（检测技术与自动化装置专业论文）基于avr单片机同步发电机的励磁装置的研究.pdf

u ii iii i i il i l ti ii ii il y 17 3 7 6 6 7 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：幺印吻 i 学位论文使用授权说明 删哞6 月以日 ，- 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 画口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名力伪导师签名：治靖训睥6 月西日 基于a v r 单片机同步发电机的励磁装置的研究 摘要 在现代的电力系统中，为了保证电力系统经济，安全运行，维持与提 高同步发电机运行的稳定性是最基本的。在稳定电压值的同时我们必须保 证一定的精度。发电机机端电压会随着发电机负荷的改变而改变。这时我 们就要通过控制励磁电流来控制电压的改变。 现代电力系统的规模随着经济的发展在不断地变化，人为管理和操作 很难满足要求，所以必须需要利用计算机来加与控制，使整个电力系统计 算机化。这给励磁控制器也提出了更高的要求，微机励磁控制器是其发展 的方向和主流。同时借助计算机控制能大大地提高励磁控制的控制性能。 本系统以a t m e g a 单片机为核心处理芯片，以现代经典p id 控制加模糊 控制为主的控制方法，首先介绍现代励磁方式的演绎，分析现在励磁机的 主要特点以及存在的一些主要问题。然后介绍主电路结合外围的电路组成 硬件系统的整体框图。该系统主要是针对广西的一些小型的企业比如：化 工厂、糖厂、造纸厂等民营中小型企业。本装置主要完成对电流、电压的 采样，频率的测量，移相触发电路以及励磁控制算法的模拟仿真。实验表 明该系统稳定性较好、可靠性较高、成本低廉，在广西中小型企业有一定 的市场价值、具有一定的推广意义。 关键词：励磁装置p i d 控制模糊控制移相触发 t h es t u d yo fa ts i n g l ec h i p b a s e ds y n c h o n o u s g e n e r a t o re x c i t a t i o n a b s t r a c t i nm o d e m p o w e rs y s t e m , i no r d e rt oe n s u r et h ep o w e rs y s t e me c o n o m i c ，s a f eo p e r a t i o n , m a i n t e n a n c ea n di m p r o v et h eo p e r a t i o n a ls t a b i l i t yo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r si se s s e n t i a l w h e nw es t a b l ev o l t a g ev a l u e ，w em u s te n s u r eac e r t a i nd e g r e eo fa c c u r a c y g e n e r a t o r t e r m i n a lv o l t a g e 嬲t h eg e n e r a t o rl o a di sc h a n g e d a tt h i st i m ew eh a v et oc o n t r o lb y c o n t r o l l i n gt h ee x c i t a t i o nc u r r e n tt ov o l t a g ec h a n g e s t h es c a l eo fm o d e mp o w e rs y s t e mi sc o n s t a n t l yc h a n g i n gw i t ht h ed e v l o p m e n to ft h e e c o n o m y , p e o p l em a n a g e m e n ta n do p e r a t i o ni sh a r dt om e e tt h er e q u i r e m e n t s ，s oi tm u s tu s e a c o m p u t e rt oc o n t r o lt h ee n t i r ep o w e rs y s t e mt om a k ei tc o m p u t e r i z e d t h i sg i v e se x c i t a t i o n c o n t r o l l e rah i g h e rr e q u i r e m e n t s ，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 nc o n t r o l l e ri st h ed i r e c t i o no f i t sd e v e l o p m e n ta n dm a i n s t r e a m u s i n gc o m p u t e rc o n t r o lc a na l s og r e a t l yi m p r o v et h ec o n t r o l p e r f o r m a n c eo fe x c i t a t i o nc o n t r 0 1 a t m e g am i c r o e o n t r o l l e ri st h ec o r ep r o c e s s i n gc h i po ft h es y s t e m , am o d e mc l a s s i c p i dc o n t r o lw i t hf u z z yc o n t r o l - b a s e dc o n t r o lm e t h o d , f i r s t l yii n t r o d u c e dt h em o d e m i n t e r p r e t a t i o no fe x c i t a t i o nm e t h o d s ，a n a l y s i so ft h em a i nf e a t u r e so f c u r r e n te x c i t e r , a n ds o m e o ft h ek e yi s s u e s t h e ni n t r o d u c e st h em a i nc i r c u i tc o m b i n e d 、 ，i t l lt h ep e r i p h e r a lc i r c u i tb l o c k d i a g r a mo fh a r d w a r es y s t e m 嬲aw h o l e t h es y s t e mi sm a i n l ya i m e da ts m a l le n t e r p r i s e si n g u a n g x i ，s u c ha s c h e m i c a lp l a n t s ，s u g a rm i l l s ，p a p e rm i l l s ，a n do t h e rp r i v a t es m a l la n d m e d i u me n t e r p r i s e s t h ed e v i c em a i n l yt oc o m p l e t et h ec u r r e n t , v o l t a g e ，s a m p l i n g ，f r e q u e n c y m e a s u r e m e n t , p h a s es h i f tt r i g g e rc i r c u i ta n ds i m u l a t i o no fe x c i t a t i o nc o n t r o la l g o r i t h m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wg o o ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m , h i g hr e l i a b i l i t y , l o wc o s t , s m a l la n d m e d i u me n t e r p r i s e si ng u a n g x ih a v eac e r t a i nm a r k e tv a l u e ，h a sap o t e n t i a lm a r k e t s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：e x c i t a t i o nd e v i c e ；p i dc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；p h a s et r i g g e r ； n 目录 第一章引言1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 励磁控制理论的发展l 1 3 励磁控制器的国内外现状2 1 4 论文的所做的主要工作及章节安排2 第二章励磁装置总体结构介绍。4 2 1 励磁控制的作用和要求4 2 1 1 励磁控制的作用4 2 1 2 励磁的控制要求5 2 2 系统的整体硬件结构及其工作原理6 2 2 1 系统的整体硬件结构6 2 2 2 主要电路模块的工作原理7 2 3 本章总结8 第三章励磁装置的硬件设计9 3 1 电压、电流测量电路9 3 1 1 电压、电流的测量如9 3 1 2 精密整流电路l o 3 2 电压电流的采集1 2 3 2 1 基本算法1 4 3 2 2 两点乘积算法f ：1 5 3 2 3 傅立叶算法1 5 3 2 4 全波傅立叶算法1 6 3 2 5 算法的选择1 8 3 3 低通滤波电路1 8 3 4 频率测量电路1 9 3 5 调差单元2 0 3 6 移相触发电路。2 1 3 6 1 同步电路2 2 3 6 2 晶闸管触发脉冲2 3 3 6 3 触发延时时间与电压的关系2 4 3 7 励磁电源电路2 5 3 8 键盘及显示电路2 5 3 8 1 键盘电路2 5 3 8 2 显示电路2 6 3 9 硬件抗干扰设计2 6 3 10 本章总结2 8 第四章励磁的控制算法以及数学模型的建立2 9 4 1 励磁控制的数学模型2 9 4 2pid 控制器3 0 4 2 1 常规的p i d 控制器3 0 i l i 4 2 2 数字式p i d 控制器3 l 4 3pld 的控制参数3 2 4 4 模糊p ld 控制器的设计3 2 4 4 1 模糊控制形成机理3 3 4 4 2 仿真结果与分析3 5 4 5 本章总结3 7 第五章系统的软件设计3 8 5 1 数据采集和处理程序3 9 5 2 移相触发控制的软件设计4 2 5 3pld 模糊控制算法子程序4 3 5 4 软件抗干扰措施4 4 5 4 1 数字滤波技术4 4 4 5 4 5 46 4 7 4 7 4 7 4 8 5 2 研究成果5 3 w 基于a v r 单片机的j 嗣步发电扭的励磁罩a t 的研究 1 1 课题研究的背景和意义 第一章引言 发电机励磁控制器是构成发电机系统装置的重要组成部分，其主要任务是通过改变 励磁绕组的励磁电流来改善发电机在电力系统中的运行特性，以达到对发电运行实时控 制的目的i i j 。 在农村电力系统中，直流机励磁系统、电抗分流式和电抗移相式相复励励磁系统为 主要的发电机励磁方式 2 1 。采用直流机励磁方式的发电机的缺点是电压稳定性差，故障 率高，维护工作量大。降低了发电机的供电可靠性，也使电网电压质量受到严重影响： 自动励磁调节器的性能决定了交流机励磁系统的工作特性能而且造价较高，也不适合小 型机组。虽然9 0 年代后期，由于广泛采用可控硅励磁装置使农村电网电压质量得到了 很大的改变但这种励磁系统的控制电路大多数是采用模拟电路，功能较少，发挥不了自 并励励磁系统的优点【3 】【4 】。 随着社会经济技术的发展，发电机励磁系统也在不断更新和发展，励磁方式也由原 来的直流励磁机方式发展为自励式半导体励磁方式和交流励磁机加静止半导体整流器 的励磁方式，励磁控制也由以前传统的模拟式调节单元发展到了数字式励磁调节单元。 目前广西的一些小型企业都需要自己自备一些励磁装置以满足自身的需要，因此基 于高性能单片机适用于小型机组的的自动励磁装置具有巨大的市场潜力，这也就是本课 题的意义所在。 1 2 励磁控制理论的发展 自动控制理论的发展影响着励磁控制理论的发展，从目前发展来看，控制理论的发 展趋势是从线性发展到非线性，单变量发展到多变量，再到智能化控制。因此，整个励 磁控制理论的发展过程跟自动控制理论是相互对应的1 5 j 【6 】。 早期的励磁控制理论也称为古典式励磁控制方式，这是一种单变量的输出输入的比 例调节方式，由于考虑到各种精度和系统的稳定性这样慢慢地发展成为p i d 的调节方 式，不管是比例调节也好还是p i d 调节都是属于单变量的设计方法。 为了能够很好地改善调节电压精度和系统稳定之间的矛盾，在1 9 6 9 年美国学者就 提出了a v r + p s s 结构的励磁调节器，这种调节器是属于双输入的控制系统，在现在这 样的励磁调节器在实际中也被广泛的采用。但是这样调节器的适应性不是很强，所以为 了提高系统的鲁棒性，国内外很多专家学者都提出了大量的自适应的设计方法【7 】。随着 社会和技术的发展到了2 0 世纪7 0 年代，状态空间法得到了迅速的发展，这种方法能够 对多输入和多输出的系统进行研究，一些电子产品的发展和集成电路的大规模应用也促 广西大掌硕士学位论文善于a v r 单片机的同步发电机的励砑口茛j ：的研究 进了励磁控制器的发展。国外学者在此期间首先将最优控制理论运用到励磁控制器中， 清华大学卢强教授首先建立和完善了线性最优控制器。慢慢地就有了适应性最优控制 器，后来由于电力系统的负荷越来越大，环境越来越恶劣，就出现了一种非线性的最优 控制1 8 】。近几年来，模糊逻辑控制、专家系统、灰色控制、遗传算法以及人工神经网络 等一些智能化的控制方法应用到励磁控制器中。这使得励磁控制器有了一定适应和学习 的能力，这些算法也并不需要研究对象有精确的数学模型。虽然控制理论的方法很多， 功能也很强大，但是这些都是停留在仿真阶段，很少应用到实际中，所以要在实际中推 广其应用，还是需要研究大量的实际问题。 1 3 励磁控制器的国内外现状 我国在开展微机励磁控制器的研究是比较早的，w l t - 1 型励磁调节是我国研制的第 一台现场运行的励磁控制器，在1 9 8 5 年投入福建池谭发电厂运行。其采用的是经典的 p i d 控制方式，以8 位单片机8 0 8 5 为主芯片。随后清华大学又与各大重型电机厂合作 研制数字式励磁控制器。在接下来的几年中中国电力科学院与国电自动化研究所合作研 制微机自动励磁控制器，在控制规律上以p i d 控制为主，同时引入了p s s 附加控n t 9 h m 。 随后各个学校和各打研究所都开始对微机励磁控制器进行研究工作，是微机励磁控制都 有了很大的进步。 在国外，微机励磁控制器的研究始于上世纪8 0 年代。1 9 8 9 年7 月日本东芝公司研 制的双微机励磁控制器在日本八户火电厂运行加拿大通用电气公司也与1 9 9 0 年开始研 制微机励磁控制器。随着微机的发展世界各大公司都开始对微机励磁控制器进行研制 1 q 。并且一些大型国外公司与中国合作，并将一部分产品投入在中国的发电厂运行。这 些微机控制大多数采用了p i d 和p s s 共同控制，各种控制限制功能都比较完善，装置的 整体制造水平都比较高。 1 4 论文的所做的主要工作及章节安排 本文主要是研究并设计中小型工厂的同步发电机的励磁控制装置。首先，对发电机 励磁原理进行分析，选择一个适合与中小型企业的励磁数学模型和控制算法，对模型和 控制算法进行相应的改进，使之更适合励磁的基本要求及硬件的配置；然后设计出基于 a v r 单片机励磁控制的硬件电路，再编写相应的程序，最后对相应的硬件电路和程序进 行整体调试。 本文的章节安排如下： 第一章：引言。主要介绍论文研究的对象和意义，励磁方式的演绎，以及励磁的主 要任务。 第二章：励磁装置总体结构。主要分析励磁的总体结构，以及本设计中所采用的励 2 广西大砻昀炙士胄巴1 立论文 基于a v r 单片机的j 嗣步发电机的励穗k 装，l 的研究 磁控制方式和控制算法。 第三章：励磁装置的硬件设计。主要介绍该装置的整个硬件的设计过程，包括的电 路模块主要有：励磁电源电路、电流电压测量电路、频率测量电路、移相触发电路、液 晶显示电路等模块电路。 第四章：励磁的控制算法、数学模型仿真。主要分析了采集信号的方案，并确定一 种信号采集的数学方法。 第五章；励磁装置的软件设计 第六章：总结展望。对本论文中所做的主要工作进行总结和相关展望 3 广西大曹铜a 叵士学位论文基于a 、佩单片机的同步发电机的励磁蓑置的研塞 第二章励磁装置总体结构介绍 2 1 励磁控制的作用和要求 励磁的基本作用是通过控制励磁绕组的励磁电流来是稳定机端电压在给定水平。同 时还是控制在并联运行的发电机组间无功功率的分配。提高电力系统的稳定性。一般来 说，励磁装置主要有两大部分组成，第一部分是励磁功率输出部分也称功率单元，其主 要作用是提供直流电流，建立直流磁场，第二部分是励磁控制单元也就是我们通常所说 的励磁调节器，其主要作用是调节励磁电流，以满足电力系统的正常运行需要。 2 1 1 励磁控制的作用 l 、电压的控制 当整个电力系统正常运行时，同步发电机的功率会随着负荷的变化随机改变，而调 节励磁电流时励磁系统的最基本的任务，以保证同步发电机的机端电压在某一确定值。 励磁调节器是通过改变三相半控桥中晶闸管的导通角，以保证机端电压在给定水平，导 通角与电压偏差有关。 a u = 一u i ( 2 一1 ) 为给定电压，当电压偏差u 0 时，自动励磁，这个时候导通角变小，我们就 要提高励磁电流，这样的话u ，也随着升高，直到电压偏差为o ；当电压偏差a u 0 时， 自动减励这个时候导通角变大，我们就要使励磁电流减小，因此u ，会随之降低，直至 电压偏差为o 。u = 0 时，固定在一定的u 。值。 u g = f ( q ) = u 。( 1 - k 2 9 = k 1 u 。( 1 一k 2 9 ( 2 2 ) 其中，o 8s 墨1 2 ，k ， 5 d ：丝鱼笙( 2 3 ) 。 u 。i es i i l 少。 q 为无功功率标幺值。 2 、无功功率的分配 当几台发电机同时在母线上并列运行时，输入的机械效率决定了输出的有功。而发 电机输出的无功是跟励磁电流相关的。所以我就需要控制无功功率在并联机组间的合理 分配，各并联机组的调压特性决定了发电机间无功功率的分配。这种调压特性实际上是 发电机机端电压q 和无功电流乇。定义调压系数万大小为： 万= 一掣( 2 - 4 ) ： i 4 基于a v r 单片机的同步袅电觚的励砖口竞，l 的研究 式中u 。表示的是发电机机端电压与额定电压之比 厶无功电流变化与额定的无功电流之比 当母线电压发生变化是，发电机无功电流的增量与电压的偏差成正比，与调差系数 成反比。一般来说无功功率的分配都是按电机容量大小来分配的，大容量的机组担负的 无功功率增量大些，小容量的就小些，励磁控制器能够对调差系数进行调节，所以能做 到无功功率在机组间合理分配。 3 、提高电力系统的稳定性 电力系统的稳定性主要有三个：静态稳定性、暂态稳定性、动态稳定性。 静态稳定性：其性质是运行点的稳定性。就是指在电力系统收到小的干扰时能不受其影 响而自动恢复。 暂态稳定性：其主要是指系统在收到一些大的干扰比如说断线、短路时能不能维持 发电机的同步运行。要想提高系统的暂态稳定性，人工增加阻尼消除二摆或多摆失步是 一种效果很明显的方法。 动态稳定性：就是指系统在受到扰动是能够很快的使系统恢复在原始平衡点或者过 渡到新的平衡点。实际上我们可以理解为系统机电震荡的阻尼问题。在系统中采用_ 些， 现代控制理论比如说线性最优控制器、自适应控制器等都能比较有效的抑制各种频率的 低频震荡。 4 、加快继电保护动作的灵敏度；能够完成快速灭磁。 2 1 2 励磁的控制要求 励磁控制系统一个很典型的闭环控制系统，这闭环控制系统中，状态反馈环节即测 量环节直接影响到整个闭环控制系统。闭环控制系统最大的优点是能自动地消除来自系 统外部和内部干扰信号对被控量的影响，具有很好的抗干扰能力。这样闭环控制系统对 状态量的测量有以下几个要求： ( 1 ) 要有较高的测量精度，测量精度在数值上用理想值和被控变量之差值与理想值 的比值的百分比来表示。根据国家的励磁标准测量精度一般到达0 2 一0 5 ，以 满足励磁标准的电压调差率【1 2 】。我们都知道测量精度过高又会影响到测量速度， 这两个指标是一对相互矛盾的指标而a t m e g a 单片机自带的a d 转换的精度 完全能够满足励磁装置的调压精度，从这个方面考虑的话，测量的速度肯定是 高于测量精度的。因此我们正确的做法是在满足调压精度的同时尽可能的提高 测量速度。同时也要注意的是不能为了追求精度而忽略了速度。 ( 2 ) 要有较快的时间响应速度，在规定条件下，励磁系统达到顶值电压与额定负载 磁场电压之差的9 5 所需时间的秒数就是励磁电压的响应时间【1 3 】。一般规定测 量环节的时间常数不大于2 0 m s 3 0 m s 5 基于a v r 单片机的同步发电机的励磁袭j l 的研究 ( 3 ) 输入与输出要分开，强电与弱电要分开，防止相互干扰。要满足这个要求我们 一般采用的光电耦合装置。 ( 4 ) 系统要具有一定的抗干扰能力，这样可以是系统在不同的恶劣环境下稳定的运 行，实验环境与现场环境有着很大的区别。现场环境也比实验环境恶劣很多存 在很多不可确定的干扰，所以抗干扰是我们必须重视的，采用的基本方法有滤 波、隔离、接地、屏蔽等。 ( 5 ) 硬件电路必须可靠简单，可靠性是励磁装置的基本要求，硬件电路的可靠正是 为了满足励磁系统的这一要求的。能有简单电路实现的不用复杂电路，能用无源 电路不用有源的，能用软件实现的不用硬件来实现，简单是可靠的基础。 2 2 系统的整体硬件结构及其工作原理 z _ 2 1 系统的整体硬件结构 本设计采用a t m e g a 单片机和核心控制芯片，设计一些外围电路来辅助单片机工 作，以完成整个系统的整体功能。图2 。1 为励磁控制的硬件框图。其主要任务是：经过 电流电压互感器采集三相电流、电压信号，经过信号调理电路，主要是把采集到的三 相电流电压信号调理成一5 - - - ，5 v 的信号经过单片机的a d 转换，通过单片机的控制算法， 按一定的调节规律计算出相对应的控制量，以控制角的形式由并行口输出，通过控制角 的大小来触发相应的晶闸管从而控制励磁电流的大小来保证发电机机端电压的稳定。 a 相电压检测电路卜 控制输出 键盘显示 a 相电流检测电路卜 信 下下 b 相电压检测电路卜一县 j a t m e g a l6 b 相电流检测电路卜_ 调 单片机 c 相电压检测电路卜 理 t3 c 相电流检测电路卜_ i 0 输入 其他外设接口单元l 图2 - 1 励磁控制的硬件框图 f i g 2 1t h eh a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo fe x c i t a t i o nc o n t r o l 为了使该系统更好的操作和人性化管理，我们可以设计一个显示装置来显示当前的 频率、电流电压的大小和功率因数值。 6 广西，矗錾司n b 掌位谖譬基于a v r 单片机的同步发龟棚的励确口茛j ：的研究 2 2 2 主要电路模块的工作原理 ( 1 ) 电流电压信号采集及处理模块 三相电流电压经过互感器取样后，再经过调理电路( 主要是精密整流电路、滤波电 路) 得到调理后的信号经过a t m e g a 单片机一路a d 转换的采集，进入单片机进行相关 计算。计算的结果与对应的给定值进行比较按一定的调节规律得到相应的控制角来触发 晶闸管，从而控制励磁电流。( 当给定电压大于励磁电压时，导通角变小，励磁电流增 大提高励磁电压直到偏差为o ，当给定电压小于励磁电压时，导通角变大，励磁电流减 小，减小励磁电压直至偏差为o ) 。 ( 2 ) 频率测量模块 为了同步采样，就必须实时检测频率，频率是该装置一个很重要的数据。当输入的 波形为正弦波的正半周时，输出低电平即为方波的负半周；当输入的波形过零点时，输 出立即反相。输出的方波频率与输入的正弦波频率相同，这样测得方波的频率也就是系 统的频率。 ( 3 ) 滤波电路 为了能够准确地反应出发电机机端电压的变化，一般要求的直流电压要比较平滑 这样的话我们就需要对输出的直流进行滤波。滤波电路一般由电容和电感适当组合成一 个无源四端网络，在励磁控制器的时间常数中，滤波电路的时间常数在主要部分，所以 减少滤波电路的时间常数是很有意义的。 、 ( 4 ) 调差电路 为了使并联机组间的无功功率能够合理的分配，在励磁控制器中一般都有改变发电 机电压调节特性的斜率环节，也就是通常所说的调差电路。调差单元当然也可以直接作 用于电压给定环节。调差电路的基本原理是：在励磁控制器的发电机电压的测量回路中， 附加一个与发电机电流成比例的电压，使电压随发电机无功电流而变化。一般调差分为 正调差和负调差。我们可以这样理解当无功电流增大时，感受电压也增大这是就通过降 低励磁电流来稳定发电机机端电压。这就是所谓的负调差，正调差同理。 ( 5 ) 移相触发电路 在现代很多的同步发电机的励磁装置中，基本上都是采用晶闸管整流桥来控制励磁 电流的大小。一般晶闸管导通的条件有两个，一个是承受的电压是正向的；另一个是接 受的脉冲是有效的。移相触发电路的作用是产生触发脉冲，用来触发整流桥的整流桥的 晶闸管，并且控制触发脉冲的想为随输出的控制电压的大小而改变，从而达到励磁的目 的。其基本原理是：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单调 变化的信号( 也就是所说的同步信号) ，将其与控制信号比较，在两者相等的时刻形成 触发脉冲。移相触发电路是励磁装置中很重要的电路之一，该电路的功能实现直接影响 励磁的效果。 7 基于a v r 簟片机的同步发电机的励磁装，l 的研究 2 3 本章总结 本章首先介绍了该装置的核心控制芯片a t m e g a 单片机的性能和结构。分析了励磁 装置控制的作用和基本要求，详细阐述了励磁系统各部分主要电路的工作原理。为下面 章节提供了一定的理论基础。 8 g - 西大学硕士粤q 立试咒童泞a v r 单片q 扎的同步发电机的励嗣幻失置的研究 第三章励磁装置的硬件设计 励磁系统是同步发电机组的一个重要的组成部分。本章重点介绍该装置的硬件设计 的各个主要模块：主要包括电压电流测量电路( 交流采集算法的选择) 、频率测量电路、 精密整流电路、移相触发电路以及相对应一些辅助电路等。出于对系统的可靠性的考虑， 硬件结构的简单程度对于降低励磁故障发生率有着很大的影响【1 4 1 1 5 1 。因此，在保证励磁 基本功能的前提，硬件结构越简单越好。该装置的系统测量电路如3 - 1 所示： 图3 - 1 系统测量电路结构框图 f i g 3 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo fs y s t e mm e a s u r i n gc i r c u i t 3 1 电压、电流测量电路 3 1 1 电压、电流的测量 t v l 0 1 3 电流型电压互感器是本装置采用的电压互感器，交流电压预处理电路选择 t a l o l 6 2 系列立式穿芯微型精密交流电流互感器，额定一次电流与二次绕组电流之比 是2 0 比1 。电路设计如图3 - 2 所示。 9 屯。 u a r v i 图3 - 2 电压互感器电路原理图 f i g 3 - 2t h ev o l t a g et r a n s f o r m e ro f c i r c u i td i a g r a m 二次绕组电压通过限流电阻r v ：就可以得到我们所需要的交流信号k 为： ，n ，：坠：j 氅乩9 6 m 4 ( 3 一1 ) 一 母l 5 l l 矿 t v l 0 1 3 _ 1 电流型电压互感器的输入端的感应电流和输出端感应出的电流是一样的， 并且经过电阻r t v l 就可以换算成电压： = k 母1 = 1 9 6 x 1 0 q x 2 4 0 = 0 4 7 v ( 3 - 2 ) 经运算放大器调整后的电压可送入a d 转换芯片。同理，经电流互感器的二次电流也 是可以转换成我们易于测量和需要的电压信号。 图3 - 3 电流互感器电路原理图 f i g 3 - 3t h e c u r r e n tt r a n s f o r m e ro fc i r c u i td i a g r a m 这样可以得n - - - 次电流信号转换成的电压信号： 吃= 乏= 志1 2 0 - 0 6 v ( 3 门) 3 1 2 精密整流电路 本装置时将发电机机端电压经电压互感器测量电压值，然后通过降压变压器得到 + 5 v 正弦波。然后经过信号调理电路( 滤波电路、精密整流电路) 得到我们需要的电压 信号。整流电路和波形如图3 - 4 、3 - 5 、3 - 6 所示： 1 0 广。西r 大曾明页士掌位链基于a v r 单片机的同步a t 屯觚的励磁蓑，：的研究 图3 4 半波精密整流电路 f i g 3 - 4t h ec i r c u i td i a g r a mo f p r e c i s i o nh a l f - w a v er e c t i f i e r 在本装置中，采用的转换器是a v r 单片机自带的逐次逼近型模数转换器。o v 为单端输入电压基准。在a d 转换过程中我们要保证电压的稳定我们需要一个采样保持 电路，而a d c 就包括了这样一个采样保持电路。a d c 的电源由a v c c 引脚单独提供，器件 之内就包括了2 5 6 v 的基准电压以及a v c c 引脚。为了更好的抑制噪声我们可以通过在 a r e f 引脚上加上一个电容进行解耦。a d c 转换结果可以通过公式( 3 - 4 ) 得到。 a d c ：v h vx 1 0 2 4 ( 3 4 ) 公式中的表示是被选中引脚的输入电压。 值得注意的是，在使用a v r 的a d c 的时候，a d c 的分辨范围是以g n d 为基准的o v 到参考电压。在a v r 单片机内部有个2 5 6 v 的参考电压，如果我们使用这个片内参考电 压为参考电压的话，那么a d c 的分辨范围在o v 与2 5 6 v 之间。所以要由经过a d 转换 的信号必须要经过适当的处理。 r 1 6 0 i 图3 5 半波精密整流波形 f i g 3 - 5t h ew a v e f o r mo fp r e c i s i o nh a l f - w a v er e c t i f i e d 广西大学司e b 掌位说曙 , t - 3 ma 、，r 单片机的同步发电机的劢磁装置的研究 r 1 6 0 l 。 l 。 。 。 。 -_ 念烈饿冬。：；给：，徐l l ；| i i ；- | - c h l2 o o vc h 22 o o v 5 0 0 0 m s d e l a y ：o 0 0 0 0 0 0 s 图3 6a d 转换输入波形 f i g 3 - 6t h ew a v c f o l mo f a dc o n v e r t e ri n p u t 3 2 电压电流的采集 电流、电压作为励磁系统重要的两个参数之一，对这个两个参数的采集就显得尤为 重要。对于这两个参数的采集一般有两种方法，一种是直流采集法，另一种是交流采集 法。 直流采集法简单来说就是对整流器整流过的直流量进行采集，对采样值进行比例变 换，这样可以得到被测量的数值【1 6 1 。这样方法的优点是：算法比较简单，有利于滤波。 缺点是存在较大的滞后，实时性差，测量精度低，这样肯定影响到励磁装置的性能。因 此，很明显直流采样在电力系统电参数的采集中是很不合适的。 交流采集法就是对二次测得的电压电流信号经过精密整流，滤波及分压电路转换成 可测量的交流小信号( 与之成比例的直流信号) ，再经过a d 采样，通过某一算法直接 获得待测交流电压的幅值【1 7 】。这种方法的优点是：输出电压受频率变化小，实时性好， 精度高，利用的接口少，采集是只需一路a d 通道，同时可以直接获得电信号幅值，最 重要的硬件电路构成简单。 基于以上的对比和考虑，本系统采用的是交流采集法，其理论基础是采样定律( 奈奎 斯特抽样定律) 采样定律就是用周期性的离散脉冲对连续的模拟信号进行采样【1 3 】，如果想 要保证原始的模拟信号不失真则必须保证抽样频率大于或等于两倍信号的最高频率五。 1 2 基于a v r 单片机的j 爿步发电觚的励磁装，l 的研究 z 2 五 z 是采样频率，五是被采样模拟信号的最高频率。 ( 3 - 5 ) 但是在我们实际的工程应用中，必须要尽可能提高采样频率来保证精度，所以一般 要取z 为4 厶- l o a 。 本装置交流采集及转换电路如图3 - 7 所示。 图3 - 7 系统交流采集及转换电路 f i g 3 - 7t h ea c q u i s i t i o na n dc o n v e r s i o nc i r c u i to fs y s t e m a t i ce x c h a n g e 1 3 留i 广西大掌硕士掌位嵌基于a v r 单片机的同步裳电机的励磁装置的研究 交流采样的算法有很多种，对于正弦函数模型算法有：最大值算法，两点乘积算法， 三点采样算法等。而对于非正弦周期函数模型算法主要有均方根算法和傅氏算法等 1 9 1 1 2 们。这几种算法都有各自的优点和缺点。我们要根据实际的需要选择一种最有利的方 法。下面对几种常用的算法进行分析： 3 2 1 基本算法 由于各种各样的暂态分量存在于电流电压中，各种各样的误差在数据采集过程中也 可能被引入，所以在使用离散数学算法的同时必须结合使用数字滤波器【2 1 1 。经过数字滤 波器的采样序列可以近似地表示为： f ( n c ) = 豇s i i l ( 彩，z 互+ ，) 甜0 疋) = 4 2 u s i n ( 丘, n t , + 。) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 公式中，国是指角频率，额定值大小为5 0 h z ：u 是指电压有效值，额定值为2 2 0 v ； ，是指电流有效值；，、。指电机转速为0 时的电压、电流的相位角；t 指采样间隔 ( 周期) 。 在一个周期丁内采样n 点，电压甜( f ) 和电流f 0 ) 的有效值u 和j 可分别表示为： u 1 f 辱1 p u 2 l 再 其中一相的有功功率可表示为： 尸专缸k 其中一相的无功功率可表示为： q 亩荟u 足足+ 州， 其中，( n n 4 ) 表示的是第( k + 4 ) 采样点的电流采样值， 后电网周期，即相位角滞后万2 。 这样可以通过u 、，的值求得视在功率： s = u ， ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 比电压采样值滞 ( 3 - 1 2 ) 功率因数可由下式得到： 。p p c o s 弧赢一 一1 3 ) s ( 3 - 1 3 ) p 2 + q 2 上述都是通过定义的方法计算得到的基本参数，在实际运用中是相当繁琐，这样不 1 4 基于a 、限单片机的同步戋电机的励磁蓑_ 曼笪量塞 仅会使计算精度低、运算量还很大。很明显这并不能够满足励磁装置的实时性要求。 3 2 2 两点乘积算法 当输入的信号为正弦信号时此算法才适用，原理是：在正弦波的一周期中，每 隔一定的角度采样一次，常用的有3 0 。采样，即每个周期采样1 2 次；如果是9 0 。采样，则每周期采样4 次圈。下面将以9 0 。采样为例： 设和u 2 分别为两个相隔为形的采样时刻码和吃的采样值，即 国( 吃z 一惕i ) 2 ( 3 1 4 ) = u ( n 1 t 3 = 2 u s i n ( 缈啊正+ u ) = 4 2 u s i n * * u ( 3 1 5 ) 吻= ”( 刀c ) = 历s i n ( c o , 毛t , + 詈+ u ) = 面c o s 仍u ( 3 - 1 6 ) 仍，= 缈惕i + ，为惕采样时刻的电流相角，可为任意值 砰= 2 u 2s i n 2 仍u ( 3 1 7 ) = 2 u 2 c o s 2 仍u ( 3 - 1 8 1 故， u 2 = 去( 砰+ 远) ( 3 1 9 ) t a n k u _ - lj 纯【，2 a 咖云 ( 3 - 2 0 ) l “， 、 这样的话只需要知道任意两个相隔9 0 0 的正弦量的瞬时值，就可以算出该正弦 量的相位和有效值。 这种算法虽然对采样频率没有要求，但是由于实际上的信号电压、电流中含有 各种谐波分量同时在运用算法的同时也会带来一定的引入误差，所以必须先经过 数字滤波器，所选用的数字滤波器决定了该采样频率z 。如果没有滤波效果很好 的数字滤波器配合使用的话，那么该算法所带来的误差是比较大的。很明显要设 计一个滤波效果很好的数字滤波器肯定会造成软件和硬件的设计难度。 3 2 3 傅立叶算法 根据傅立叶级数的原理，傅里叶算法假定被采样是一个周期性时间函数的模拟信 号，除基波外还有各次谐波和不衰减的直流分量】洲，其计算公式如下： 以( f ) 2 丢【钆c o s 蚴f + s 证蚴f 】 ( 3 - 2 1 ) 式中n = 0 ，1 ，2 ，；= x 2 u e , o s v ；死= 弛s m 1 5 广西大掌硕士a 肇f f t 论文基于a ：v r 单片机的