（电力系统及其自动化专业论文）微机励磁调节器实验装置研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微机励磁调节器实验装置研究，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 纛 名 朗 雠 期 者作 日 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，它直接影响发电机的运行特性， 对电力系统的安全稳定运行有重要的影响。因此发电机自动调节励磁是电力系统自 动化教学的重要内容之一，微机型励磁调节实验是对教学的重要辅助。 微机励磁调节器实验装置主要包括硬件和软件两大部分，硬件是实验装置的基 础，主要包括数据采集模块、微机主系统、显示模块、同步触发模块、通讯模块等； 软件是微机励磁控制的核心，微机励磁控制是靠软件的调节控制命令，主要包括主 程序和中断程序，主程序包括上电初始化、中断允许、励磁算法函数、数据采集程 序，中断程序主要有两个：频率测量程序和同步触发脉冲输出程序。微机励磁调节 器实验装置研制是为了辅助实验教学，进一步提高教学质量。 关键词：微机励磁，励磁实验，实验仿真 a b s t r a c t t h ee x c i t a t i o ns y s t e mi sa l li m p o r t a n tp a r to fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , i tm a k e sd i r e c t i m p a c to nt h eo p e r a t i n go fg e n e r a t o r , a n di t a l s ob ev e r yi m p o r t a n tf o rp o w e rs y s t e mt ob e s a f ea n ds t a b l e t h e n ，i tt h eg e n e r a t o ra d j u s te x c i t a t i o ni sa ni m p o r t a n ta s p e c tf o rt h et e a c h i n g o ft h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ，a n dt h ee x p e r i m e n to fe x c i t a t i o nb a s e do n m i c r o c o m p u t e ri si m p o r t a n ta i dt ot h et e a c h i n g 砀em i c r o p r o c e s s o r - b a s e de x c i t a t i o ne x p e r i m e n t a ld e v i c ei ti n c l u d e st w op a r t so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e 1 1 l eh a r d w a r ei st h ef o u n d a t i o no ft h ed e v i c e , a n di tc o n s i s to ft h e m o d u l eo fd a t aa c q u i s i t i o n ，t h em o d u l eo ft h em a i ns y s t e mo fm i c r o c o m p u t e r ，t h em o d u l eo f d i s p l a y ，t h em o d u l eo fs y n c h r o n i z e dt r i g g e r i n ga n dt h em o d u l eo fc o m m u n i c a t i o ne t c n e s o f t w a r ei st h ec o r eo fm i c r o c o m p u t e r - b a s e de x e i t a t i o nc o n t r o l ，a n dt h ec o n t r o lo f m i c r o c o m p u t e r - b a s e de x c i t a t i o nd e p e n d so nt h ec o m m a n d so f t h es o f t w a r e ，w h i c hc o n s i s to f t h em a i np r o g r a ma n dt h ei n t e r r u p tp r o g r a m 1 1 l em a i np r o g r a mc o n s i s t so ft h ep o w e r - o n i n i t i a l i z a t i o n , t h ei n t e r r u p tp e r m i s s i o n , t h ef u n c t i o n so fe x c i t a t i o na l g o r i t h m i ca n dt h e p r o g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o n t h ei n t e r r u p tp r o g r a mc o n s i s t so ft w op a r t so ft h ep r o g r a mo f f r e q u e n c ym e a s u r e m e n ta n dt h ep r o g r a m o fs y n c h r o n o u st r i g g e rp u l s eo u t p u t 1 1 1 ed e s i g no f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e de x c i t a t i o ne x p e r i m e n t a ld e v i c ei st oa s s i s tt h et e a c h i n go fe x p e r i m e n t a n df u r t h e ri m p r o v et h eq u a l i t yo f t e a c h i n g w ul e ( a u t o m a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f t i a nj i a n s h e k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e de x c i t a t i o n ，e x p e r i m e n to fe x c i t a t i o n ，e x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 目录i 第一章绪论：。l 1 1 微机励磁实验装置研究的意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的主要工作3 第二章微机励磁实验装置硬件研究4 2 1 工业用微机励磁控制器硬件结构5 2 1 1 励磁控制器的组成与特点5 2 1 2 微机励磁控制器硬件结构8 2 2 微机励磁实验装置硬件模块1o 2 2 1 数据采集硬件模块1 l 2 2 2 电压整定模块1 2 2 2 3 微机主系统1 2 2 2 4 同步触发电路13 2 2 5 通讯模块1 4 2 3 硬件电路设计软件1 4 2 3 1p r o t e l 简介1 6 2 3 2p r o t e u s 简介17 2 4 本章小结18 第三章微机励磁实验装置软件研究1 9 3 1 软件开发环境l9 3 1 1 单片机软件开发环境19 3 1 2k e i l 软件简介2 0 3 2 微机励磁控制算法2 1 3 2 1 数字p i d 控制算法2 1 3 2 2 模糊控制算法2 7 3 2 3 线性最优控制算法3 0 3 3 微机励磁系统软件设计3 7 3 3 1 主程序3 7 3 3 2 中断程序3 8 3 4 本章小结3 9 华北电力大学硕士学位论文目录 第四章微机励磁实验装置仿真实验4 0 4 1 引言4 0 4 2 软硬件联合仿真4 0 4 2 1 数据采集硬件仿真4 0 4 2 2 数据输出软硬件联合仿真4 1 4 2 3 移相同步触发软硬件联合仿真4 2 4 3 微机励磁控制系统仿真4 3 4 4 本章小结4 4 第五章结论4 5 参考文献4 6 致谢4 8 附录1 励磁实验装置硬件总原理图。4 9 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 0 u 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 现代电力系统的发展，对同步发电机励磁控制提出了更高要求。从上世纪5 0 年代以来，广大科技工作者一直致力于同步发电机励磁控制系统的理论和应用研 究，并取得丰硕成果，现代励磁控制理论已从最初的基于经典控制理论的单参量偏 差励磁调节发展为多参量、偏差、微分、积分综合励磁调节和基于现代控制理论的 线性多变量最优励磁控制、非线性最优励磁控制以及自适应最优励磁控制等等。 随着数字控制技术、计算机技术及微电子技术的飞速发展和日趋成熟，励磁控 制已实现从原有的模拟式向数字式的转变。目前数字化的微机励磁控制器已在同步 发电机中普遍采用。 1 1 微机励磁实验装置研究的意义 发电机励磁系统在电力系统中起着非常重要的作用。维持发电机机端电压恒 定，控制并列运行发电机间无功功率的合理分配，提高发电机及电力系统的稳定 性，这些都是励磁系统的基本作用。在诸多改善发电机稳定性措施中，提高励磁 系统的控制性能是最有效和经济的措施之一。随着大电网的互联，电力系统容量倍 增，以及快速励磁装置的广泛应用，电力系统出现了许多新的问题。比如由于系 统阻尼不足出现的低频振荡，远距离输电线路的串联补偿电容引起的次同步振荡 及轴系扭振，系统无功不足、无功功率平衡破坏导致的电压崩溃，这些都威胁着电 力系统的稳定运行。在探索解决这些问题的方法中，有效改善励磁调节系统功能及 性能是解决这些问题的重要手段。因此，励磁控制与电力系统稳定运行之间有着密 切的联系。所以现代励磁调节器也演变为多功能、多变量的励磁控制器。 早期的励磁调节器为震动型和变阻器型，都具有机械部件，称为机电型调节器。 由于它不能连续调节、响应速度慢、并有死区，早已被淘汰。2 0 世纪5 0 年代以来， 磁放大器出现后，电力系统广泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型调节器。由 于磁放大器具有时滞性，因此调节器的时间常数较大，调节速度较慢，但其可靠性 高，通常用于直流励磁机系统。2 0 世纪6 0 年代初期，随着半导体技术的发展，电 力系统开始采用半导体元件组成的半导体励磁调节器。由于半导体元件几乎没有时 滞，功率放大倍数也较高。因此，半导体励磁调节器调节速度较快。2 0 世纪7 0 年 代初期，半导体励磁调节器已经获得广泛应用，通常用于它励交流励磁机系统。 上述电磁型、半导体型调节器，均属于模拟式调节器，其电压偏差的测量、综 合放大、移相触发和调差环节，全由相应的硬件电子电路完成。要实现自动调压、 低励限制、过压限励、电力系统稳定器( p s s ) 等多种控制功能，必须增加相应功 1 华北电力大学硕士学位论文 能的硬件电路。所以其元器件将大大增加，使得电路更复杂、运行操作繁琐、维护 困难。 微机励磁控制器电压偏差的计算、移相触发、调差环节、自动零起升压、低励 限制、过压限制、电力系统稳定其( p s s ) 等控制功能，都可以由软件来完成，不需 增加响应功能的硬件电路。同时各种控制功能都可以根据需要进行取舍，十分灵活。 在模拟式调节器中很难甚至无法实现的功能，在微机式励磁控制器中则很容易实 现。 随着同步发电机微机励磁控制技术的普及应用，对于研究和学习励磁控制，需 要深入系统的了解和掌握励磁控制系统的理论、硬件系统和软件系统。微机励磁控 制实验作为电力系统重要的实验，使实验者可以通过做实验了解电力系统的微机励 磁控制过程，辅助理论教学，加深学生的学习印象。励磁控制的发展使得原有的实 验装置不能满足教学的要求，开发新的、与励磁控制发展相适应的实验装置有助于 学生对新的励磁控制理论的掌握，学习最新的励磁系统的构造与调节方式【1 1 。 1 2 国内外研究现状 我国微机励磁控制器的研制和开发工作展开较早。第一台投入现场运行的微机 励磁控制器是电力部南京自动化研究所( 现国电自动化研究所) 研制的w l t 1 型励 磁调节器，于1 9 8 5 年在福建池潭发电厂投入运行，w l t - 1 型励磁调节器以8 位单片机 8 0 8 5 为核心，采用p i d 调节方式。清华大学分别与哈尔滨电机厂和北京重型电机厂 合作，研制了全数字式励磁控制器。中国电力科学研究院与南京自动化设备厂( 现 国电南京自动化股份有限公司) 合作研制的微机自动励磁控制器，在控制规律上以 p i d 为主，同时引入p s s 附加控制。华中科技大学先后与东方电机股份有限公司和葛 洲坝电厂能达通用电气有限公司合作，开发了线性最优和自适应最优微机励磁控制 器。此外，广州电器科学研究所、长江水利委员会路管局自动化研究所、武汉洪山 电工技术研究所、河北工业大学、福州大学以及武汉华工大电力技术研究所等科研 生产单位也在微机励磁控制器的研究方面开展了相关工作。 国外微机励磁控制器进入实用阶段也实在2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 9 年7 月日本东芝 公司在日本八户火力发电所3 号机上投入运行了双微机系统的数字式励磁调节器； 加拿大通用电气公司( c g e ) 于1 9 9 0 年5 月也开发出微机励磁调节器；瑞士a b b 公司 开发了u n t r u l d 型微机励磁调节器；日本三菱公司1 9 9 3 年投运了m e c 5 0 0 0 型系列微 机励磁调节器。此外奥地利e l i n 公司、德国s i e m e n s 公司和英国g e c 公司和 r o l l s r o y e s 公司等也都相继生产出微机励磁调节器。这些大公司均具有很强的科 研开发能力，微机励磁调节器所用的计算机系统一般都以专用的高速可编程控制器 或高速微处理器为核心。采用自行研制的专用控制板组成，从而具有结构紧凑，可 2l 华北电力大学硕士学位论文 靠性高的优点。其中a b b 公司的u n t r u l d 型多微机励磁控制器在我国石洞口电 厂、李家峡电厂等得到使用，三峡7 0 0 m w 机组的励磁控制器由s i e m e n s 公司提供； 加拿大c g e 公司生产的s i l c o 双通道型微机励磁控制器安装在我国隔河沿水电站上 的进口机组上；奥地利e l i n 公司生产的微机励磁控制器应用于十三陵抽水蓄能电 站、天荒坪抽水蓄能电厂和五强溪水电站等；英国g e c 公司和r o l i s r o y e s 公司生 产的微机励磁调节器系列，用在广东大亚湾核电厂和上安电厂。这些微机励磁控制 器大多采用p i d + p s s 控制，各种控制功能较完善，装置整体制造水平高【l 】。 微机励磁实验装置目前还没有单独的与工业微机励磁机的功能相适应的设备， 一般实验教学的设备就是使用工业用微机励磁机，再用一些辅助的外围设备模拟电 厂情况。应用比较简单，且实验过程也不能显示明确，只能从上面得到一些最终数 据。使得学生对实验的理解不是很深刻。本文设计的微机励磁实验设备是主要针对 实验教学，实验过程中可以展现励磁控制过程，进一步使学生了解微机励磁控制， 辅助提高教学效果。 1 3 本文的主要工作 本文以微机励磁实验设备为研究对象，首先研究微机励磁设备的硬件结构，与 工业用微机励磁设备对比，舍去一部分没有必要的硬件设备，使得硬件电路更加简 化、实用。然后研究软件的开发，通过软件的开发，实现很多原本需要硬件来实现 的功能。本文还讨论了几种常用的微机励磁算法，并编程到软件，使得实验设备功 能更完全。具体分为以下几个部分： 1 ) 根据工业用微机励磁设备的硬件电路和励磁实验的要求，简化设备硬件， 设计出合理的实验用微机励磁实验设备硬件电路。 2 ) 软件设计包括系统软件和应用软件，主要设计是应用软件，应用软件是对 数据采集、数据整定、数据显示、触发脉冲输出等各种控制过程进行调节控制的程 序。 3 ) 将三种不同的励磁控制方法编程到应用软件，并配合硬件电路可以调用不 同的控制方法来进行微机励磁控制。 4 ) 完成硬件和软件设计后，联合软件和硬件进行仿真，调整软件和硬件的配 合，完善励磁控制。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章微机励磁实验装置硬件研究 计算机的产生和发展，大大推动了人类的社会的进步和发展，也使同步发电机 的励磁控制技术和手段上升到了一个新的高度。早期的模拟式励磁控制器通过分立 元件、小规模集成电路构成，每个功能对应一个模板，对于励磁控制器这样功能还 不是很复杂的装置，其元件数和模板数都相当多，同时各参数的设置和控制也都是 通过电位器来实现，这都给生产调试、运行以及维护带来很多麻烦和不方便。控制 器对各分立器件的要求也较高，随时间推移，元件老化、温漂都影响着微机励磁控 制器的性能。 与模拟式励磁控制器相比，微机励磁控制器具有以下优点： 1 ) 微机励磁控制器可靠性高。由于数字电路本身的可靠性很高，同时微机励 磁控制器通常采用多微机冗余设计，多个通道互相跟踪，互为热备用，可实现自动 切换，加上控制规律由软件实现，减少了硬件电路，使得由于控制器故障造成的停 机时间大大减少。 2 ) 计算机控制系统的特点是控制灵活、速度快、存储量大和有逻辑判断功能， 因此可以实现高级复杂的励磁控制策略。它不仅可以实现p i d 控制、p s s 控制、线 性最优控制，还可以实现模拟式控制器难以实现的自适应控制、非线性控制、模糊 控制进而神经网络控制等，从而可以大大丰富和增强励磁系统的控制功能，改善同 步发电机的运行特性。 3 ) 微机励磁控制器硬件结构简单，很多在模拟式励磁控制器中需要通过专用 电路实现的功能，如调差功能、各种励磁限制和保护功能等，在微机励磁控制器中 只需通过编写相应软件模块即可实现，不必增加硬件。这就大大降低了硬件系统的 复杂性，方便了生产、调试以及运行维护。 4 ) 控制准确、精度高，在线改变参数方便。在微机励磁控制器中，信号处理 和控制规律都由软件来完成，信号处理和控制精度高。同时电压给定、放大倍数时 间常数等控制参数都由都由数字设定，比由模拟元件构成的环节调节参数要准确。 在线调调整设定参数也比模拟式控制器方便，且速度快，没有模拟式控制器空电位 器带来的烦恼。 5 ) 可实现自诊断、自检测技术。模拟式励磁控制器要实现自诊断、自检测是 相当困难的，原因是实现的电路复杂。微机励磁控制器可充分利用计算机的运算速 度及软件的优越性，定期的对重要的硬件部位和软件进行检查和监视，一旦出错， 处理器对其故障进行甄别，并做出相应处理，在显示故障消息的同时，或报警或进 行调节器切换或发出停机信号等，最大限度的保证了调节器在运行过程中的透明 4 华北电力大学硕士学位论文 度，进一步保证了机组运行的可靠性。 6 ) 数字电路不存在温漂问题，元件只用寿命长，不存在参数变化影响。 7 ) 通信方便。可以通过通信总线、串行接口方便灵活的接入电厂计算机监控 系统，便于远方控制和实现发电机组的综合协调控制。微机励磁控制是电厂计算机 综合控制系统不可缺少的组成部分。微机励磁控制可与上位计算机通信，传送数据， 接收指令。上位计算机可直接改变机组给定电压值，非常简便的实现全厂机组的无 功调节及母线电压实时控制。 8 ) 可以统一设计硬件电路，便于产品更新换代。由于软件设计具有很大灵活 性，使得控制策略的改变和控制功能的增加通常只需要在软件上加以改进，加速产 品升级换代。 9 ) 设计良好的微机励磁控制器能有效降低整套装置的成本，并且具有体积小， 重量轻等优点。 2 1 工业用微机励磁控制器硬件结构 励磁控制系统是由励磁功率单元、励磁控制器和同步发电机共同组成的反馈系 统。励磁功率单元和励磁控制器组成的系统就是励磁系统。励磁功率单元负责向同 步发电机转子提供直流励磁电流或交流励磁电流；励磁控制器负责根据检测到发电强 机的电压电流或其他状态量的输入信号，按照给定的励磁控制准则自动调节励磁控 制单元的输出。 2 1 1 励磁控制器的组成与特点 励磁控制器一般由基本控制、辅助控制和励磁限制三大部分组成。基本控制部 分是励磁控制系统的核心，它主要实现同步发电机电压调节和无功分配等最为基本 的控制功能。它通常包括以下几个单元：测量比较单元、调差单元、综合放大单元 和移相触发单元。辅助控制主要是根据运行的需要，在基本控制部分之外，辅加的 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 力系统稳定性。它包括电力系统稳定器( p s s ) ，励磁系统稳定器( e s s ) 和时间常数 补偿器三个部分。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。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、功率柜最 大出力限制、空载强励限制、伏赫限制和无功率过载限制等。 测量比较单元是励磁控制器的信息输入单元。它的主要作用是：将从同步发电 机机端电压互感器来的三相交流电压，经过电压测量互感器整流为所需要的直流信 号电压与给定的直流参考电压比较后，得出电压偏差信号，输出至综合放大单元。 5 华北电力大学硕士学位论文 改变给定的参考电压时，就改变了被调电压。对测量比较单元的基本要求有： 1 ) 测量电路要具有足够高的灵敏度，直流参考电压应稳定。 2 ) 电压给定电路的调整范围应使发电机电压和无功功率的调节满足运行要求。 3 ) 测量电路应具有优良的动态性能，即电路的时间常数要小，反应要迅速。 4 ) 输出的直流偏差信号必须平稳，其纹波系数要小。 5 ) 具有一定的调差系数整定范围，满足并列运行机组间无功功率稳定分配的 要求。 6 ) 具有较好的线性度。 7 ) 对微机励磁而言，a d 采样部分用具有较高的分辨率。 对模拟式励磁调节器，测量比较通常由调差、测量变压器、整流电路、滤波电 路和电压比较整定电路等环节组成。 为了使并列运行的各发电机组按其容量向系统提供无功功率，实现无功功率在 各机组间稳定合理的分配，在励磁控制器中，一般都设有改变发电机电压调节特性 斜率的环节，即调差电路。模拟式励磁控制器中，调差单元的输出叠加在测量回路 中，微机励磁调节器中，调差单元可以直接作用于电压给定环节。 调差系数万用来表征发电机调差外特性曲线的变化趋势。调差系数的物理意义 为同步发电机在功率因数等于零的情况下，无功功率从零变化到额定值时，发电机 机端电压变化的标幺值。表达式为： a ，r 。 万= 一竺 ( 2 1 ) 邰占 式中之所以有负号，是因为习惯上规定向下倾斜的特性曲线的调差系数为正，称为 正调差，可以理解为：当无功电流增大时，自动励磁控制器感受到的电压为上升， 驱使发电机电压下降。反之，向上倾斜的特性曲线的调差系数为负，称为负调差， 可以理解为：当无功电流增大时，自动励磁控制器感受到的电压为下降( 虚假下降) ， 于是控制器增大励磁电流，驱使发电机电压上升。 综合放大单元的任务就是，根据励磁控制装置应实现的功能，线性的综合测量 偏差、辅助控制以及限制等信号，并加以放大，进而获得满足移相触发单元所需要 的控制信号。综合放大单元引入比例一积分( p i ) 调节，可以提高励磁控制系统的频 率特性，引入比例一积分一微分( p i d ) 调节可以改善系统的频率特性，提高系统的稳 定裕度和响应的快速性。 对综合放大单元的要求是： 6 华北电力大学硕士学位论文 1 ) 具有线性的、且无互相影响地综合多个输入控制信号的能力。 2 ) 反应速度快，时间常数小。 3 ) 输入阻抗高，输出阻抗低，带负载能力强。 4 ) 放大倍数连续可调或分段可调。 5 ) 可自动切换主宰信号和限制信号。 6 ) 引入p i d 调节时，各环节系数可调，并有阻止积分饱和的措施。 7 ) 保证前后环节的极性匹配。 在模拟式励磁控制装置中，综合放大单元通常采用三种线路形式：磁放大器线 路：分立元件的晶闸管直流运算放大电路；集成运算放大器线路。磁性元件构成的 磁放大器是励磁系统采用较早的一种直流放大器件，控制绕组中的直流电流的微小 变化，可以控制输出负载上的直流平均值较大的变化。多个控制绕组可用来综合多 种控制信号。由于磁元件本身体积较大，时间常数较大，制作和调试都比较复杂， 所以目前已经淘汰。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着半导体技术的发展，励磁控制器中综合放大单元多 采用晶体管或集成电路形式的直流运算放大器，在一些小容量发电机组的励磁控制 中，也有采用一级放大器、一级射极跟随器构成的简单晶体管直流放大电路。随着 集成电路技术的迅速发展，作为一种通用性很强的功能部件，在励磁控制器的综合 放大单元及其他单元中，集成电路运算放大器得到越来越广泛的应用。它具有运算 精度高、快速灵敏、工作稳定、综合信号容易和调整方便等一系列优点，所以，在 现代励磁控制器中，综合放大单元基本上是采用集成电路运算放大器。 现代大中型同步发电机励磁系统中，功率单元基本上都是采用晶闸管整流桥 来控制励磁电流大小。励磁控制器中，综合放大单元输出的是控制电压不能直接把 它加在晶闸管上，而需要将这个控制量转化为晶闸管对应控制角的触发脉冲序列， 这就是移相触发单元的基本任务。 移相触发单元的作用是产生触发脉冲，用来触发整流桥中的晶闸管，并控制触 发脉冲的相位随综合放大单元输出的控制电压的大小而改变从而达到调节励磁的 目的。但基本要求是：利用主回路电源电压信号产生一个与主回路电压同步的幅值 随时间单调变化的信号，将其与来自综合放大单元的控制信号比较，在两者相等的 时刻形成触发脉冲。 移相触发单元一般包括同步、移相脉冲形成和脉冲放大等几个基本环节。有时 还需要加整形、放大、反馈等辅助环节，以改善触发脉冲质量。该单元的输出信号 直接控制可控整流桥。微机励磁中，通常采用数字移相的触发技术。根据晶闸管的 7 华北电力大学硕士学位论文 导通条件和励磁控制系统的特点，对移相触发单元通常提出以下要求： 1 ) 各相触发脉冲必须与受控主电路电源同步，具有相同的频率并保持一定的 相位关系。 2 ) 触发脉冲的数目及移相范围满足实际要求，移相范围一般为1 0 。1 6 0 。 3 ) 在整个移相范围内，各相触发脉冲的控制角应保持一致，以尽量减小整流 桥输出电压的谐波分量。一般各相脉冲的相位偏差不应大于1 0 。，全控桥中不应大 于5 。 4 ) 触发脉冲必须具有足够的功率输出，使晶闸管元件可靠导通。由于晶闸管 控制极参数的分散性，所需要的触发电压、电流随温度而变化，为了保证所有晶闸 管均能可靠导通，触发电路输出的电压、电流要有一定的裕量，但不应超过其允许 值。为了避免晶闸管反向击穿，在控制极不应出现反向电压。 5 ) 触发脉冲的前沿陡度应小于1 0 1 上s 左右，并具有足够的幅值和宽度，在励磁 控制器中，由于晶闸管整流电路具有较大的电感负性，触发脉冲应保证足够宽度。 因为在大电感负载下，晶闸管的导通电流由零逐渐上升，如果电流未上升到擎住电 流触发脉冲就消失，晶闸管将会重新关断。一般脉冲宽度不小于1 0 0 “s ，通常为 l m s ( 5 0 h z 正弦波的1 8 。) 。对于三相全控整流桥，要求脉冲宽度大于6 0 。或者用 双脉冲，以保证整流桥可靠工作。 6 ) 触发单元应与高电位的主电路互相隔离，以保证安全。 7 ) 应采取抗干扰措施，提高抗干扰能力。应能适应在允许的电网电压波动和 波动畸变的条件下正常工作。 8 ) 具有口角的限制功能，包括最小口角限制和最大t 2 角限制。 2 1 2 微机励磁控制器硬件结构 微机励磁控制器硬件系统是其基础，它以微机系统为核心，再辅加一些外围接 口构成。 按照计算机控制系统的组成原则，硬件的基本配置由主机、输入输出接口和输 入输出过程通道等环节组成。由于大规模集成电路技术日益进步，计算机技术不断 更新，具体的系统从单微处理器( c p u ) 、多微处理器向分布式网络方向发展。所以 微机励磁调节装置的硬件也就随之变化，无固定模式可言，它的典型框图，如图2 1 所示。 8 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 典型微机型励磁调节装置框图 l 模拟量输入和电量变送器 一般来说，发电机微机励磁系统的输入为发电机电压，电流，疗。有的产品 还输入发电机有功功率尼和无功功率q g ，频率厂和励磁电流t 。输入两路发电机 电压和，是为了防止电压互感器断线时产生误调节。发电机励磁电流可以取 自晶闸管整流电路的交流侧，也可以曲子晶闸管整流电路的直流侧，由直流互感器 供给输入微机式励磁调节装置的这些模拟电量转换成数字量才能输入到微机励磁 调节装置核心部分一微型计算机中。 电量变送器输出的直流电压与其输入电压成正比发电机运行参数、厶、最、 如、厂、等分别经过各自的变送器变成直流电压。多路转换开关按照分时转换 原理，把已经变成的直流电压的各输入量按预定的顺序依次接入一个公用的a d 转 换器，将模拟量转换成数字量送入微型计算机。 2 工业控制微型计算机 图中虚线框中为微机励磁调节装置配用的工业控制微型计算机。图中微处理器 ( c p u ) 和r a m 、r o m 在一起通常称为主机。发电机运行状态变量的实时采样数据、 控制计算过程中的一些中间数据和主程序控制用的计算数值等存放在可读写的随 机存储器r a m 中。固定系数、设定值、应用软件和系统软件等则事先固化存储在 9 华北电力大学硕士学位论文 只读存储器r o m 或e p r o m 、e e p r o m 中。主机是励磁调节装置的核心部件。它 根据从输入通道采集的发电机运行状态变量的实时数据，矩形控制判断和逻辑部 件，求得控制量。该控制量即为要求将晶闸管的控制角口调整的角度。该控制量输 入到同步和数字触发控制单元，发出载有控制角口的触发脉冲信号，经脉冲放大器 放大和脉冲变压器整形后送到晶闸管整流桥，从而实现对发电机励磁电流，。的控 制。 3 接口电路 在计算机控制系统中，输入、输出通道是不能直接与主机交换信息的，必须由 接口电路来完成两者间传递信息的任务。励磁调节装置除采用通用的接口电路如并 行和管理接口( 中断、定时计时) 外，还在微机中装设了模拟输入接口、与数字 量连接的数字量i o 接口和与监视盘台连接的接口电路。 4 同步和数字触发电路 同步和数字触发电路是数字励磁调节装置的一个专用输出过程通道。它的作用 是将微型计算机c p u 计算出来的、用数字量表示的晶闸管控制角转换成晶闸管触 发脉冲。上述转换有两种方式：将c p u 输出的表征晶闸管控制角的数字量转换成 模拟量，再经过模拟式触发电路产生触发脉冲，经放大后取触发晶闸管整流桥中的 晶闸管；用数字电路将c p u 输出的表征晶闸管控制角的数字量直接转换成触发脉 冲，经放大去触发晶闸管，这种方式称为直接数字触发。 5 并行i o 和显示接口 励磁调节装置也需要采集发电机运行状态信息，如断路器、灭磁开关等状态信 息。这些状态信号转换后与数字接口电路相连。外部中断申请以及机组启动和停机、 励磁系统开关量状态、过励保护等继电器触点信号都通过并行i o 传输。为了便于 调试和运行监视，设有接口与监控盘台通信，以便在盘台上显示必要的数据，如实 时控制角，调差压降、有关程序运行标志等，还有运行人员操作的控制设备，用于 增、减励磁和监视调节器的运行。另外还有供程序员使用的键盘操作，用于程序调 试、设定参数。励磁系统运行中的异常情况的告警或保护等动作信号从接口电路输 出后，也需要变换，以便驱动相应的设备，如灯光、音响等乜射。 2 2 微机励磁实验装置硬件模块 微机励磁实验装置的硬件模块和工业用微机励磁装置类似，只是比工业用微机 装置简化了一部分。包括数据采集模块、微机主系统、同步触发模块、电压整定模 块等。原理框图如图2 - 2 所示： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 图2 _ 2 微机励磁调节器实验装置硬件原理框图 2 2 1 数据采集硬件模块 数据采集模块是微机控制不可或缺的一个部分，它将需要的数据采集进微机系 统，系统才能够根据数据分析状况，按照相应的控制规律发出控制命令，微机励磁 系统需要的采样信息主要包括电压、电流、频率三种信息，这三种信息基本能够满 足各种励磁控制规律的控制要求。数据采集的硬件模块包括电压、电流变换器，a d 变换器等硬件芯片，它将需要的数据送入c p u 中进行处理。电压和电流的数据采集 都是通过a d 转换芯片将模拟量转换为数字量然后输入到单片机里面，频率的采集 。 则是需要将交流电压整形成为方波然后连接到单片机的外部中断，通过外部中断和 - 计数中断来获得。电压采集硬件模块如图2 - 3 所示 图2 3 数据采集模块硬件原理图 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 电压整定模块 对发电机励磁机进行调节控制，主要的调节输入信息是电压偏差，这就需要一 个标准值和采集电压进行比较，一般标准电压参考值是手工输入的，一般是通过键 盘输入。微机励磁实验装置为了减少占用单片机接口数目，建立了一个模拟输入端， 可以通过一个模拟电压占用a d 输入接口，再通过采样输入微机励磁实验装置内存 作为一个标准参考电压，电压值可以通过显示数码管读取，这样就可以进行电压、 流整定。和电压采集不一样的是，电压整定可以直接采用直流模拟值，而不需要再 进行电压变换，电流整定也一样。 2 2 3 微机主系统 图2 4 电压整定模块硬件原理图 微机主系统就是c p u 和一些外围部件，它的主要功能是处理数据和进行计算， 按照采集的数据和控制调节规律发出控制命令进行调节。微机主系统是微机励磁实 验设备的核心，它是实验装置的运行、控制过程的总指挥。微机主系统主要是一个 c p u 芯片，其外围的一些辅助元件主要是为了保证c p u 的正常运行的一些电源、 晶振等装置或者是当c p u 运行不正常时，可以使其复位的保护装置，这些组合在 一起就是微机励磁调节器实验装置的微机主系统。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 2 4 同步触发电路 册0 c 5 图2 5 单片机微机主系统原理图 微机励磁要实现精确励磁控制必须要做到与采集电压同步运行，在微机励磁 中，一般采用外部中断方式保持同步。励磁电压通过电压变换器后再整形成为方波 电压输入到微机芯片的外部中断，然后在中断内部对数据进行分析发出触发脉冲， 触发脉冲再经过脉冲放大器送入到晶闸管的控制端对发电机励磁进行控制。 图2 6 同步触发电路硬件原理图 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 2 5 通讯模块 采用微机励磁控制，励磁控制器与本地监控计算机和远程监控之间数据交换是 不可避免的，因此需要进行通信接口设计。而所设计的实验设备也需要同计算机之 间交换数据，因此也准备了通讯接口。通讯接口按照r s 2 3 2 c 接口标准设计，硬 件接口采用d b 9 插口，通过连接芯片m a x 2 3 2 将其连接到单片机上，然后按标准 连接好，可以和计算机主板上c o m l 和c o m 2 相连组成单片机与计算机的通讯硬 件接口。 7 图2 7 通讯模块硬件原理图 2 3 硬件电路设计软件 随着集成电路与计算机的迅速发展，以电子计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) 为基础的e d a 技术已深入人类生活的各个领域，成为电子学领域的一个重 要学科，并已经形成一个独立的产业部门。e d a 的兴起与迅猛发展，提高了开发可 科研能力，并促进了集成电路和电子系统的发展。 e d a 技术指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处 理及智能化技术、拓扑学和计算数学等众多学科的最新成果，在电子c a d 技术基 础上发展起来的，用于进行电子产品自动设计的计算机软件系统。采用e d a 技术 进行电子系统设计的优点是能够及时发现电路设计中存在的问题，最大限度的提高 设计产品产出率；能够大大减轻电路图设计和电路板设计的工作量和难度；同时， 通过设计可编程逻辑器件，减少系统芯片的数量，缩小系统的体积，提高系统的可 靠性。 最初的电子系统设计为原始的手工设计。该阶段电路原理图、版图设计都由手 工完成。设计电路时往往凭经验，采用简单的公式和估算算法。手工设计最大的缺 1 4 华北电力大学硕士学位论文 点在于电路的电气性能由于晶体管固有的非线性而不准确，所以会出现按照最初生 产设计产品达不到预期效果的现象，而需要经常制作许多样品，多次更改设计，有 时甚至重新进行设计，不断改善其性能知道出现满意的结果。错误的几率随系统设 计的功能复杂度呈指数规律增加。 随着集成电路的发展，e d a 技术逐渐发展起来，经历了计算机辅助设计、计算 机辅助工程( c a e ) 、电子系统自动化三个阶段。 1 2 0 世纪7 0 年代的c a d 当时市场上出现了大约2 0 1 0 0 个晶体管的集成电路。计算机程序 s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ) 在加利福尼亚大学伯克 利分校的研制问世，为e d a 打下了坚实的基础。c a d 包含电气性能和电气几何图 形描述之间一致性的验证，因此避免了反复设计的弊端。人们开始用计算机辅助进 行i c 版图编辑、p c b 布局布线，取代了手工操作。 22 0 世纪8 0 年代的c a e 此时硅片工艺已经能够允许最多集成一万只门。与c a d 相比，c a e 除了有纯 粹的图形绘制功能外，还增加了电路功能设计和结构设计，并且通过电气连接网表 将两者结合在一起，实现了工程设计。c a e 的主要功能是：原理图输入、逻辑仿真、 电路分析、自动布局布线、p c b 后处理分析等。 32 0 世纪9 0 年代的e d a 2 0 世纪9 0 年代以来，微电子技术有了惊人的发展，工艺水平达到了深亚微米 级，在一个芯片上可集成上百万乃至上亿个晶体管，芯片的工作速度达到了吉比特 每秒数量级，从而对电子设计的工具提出了更高的要求同时也进一步促进了设计工 具的发展。 e d a 技术主要包括电子系统的仿真、综合与实现三个方面 仿真( s i m u l a t i o n ) x 称为模拟，指利用计算机模拟电子系统的实际工作情况，其 目的是为了在不同的设计阶段和设计层次验证设计的正确性，以便及早发现错误、 修改设计，从而节省时间，避免经济损失。因此电子设计过程中有相当多的时间做 仿真，仿真软件的效率直接关系到设计的效率。仿真时需要在计算机上建立电子元 件和模块的功能模型，并将系统的构成描述给计算机。此外，设计者需要为被仿真 的电路施加适当的输入激励信号( 该信号接近于实际的输入信号) ，计算机模拟出 结果后对其进行分析，进而判断电路设计的正确与否。 电路实际应用时由于元件摆放位置的不同，焊接