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新一代模拟发电机励磁系统的开发与软件设计 摘要 电力系统动态模拟是进行电力系统新技术的研究以及电力行业技术培训等 方面不可缺少的试验工具。同步发电机模拟励磁装置是电力系统动态模拟的主要 设备之一，与其他电力系统动态模拟设备共同完成电力系统的动态仿真。随着发 电机单机容量和电网规模的日益扩大，对励磁模拟的快速性、可靠性、鲁棒性等 方面提出了越来越高的要求。为了能更加准确地模拟各种励磁工况，本文设计了 采用高速数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核的微机模拟励磁装置，以实 现电力系统励磁动态模拟全数字化控制，能模拟他励、自励、励磁机励磁等多种 励磁方式，抗干扰能力强，实时性强，具有良好的人机互交界面。 本文首先介绍了模拟励磁系统国内外的研究与发展现状，并详细说明了微机 控制新一代模拟励磁系统的相关工作原理。介绍了模拟励磁调节器、励磁功率单 元、负阻器的硬件结构和作用。模拟励磁调节器是整个模拟励磁系统的控制核心， 对其硬件的设计作了详细说明。在基于模拟励磁调节器和控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 硬件功能的基础上，介绍了模拟励磁调节器数据采样与处理、控制调节、移相脉 冲触发、液晶显示以及保护等模块的程序设计思想。采用c 语言和汇编语言进行 软件编写，给出了模拟励磁系统主程序和各个模块程序的设计流程图。在实验结 果中，建立了模拟励磁调节器的数学模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进 行了仿真实验以验证模拟励磁系统的设计在理论上的可行性。在c c s 3 1 环境下 进行了软件的编译和调试，对调试中所用的方法以及常见的问题进行了分析，对 基于d s p 技术的模拟励磁系统进行了硬件设计以及制定了软件设计方案，为最终 实现数字式模拟励磁系统奠定了理论基础。 关键词：模拟励磁系统；d s p ；励磁调节器；程序设计 l i a b s t r a c t t h ed v n a m i cs i m u l a t i o no fp o w e rs y s t e mi si n d i s p e n s 2 l b l et e s tt o o lo tc a r r y l n g o n t h er e s e a r c ho ft h en e wt e c h n o l o g yi np o w e rs y s t e ma n dt e c h n i c a lt r a i n i n go fp o w e r i n d u s t r y t h es i m u l a t i o ne x c i t a t i o nd e v i c eo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rl s o n eo tt n e c a p i t a le q u i p m e n to fd y n 弧i cs i m u l a t i o n o fp o w e rs y s t e m ， w h i c hc o m p l e t e st n e d v n a m i ce m u l a t i o no ft h ep o w e rs y s t e mw i t ho t h e rd y n a m i cs i m u l a t i o na p p a r a t u s t o g e t h e r w i t ht h ee n l a r g e m e n to ft h eg e n e r a t o rc a p a c i t ya n ds c a l eo f e l e c t n cg n dd a y b yd a y h a v ep u tf o 刑a r dh i 曲e ra n d h i 曲e r r e q u i r e m e n to fp r o m p t n e s s ，d e p e n d a b l l l t y a n dr o b u s t n e s si n e x c i t a t i o ns y s t e me t c ， i no r d e rt 0i m i t a t ev a r i o u se x c i t a t l o n o p e r a t i n gm o d e sm o r ea c c u r a t e l y ，t h i sp a p e r h a sd e s i g n e dt h es i m u l a t i o n e x c l t a t l o n d e v i c ec o n t r o l l e d b yh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 12 i no r d e r o r e a l i z et h et o t a ld i g i t a lc o n t r o l l i n gd y n a m i cs i m u l a t i o no ft h e e x c i t a t l o nl np o w e r s v s t e mc a ni m i t a t em a n yk i n d so fe x c i t a t i o nm o d e l ss u c h a ss e p a r a t e l ye x c l t e d ， s e l f - e x c i t e d e x c i t e re x c i t a t i o ne t c ， h a v es t r o n ga b i l i t y0 fa n t i - i n t e r t e r e n c e a n d r e a l t i m ec h a r a c t e r ，h a v et h eg o o dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c e a t 丘r s t ，m i sp a p e rh a si n t r o d u c e dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n t o tt h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o n e x c i t a t i o ns y s t e m a n dn a s e x p l a i n e dt h ec o m p u t e rc o n t r 0 1 l e dr e l e v a n tp r i n c i p l eo f t h en e wg e n e r a t l o ns l m u l a t l o n t h ee x c i t a t i o ns y s t e mi n d e t a i l t h es i m u l a t i o ne x c i t a t i o na d j u s t e r l st h ek e y c o n t r o l l i n gu n i to ft h ew h o l es i m u l a t i o ne x c i t a t i o ns y s t e m i n t r o d u c e st h ew a y o td a t a s 锄p l ea n di t sp f o c e s s i n gm o d u l e ，c o n t r 0 1 1 i n ga n da d j u s t m e n tm o d u l e ，m o v e dp h a s e a n dt o u c h i n gm o d u l e ，l c dd i s p l a ya n dp r o t e c t i o na n d m o d u l e sp r o g r a md e s l g nb a s e d o nh a r d w a r eo f t h es i m u l a t i o na n d e x c i t a t i o n a d j u s t e r a n dt m s 3 2 0 f 2 8 12 s c o n f i g u r a t i o nd e n n i t e l y ，s u p p l yt h em a i np r o g r 锄a n de a c hm o d u l e sn o w c h a i r t us e cl a n g u a g ea n da s s e m b l el a n g u a g et od e s i g nt h ep r o g r a m f o u n d e dt h es l m u l a t l o n e x c i t a t i o na d i u s t e r ，sm a t hm o d e la n ds i m u l a t e d i ti nt h em a t l a b s i m u l i n k e n v i r o n m e n t ，t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o nv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h es i m u l a t l o n e x c i t a t i o ns y s t e mi nt h e o r y d e b u gt h ep r o g r a mi n t h ec c s3 le n v i r o n m e n t h a v e s u m m a r i z e dt h eq u e s t i o n sa n de x p e r i e n c em e ti nt h ec o u r s eo fp r o j e c ti m p l e m e n t a t l o n ， m a d et h ep l a no ft h es o f t w a r ed e s i g na n dc a r r i e di t o nt h eh a r d w a r ed e s l g nt o rt h e s i m u l a t i o n e x c i t a t i o n s y s t e m b a s e do nd s pt e c h n o l o g y ， t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rr e a l i z i n gt h ee x c i t a t i o ns y s t e mo f d i i i i h a v ee s t a b l i s h e dt h e g i t a ls i m u l a t i o n6 n a l l y 新一代模拟发电机励磁系统的开发与软件设计 k e yw o r d s ： e x c i t a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ； e x c i t a t i o n a d j u s t e r ；p r o g r a md e s i g n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：琵姐l j 7 1 j 日期：朋7 年歹月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 琵支娥 坼认 )，。o， 多衫 朔，咐叮 7 7 加，1 期期 硕十学位论文 第l 章绪论 电力系统不断的发展，相应在理论上和实践上出现了许多以待解决的问题， 各种新型的理论需要加以验证，各种新技术和新设备需要进行试验等等。而由于 电力系统对其运行的安全性和可靠性有很高的要求，因此在实际电力系统进行实 验常常受到很多限制，不可能进行充分广泛的实验，有些实验甚至是不可能在实 际系统中进行。电力系统动态模拟是解决这一问题的重要方法之一，因此利用在 实验室的电力系统模拟设备再现各种现场运行工况，从而来研究电力系统以及其 各种规律是十分必须的。也是对实际电力系统进行研究、设计、和运行的一个重 要有力的实验工具【1 1 。 电力系统动态模拟的内容很多，励磁系统是电力系统的重要组成部分，对电 力系统的运行稳定有着非常重要的作用，也是我们研究现代电力系统运行及其过 渡过程时所必须研究的，所以对同步发电机励磁系统的模拟是其非常重要的一个 环节。所以开发出高性能的模拟励磁装置，对研究电力系统的运行规律以及开发 电力系统新技术新设备具有极其重要的意义。 1 1 国内外研究的现状 在电力系统中需要模拟的内容包括 1 】【2 】： ( 1 ) 同步发电机的模拟。为了模拟原型系统的过渡过程，除了对发电机本身进 行模拟外，还必须对励磁系统、原动机与调速器进行模拟； ( 2 ) 变压器的模拟； ( 3 ) 输电线路的模拟； ( 4 ) 负荷的模拟； ( 5 ) 系统中其他元件的模拟( 断路器、调压设备、继电保护装置等) ； ( 6 ) 其中模拟原动系统和励磁系统是电力系统动态模拟实验室主要模拟的内 容。 在电力系统动态模型上进行电力系统模拟试验研究，是一项复杂而细致的工 作，其中最重要的是根据相似条件，建立与原型系统相似的模型电力系统。电力 系统模拟手段通常为：物理模拟和数学模拟。物理模型反映了原型的物理过程， 现象直观、丰富，能直接带模拟式自动化装置，但使用不够灵活，不可能模拟很 复杂的系统，其硬件实现比较困难；数学模拟就是建立数学模型，这种方法比较 灵活、计算精度高、能模拟很复杂的系统、计算数据能处理和存储，但实时性差， 难以直接替代模拟式自动化装置。另外，由于人们对实际设备的认识有限，数学 新一代模拟发电机励磁系统的歼发0 软件设计 模型并不能完全反映原型的物理过程。由于两种手段各有特点，所以在许多情况 下相互补充。 电力系统动态模拟在元件模型中也包含了许多复杂因素( 如非正弦、非线性、 非工频等) 的影响，因此可以非常有效地研究许多内在过程尚不清楚、难以或不能 用数学方式描述的现象，反映的物理过程是直观、真实的，可以直接可靠地检验 理论分析和计算结果的正确性；可在与实际系统很近似的条件下观察和研究电力 系统的许多特性和过程，得出用于指导实际电力系统安全运行的重要结论，动模 对新技术新装备实物的运行试验非常方便，这是动模试验的独特优点。电力部门 规定某些要上网运行的电网自动化新设备，应先通过动模试验。动模也存在一些 不足，主要是动模试验设备的品种和规模不可能很大，参数调整范围有一定限制， 因而对于大型电力系统的试验需作必要的简化，这必然影响到试验精度。此外， 建立动模试验设备的投资较大，建设时间较长【3 】。 在2 0 世纪5 0 年代，前苏联建立了电力系统物理模拟系统，对古比雪夫水电站 到莫斯科的2 2 0 k v 输电线路进行试验。 国内对电力系统动态模拟的研究从5 0 年代末开始。中国电力科学研究院与清 华大学在1 9 5 8 年最早建成了电力系统动态模拟实验室，此后，上海交通大学、西 安交通大学、华中科技大学、南京自动化研究院、山东大学等院校和研究单位建 立了电力系统动态模拟实验室。 目前，在从事电力系统动态模拟研究方面，全国已经有3 0 多个院校或研究所 建立了电力系统动态模拟实验室。2 0 0 2 年湖南大学成功研制原动机仿真调速器。 随后与南京南瑞继保有限电气公司进行了项目合作。在模拟原动机仿真调速系统 的基础上，其功能的不断改进与完善过程中，随后与中国电力科学研究院、许继 集团展开项目合作。2 0 0 8 年“发电机原动系统动态仿真先进方法、技术与装置”通 过技术鉴定，“该成果总体处于国际先进水平，其中动态仿真技术居国际领先水 平”。 从电力系统动态模拟实验室的建立开始，同步发电机模拟励磁系统的研究就 从未间断过。对同步发电机模拟励磁系统的研究，在国内华中科技大学与清华大 学处于技术领先水平。华中科技大学电力自动化技术研究所研制的“w l 0 4 a 微机 励磁调节器及负阻器”，采用单片机8 0 c 1 9 6 k c 为控制核，该装置励磁方式模拟有 励磁机手动、他励、自励、励磁机他励、励磁机自励等，实现了从模拟向数字控 制方式的转变，该项技术已经成熟，其所开发的模拟励磁装置已经应用在十多个 科研院所。此外还有清华大学研制了“励磁调节器动态特性测试系统”。 湖南大学从2 0 0 5 年开始着手模拟励磁系统的研究，在基于原动机仿真调速器 的成熟技术基础上，在国内率先提出将d s p 技术应用到模拟励磁系统中，先后发 表了系列相关研究论文，首先设计出以1 6 位d s p 控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制 2 硕十学位论文 核的数字式模拟励磁系统，拥有良好的人机界面，具有操作简便自动化程度高显 著特点的新一代微机控制模拟励磁系统。但是随着d s p 技术不断发展，本文采用 专用于电机控制的高性能3 2 位数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为系统数据 处理的核，同时在原有的d s p 控制电路上进行了改进和优化，并增添许多新功能， 使模拟励磁系统实现真正意义上的全数字控制。 1 2 新一代数字控制模拟同步发电机励磁系统的意义 模拟励磁系统用于在动态模拟实验室中研究励磁系统的性能。实际励磁系统 在现场试验时，为了测量励磁调节器的动态特性必须在工业现场开启发电机，使 整个机组全部运行起来。而每一次试验都是对发电机或电网的一次冲击，发电机 必须承受多次启停和多次冲击才能完成试验，同时在试验中还要消耗大量的燃油 或水。即使是这样，有的试验仍然不易实现，比如机端三相短路试验。在实际运 行中这样的故障是有可能发生的。故障发生后，机组运行情况将如何，励磁调节 器的强励特性能不能发挥应有的作用，现场试验根本无法测试【4 1 。 随着数字式励磁调节器的出现，模拟励磁系统向数字化发展是必然趋势。传 统的同步发电机模拟励磁装置，大都采用模拟线路，线性运算放大器是构成调节 和控制的基本器件，模拟励磁装置进行控制是连续的，控制作用每时每刻都在进 行的，但是模拟控制器有其固有的弱点，模拟式控制器运算放大器特性容易漂移， 使其特性变化，影响控制精度，硬件复杂，可靠性低，无法适应现代控制技术发 展的要求。特别是在计算机控制技术高度发展的今天，为了实现装置智能化方向 发展，需从根本上采用微处理机实现数字式控制。模拟式向数字式控制发展经历 了从模拟一数模混合一全数字的发展。数模混合式控制技术提高了速度控制精度， 加强了保护功能，增设了故障诊断技术，在控制技术上取得了进步，然而部分电 路仍然采用模拟式。因此，并未从根本上解决模拟式控制所固有的问题。本文设 计的同步发电机模拟励磁系统采用最先进的数字信号处理器为控制核心，在原来 基于d s p 技术的基础上进一步改进与完善，实现全数字化控制，较之模拟控制方 式的励磁系统有明显的优越性【5 】： ( 1 ) 计算机具有计算和逻辑判断功能，使得复杂的控制策略可以在励磁控制中 得到实现。它除了可以实现模拟式调节器p i d 调节、p s s ( 电力系统稳定器) 附加控 制，特别是a d 转换、数据采样和处理、移相脉冲触发等自身具备的电路，使整 个系统运算处理速度有了质的飞跃： ( 2 ) 数字式励磁系统在硬件组成上采用了大规模集成电路和微处理器作为它 的控制核心，大大降低了电子元件的使用数量，d s p ( 数字信号处理器) 具有专 门的内部a d c 和p w m 专用模块，从而大大地简化c p u 的外围电路，从而提高了整 个模拟励磁系统的可靠性。其次硬件电路和软件设计的模块化结构使数字励磁控 3 新一代模拟发电机励磁系统的开发j 软件设计 制器的维护和替换更加方便，而且如果要扩展其他功能，只需增加相应的功能块 并在软件上稍微修改即可； ( 3 ) 模拟式模拟励磁装置由于运放的非理想性而造成计算误差，使其控制精度 低，一般只能达到千分之几。而数字式调速器采用双字节运算，计算精度可达万 分之一，因而数字式模拟励磁装置可以反映速度的微小变化，其控制精度大大高 于以普通单片机控制的模拟励磁系统，特别是采用了傅立叶变换、移相脉冲触发 大大降低了驱动电路的功率，克服了模拟的多路脉冲触发不平衡度的缺点； ( 4 ) 数字式模拟励磁装置不但可以实现模拟调节装置难以实现的控制规律和 功能。可以将集监测、分析、控制、保护和事故追忆于一体。数字式励磁控制器 的各种参数可以非常方便地在线精确整定或修改，并可通过显示设备显示出来， 此外可以通过操作面板输入按键信号，人机对话方便、直观； ( 5 ) 由于d s p 技术的优越性能远超过普通电机控制核( i n t e l l 9 6 系列单片机) 。 首先，一般1 9 6 单片机控制的励磁系统，c p u 外围电路复杂，硬件电路产生干扰 性大，其i o 口、数据线和地址线往往复用，所以i o 需要扩展，其次采样电路， 普通单片机控制的励磁系统所带的内部a d c 转换模块往往不够用，需要使用外 部a d 扩展，而采用f 2 8 1 2 芯片所带内部a d c 模块，满足了采样要求。再次， 1 9 6 单片机控制的脉冲触发电路往往需要用专用芯片来产生触发脉冲如( t c 7 8 7 ) ， 在电力系统装备中得到了广泛地运用，为了与目前电力系统中广泛应用的d s p 数 字式励磁系统相适应，模拟励磁装置的全数字化控制乃必然趋势； ( 6 ) 本装置基于数据处理功能最强大的3 2 位d s p 芯片作为控制的模拟励磁系 统的核心，电路简单、测量精度高，实时性好，冗余容错能力强、运行可靠性高， 是真正实现了高精确度、多功能化、实时性强、低功耗的模拟励磁装置。且目前， 国内外尚无开发出上述模拟励磁系统的文献报导。 1 3 本文研究的主要内容和创新点 本文查阅大量国内外励磁系统相关资料，深入研究了同步发电机模拟励磁系 统的功能特征，详细地研究和分析了基于d s p 技术的新一代模拟同步发电机励磁 模拟励磁装置的功能和特点，基于湖南大学原先以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制核的 模拟励磁系统基础上，对以前装置所出现的问题从技术上作出改进。在基于d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 硬件处理功能上，简化了外围硬件电路增添了新的功能。完成 了主回路与操作回路方案的初步设计，确定了元件参数的选型；模拟励磁调节器 的硬件设计，负阻器的硬件设计，包括原理图与p c b ；在设计完成的硬件电路上 进行了部分软件的调试，包括按键程序、液晶显示程序与触发脉冲程序等。 与以往模拟励磁系统的研究相比，本文的创新点主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 采用高速数字信号处理器( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 作为控制核心，其数据运算速 4 硕十学位论文 度快，精度高，实现的功能强大，使用内部自带a d c 模块，无须采用外部a d 转换芯片，操作回路由d s p 的i o 口来控制实现，触发脉冲由d s p 芯片的p w m 引脚触发，实现全数字控制，大大简化了外围硬件电路， ( 2 ) 结合d s p 2 8 1 2 的硬件资源，模拟励磁装置的数据采集与处理程序，采用 快速傅立叶变换( f f t ) 算法，数据采集和处理速度快，精确度高。设计了触发 脉冲程序、控制算法程序等； ( 3 ) 拥有良好的人机界面。改进原有并口液晶显示电路采用5 1 单片机与d s p 芯片之间进行简单通讯来控制显示内容，5 1 单片机串口控制采用l c d 实时参数 的显示，从而减轻d s p 处理负担，并具有故障录波、事故追忆等功能； ( 4 ) 建立模拟励磁调节器的数学模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 在各种暂态 条件下进行了各种仿真实验，验证该模拟励磁调节器在理论上设计的正确性； ( 5 ) 在国内率先开展具有功能最强大的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片控制同步发电机模 拟励磁装置的研究，并取得了阶段性研究成果； 对关键部分的软硬件调试过程中所遇到的问题和经验进行了总结，指出存在 的问题和不足，提出了下一阶段的任务和预案。 5 第2 章同步发电机模拟励磁系统 在电力系统动态模拟实验室励磁系统的模拟内容主要有： ( 1 ) 励磁功率单元模拟包括：励磁方式模拟( 励磁机手动、他励、自励、励磁 机他励、励磁机自励) 、可控硅整流桥模拟、交流励磁机模拟、交流副励磁机模拟； ( 2 ) 励磁调节器的模拟：恒机端电压控制方式、恒励磁电流控制方式、恒触发 角a 控制方式、恒无功功率控制方式； ( 3 ) 调节特性模拟：提供p i d 控制参数、p s s 控制参数等性能控制参数的修改 功能，以得到不同的励磁控制系统性能特性； 要在动态模拟实验室内完成以上励磁系统功能模拟，必须具备功能强大的模 拟励磁系统装置。 2 1 模拟励磁系统的组成 同步发电机模拟励磁系统由励磁功率单元、励磁调节器和负阻器三部分组成。 模拟励磁系统框图如图2 1 所示，方框内为模拟励磁调节器。励磁功率单元向同 步发电机转子提供励磁电流，而模拟励磁调节器则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。励磁系统的自动励磁调节器对维持同步发电机机端 电压处于恒定水平，对整个模拟励磁系统的调节与稳定具有相当大的作用。但由 于模拟发电机的励磁绕组时间常数小于原型发电机的励磁绕组时间常数，必须串 接负阻器来增大时间常数；励磁调节器根据输入励磁电流和机端电压大小给定的 调节准则控制励磁功率单元的输出【5 1 。 图2 1 同步发电机模拟励磁控制系统框图 6 硕i ：学位论文 由励磁调节器、励磁功率单元和发电机一起组成的整个系统称为励磁系统控 制系统。励磁控制系统是模拟励磁系统的重要组成部份，是整个模拟现实励磁工 况的组成核心。 本文所研究的同步发电机模拟励磁系统紧密跟踪现代电力系统自动励磁调节 系统的发展，采用d s p 技术控制，可模拟不同的励磁方式( 自励、他励，手动、 自动等) 和发电机的励磁绕组时间常数，以保证其模拟的准确性，实现全数字化， 励磁功率单元采用可控硅整流桥提供励磁功率，可对半导体直接励磁方式与半导 体一励磁机励磁方式进行模拟，对手动和自动、他励和自励励磁方式进行选择和切 换。 整个模拟励磁系统的原理图如图2 2 所示。本励磁系统是对15 k v a 机组设计 的，励磁电流为3 5 a ，励磁电压为2 0 0 v 。控制箱为励磁调节器，三相全控整流 桥为励磁功率单元。 图2 。2 同步发电机模拟励磁系统原理图 模拟励磁系统的要求： 模拟励磁系统能够正确而全面地反映励磁系统的物理过程时，需要满足下列 条件。本文研究的同步发电机模拟励磁系统在设计之初，就以下要求为目标，力 求达到系统的准确完善。 ( 1 ) 模拟励磁调节装置和原型的励磁调节装置，具有相同的特性，通常要求调 节器的型式相同，调节的时间常数相同，强行励磁的倍数相同等； ( 2 ) 模拟同步发电机转子励磁回路与原型同步发电机，具有相同的标么值参 7 新一代模拟发l u 机肋磁系统的开发1 j 软件设计 数，即励磁绕组尺，电抗x r ，漏抗x ，以及定子和阻尼绕组开路时的励磁绕组 时间常数等参数的标么值应该相等； ( 3 ) 模拟励磁系统元件和原型励磁系统中相应的元件，具有相似的静态和动态 特性，例如发电机励磁系统中的励磁机和副励磁机的特性。通常要求励磁机的励 磁绕组的时间常数乃与原型相等。励磁机的空载和负载特性与原型相似。在可控 硅励磁系统中，辅助发电机和励磁变压器的特性要求相似等； ( 4 ) 要求模拟同步发电机的励磁系统参数能在广泛范围内进行调整，并能够方 便地改变模拟励磁系统的励磁方式，使之适合于不同模拟对象； 因此在同步发电机模拟励磁系统的设计中，要以励磁系统的要求为设计原则。 2 1 1 模拟励磁调节器 同步发电机模拟励磁系统的励磁调节器负责根据检测到的信号，按照给定的 励磁控制准则自动调节励磁功率单元的输出。在系统中，模拟同步发电机提供给 励磁调节器输入信号，包括三相电压、三相电流等。同时励磁调节器的输出信号 送给模拟同步发电机这样就构成了完整的闭环。励磁调节器一般由基本控制、辅 助控制和励磁限制三大部分组成【6 l 。 基本控制部分的核心是励磁调节器，它主要实现模拟同步发电机的机端电压 稳定和无功分配等最为基本的控制功能。它通常包括了以下几个单元：测量比较 单元、调差单元、综合放大单元和移相触发单元。 模拟励磁调节器的主要作用有： ( 1 ) 根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值； ( 2 ) 控制并列运行各发电机间无功功率分配； ( 3 ) 提高发电机并列运行的静态稳定性； ( 4 ) 提高发电机并列运行的暂态稳定性； ( 5 ) 在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度； ( 6 ) 根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。 辅助控制部分主要是根据运行的需要，在基本控制部分之外，附加的一些稳 定控制部分和补偿环节，用来改善励磁控制系统和同步发电机与之相连的电力系 统的稳定性，如电力系统稳定器( p s s ) 主要增加励磁系统阻尼特性，以防止励磁系 统产生低频震荡【7 l 。 励磁限制部分主要是在各种异常运行情况下，提供必要的励磁限制信号，并 封锁基本控制信号和辅助控制信号以保证机组的稳定和安全运行。它主要包括： 最大励磁电流瞬时限制、欠励限制、反时限延时过励磁电流限制、空载强励限制、 伏赫限制和无功功率过载限制等。 8 硕上学位论文 2 1 2 励磁功率单元 励磁功率单元向模拟同步发电机励磁绕组提供直流电流【8 】，即励磁电流。在 同步发电机模拟励磁系统中，励磁电源一般取自电网、模拟同步发电机机端或模 拟励磁机。采用电力电子器件与微机控制技术，来模拟励磁系统的多种励磁方式。 同步发电机励磁系统中的直流励磁电流是通过把交流励磁电源经可控硅整流 后得到的，本文的采用全控整流桥如图2 3 所示。本文中的励磁功率单元采用六 个晶闸管组成的全控桥，其电源可采用外界电源他励半导体励磁方式、自励 半导体励磁方式和交流励磁机励磁方式。其脉冲触发电路由励磁调节器产生。 k 1 垃1 ；建薹建 一 一【 v t l 厂j 丑相 功= = b 相 l 缓一 国c 相 晴 q k 4建三建三 乾n r 4 2 么l j 一 ll 一寸一。 v t 4 i 垡 t 图2 3 励磁功率单元 2 1 3 负阻器 同步发电机的励磁绕组时间常数t = 三月，在模拟同步发电机中，励磁绕组内 阻r 较大，负阻器串接在励磁绕组回路中，产生负电阻，以减小r 增大励磁绕组 时间常数，使之与原型同步发电机的励磁绕组时间常数一致。 模拟励磁系统中的负阻器的要求： ( 1 ) 静态特性为电压电流外特性曲线为一条直线； ( 2 ) 动态特性：电压电流动态响应曲线同相无滞后，波形相同； ( 3 ) 功率要有足够补偿容量。 2 2 本章小结 本章介绍了模拟励磁系统所要模拟的内容。同步发电机模拟励磁系统的组成， 包括励磁调节器、励磁功率单元与负阻器等，并将各部分功能进行了简单的介绍， 提出了模拟励磁系统对各部分的功能要求，对该模拟励磁系统的硬件设计打下理 论基础。 9 第3 章微机控制模拟励磁调节器的硬件电路 3 1 模拟励磁调节器概述 本文所设计的模拟励磁调节器基于数字处理芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核的 模拟励磁调节器，在本着加强装置功能和提高整个装置的可靠性和抗干扰能力的 目的，设计了新的硬件电路以实现励磁系统的全数字化控制。本章内容结合硬件 装置，分析介绍了模拟励磁装置的电源与功率驱动电路采样电路、脉冲触发电路、 测频电路、掉电保护，扩展程序数据电路、r s 4 8 5 通信电路、键盘和l c d 显示 电路等。 外部模块包括：电源转换模块，信号采集模块，掉电保护，扩展程序数据模 块，r s 4 8 5 通信模块，键盘和l c d 显示模块，p w m 输出隔离放大模块，同步信号 捕获模块。系统的工作原理是：发电机组机端电压、电流经过电压互感器和电流 互感器输入到信号转换模块，输出o 3 v 信号送入a d 转换通道；同时励磁电压、 电流经信号转换模块变换为o 3 v 的信号，送入a d 芯片。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 对采样的 结果根据控制参数、工作方式、限制保护条件进行控制算法运算，得到结果后， 作为输出送给事件管理器( e v a ) ，输出p w m 信号，同时有关的警告信号或显示信息 送给5 1 单片机，单片机根据收到的控制字来控制l c d 显示模块的显示。p w m 信号 经p w m 输出放大模块，输出后直接驱动可控硅的触发极，控制励磁电流大小，从 而调节机端电压。同时，故障监测模块实时监测系统的输入和输出。当监测到故 障发生时，立即以中断方式通知d s p ，让d s p 快速处理故障事件。另外， t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 还可以与上位机进行通信，交换数据。微机励磁励磁调节器内部功 能框图如图3 1 所示。 监视与掉电保护 同步号号送入c a p 纠测频信号 看门狗kp 采样信号 爿三三三p ；：7 。输入输出j 键盘与缝电器 d s p s c i 串行通信 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2s c i 外设 亘圃叫r s 4 8 5 通信l 目 i5 婵片机同巫 程序数据存储器b = = = = o # 1 隔离放大产钆堕 图3 1 微机励磁调节器结构框图 l o 硕十学位论文 3 2d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司2 0 0 2 年推出的最新定点数字信号处理器。器件上集 成了许多先进的外设资源，主要有模数转换模块( a d c ) 、事件管理器模块( e v ) 、 串行外设接口模块( s p i ) 、串行通信接口模块( s c i 、c a n 控制器模块( e c a n ) 等。 为电机及其他运动控制应用的实现提供了良好的平台；同时，它提供了足够的处 理能力，使一些复杂的实时控制算法的应用成为可能。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的主要特点【9 】：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有3 2 位处理器、最高1 5 0 m h z 的主频6 6 7 n s 的指令周期、外部采用低频时钟、通过片内锁相环倍频。片上有1 8 k 字的高速r a m ，1 2 8 k 字的可加密f l a s h r o m 。采用高性能c m o s 制造技术， i o 供电电压及f 1a s h 编程电压为3 3 v ，内核供电电压为1 8 v 。1 6 通道的12 位 模数转换器( a d c ) ，内部含两路采样保持器，一个转换单元，可实现双通道同步 采样，最小转换时间为8 0 n s 。片上含两个事件管理单元( e v a ，e v b ) ，设计用于 频率测量p w m 生成。 图3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制器功能结构 利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片内a d c 可对机端电压、机端电流、励磁电压、励磁电 流进行采样，以实现对电量的精确测量。利用e v 的捕获单元可实现频率的测量 以及同步信号的获取，e v 中的计数器带有周期寄存器和比较寄存器，当计数器 的计数值同周期寄存器或比较寄存器中的数值相匹配时，将会产生周期匹配事件 和比较匹配事件，利用计数器的这一特性并结合捕获单元可形成移相脉冲。通信 新一代模拟发f 乜机励磁系统的开发与软件设计 接口含2 个串行通信接口( s e r i a lc o m m u n i c a t o r si n t e r f a c e ) 、1 个串行外围接口 【s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 、1 个c a n 控制器( e n h a n c e dc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 和1 个多信道缓冲串行端口( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ) 。5 6 个独立配置的 通用多功能i o 口( g p i o ) 。扩展存储器接口( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ) 读写时序可 编程，三路独立片选( c s ) 可以兼容同速率的外设扩展。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制器功能 结构图如图3 2 所示。 t m s 3 2 0 f 2 8 l2 内部继承了a d 和采样保持电路，并优化了f f t 指令，使得 它在交流采样计算时具有快速准确的优势：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d 模块根据机端 电压频率对经过调理之后的机端电压、机端电流信号进行采样，通过交流采样的 算法可以得到机端电压、机端电流基波分量的实部和虚部，由此可以算出机端电 压、机端电流基波分量的有效值、发电机的有功功率、无功功率和功率因数。同 时t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a d 模块还对经过调理的励磁电压、励磁电流信号采样，通 过数字滤波可以得到励磁电压、励磁电流的平均值。利用d s p 的比较单元产生移 相触发脉冲，此脉冲经过功率放大后去触发可控硅组件，通过控制发电机转子励 磁电流达到控制和调节发电机端电压和无功功率的目的。同时，励磁调节器还将 根据现场输入的操作和状态信号进行逻辑判断，实现各种运行方式所需的励磁调 节和限制、保护、检测和故障判断功能。 本文设计是基于以前采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为控制核的电路基础上进行改 进，将控制核改换为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，其两个控制芯片的性能比较如表3 1 所示。 表3 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的比较 通过以上比较表明t m s 3 2 0 f 2 81 2 的性能指标与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 相比有了质 的飞跃，f 2 8 1 2 的控制性能要优于f 2 4 0 7 ，更适用于高精度、复杂、实时性要求 高的控制领域。因此，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器的引入将大大简化励磁调节器的硬件 结构，从而可以提高励磁调节器的多功能性和可靠性。 1 2 硕上学位论文 3 3 电源电平转换电路 图3 3d s p 电源设计框图 t i 公司的d s p 家族一般要求有独立的内核电源和i o 电源，并不要求有这两 种电源之间有特殊的上电顺序【l o 】。但从系统级考虑，总线竞争会要求按顺序上电。 通常情况下，要求c p u 内核电源先于或同步于i o 上电，二者时间相差不能太长 ( 一般不能大于ls ，否则会影响器件的寿命或损坏器件) 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 通常上 电顺序要求i o 先上电，核后上电，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的核电压为1 8 v 。i o 电压为 3 3 v ；因此，传统的线性稳压器( 如7 8 x x 系列) 已经不能满足要求。我们选用具 有双路输出电压的t p s 7 6 7 d 318 来设计其电源系统。基于此，设计了基于 t p s 7 6 7 d 3 18 的t m s 3 2 0 f 2 8 l2 的电源电路。微机电源的设计既要保证d s p 能够 长期工作在稳定的状态，又能降低功耗，提高t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的工作效率，设计 构成原理图如图3 3 所示。t p s 7 6 7 d 318 是t i 公司推出的双路低压差电源调整 器主要应用在需要双电源供电的d s p 设计中。具有可单独供电的双路输出，一 路固定输出电压为3 3 v ，另一路固定输出电压为1 8 v 。每路输出电流的范围在 0 1 a 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的电源电路如图3 4 所示。 33 v墼! 扭 上b 鲤 飞心盟 i l t 3 3 v 2 2 i l f ，l o v 爿= c 1 d b l 图3 4d s p 电源设计图 t p s 7 6 7 d 3 1 8 芯片采用5 v 电源输入，1 8 v 和3 3 v 电源输出，经电容接地滤 波抗干扰。模拟电源和数字电源之间采用磁珠将数字地与模拟地分开【l0 1 。 d s p 外围时钟采用d s l 3 0 5 作为电源管理单元的时钟源，d s l 3 0 5 采样用二进制 编码的十进制( b c d ) 码表示实时时钟的秒、分、小时、星期、日、月和年的时间 信息。其引脚相连图如图3 5 所示。d s l3 0 5 支持通过s p i 串行数据端口或者标准的 1 3 餐 一一拍一一孔一一舱一甜一加一”一墙一一：2一 一一一一一一一一删m心一剁必珊 新一代模拟发电机励磁系统的