL-0型励磁调节器(6个CPU)，加拿大CGE公司SILCO型双通道励磁调节器(2个CPU)等等。至于模拟数字混合系统应该说是一种过渡系统，在国内仍受到一部分用户的青睐，但无论如何数字式励磁调节器己成为复杂的多功能励磁系统的首选，是最新励磁调节器的发展方向。在农村电力系统中，发电机的励磁方式主要是直流机励磁系统、电抗移相式和电抗分流式相复励励磁系统。采用直流机励磁方式的发电机电压稳定性差，且由于换相器产生火花使系统维护工作量大，故障率高，因而发电机的供电可靠性降低，严重的影响了电网的电压质量；相复励模拟控制励磁方式虽然稳压性能较好，但由于农村电网电压波动较大，经常造成这种励磁方式的发电机出现无功震荡的情况，为了不使发电机出现因无功过载而跳闸，所以在正常运行时，这种发电机都在无功轻载、空载甚至是吸收无功的状态下运行，以致系统无功匾乏，电压下降，严重的影响了生产生活用电。交流机励磁系统的工作特性取决于自动励磁调节器调节装里的性能，且机组较大，造价较高，对小型机组也不适合。虽然90年代后期，可控硅自动励磁装里在部分小型发电机上运行使农村电网电压质量得到了很大的改善，但这种励磁系统是采用模拟电路控制，功能较少，限制了自并励励磁系统优越性的发挥。目前国内对全控桥可控硅励磁系统的研究主要集中于大型机组，并与全数字式同步励磁控制系统配套使用。我国现阶段由于中小型电站经济承受能力有限特别是受技术水平制约，以微机为核心的励磁系统并没有得到广泛的应用。中小型电厂特别是小型水电站采用的多是直流机励磁，少数采用相复励，个别电站采用模拟式可控硅励磁系统。励磁控制系统有两个发展方向，一个是采用以微型计算机或单片机为核心的数字式控制系统，它以微处理器为核心，辅以一些外围硬件来实现励磁调节控制要求；另一种方式是以集成电路为核心的模拟式控制系统。八十年代初国外将数字式励磁调节器在发电厂正式投入运行，我国1989年在大型发电厂实验运行，但数字式励磁调节器在小型水电站、热电厂较少应用。数字式励磁调节器的硬件结构形式是依据机组容量等级和所在电力系统的重要性进行选择和设计的，目前主要有单通道微机、双通道微机和多通道微机结构。核心控制器主要有16位和32位两个类型，控制器有多种结构形式，如单板机结构、单片机结构、工控机结构以及可编程序控制器结构等，其中单片机结构和工控机结构在当今励磁控制装置市场中占了绝大部分数额。采用单片机结构的励磁控制器结构简单、体积小、成本低，除控制核心外的其它硬件部分可根据自已的需要自行设计，因此这种励磁控制器的硬件功能比较容易集成。随着芯片制造技术的发展，各种新款单片机的性能得到很大改普，软件和开发工具也越来越多，越来越好，价格却大幅度下滑，从而使得高性能的单片机器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户接受。单片机功能越来越强，运算速度越来越快，数字式励磁调节器的硬件越来越简化，目前国外生产的控制器由用多个单片机向用一个功能强的单片机发展，势必使运行维护量减少，最终达到“傻瓜机”的效果。从发展趋势来看，今后小水电站、中小型热电厂将大量发展，因此高性能的实用于小型机组的数字式自动励磁装置具有巨大的市场潜力。第三节 本课题研究的内容本课题将以ATMEL公司生产的Atmega系列超低功耗单片机为核心，来实现对励磁系统的控制。本励磁装置检测出电网的电压、电流、频率、相位等参数进行综合测量判断，用移相触发电路来控制三相全桥半波整流电路的晶闸管导通角来达到调节励磁的目的，其主要研究内容如下：1. 励磁系统的基本原理以及模型建立；2. 单片机装置相应模块硬件电路设计；3. 电压、电流、频率、相位角等参数的测量采集方案；4. 移相触发电路的实现；5强励和灭磁处理；6. 其他外围电路设计；7. 统软件模块设计；8. 抗干扰措施。第二章 励磁控制系统原理励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分，它能保证电力系统正常运行情况下发电机机端电压基本不变，保证机组间无功负荷的合理分配，提高电力系统的静态和动态稳定性，在暂态过程中(如故障切除后，个别发电机失磁等)能加速电网电压恢复，提高电能品质。励磁控制系统作为改善电力系统稳定性的一项经济而有效的措施一直受到人们的普遍关注，是电力系统性能改善研究的热点之一。第一节 励磁控制系统基本原理与数学模型对于发电机来说，发电机要发出电能必须在发电机内部建立磁场，发电机是通过切割磁力线而在机端发出电压，所以为了获得磁场，必须向发电机转子输出励磁电流，而获得励磁电流的方法一般称之为励磁方式，产生励磁电流的装置则称为励磁系统。一、 励磁控制系统构成同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图2-1所示：图2-1 励磁控制系统结构图励磁功率单元向同步发电机的转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。同步发电机励磁系统是由励磁机、发电机、滤波器、放大器和测量比较单元等组成的反馈控制系统，此系统直接控制同步发电机磁场电流，从而控制同步发电机的电势、端电压、无功功率和电流等参量。励磁控制系统结构如图2-2所示。图中，同步发电机是控制对象，励磁调节器是控制器。励磁机为执行环节，而校正装置是为改善系统特性而设定的。图2-2 自动励磁调节系统结构框图二、 同步发电机励磁控制系统的数学模型参照图2-2，励磁调节器由电压测量比较、综合放大与功率输出单元组成。其对应的传递函数如下：（一） 电压测量比较单元的传递函数电压测量比较单元由调节器的测量变压器、整流滤波电路、比较器和调差环节、电压互感器组成。总的效应可以用一阶惯性环节近似表示其动态特性。单元的输入电压为UR，输出为比较器的输出电压为Uc，则传递函数为： (2-1)其中，Kr为电压比例系数，Tr为电压测量比较电路的时间常数。（二） 综合放大单元的传递函数综合放大单元的输入为Uc，输出为限幅放大电路的输出电压Uk。整个单元认为是一个一阶惯性环节，传递函数为： (2-2)式中Ka为电压放大系数，Ta为放大单元的时间常数。此外，对于运算放大器，由于其响应快，可近似地认为Ta 0，输出电压要受到限幅，所以有：。（三） 功率放大单元的传递函数功率放大单元的输入为Uk。包括触发电路在内，功率放大单元也认为是一阶惯性环节，其传递函数如下： (2-3)式中Kp为功率放大系数，Tp为功率放大单元的时间常数, IZTL为励磁调节器单元部分的电流。一般情况下，Tp很小，所以把综合放大单元和功率放大单元看作是一个一阶惯性环节。（四） 励磁机的传递函数励磁机可以是直流的也可以是交流的，直流又分为自励式和他励式。这里只介绍自励式直流励磁机的传递函数。励磁机的输入为励磁调节器的输出电流，输出为励磁机的端电压Uf。该单元也是一个一阶惯性环节，传递函数为： (2-4)式中Kf为励磁机放大系数，Tf为励磁机的时间常数。为一个非线性函数，在这里将不做介绍。（五） 发电机的传递函数在励磁控制系统中，发电机是被控对象。其输入为励磁电压Uf，输出为发电机端电压Ud。当发电机为负荷状态时，在简化并且忽略饱和现象后，仍可用一阶惯性环节表示，得到发电机传递函数如下： (2-5)式中Kg为带负荷时的放大系数，Tg为带负荷时的时间常数。（六） 励磁控制系统的传递函数将以上单元传递函数按图2-2组成整个励磁控制系统框图，如图2-3所示。图中并未加入校正装置。最终传递函数可以简化为：图2-3 励磁控制系统的传递函数框图 (2-6)第二节 调节励磁的基本任务在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用。优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可以有效地提高系统的指标。根据运行方面的要求，同步发电机励磁系统应该承担如下的任务：一、 维持同步发电机端电压为一稳定水平电力系统在正常运行时，负荷总是经常波动的，同步发电机的功率也就相应地变化。随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定的水平。励磁自动控制系统担任了维持电压水平的任务。下面用最简单的单机运行系统来进行分析。 (a) 原理图 (b) 等效电路图图2-4 同步发电机感应电动势与励磁电流关系发电机单机带负荷运行时，励磁控制系统的电压调节作用可用图2-4说明。图2-4(a)中GEW是发电机励磁线圈，Ud和Id 分别为发电机定子电压和电流，即机端电压和机端电流。在正常情况下，流经转子线圈GEW的励磁电流为If，由它在同步发电机内建立磁场，使定子绕组产生空载感应电压Eq；改变If 的大小，就可使Eq发生相应变化。Eq和Ud之间的关系可用图2-4(b)所示的等值电路来表示，其间关系用数学表达为：Eq=Ud +j Id Xd （2-7）式中Xd发电机的直轴同步电抗。因为发电机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。而不同容量的负载，以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁控制磁场的反应作用是不同的，对同步发电机的内部阻抗压降也是不一样的。要维持同步发电机端电压Ud为一稳定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时调节同步发电机的励磁电流If 。显然，这一调节过程只有通过电压的自动调节装置才能实现。二、 实现并联运行发电机组的无功功率的合理分配几台发电机在同一母线上并联运行时，改变任何一台机组的励磁电流不仅影响该机组的无功电流，而且还影响同一母线上并联运行其它机组的无功电流，与此同时也引起母线电压的变化。这些变化与机组的无功调节特性有关，为了合理而稳定地分配组间的无功负荷，机组的无功调节特性应有适当的调差系数。调差系数可由下式表示： %=100% （2-8）为发电机额定电压，、分别是发电机空载电压、额定无功电流时的电压。当正调差系数为0，其调节特性下倾，发电机电压随着无功电流增大而降低。在带有正调差单元的自动调节励磁装置中，当无功电流增大，励磁调节器将感受到发电机电压虚假地提高，于是调节装置将减小发电机的励磁电流，致使发电机电压降低，所以得到下倾的外特性。当0时为负调差，调节特性上翘，发电机端电压随着无功电流增大而上升。在带有负调差单元的自动调节励磁装置中，当无功电流增大时，励磁调节器将感受到发电机电压虚假地降低，产生相反的调节过程，致使发电机电压升高，于是得到上翘的外特性。=0为无差特性，这时发电机电压为恒定值。三、 提高同步发电机并联运行的稳定性保持同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件。电力系统在运行中随时都可能遭受各种干扰，在各种扰动后，发电机组能够恢复到原来的运行状态或者过渡到一个新的运行状态，则称系统是稳定的。其主要指标是在暂态过程结束后，同步发电机能维持或恢复同步运行。为了便于研究，将电力系统的稳定分为静态稳定和暂态稳定两类。电力系统静态稳定与自动控制中的稳定概念一样，是指电力系统在正常运行状态下，经受微小扰动后恢复到原来运行状态的能力。可采用自动控制原理介绍的方法，用微分方程建立该动态系统的数学模型加以分析。电力系统暂态稳定是指电力系统在某一正常运行方式下突然遭受大扰动后，能否过渡到一个新的稳定运行状态、或者恢复到原来运行状态的能力。这里，所谓大的扰动是指电力系统发生某种故障，如高压电网发生短路或发电机被切除等。在分析电力系统稳定性问题时，不论静态稳定或暂态稳定，在数学模型表达式中总含有发电机空载电动势Eq，而Eq与励磁电流有关。可见，励磁自动控制系统是通过改变励磁电流从而改变值Eq值来改善系统稳定性的。四、 改善电力系统的运行条件当电力系统由于种种原因，出现短时低电压时，励磁自动控制系统可以发挥其调节功能，即大幅度地增加励磁以提高系统电压。在下述情况下可以改善系统的运行条件。（一） 改善异步电动机的自启动条件短路切除后可以加速系统电压的恢复过程，改善异步电动机的自启动条件。电网发生短路等故障时，电网电压降低，使大多数用户的电动机处于制动状态。故障切除后，由于电动机自启动时需要吸收大量的无功功率，以致延缓了电网电压的恢复过程。发电机强行励磁的作用可以加速电网电压的恢复，有效地改善电动机的运行条件。（二） 为发电机异步运行创造条件同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量无功功率，造成系统电压大幅度下降，严重时危及系统的安全运行。在此情况下，如果系统中其他发电机组能提供足够的无功功率维持系统电压水平，则失磁的发电机还可以在一定时间内以异步运行方式维持运行。这不但可以确保系统安全运行，而且有利于机组热力设备的运行。（三） 提高继电保护装置工作的正确性当系统处于低负荷运行状态时，发电机的励磁电流不大，若系统此时发生短路故障，其短路电流较小，且随时间衰减，以致带时限的继电保护不能正确动作。励磁自动控制系统就可以通过调节发电机励磁以增大短路电流，使继电保护动作正确。第三节 控制算法研究控制算法是励磁控制系统中的一个重要环节。控制算法的选择关系到整个控制系统的控制效果。由于本励磁调节系统采用了单片机为核心的微机控制器，因此在控制算法的选择上有很大的灵活性，只需要通过对软件的修改就可以使控制的效果得到改善。PID调节器是连续控制系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器，它是按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器。它结构简单，参数易于调整，在长期应用中己积累了丰富的经验。特别在工业过程中，由于对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，往往不能得到预期的效果，所以PID调节器常被人们采用，并根据经验进行在线整定。由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正而更加完善。因此，在本单片机励磁调节器中采用了数字PID控制算法。本节将着重介绍数字PID算法以及其在本励磁调节器中的具体实现，PID参数可由运行调试人员通过键盘输入并保存。一、 模拟PID调节器PID调节器是一种线性调节器，它是将设定值w与实际输出值y进行比较，构成控制偏差e =w-y (2-9)图2-5 模拟PID控制并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量（如图2-5所示），所以简称为P（比例）、I（积分）、D(微分)调节器。在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可以灵活地改变其结构，取其中一部分环节构成控制规律。例如，比例(P)调节器、比例积分(PI)调节器、比例微分(PD)调节器等。（一） 比例调节器比例调节器是最简单的一种调节器，其控制规律为u=Ke (2-10)式中，K比例系数。比例调节器对于偏差e是即时反应的，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K。比例调节器虽然简单快速，但对于具有自平衡性(即系统阶跃响应终值为一有限值)的控制对象存在静差。加大比例系数K可以减小静差，但比例系数过大时，会使动态质量变坏，引起被控量振荡甚至导致闭环不稳定。因此单独使用比例调节器时应对以上问题加以关注。（二） 比例积分调节器为了消除在比例调节中残存的静差，可在比例调节的基础上加上积分调节，形成比例积分调节器，其控制规律为： (2-11)式中：Ti积分时间。PI调节器对于偏差的阶跃响应除按比例变化的成分外，还带有累积的成分，只要偏差不为零，它将通过累积作用影响控制量u，并减小偏差，直至偏差为零，控制作用不再变化，系统才能达到稳态。因此，积分环节的加入将有助于消除系统静差。如果积分时间Ti大，则积分作用弱；反之，则积分作用强。增大Ti将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。Ti必须根据对象特性来选定，对于电压、电流量等滞后不大的对象，Ti可选得小一些。（三） 比例积分微分调节器积分调节作用的加入，虽然可以消除静差，但却是以牺牲了响应速度为代价的。为了加快控制过程的速度，有必要在偏差出现或变化的瞬间，不但对偏差作出即时反应（即比例调节作用），而且对偏差量的变化作出反应，按偏差变化的趋势进行控制，尽量使偏差消灭于萌芽状态之中。为了达到这一目的，可以在上述PI调节器的基础上再加入微分调节以得到PID调节器的如下规律： (2-12)式中：Td微分时间。在工业过程控制中，模拟PID调节器有气动、电动、液压等多种类型。这类模拟调节仪表是用硬件来实现PID调节规律的。自从计算机进入控制领域以来，用计算机软件来实现PID调节算法不但成为可能，而且更具有灵活性。二、 数字PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(2-12)中的积分和微分项不能准确计算，只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻t=iT，式(2-12)所表示的PID调节规律可通过数值公式 (2-13)近似计算。如果采样周期T取得足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续控制过程十分接近，这种情况被称为“准连续控制”。式(2-13)表示的控制算法提供了执行机构的位置，所以称为位置式PID算法。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，由式(2-13)可导出提供增量的PID算法。将式： (2-14)及： (2-15)相减，可以导出公式： (2-16)式(2-16)称为增量式PID控制算法。式(2-16)也可进一步改写为： (2-17)其中， 由上式可知，增量式算法只需要保持现时以前3个时刻的偏差值即可。 增量式PID算法与位置式相比有以下优点：（1）位置式算法每次输出与整个过去状态的关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差；而增量式只需计算增量，当存在计算误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小。（2）控制从手动切换到自动时，必须首先将计算机的输出值设置为原始电压值u0，才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，则由于式中不出现u0项，易于实现手动到自动的无冲击切换。此外，在计算机发生故障时，由于执行装置本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。因此，在实际控制中，增量式算法应用更为广泛。三、 采样周期的选择 以上讨论的数字PID控制算法与一般的采样控制不同，它是一种准连续控制，是建立在用计算机对连续PID控制进行数字模拟的基础上的控制。这种控制方式要求采样周期与系统时间常数相比充分小。采样周期越小，数字模拟越精确，控制效果就越接近于连续控制。但采样周期的选择是受多方面因素影响的。从调节品质的要求来看，应将采样周期取得小一些，这样在按连续系统PID调节选择整定参数时，可得到较好的控制效果。但实际上调节质量对采样周期的要求有充分的余度。根据香农采样定理，采样周期只需满足 (2-18)式中，为采样信号的上限角频率。那么采样信号通过保持环节仍可复原或近似复原为模拟信号，而不丢失任何信息。从执行元件的要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度，使CPU有足够的时间来读取所采集的模拟信号。从控制系统的随动的抗干扰的性能要求来看，则要求采样周期短些，这样，给定值的改变可以迅速地通过采样得到反映，而不致在随动控制中产生大的延时。从计算机的工作量和每个调节回路的计算成本来看，一般则要求采样周期大些，特别是当计算机用于多回路控制时，必须使每个回路的调节算法都有足够的时间来完成。从计算精度来看，过短的采样周期是不合适的。这是因为工业控制用的微型计算机字长一般较短，且为定点机，如果采样周期过短，前后两次采样的数值之差可能因计算机精度不高而反映不出来，使调节作用因此而减弱。从上面的分析可以看出，各方面的因素对采样周期的要求是不同的，甚至是互相矛盾的，因此应当根据具体情况作出折衷的选择。四、 算法中干扰的抑制 PID算法的输入量是偏差e，也就是给定值w与系统输出y的差。在进入正常调节后，由于y已接近w，e的值不会太大。所以相对而言，干扰对调节有较大影响。为了消除随机干扰的影响，除了从硬件及运行环境方面采取措施外，在控制算法上也应采取一定的措施，以抑制干扰的影响。对于作用时间较为短暂的快速干扰，如A/D转换器偶然出错等，可以简单地采用连续多次采样求平均值的办法予以滤除。例如围绕采样时刻接连采样N次，可以得到el，e2en。由于快速干扰往往比较强烈，即使对它们求平均值，干扰的影响也将明显地反映出来。因此，在计算中应剔除其最大、最小值，对剩余的部分求平均值。在本装置中，发电机的频率为20毫秒，CPU A/D模块的采样周期小于10微秒，因此在发电机运行过程中CPU有足够的时间去处理采集的数据并进行运算。结合实际情况，取 N=5，即每次数字滤波运算中取5个连续的采样信号进行比较，剔除最大值和最小值，对剩余的三个采样信号求平均值作为运算数据。由于在硬件设计时已经采取了一定的措施进行滤波（此部分在第五章有详细介绍），现在在软件方面的滤波和硬件相结合，就能比较彻底的滤除干扰信号，使调节性能更加可靠。第三章 励磁系统的硬件设计根据前面的分析，我们知道励磁调节系统的主要任务是向同步发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流或电压，从而控制机端电压的恒定，以满足发电机正常发电的需要，同时它还负责控制发电机组间无功功率的合理分配以提高同步发电机并列运行的稳定性和满足电力系统安全运行的需要。本励磁装置硬件设计的主要思路是通过各种测量电路对同步发电机的端电压、励磁电流以及相位角和频率等进行采集检测，以得到系统运行的实时参数，并将这些参数送入主控单元进行计算处理，然后由主控单元发出控制信号并利用移相触发电路控制晶闸管的导通角，以达到控制发电机励磁电流的目的，从而实现发电机的稳定运行。第一节 单片机选型单片机以其超小型化、高可靠性和高性价比的特点，广泛应用于各个领域，使传统的电子技术产生了一场巨变，成为计算机发展史上一个新的里程碑。当前，单片机的价格日趋下降，性能却日益提高，对于一个复杂的系统，用一颗CPU已经不能满足要求。本同步发电机励磁控制系统是采用了2颗AVR的单片机，其中一颗为ATmega8做从机，一颗ATmega16做主机，他们之间通过串行总线通信。一、 AVR单片机的特点ATMEL公司是世界上著名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AVR单片机是一种高速单片机，其机器周期等于时钟周期，绝大部分指令为单周期指令。以16MHz工作的AVR单片机其速度可以达到16MIPS。主要有TINY、AT90和ATmega三个大系列，其硬件配置如表格3.1。表3.1 AVR单片机分类8位AVR单片机RISC结构存储器配备系列封装FlashSRAMtinyAVR832脚12KB最大128节最大128字节AT90AVR844脚18KB最大1 KB最大512字节megaAVR2864脚8128KB最大4 KB最大4 KB二、 ATmega8、ATmega16单片机的特性（一） ATmega8的特性ATmega8是一款基于AVR MSC、低功耗CMOS的8位单片机，由于在一个时钟周期内执行一条指令，ATmega8可以达到接近1MIPS/MHz的性能。其主要特点有：高性能、低功率的8位AVR微控制器，先进的RISC精简指令集结构；片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器；丰富强大的外部接口性能；特殊的微控制器性能；支持可在线编程（ISP），只需要一根下载线就可以进行单片机系统的设计开发；具有512字节的断电信息保留EEPROM和1KB的SRAM；同时具有A/D转换的PC0-PC5引脚，可实现模数转换；具有可反复擦写10万次8KB的FLASH存储器，容量适中；I/O口具有较强的驱动能力等。（二） ATmega16的特性ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力)；512字节EEPROM；1K字节SRAM；32个通用I/O口线；32个通用工作寄存器；用于边界扫描的JTAG接口；支持片内调试与编程；三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)；片内/外中断；可编程串行USART；有起始条件检测器的通用串行接口；8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC；具有片内振荡器的可编程看门狗定时器；一个SPI串行端口；以及六个可以通过软件进行选择的省电模式；工作于空闲模式时CPU 停止工作；而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声等。第二节 系统的总硬件框图单片机励磁调节器的主要任务是：将输入的电气信号，经各自的信号处理及变换电路对信号滤波、隔离放大适配到A/D转换的量程内。再通过软件计算得到发电机的运行工况、励磁系统参数、调节器输出参数等全部信息。最后，将调节参数输出并控制移相触发电路,使得励磁电源主回路的晶闸管导通角改变,从而控制发电机的励磁。图3-1为励磁调节器的硬件原理总体框图。本自动励磁调节器装置主要由四部分组成：1、单片机主控单元部分(采用双CPU冗余结构)；2、数据采集测量电路；3、移相触发控制电路；4、外围电路（包括电源电路、键盘及显示、通信接口等等）。图3-1励磁调节装置总体硬件框图第三节 系统的主控制回路设计一、 系统的控制主回路励磁电源主回路：该系统的励磁电源部分即为控制主回路，是一个由晶闸管和二极管组成的三相半控桥，经这一回路整流后的电压就是励磁机的励磁绕组可变的电源电压，可供给励磁机使用。如图3-2所示。整流二极管D2、D4、D6是共阳极接法，晶闸管S1、S3、S5是共阴极接法，D为续流二极管。在电路中仅在桥的一侧用可控的晶闸管，故称为半控桥整流。三相半桥中，三个晶闸管的导通顺序与三相电源的顺序相同为S1、S3、S5。因为是三相电源，所以触发脉冲间相位也依次相差120。图3-2 励磁电源主回路励磁控制回路可以根据机端电压偏差和其他反馈信号自动调节可控硅的导通角，从而达到自动改变励磁电流的目的。后面所介绍的移相触发电路的功能即是给励磁电源主回路的晶闸管配置一个正确的可调相位的脉冲。二、 系统的测量单元单片机励磁自动调节装置测量单元的主要任务是：检测同步发电机端电压和励磁电流，将它们经过整流变送后输入单片机的A/D口；同时将测得的端电压和励磁电流通过比较器、光电隔离器等环节得到频率和相位角的脉冲方波信号，并且取得系统的同步信号。系统测量环节的总体框图如图3-3所示： 图3-3 单片机励磁系统测量环节原理框图单片机励磁系统的输入量通常是电流互感器(TA)和电压互感器(TV)的二次电流、电压等模拟量，由于模数转换器只能对一定范围内的输入电压进行转换，故必须对输入的电流、电压信号进行处理。所以，模拟量输入通道首先要有一个电压形成环节。电压形成环节的作用，就是变换器将电流、电压信号变换成满足模数转换器量程要求的电压信号。发电机的机端电压Ud经电压互感器后，经三相整流滤波电路后经过ATmega16的一路A/D送入单片机，与对应的给定值进行比较。经过程序运算，把电压偏差输出到D/A（PWM），经过触发电路，控制晶闸管导通角。励磁电流If 经电流互感器将电流信号转换成电压信号，经放大电路得到0-5V电压信号输入单片机进行处理。（一） 电压、电流的测量发电机电压经电压互感器测量电压值，经二次变压器降压后得幅值为+5V的正弦波，通过精密整流电路、滤波电路进行信号处理。将测得的电压值与给定的电压水平进行比较，判断端电压是否发生了变化。在这里用到的精密整流电路克服了一般桥式整流器的二极管死区电压现象，从而提高了测量精度。滤波是为了抑制噪声干扰。采集方案如图3-4： 图3-4 电压、电流采集测量电路图对于电压整流的讨论：如图3-5所示：图3-5 非线性整流电路及其输出电压波形将交流电压经过四个二极管全桥整流就可以得到直流信号，然后用一个R-C滤波网络虑去整流后的纹波。但是二极管有0.7V左右的电压降，输出电压的有效值并不是Vm。这是一个非线性整流电路，存在两个二极管PN结的门槛电压，整流后的电压有损失，不利于发电机的起励控制。图3-6 精密整流电路通过全波精密整流电路将负半周翻转。进行交流采集还可以将正弦波的负半波翻转，以获得单片机能接收的信号。其原理图如图3-6所示：其中：A1为半波精密整流电路，A2为反相加法器电路。当时，D2导通，D1截止，有： (3-1)即： (3-2)当时，D1导通，D2截止，中电流为零，有： (3-3)由A2组成的反相加法电路有：即： (3-4) 因此，可以得到：，即： (3-5)由此可以看到经过精密整流电路后，经过调整的交流电压、电流变成A/D转换可以接受的单向脉动电，且幅值为正。图3-7 电压波形的调整因此，Ui、U1及Uo三点的波形如图3-7所示。该方法避免了由于增加直流分量而引起的对AD精度的影响，在相同的比例因子下，降低了输出波形的最大值和最小值之间的差值，充分的利用了单片机AD转换器的位数。但从波形上无法分辨哪个半波为原波形的正半周，因此，需附加判断翻转之后的正负半周，可通过增加一个比较器来判定，该比较器输出的上升沿对应着原波形的正半周。同时，该比较器的输出的上升沿也为AD转换开始提供依据。电流采样与电压采样类似。只需在电流互感器的二次侧加一颗电阻就可以变为电压。（二） 系统频率f的测量在本设计中，使用AVR单片机的一个外部中断及一个定时器来实现频率的测量。频率是励磁控制装置另外一个比较重要的数据信息，频率的获取是来自电压信号，因为周期的倒数就是频率，因此只要获得了电压信号的周期值也就是代表获得了频率值，采取的方法是将电压信号的正弦波转化成方波，然后利用单片机的中断口和定时器来获取周期值，从而计算得出频率值，具体的信号转换电路如图3-8所示：图3-8 信号转换电路将转换后的方波信号接入Atmega16单片机的中断口INT0，ICP1端口。INT0(ICP1)中断端口具有捕获电平变化功能，在电平下降沿、上升沿和任意电平变化都可以触发中断，在中断信号触发时，记录下计时器的值，同时将定时器清零，进行下一次的计时。此时计时器的值就是所测电压信号的周期值，如图3-9所示：图3-9 采样信号周期T 如上图所示，中断口启用了上升沿触发中断，两个中断之间的时间由定时器记录，所记录的值T就是电压信号的周期值，那么频率可由f =1/T算出。（三） 相位角的获取相位检测电路原理如图3-10所示：图3-10 相位角检测电路机端电压和电流信号经过运放，分别整形为方波，经过光电隔离并去掉负半波后，再经过精密整流电路获得了电压和电流信号转换来的TTL信号。这样电压和电流的方波信号接入单片机就可利用中断求得相位差。图3-11 相位角采集及方向判断在本文中，利用AVR单片机的硬件特性，通过一次采集获得频率及相位角（功率因数角），并可判断电压和电流在时间上的超前滞后关系，仅占用单片机的一个外部中断和一个定时器/计数器，实现起来较为方便。本采集方法关键部分是利用AVR单片机的输入捕获引脚。该引脚的功能是捕捉边沿信号，能记录当前定时器/计数器1的值被传到输入捕捉寄存器保存下来。当该引脚边沿触发时，可以将当时的定时器/计数器1的值放入寄存器。整形后的电压信号输入AVR的外部中断引脚，上升沿触发中断。单片机接收到上升沿触发中断后，将定时器/计数器1清零并开始计数，直到下一个上升沿中断的到来，该时间间隔即为一个周期。其倒数即为频率。整形后的电流信号输入AVR的输入捕获引脚，通过单片机内部的寄存器读取。只要测得电网电压和电流的过零时间差，即可求得相位角，并推断出电压和电流之间的时间关系。其方法如图3-11表示。使用本方法可以在一个周期内采集到同步发电机的频率、相位角，并判断出电压和电流在时间上的关系。这样不既减小了硬件的开销（仅使用一个外部中断和一个引脚），同时避免了对单片机引入过多中断，使程序的跳转更加清晰。（四） 功率因数的获得可由第(三)步算出的相位角来得到功率因数cos。三、 移相触发电路移相触发电路是励磁控制的核心。该电路可实现自动控制或手动控制。如前面第二章所述，由晶闸管构成的三相全桥半控整流是励磁系统的功率单元，为使半控桥正常工作，需要使晶闸管元件按照一定的次序导通，这就需要按照一定的次序对晶闸管的门极施加触发脉冲，这是移相触发单元完成的任务。图3-12 移相触发电路原理移相触发单元产生可调相位的脉冲，由来触发晶闸管，使其触发角能够随着主控制器单元输出的控制数据而改变，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机励磁电流。触发电路的调制波是由如图3-12左边部分所示，由NE555芯片构成的多谐振荡器，其可控制端5脚电压的高低，改变其振荡频率和占空比，使5脚输出方波。此方波与UA进入的信号相与，得到电压、电流三相参数的相位值，并送入推挽电路，进行放大，最后通过两个二级管整流得到正向触发脉冲。触发电路的同步信号取自晶闸管整流装置的主回路，保证触发脉冲在晶闸管阳极电压为正半周时发出，使触发脉冲与主回路同步。四、 强励和灭磁处理强励就是强行励磁，当系统发生短路故障时发电机机端电压下降较为严重，强励动作，把机端电压顶起来。当故障被切除后，强励退出。本系统所采用的继电强行励磁装置包括两只低电压继电器，两只中间继电器，一只信号灯继电器和一个接触器。当系统发生故障时，发电机端电压下降到8085额定值时，低电压继电器动作，通过中间继电器使强励接触器也动作，并向单片机励磁调节系统发送一个强励开关信号。单片机励磁系统中断功能检测到这一强励开关信号后，利用将可控整流部分（如图3-2）中的晶闸管导通角调到最大，并将励磁机中的常开触点GK2闭合，短接固定电阻，于是励磁机的电压上升到最大，起强励作用。所谓灭磁就是将发电机转子励磁绕组的磁场尽快地减弱到最小程度。当然，最快的方式是将励磁回路断开，但由于励磁绕组是一个大电感，突然断开，必将产生很高的过电压，危机转子绕组绝缘，所以，用断开转子回路的办法来灭磁是不恰当的。将转子励磁绕组自动接到放电电阻灭磁的方法是可行的。当发生发电机内部故障时，须立即启动灭磁关机，此时中间继电器动作，并向单片机励磁控制系统发送一灭磁开关信号。单片机励磁系统检测到这一灭磁信号后，将KZ中晶闸管的导通角调到最小，于是励磁机的电压也下降到最小值，并将励磁机中的常闭触点打开，接入固定电阻GK1打开（如图3-2），使励磁机中储存的能量能安全释放，安全过度并关机。第四节 其他外围电路设计一、 电源电路该励磁系统中单片机及其它芯片需+5V直流稳定电压供电。电源设计原理图如3-13所示：可先用变压器对220V的交流电降压，然后通过对变压器次级输出9V的交流电压由整流桥作全波整流，经电容滤波以及稳压7805芯片得到所需的电压。图 3-13 电源设计原理图二、 键盘及显示电路在键盘程序的设计中，扫描键盘要有合适的去抖动时间。去抖动时间短，会造成连续按键；去抖动时间长，会使按键迟钝。在实际设计中，去抖动时间选为45 ms。键盘扫描电路如图3-14所示。图 3-14 键盘扫描电路本装置的显示模块使用数码管进行显示，采用动态扫描方式。在短时间内逐个扫描数码管，使目测起来数码管总是为点亮状态。该方式的功耗较之静态扫描要小。由于一个数码管组需要8个段码以及4个位码总共12个引脚进行控制。如果直接与单片机连接，要占用12个管脚，造成引脚资源的浪费，并且单片机的驱动能力也有限。所以本装置使用2个8位移位寄存器74HC595组成的串连转换为并联的电路来驱动2个4位8段数码管组，其电路图如图3-15所示。本系统预留了41的按键组进行人机交互。四个按键分别为确认键、翻页键和参数设置的键和键。图 3-15 LED显示电路接线图三、 通信接口为了实现与上位机的通信，本系统采用了电平转换芯片MAX232。其接线图如下图所示。MAX232芯片是用来进行RS232通信，通信距离通常不大于15米，它抗干扰能力强，适用于近距离通讯。由于计算机上也装有RS232通信接口，励磁调节装置即能与上位机进行直接接口通信。图3-16 MAX232的接口电路图第四章 励磁系统的软件设计第一节 软件开发工具简介一、 程序开发工具对于AVR单片机，编程语言常用的有两种：一种是汇编语言，一种是C语言。与汇编相比，C语言有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对AVR的存储器结构有初步了解，寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理，程序有规范的结构，可分为不同的函数，程序的可读性好，编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率。C语言提供的库包含许多标准子程序，具有方便的模块化编程技术。因此，使用C语言进行程序设计已成为单片机软件开发的一个主流。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加了其可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、性能更完备的系统。而且C语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题。图4-1 AtmanAvr C的IDE环境程序编译是指将源程序编译为单片机可执行的目标文件即后缀为(*.hex)的文件。在这里，用的是晶士电子提供的AtmanAvr C编译器。AtmanAvr C 是为ATMEL公司的AVR系列单片机应用AVR GCC编译器而开发的集成开发环境 IDE 。包括向导、文本编辑器和调试器等；工程项目采用模块化管理，可视化编程；提供多种向导支持动态添加/删减各种模块和中断函数，自动生成代码；文本编辑器支持自动提示函数参数信息，函数检索和插入等功能。运行界面如4-1图。二、 程序下载软件程序下载是指将编译好的目标文件烧入到单片机里面，使单片机可以运行程序。包括两个部分，编程器（硬件）和上位机编程软件。上位机的软件是广州市天河双龙电子有限公司免费提供的“SL-ISP 下载软件”，运行界面如4-2图：图4-2 SL-ISP下载软件AVR单片机提供程序在线下载接口ISP(In System Program)，即：在烧入程序时不需要将CPU从电路板上取下，也不需要断电，通过SPI串行通信接口将程序写入到单片机的程序储存器里面。下图为自制的ISP下载线的原理图。图4-3 ISP下载线的原理图接到目标板只需要6根线，VCC和GND分别是电源的正负线，RST接单片机的复位引脚，程序下载是在单片机处于复位状态烧入的，MOSI(Mast out slave in)接单片机的主出从入引脚，MISO(Mast in slave out)接单片机的主入从出引脚。当然也可以用专门的编程器烧入程序，但是需要购买专用的编程器，经费上不支持，而且烧入程序时，需要将器件从目标板上取下，放入编程器中，烧入完成后插回目标板。这样不但麻烦，而且需要断点拆下器件，容易弄坏器件的引脚。第二节 系统控制主要子程序流程图软件系统主要是对要采集的端电压信号、端电流、频率和相位等参数的运算和处理，并根据采集到参数的变化设置相应的中断服务程序以进行控制输出、设定开机关机功能等。软件部分主要是由端电压测量子程序、端电流测量子程序、求取相位角子程序、系统中断设置子程序、数码显示功能子程序等子程序组成。主程序流程图如图4-4：图4-4主程序流程框图一、 端电压、端电流测量子程序对发电机的电压和电流进行模数转换是进行参数采集及计算的关键，为后边的移相触发控制提供实时的、准确的数据，减少装置的误动率。在本设计中，采用AVR单片机的片内逐次逼进模数转换器。ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，通过分时复用的方式，能对来自端口A 的8路单端输入电压进行分时采样。其转换结果为： （4-1）其中，为被选中引脚的输入电压。以机端电压采集为例，程序流程图如4-5：图4-5 电压采集子程序流程图二、 求取相位角子程序由于在信号的传输上，可能会受到不可估计的干扰，这些干扰往往是不可避免的，为了提高装置的性能，只能在软件上做处理。频率的获取直接影响到相位角的计算，对装置来说频率的信号的稳定和计算的精度越高，装置的稳定性也就越高，传统的频率一般软件上采取的措施是平均值法，即取多个频率值，求平均。软件中使用定时器对中断口所输入的方波信号进行计数，将中断信号设置成上升沿触发，每次中断来时，将记录下来的数值放入中断数据寄存器中，然后继续定时器计数，再将中断寄存器中的值送入全局变量中，供主程序调用。在本设计中，频率采集流程图如图4-6所示：主程序频率计算中，变量值的倒数就是频率值。图4-6频率采集子程序流程图三、 中断设置子程序图4-7 中断设置子程序流程图ATmega16的定时器0、定时器1启动和控制各参数量的计算及PWM的输出。其中定时器0工作于定时器模式，每10ms产生一次中断，用来定时采样同步发电机电压值，如图4-7，其中ADC中断完成发电机电压转换值的读取，定时器0完成ADC转换的启动。第五章 系统抗干扰措施本励磁装置所处的工作环境，是弱电与强电设备，数字与模拟电路相互混杂的场合，此外它还需与工业现场中各类电器设备相配合，由于工业现场各种动力设备不断地起停运行，使得现场环境恶劣，存在许多干扰源：系统本身噪声干扰、电磁干扰、过压干扰及环境干扰等。大量的干扰源