1課題的背景及意義

　　國外微機勵磁控制器進入實用是在上世紀八十年代。這期間，日本東芝公司、加拿大通用公司、瑞士ABB公司、日本三菱公司、奧地利ELIN公司、德國SIEMENS公司、英國GEC公司和ROLLS-ROY公司等相繼生產(chǎn)出微機勵磁調(diào)節(jié)器，這些大公司均具有很強的科研開發(fā)能力，勵磁控制器所用的計算機系統(tǒng)都以高速微處理器為核心，采用自行研制的專用控制板組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的優(yōu)點，其中許多產(chǎn)品已用于我國大型水電、火電和核電廠中，這些微機勵磁控制器大多采用PID控制，各種控制、限制功能較完善，裝置整體制造水平高。

　　目前國內(nèi)微機勵磁控制器的研制和開發(fā)有多個單位開展了研制，其中南京自動化研究所、清華大學、華中科技大學研制的產(chǎn)品已在應(yīng)用中，但其功能簡單，可靠性以及生產(chǎn)制造工藝與國外相比存在很大差距，而與本公司同行業(yè)的幾家大的電機廠均沒有自行研制的數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器或是使用功能簡單的由單片機組成的電壓調(diào)節(jié)器。

　　我公司2002年與湖南大學合作，研制了1套用于幾十千瓦的雙繞組發(fā)電機勵磁控制用的調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器是用8098單片機組成，但功能簡單，僅作電壓調(diào)節(jié)用，無法用于其它同步發(fā)電機，因為作為現(xiàn)代數(shù)字式電壓調(diào)節(jié)器應(yīng)具有以下基本功能：

　　a)自動電壓調(diào)節(jié)（AVR）——其穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率達到較高值。

　　b)穩(wěn)定性——即PID參數(shù)應(yīng)能針對不同發(fā)電機參數(shù)過行靈活設(shè)置。

　　c)無功功率/功率因數(shù)控制——用于發(fā)電機和電力系統(tǒng)并網(wǎng)。

　　d)并列補償——用于兩臺或多臺發(fā)電機并聯(lián)或并網(wǎng)運行。

　　e)保護功能——如過勵限制、磁場過電壓、過電流、發(fā)電機過電壓、勵磁機旋轉(zhuǎn)二極管故障等。

　　f)通訊功能——應(yīng)能支持RS-485或CAN通訊。

　　綜上所述，我公司以前研制的產(chǎn)品均未達到要求，又因技術(shù)都由合作方控制，對我公司技術(shù)進步意義不大，其技術(shù)水平與國外比較差距較大。所以，為了提高同步發(fā)電機的控制水平以及公司的技術(shù)水平，研制新型數(shù)字式自動調(diào)壓器迫在眉睫。

　　2 勵磁控制器的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

　　如前所述，本文設(shè)計的勵磁控制器應(yīng)用最成熟的PID控制算法實現(xiàn)對恒機端電壓的控制。勵磁控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1勵磁控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

　　在自并勵勵磁控制系統(tǒng)中，勵磁電源取自發(fā)電機機端電壓，發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)

　　之前，不能提供勵磁電流，所以發(fā)電機起勵時要外加起勵電源，一般為提高勵磁電源的可靠性，選用廠用交流電和直流蓄電池兩路供電，對于前者經(jīng)過降壓整流后，供給勵磁繞組進行起勵。當程序判斷出機端電壓達到額定電壓時此值可在線修改，自動發(fā)出一個控制信號，斷開接觸器，切斷起勵電源，進入正常調(diào)節(jié)升壓。

　　在發(fā)電機正常工作時，勵磁電源由接在發(fā)電機機端的勵磁變壓器提供，經(jīng)三相全

　　控橋整流后供給發(fā)電機勵磁電流?？刂撇糠重撠煂㈦娏坎杉腿隓SP芯片，經(jīng)過實時計算后送入控制器，經(jīng)過控制算法處理后輸出控制量，即三相全控橋的觸發(fā)角a，通過觸發(fā)角的改變來控制發(fā)電機勵磁電流的大小。
裝置采集的模擬量包括發(fā)電機機端電壓、系統(tǒng)電壓(電網(wǎng)電壓)、定子電流、勵磁電壓、勵磁電流。各電壓互感器、電流互感器所得交流信號，勵磁電壓、勵磁電流經(jīng)隔離后，進入模擬量輸入通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由主控系統(tǒng)濾波處理后，經(jīng)過均方根算法，計算出機端電壓、系統(tǒng)電壓、定子電流的有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)以及勵磁電流、勵磁電壓的平均值，這些狀態(tài)反饋信號數(shù)據(jù)供控制器進行計算和分析使用，同時將A相電壓經(jīng)同步方波變換電路得到同步信號，供頻率檢測和同步脈沖觸發(fā)使用。為了保證控制調(diào)節(jié)的實時性，程序在計算模塊中首先對采集到的最新模擬量進行計算，按照控制算法推算出三相全控橋的移相觸發(fā)角，然后將此觸發(fā)角換算為定時器的計數(shù)值，到達定時值時利用DSP芯片上的電機控制PWM模塊(后續(xù)章節(jié)簡稱PWM模塊)產(chǎn)生控制脈沖，此脈沖經(jīng)隔離和功率放大后去觸發(fā)三相全控橋，來控制勵磁電流的大小。當發(fā)電機機端電壓的測量值低于給定值時，增大勵磁電流，使機端電壓上升:反之，減小勵磁電流，從而達到控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機機端電壓和無功功率的目的?？刂破鬟€將根據(jù)現(xiàn)場輸入的操作和狀態(tài)信號進行邏輯判斷，實現(xiàn)各種運行方式所需的勵磁調(diào)節(jié)和限制、保護、檢測、故障判斷等功能。

　　3勵磁控制器設(shè)計任務(wù)分析

　　勵磁控制器作為同步發(fā)電機控制的一個重要輔助控制設(shè)備，由勵磁功率單元和勵磁控制器單元兩部分構(gòu)成。本課題的研究基于勵磁控制器的需求和發(fā)展趨勢，充分利用所選單片機芯片豐富的外設(shè)資源，完成勵磁控制器各模塊的軟硬件設(shè)計，使勵磁控制器的多個功能數(shù)字化地整合為一體，功能較為齊備，結(jié)構(gòu)簡單，提高勵磁控制系統(tǒng)的可靠性。在對現(xiàn)有的國內(nèi)外勵磁控制裝置功能和結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，確定該勵磁控制器的主要設(shè)計任務(wù)包括:

　　(1)信號量采集單元:要想對發(fā)電機進行控制，首先應(yīng)該得到發(fā)電機及電力系統(tǒng)當時的狀態(tài)，這些狀態(tài)量由一系列信號所表征。信號采集部分的任務(wù)就是要快速、準確的采集外部信號，為控制算法提供參數(shù)。模擬信號的采集需要保證數(shù)據(jù)采樣的精度和速度，并降低諧波等干擾因素的影響。開關(guān)信號的檢測需要注意強電電路部分與控制電路部分間的強、弱電隔離，并注意增強抗干擾能力，防止信號誤動作。

　　(2)同步信號捕捉單元:電力系統(tǒng)的頻率是時刻變化的，勵磁控制器需要通過同步捕捉單元來跟蹤電力系統(tǒng)的頻率變化，這一方面有利于提高信號交流采樣的精度，另一方面為控制觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生提供時基和定時的起點。

　　(3)主控制單元:利用DSP豐富的片上資源和強大的控制處理能力，構(gòu)造控制單元的核心部分，配置I/0空間，提供較好的外圍接口電路以便于系統(tǒng)硬件擴展。編寫控制程序完成調(diào)壓、模擬量的采集計算、測頻、勵磁限制等功能。

　　(4)脈沖觸發(fā)單元:PID控制算法計算所得的結(jié)果需要轉(zhuǎn)換為控制脈沖以驅(qū)動功率器件加以執(zhí)行，實現(xiàn)所需的控制功能。這部分需要完成移相脈沖的形成、整形調(diào)制和功率放大部分的軟硬件設(shè)計。

　　4勵磁控制器的硬件總體設(shè)計

　　為實現(xiàn)上述的功能，勵磁控制器需具備有:電量測量、調(diào)節(jié)運算、同步信號檢測、脈沖移相放大等基本單元。根據(jù)前文所述的勵磁控制器的基本要求，勵磁控制器也由以下幾個基本單元組成:主控制單元、模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入輸出通道、同步測頻單元和脈沖放大單元等，勵磁控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2勵磁控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖