单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用毕业设计(编辑修改稿)

单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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  %=feff UUU 21 100% （ 2－ 7） feU 为发电机额定电压， 1fU 、 2fU 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，有相反的调节过程，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。 同步发电机并联运行的稳定性 电力系统在运行时随时会受到各种干扰，这就需要同步发电机具有维持或恢复同步运行的能力，即保持同步发电机并联运行时的稳定性。 广西大学毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 16 第三章 发电机励磁控制 系统的硬件设计 硬件系统的总体设计 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。 本装置硬件系统总体可分为 6个部分： 数据采集单元，微机处理单元，开关量输入 /输出接口 单元，人机接口单元， 通信系统、电源系统。 数据采集 单元 的功能是采集由被保护设备的电流电压 互感器输入的模拟信号，经过预处理后转化为所需数字量 ；微机处理单元以 ATmega16微处理器 为核心， ATmega16是基于增强的 AVR RISC结构的低功耗 8位 CMOS微控制器。 ATmega16的数据吞吐率高达 1MIPS/MHz，同时具有 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； 开关量输入 /输出回路由并行口、光电耦合电路及 光电隔离开关 等组成 ；人机接口部分主要包括显示、键盘、各种面板开关等，通信系统可以完成机间通信及远动的要求；电源 系统提供了整个装置所需的直流稳压电源，保证整个系统的可靠供电。 总体设计如图 31所示： 电 压 检 测电 流 检 测电 源 模 块精密整流滤波放大C P U 主 系 统频 率 检 测键 盘 与 L E D 显 示光电隔离通 信 接 口P W M输出光电隔离滤波放大移相触发控制强 励 与 灭 磁 电 路时 钟 定 值模 块过 零 比 较 器开 关 量输 出 图 31 励磁调节装置总体硬件框图 广西大学毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 17 单片机励磁控制系统主回路 励磁电源主回路： 该系统的励磁电源部分即为控制主回路，是一个由可控硅和二极管组成的三相半控，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。 如图 32 所示。 整流二 极管 是共阳极接法，晶闸管是共阴极接法， 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 ,从左到右依次导通。 因为是三相电源，所以触发脉冲间相位也依次相差 120176。 ， 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。 发电机励磁绕组移相触发电路 M G aM G bM G c励磁调节回路ABC1S3S5S4D 6D 2D2R1R1GK2GKD 图 32 励磁电源主回路 系统参数测量电路 参数测量系统的参数测量都是由单片机系统来完成 ,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 33所示。 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 05V电压信号输入单片机进行处理。 广西大学毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 18 过零比较器反相光电隔离与门At m ega l 16同步处理电路滤波整流强励磁灭磁电路过零比较器同相光电隔离与门相位超前或 滞后判断电路滤波整流计数器 1计数器 2 PD 口A / D A / D电力电网系统电压互感器电流互感器同步发电机8 M 晶振电路5 V 5 V 图 33 系统参数测 量电路结构框图 电压和电流参数采集 同步发电机输出电压经过 电压互感器 取样后 ， 由测量变压器降压得到5V 按正弦波变化的电压，再送入精密整流电路整流便可以得到整形后的电压。 整流后的电压信号经电容滤波后便可以通过 ATmega16 的一路 A/D 送入单片机，经过程序运算，便可以得到我们所要显示的电压值。 另外，还可以由程序将其与对应的给定值进行比较，得到我们想要的电压偏差，把电压偏差送至 D/A，通过触发电路可以控制晶闸管导通角，从而控制励磁电流。 由于普通桥式整流电路存在两个二极管 PN 结的门槛电压 (二极管有 左右的电压降 ),输出电压的有效值并不是 2 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。 故我们采用精密整流滤波电路，以克服普通桥式整流电路的不足 ,克服二极管死区电压现象，从而提高了测量精度。 全波精密整流电路如图 34 所示。 广西大学毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 19 1fR2fR1R 2R3R 4R3fR iu 0u1D2D 39。 u1A 2A01u 图 34 全波精密整流电路 图 34 中 1A 为 半波 精密整 流电 路， 2A 为反相 加法 器电路。 32121 21 fff RRRRR ，对 1A ，当 iu 0 的时候，放大器输出为负， 1D 导通， 2D 截止，则iifo uuRRu 2131 ，当 iu 0 的时候，放大器输出为正， 1D截止， 2D 导通， 3fR 上没有电流流过， 01ou。 利用 A2 的反相求和可得： 2121 0fofio R uRuRu  整理可得： )( 1 ioo uuu  (31) 即 iu 0 时有 iioo uuuu  )( 1 iu 0 时有 iioo uuuu  )( 1 (32) 所以 io uu  (33) 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 ， 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。 广西大学毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 20 tiUoU t 图 35 精密整流后的波形图 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个电阻就可以变为电压。 发电机频率的检测 通过 AVR单片机软件设计可以准确求得频率。 其软件实现原理为： 将前面测量电压时采集到的正弦信号通过过零比较电路，将其转换为只有正值和负值的方波 ， 将方波通过反相光电隔离芯片，可以屏蔽外部干扰，还可 以滤除方波中的低电平，得到系统的频率信号 接入到 AVR 单片机的一个外部中断引脚 INT0， ICP1 端口。 信号转换电路如图 36所示。 F7R k10 5R 3R40 1 0640 1 06BU 2 CU 3 DU 312Ck10 k1 图 36 频率测量信号转换电路 AVR 单片机设定为上升沿触发，当第一个上升沿到来时，定时器开始计时，一直到第二个上升沿到来，此时读取定时器数值，再用这两次的数值差乘以定时器单次计数间隔时间，即可得到交流电压或电流的周期： 10T t t ，其倒数即为频率 f， 如 图 37所示。 广西大学毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 21 tT f = 1 / TU 1t0t 图 37 频率的计算 功率因数角与功率因数的计算 要计算功率因数，首先要获取功率因数角。 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， 一个输入捕获引脚 ICP 和一个定时器 /计数器，实现起来较为方便。 ICP 引脚的功能为捕捉边沿信号，当该引脚有信号边沿触发时，可以将此时的定时器值放入寄存器。 将整形后的电压信号输入 AVR的外部中断引脚 INT0，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 T，其倒数即为频率f。 将整形后的电流信号输入 AVR 单片机的 ICP 引脚 ，当外部中断引脚 INT0触发的同时也将 ICP 引脚 设置为上升沿触发， 当电流信号的上升沿到来 时，定时器 1的数值 t保存到单片机内部的 ICP 寄存器 , 这样就测得了电压和电流的过零时间差，即可求得 功率因数角 ，并推断出电压和电流之间的时间关系如下：  2Tt (34)  2 T tT （ 35） 当  小于  即 2/Tt 时，可判断电流滞后于电压；当  大于  即 2/Tt时，则判断电流超前于电压 ，如图 38所示。 广西大学毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 22 Tt t电流滞后电压 电流超前电压2/Tt  2/Tt UIUIT 图 38 功率因数角采集及判断 计算出功率因数 角后，就可以得到功率因 数 cosK。 设计方法可以在一个周期内便计算出功率因数角，并可判断出电流和电压之间的相互关系，具有较好的实时性和准确性 ，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。 移相触发电路 同步发电机励磁控制系统主要作 用是通过给定控制电压 kU 控制三相半桥整流电路的导通角  ，从而调控励磁电流 fI ，达到控制端电压 0U 的目的。 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。