勵(lì)磁電流

　　1簡介

　　在同步發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)中，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是其中的重要組成部分。當(dāng)發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來調(diào)整發(fā)電機(jī)的端電壓，當(dāng)電力系統(tǒng)中有多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過調(diào)整勵(lì)磁電流來合理分配并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組間的無功功率，從而提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。因此，國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)人士一直致力于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的研究。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展也由機(jī)械式到電磁式，再發(fā)展到今天的數(shù)字式。目前，數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主導(dǎo)產(chǎn)品是以微型計(jì)算機(jī)為核心構(gòu)成的，但其造價(jià)高，需要較高技術(shù)支持，在一些小型機(jī)組上推廣有一定難度。由此，出現(xiàn)了以MCS-51單片機(jī)為核心的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器MCS-51單片機(jī)內(nèi)部資源較少使得外圍電路復(fù)雜，從而影響了整個(gè)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的精確性、快速性和穩(wěn)定性。這里提出了一種基于PIC16F877的同步發(fā)電機(jī)自并勵(lì)微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法。

　　PIC16F877是美國Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F87X系列芯片中功能最為齊全的微控制器。它可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和在線編程，內(nèi)部帶有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，8KХ14位FLASH程序存儲(chǔ)器，368Х8位RAM，256Х8位的EEPROM，14個(gè)中斷源和3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)集成多達(dá)15個(gè)外圍設(shè)備模塊，因此外圍電路大大簡化，成本降低。

　　2原理

　　自并勵(lì)微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器基本工作原理

　　為自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的原理接線圖。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率取自發(fā)電機(jī)端，經(jīng)過勵(lì)磁變壓器LB降壓，可控硅整流器KZL整流后給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)裝在發(fā)電機(jī)出口的電壓互感器TV和電流互感器TA采集的電壓、電流信號(hào)以及其它輸入信號(hào)，按事先確定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制觸發(fā)三相全控整流橋可控硅的移相脈沖，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使得在單機(jī)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓，在并網(wǎng)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)無功功率，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　發(fā)電機(jī)的線電壓UAC和相電流IB分別經(jīng)電壓互感器和電流互感器變送后，經(jīng)鑒相電路產(chǎn)生電壓周期的方波脈沖和電壓電流相位差的方波脈沖信號(hào)送PIC16F877微控制器，用PIC的計(jì)數(shù)器測量這兩脈沖的寬度，便可得到相位差計(jì)數(shù)值，即電網(wǎng)的功率因素角。然后通過查表得出相應(yīng)的功率因素，進(jìn)一步求出有功功率和無功功率。

　　控制單元選用一片PIC16F877單片機(jī)，因PIC16F877單片機(jī)內(nèi)部有A/D轉(zhuǎn)換功能，從而不用外部A/D模塊，這樣減少了外部器件，降低了成本，增強(qiáng)了抗干擾能力。PIC單片機(jī)根據(jù)從輸入通道采集的發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制計(jì)算和邏輯判斷，求得控制量。在可控硅整流電路中，要求控制電路按照交流電源的相位向可控硅控制極輸出一系列的脈沖，才能實(shí)現(xiàn)可控硅順利導(dǎo)通和自然換相。“同步和數(shù)字觸發(fā)控制電路”的作用就是將計(jì)算機(jī)CPU計(jì)算出來的、用數(shù)字量表示的可控硅控制角轉(zhuǎn)換為觸發(fā)脈沖。由功率放大電路將觸發(fā)脈沖放大后去觸發(fā)可控硅，從而控制勵(lì)磁電流。

　　3模塊

　　3.1CPU控制模塊

　　CPU控制模塊是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制核心，采用美國Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F877單片機(jī)。PIC16F877具有獨(dú)特的RISC(精簡指令集)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)，使指令只有單字長的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的采用CISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)相比，可以達(dá)到2∶1的代碼壓縮，速度提高4倍。PIC16F877內(nèi)部帶有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，8KХ14位FLASH程序存儲(chǔ)器，368Х8位RAM，256Х8位的EEPROM，14個(gè)中斷源和3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)集成多達(dá)15個(gè)外圍設(shè)備模塊。此外，還有低功耗睡眠模式和片內(nèi)看門狗電路，易于實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)和抗干擾設(shè)計(jì)。

　　3.2數(shù)據(jù)采集模塊

　　PIC單片機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采集反映發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的4個(gè)模擬信號(hào)，即發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓UAC和定子電流IB，勵(lì)磁電壓UL和勵(lì)磁電流IL。這4個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過整形濾波后，分別送入對(duì)應(yīng)的4片采樣保持器LF398，采樣保持器在PIC16F877微控制器RE1腳產(chǎn)生的同步控制信號(hào)下，完成4路信號(hào)同步采樣，將此4路被測信號(hào)分別接入RA0、RA1、RA2、RA34個(gè)10位A/D端口引腳。模擬輸入的模擬參考電壓可以在寄存器中設(shè)定。PIC16F877的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果儲(chǔ)存在兩個(gè)8位的寄存器ADRESH和ADRESL中。由于PIC的A/D模塊是電壓輸入的，所以在回路輸入中，電壓信號(hào)可以直接輸入，而電流信號(hào)要在輸入處接一適當(dāng)電阻，將其轉(zhuǎn)換成電壓后再輸入。當(dāng)A/D模塊的輸入中有輸入電壓超過它的最高輸入電壓5V時(shí)，就可能損壞器件。因此，在A/D輸入端接上對(duì)地5V的穩(wěn)壓管，這樣，當(dāng)有高于最高允許電壓的輸入電壓出現(xiàn)時(shí)，利用穩(wěn)壓管可以把它穩(wěn)定在正常的范圍之內(nèi)。

　　開、停機(jī)，起、停勵(lì)，手、自動(dòng)，增、減功率等開關(guān)量通過光電隔離后與PIC16F877的端口B相連。

　　3.3顯示模塊

　　為了節(jié)約引腳，利用PIC16F877單片機(jī)強(qiáng)大的I/O擴(kuò)展功能，采用MSSP模塊的SPI方式和移位寄存器芯片74HC595實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的靜態(tài)顯示。

　　3.4通信模塊

　　目前，絕大多數(shù)勵(lì)磁系統(tǒng)與上位機(jī)的通信采用RS-485。RS-485是一種半雙工的通信協(xié)議，只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，通信聯(lián)絡(luò)方式為命令型。這種機(jī)制使得在構(gòu)建大型復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)測控網(wǎng)絡(luò)時(shí)存在不足。CAN總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、全局廣播傳送數(shù)據(jù)等功能，以及可靠性高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸速率快、通信距離較遠(yuǎn)、易于使用和維護(hù)、便于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張等優(yōu)點(diǎn)，并考慮到勵(lì)磁系統(tǒng)是在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中使用，所以本系統(tǒng)使用CAN總線通信。PIC16F877芯片沒有集成CAN功能模塊，但可以通過其SPI方式和CAN控制器MCP2510芯片與帶智能適配卡的PC機(jī)實(shí)現(xiàn)CAN通信。

　　4微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計(jì)

　　PIC微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件采用PIC16F877的匯編語言和C語言混合編程，人機(jī)界面友好，操作簡單。另外，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵?，設(shè)計(jì)了各功能模塊子程序，使大量的功能在子程序中實(shí)現(xiàn)，簡化了軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。子程序模塊主要包括系統(tǒng)初始化及上電自檢模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、運(yùn)行方式跟蹤模塊、過勵(lì)和欠勵(lì)控制模塊、開停機(jī)模塊、通信模塊等。

　　系統(tǒng)提供了三種不同的運(yùn)行方式，即恒電壓調(diào)節(jié)、恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)、恒無功功率調(diào)節(jié)。不同的運(yùn)行方式可以通過鍵盤切換和設(shè)定給定值，此外，系統(tǒng)還設(shè)置了運(yùn)行方式跟蹤模塊，即備用運(yùn)行方式輸出對(duì)當(dāng)前運(yùn)行方式輸出的跟蹤，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行方式切換時(shí)的無擾動(dòng)。

　　由于勵(lì)磁系統(tǒng)有慣性和滯后的控制對(duì)象，同時(shí)要求有較高的控制精度和較快的響應(yīng)速度，因此本設(shè)計(jì)中采用改進(jìn)型PID調(diào)節(jié)方式，即通過采用積分分離算法消除積分飽和效益，減小超調(diào)，同時(shí)利用在動(dòng)態(tài)響應(yīng)中加大比例作用，穩(wěn)態(tài)過程中減小比例作用的變?cè)鲆娣椒?，消除大偏差，加快過渡過程，使勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有較理想的調(diào)節(jié)特性。

　　為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，除了在上電時(shí)進(jìn)行自檢外，在每個(gè)計(jì)算周期內(nèi)都進(jìn)行了檢錯(cuò)、容錯(cuò)處理和軟件看門狗。