基于單片機(jī)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)號(hào)班級(jí)姓名摘要發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)載總是不斷變化的。為了保持同步發(fā)電機(jī)的端電壓穩(wěn)定，需要根據(jù)負(fù)載的大小及負(fù)載的性質(zhì)調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。本文以AT89C51為核心，以PID控制為主要的控制思想，采用模塊化的設(shè)計(jì)原理，首先對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的硬件、軟件組成及運(yùn)行流程進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)；然后給出了系統(tǒng)硬件原理圖及軟件流程圖關(guān)鍵字：勵(lì)磁控制；AT89C51目錄1勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理………………11.1起勵(lì)…………………11.2運(yùn)行…………………12勵(lì)磁系統(tǒng)主回路的設(shè)計(jì)…………22.1勵(lì)磁變壓器…………22.2整流回路……………22.3半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)的保護(hù)……………32.4同步發(fā)電機(jī)的起勵(lì)設(shè)計(jì)與選擇……42.5同步發(fā)電機(jī)的滅磁…………………53勵(lì)磁系統(tǒng)控制回路的設(shè)計(jì)………73.1控制回路的作用、構(gòu)成……………73.2測(cè)量比較單元………73.3綜合放大單元………93.4移相觸發(fā)單元………104勵(lì)磁系統(tǒng)控制算法研究…………124.1勵(lì)磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型建立…………………124.2勵(lì)磁PID控制器的設(shè)計(jì)……………135勵(lì)磁控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)………165.1主程序………………165.2中斷服務(wù)程序………171勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理勵(lì)磁系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，具體工作原理如下。A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)調(diào)理單片機(jī)LED顯示發(fā)動(dòng)機(jī)單片機(jī)LED顯示發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)警裝置勵(lì)磁裝置報(bào)警裝置勵(lì)磁裝置圖1-1勵(lì)磁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1.1起勵(lì)在自并勵(lì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前，不能提供勵(lì)磁電流，所以發(fā)電機(jī)起勵(lì)時(shí)要外加起勵(lì)電源。一般為提高勵(lì)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(duì)于前者經(jīng)過(guò)降壓整流后，供給勵(lì)磁繞組進(jìn)行起勵(lì)。當(dāng)程序判斷出機(jī)端電壓達(dá)到額定電壓時(shí)此值可在線修改，自動(dòng)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，斷開(kāi)接觸器，切斷起勵(lì)電源，進(jìn)入正常調(diào)節(jié)升壓。1.2運(yùn)行在發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，勵(lì)磁電源由接在發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器提供，經(jīng)三相全控橋整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流?？刂撇糠重?fù)責(zé)將電量采集送入ADC模塊，經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算后送入控制器，經(jīng)過(guò)控制算法處理后輸出控制量，即三相全控橋的觸發(fā)角，通過(guò)觸發(fā)角的改變來(lái)控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小。當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的測(cè)量值低于給定值時(shí)，增大勵(lì)磁電流，使機(jī)端電壓上升；反之，減小勵(lì)磁電流，從而達(dá)到控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和無(wú)功功率的目的。控制器還將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入的操作和狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行方式所需的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、限制、保護(hù)、檢測(cè)和故障判斷等功能。2勵(lì)磁系統(tǒng)主回路的設(shè)計(jì)2.1勵(lì)磁變壓器勵(lì)磁變壓器的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，是勵(lì)磁系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，是自并勵(lì)機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的前提，是發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定發(fā)電、滿負(fù)荷發(fā)電的先決條件。發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)：發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電流，空載勵(lì)磁電壓,額定勵(lì)磁電流，額定勵(lì)磁電壓。發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓對(duì)于100MW及以上的汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)頂值電壓的倍數(shù)Kc不低于1.8。各種工程計(jì)算得表2-1：表2-1U（V）I（A）空載16695580.899.2額定542249560.7119.3強(qiáng)勵(lì)108444904.8175.2由表(2-1)可知，變壓器的參數(shù)計(jì)算以及控制角的范圍都能滿足各種工況下的運(yùn)行要求。為消除三次諧波的影響，選用環(huán)氧樹(shù)脂干式變壓器，多采用△/Y—11接線。2.2整流回路本設(shè)計(jì)的主回路中整流回路采用三相全控橋式整流。三相全控橋整流接線中，六個(gè)橋臂元件全部采用可控硅管。圖2-1三相全控橋電路可控硅元件在各自電源電壓為負(fù)半周時(shí)共陽(yáng)極組導(dǎo)通，而共陰極組則恰好相反，當(dāng)控制角相同時(shí)共陰極組和共陽(yáng)極組的元件觸發(fā)換流。有兩種觸發(fā)脈沖滿足三相橋式全控整流電路的要求，一種是雙脈沖觸發(fā)，另一種是寬脈沖觸發(fā)。由于雙脈沖觸發(fā)相比寬脈沖觸發(fā)的方法更容易實(shí)現(xiàn)一些，所以在實(shí)際應(yīng)用中雙脈沖用的比較多。當(dāng)三相全控橋式整流回路工作在整流狀態(tài)時(shí)，控制角a應(yīng)小于90o，此時(shí)為正。電路工作在整流狀態(tài)，改變控制角a，就可以改變輸出的平均電壓的大小，以滿足自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置對(duì)可控硅實(shí)行控制的要求。2.3半導(dǎo)體勵(lì)磁系統(tǒng)的保護(hù)在可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)整流裝置中，可控硅元件是半導(dǎo)體勵(lì)磁裝置中的重要器件，可是它承受過(guò)電流和過(guò)電壓的能力比較差，為保證它們安全可靠地工作，延長(zhǎng)可控硅的使用壽命，除了再設(shè)計(jì)時(shí)正確選擇可控硅的參數(shù)和提高硅元件的產(chǎn)品質(zhì)量之外，還必須在裝置中適當(dāng)?shù)夭捎帽Ｗo(hù)措施，限制過(guò)電壓、過(guò)電流，使其在允許范圍內(nèi)，以確?？煽毓鑴?lì)磁系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行工作。2.3.1過(guò)電壓保護(hù)所謂過(guò)電壓，即所有超過(guò)規(guī)定值的施加在可控硅上的正反向瞬時(shí)峰值電壓，產(chǎn)生過(guò)電壓就有可能破壞電路損壞元件。其中有兩個(gè)原因使勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)電壓，第一，經(jīng)常發(fā)生的是可控硅元件的關(guān)斷和本身的換相以及系統(tǒng)的跳閘、合閘，引起的換相過(guò)電壓和操作過(guò)電壓，這是不可避免的一種過(guò)電壓。第二，線路遭受雷擊等原因引起的大氣過(guò)電壓。為了限制過(guò)電壓，必須安裝保護(hù)設(shè)備。在勵(lì)磁變壓器原邊繞組上裝設(shè)避雷器，通常是為了抑制大氣過(guò)電壓，從而起到保護(hù)變壓器的作用。然而為了保護(hù)可控硅元件，還需要在變壓器二次側(cè)裝設(shè)其它過(guò)電壓保護(hù)器件。壓敏電阻壓敏電阻一般是由氧化鋅、氧化鉍，再有其它多種金屬氧化物燒結(jié)而成的一種多晶的陶瓷片，是一種非線性電阻，用它做成所謂壓敏電阻浪涌吸收器，是比較常用的良好的過(guò)電壓保護(hù)器件。壓敏電阻具有很陡的伏安特性，殘壓很低，浪涌承受量大，元件的可靠性高、壽命長(zhǎng)、漏電流小及廉價(jià)等很多的優(yōu)點(diǎn)，適用于大多的整流裝置。轉(zhuǎn)子過(guò)電壓的保護(hù)發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)受到比較大的擾動(dòng)，就有可能在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生正向過(guò)電壓活著反向過(guò)電壓，對(duì)可控硅元件的安全以及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的絕緣造成威脅，造成元件的損壞。所以，需要在勵(lì)磁繞組的兩端也就是整流橋的直流側(cè)，裝設(shè)抑制過(guò)電壓的保護(hù)。通常會(huì)采用幾種保護(hù)，例如：阻容保護(hù)、壓敏電阻或者硒堆浪涌吸收器、非線性電阻、固定電阻、轉(zhuǎn)子放電器等等，這里主要采用壓敏電阻和非線性電阻保護(hù)，作為轉(zhuǎn)子過(guò)電壓保護(hù)，壓敏電阻簡(jiǎn)單可靠。而非線性電阻與勵(lì)磁繞組并聯(lián)，既可以作為轉(zhuǎn)子保護(hù)裝置，又可以作為滅磁電阻。2.3.2過(guò)電流保護(hù)引起整流元件過(guò)電流的原因大致為：（1） 勵(lì)磁回路某處發(fā)生短路。（2） 整流橋中某一元件被擊穿，引起其它元件過(guò)電流。（3） 全控整流橋因故逆變失敗。（4）同步發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生短路、失步或者自同期、非同期合閘等干擾，而在轉(zhuǎn)子繞組引起瞬時(shí)過(guò)電流。因此，為了限制過(guò)電流保護(hù)可控硅元件，在整流裝置中常采用快速熔斷器，以及快速過(guò)電流繼電器等保護(hù)措施。在本次設(shè)計(jì)采用了快速熔斷器的保護(hù)，快速熔斷器是過(guò)電流保護(hù)中最簡(jiǎn)單且保護(hù)作用好的一種方式，通常串聯(lián)在元件支路上，應(yīng)用比較廣泛。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且保護(hù)范圍廣，能保護(hù)內(nèi)部故障，外部短路，逆向電流及某些過(guò)載等因素引起的過(guò)電流，它是有極優(yōu)越的快速性，導(dǎo)熱性能良好而熱容量小，能夠快速熔斷。2.4同步發(fā)電機(jī)的起勵(lì)設(shè)計(jì)與選擇本設(shè)計(jì)采用自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，功率單元電源來(lái)自發(fā)電機(jī)機(jī)端。由于發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)殘壓較低，提供的功率和電流可能使發(fā)電機(jī)自身空載電壓達(dá)到額定值。由于同步電壓太低，這時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的觸發(fā)電器，還不能夠正常運(yùn)行，可控硅也不能導(dǎo)通，所以勵(lì)磁電流不流通，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)不能建立電壓，因此必須采取一定的措施，先供給發(fā)電機(jī)初始勵(lì)磁，使發(fā)電機(jī)逐步建立起一定的電壓，稱之為起勵(lì)過(guò)程。由于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁變壓器接在機(jī)端，起勵(lì)措施有兩種：第一種稱為殘壓起勵(lì)，利用機(jī)組剩磁所產(chǎn)生的殘壓，供給初始勵(lì)磁。第二種稱為他勵(lì)起勵(lì)，即另沒(méi)起勵(lì)電源及起勵(lì)回路，供給初始勵(lì)磁。本設(shè)計(jì)采用他勵(lì)起勵(lì)方式，起勵(lì)電源取自廠用低壓母線，采用廠用電起勵(lì)的原因：①本設(shè)計(jì)針對(duì)機(jī)組有相對(duì)獨(dú)立的機(jī)組母線，并且有可靠的自投入電源；②廠用電所帶負(fù)荷較小，所以考慮將廠用電線做為起勵(lì)電源，從而解決起勵(lì)問(wèn)題。廠用電起勵(lì)原理圖如圖2-2，起勵(lì)電源用廠用電經(jīng)整流即可，ZC為直流接觸器，擔(dān)任起勵(lì)回路的接入及切除，起勵(lì)時(shí)ZC閉合，由起勵(lì)回路供給初始勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)電壓使逐步升高，當(dāng)達(dá)到成超過(guò)發(fā)電機(jī)電壓額定值的30%，則斷開(kāi)起勵(lì)回路，進(jìn)行自勵(lì)。圖2-2廠用電它勵(lì)起勵(lì)原理圖2.5同步發(fā)電機(jī)的滅磁當(dāng)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，有可能將導(dǎo)線絕緣損壞，所以要求盡快地滅磁以縮短在故障點(diǎn)的燃弧時(shí)間。所謂滅磁就是將轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的磁場(chǎng)迅速的減少到盡可能小的地步。滅磁的時(shí)間必須得短，轉(zhuǎn)子過(guò)電壓不得超過(guò)允許值，發(fā)電機(jī)的滅磁需要做到這兩點(diǎn)要求。發(fā)電機(jī)滅磁方式很多種，例如：?jiǎn)为?dú)勵(lì)磁機(jī)滅磁、放電電阻滅磁、非線性電阻滅磁、滅弧柵滅磁和可控硅橋逆變滅磁等。圖2-3滅磁特性曲線本設(shè)計(jì)采用非線性電阻滅磁，其優(yōu)點(diǎn)是：在滅磁初始瞬間轉(zhuǎn)子電壓不超過(guò)容許值，而這之后，電壓的變化率基本不變，接近理想的滅磁曲線，滅磁時(shí)間短。此外，還可以將可控硅橋逆變滅磁作為后備滅磁方式。這種滅磁方式簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、無(wú)觸點(diǎn)化。圖2-4非線性電阻滅磁原理圖3勵(lì)磁系統(tǒng)控制回路的設(shè)計(jì)3.1控制回路的作用、構(gòu)成我們已經(jīng)知道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器一般由基本裝置和輔助裝置兩部分組成。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的基本裝置主要包括測(cè)量比較單元、綜合放大單元和移相觸發(fā)單元三個(gè)部分。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的基本任務(wù)是根據(jù)發(fā)生電機(jī)端的電壓的變化，并將多種控制信號(hào)綜合放大，然后作用于移相觸發(fā)單元從而改變觸發(fā)脈沖的相位，得以控制可控硅導(dǎo)通的大小，使可控硅整流回路輸出的勵(lì)磁電流適應(yīng)負(fù)載的需要，以保持發(fā)電機(jī)端電壓的恒定，其自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的好壞，決定著勵(lì)磁裝置能否穩(wěn)定，持久，可靠運(yùn)行。因此它是勵(lì)磁系統(tǒng)的一戶重要環(huán)節(jié)。再設(shè)計(jì)時(shí)要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、穩(wěn)定運(yùn)行；方便檢修維護(hù)，具有良好的特性。3.2測(cè)量比較單元測(cè)量比較單元是調(diào)節(jié)器的敏感單元，它的基本作用是將測(cè)量發(fā)電機(jī)電壓并按比例變換為直流電壓信號(hào)，然后與相應(yīng)的直流基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，最后得到兩者的偏差信號(hào)送到綜合放大單元。測(cè)量比較單元的組成，如圖3-2圖3-2測(cè)量比較單元組成框圖3.2.1測(cè)量整定環(huán)節(jié)測(cè)量整流電路是由測(cè)量變壓器和整流橋組成的，發(fā)電機(jī)輸出的三相電壓經(jīng)過(guò)測(cè)量變壓器降壓，在經(jīng)過(guò)整流橋整流及濾波電路后，變換成與發(fā)電機(jī)成比例的平穩(wěn)的直流電壓，然后輸出到比較整定環(huán)節(jié)與相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。本設(shè)計(jì)采用六相橋式整流電路，如圖3-3，測(cè)量變壓器CB由三個(gè)單相的三繞組變壓器組成，副方有兩組三相繞組分別接到兩組三相整流橋，接線組別為△/△-12，△/Y-11，兩組相移30°兩橋在直流側(cè)并聯(lián)。圖3-3六相橋式整流電路原理圖六相橋式整流輸出的直流分量是1.4倍交流線電壓有效值，當(dāng)電源頻率為50HZ時(shí)，最低次諧波頻率為600HZ，其它高次諧波，隨著頻率的增大，它的幅值也將減小。所以經(jīng)過(guò)六相整流后直流電壓已經(jīng)是比較平穩(wěn)的了。測(cè)量變壓器和六相橋式整流電路構(gòu)成了電壓測(cè)量單元，是將機(jī)端電壓的一個(gè)改變，這里把電壓測(cè)量單元看成一個(gè)比例環(huán)節(jié)3.2.2濾波電路測(cè)量整流電路輸出的是脈動(dòng)的直流電壓，除直流分量外還含有其它高次諧波分量。將脈動(dòng)的直流電壓通過(guò)濾波電路將高次諧波分量濾掉，從而得到平滑的直流電壓，以保證整定電路良好的工作，所以濾波電路是不可或缺的，本次設(shè)計(jì)濾波電路選擇濾波器，如圖3-4所示，濾波器是無(wú)源四端網(wǎng)絡(luò)，利用電容和電感的頻率特性。先由電容濾去一部分交流成分，再由電感和電容并聯(lián)的濾波器濾去一部分交流成分，使輸出的電壓脈動(dòng)盡可能的小。圖3-4濾波電路3.2.3比較整定電路比較整定電路的任務(wù)是進(jìn)行電壓比較和電壓整定，從而得到一個(gè)電壓偏差作為電壓偏差信號(hào)輸入到綜合放大單元。通過(guò)測(cè)量電壓和基準(zhǔn)電壓相比較而得到電壓偏差，此外，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)無(wú)功功率有一定的調(diào)節(jié)能力，還需進(jìn)行電壓整定，就是通過(guò)調(diào)整整定電位器滑動(dòng)觸頭的位置來(lái)改變發(fā)電機(jī)電壓的給定值。比較整定電路有對(duì)稱比較橋、不對(duì)稱比較橋和集成元件比較整定電路。本次設(shè)計(jì)采用集成元件比較整定電路，它是一種按比例加法器原理構(gòu)成的比較整定電路，如圖3-5所示，其基本原理是將測(cè)量電壓與給定的基準(zhǔn)電壓在放大器的輸入端直接進(jìn)行比較，來(lái)得到電壓偏差信號(hào)。這種比較整定電路基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定，通過(guò)改變電位器可以改變放電器的放大倍數(shù)，也就是改變了比較電路的靈敏度。在不同的整定電壓下具有相同的靈敏度，且輸入電壓的線性度好，電壓整定范圍非常大，機(jī)組能夠很好的從零起升壓到最高工作電壓。圖3-5集成元件比較整定電路3.3綜合放大單元綜合放大單元是將測(cè)量比較單元輸出幅值較小、變化緩慢、靈敏度低的電壓偏差信號(hào)放大，從而提高調(diào)節(jié)器的靈敏度，而且為了能更好的實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的多功能，還需要線性地綜合測(cè)量、反饋及限制等直流信號(hào)，并加以放大。由此可知，綜合放大單元有兩個(gè)作用，一個(gè)是綜合信號(hào)另一個(gè)是放大信號(hào)。由于它放大的是緩慢變化的信號(hào)，故宜采用的是直流放大器。對(duì)綜合放大單元的基本要求是：1）具有線性地綜合和多個(gè)輸入控制信號(hào)的能力；2）具有較高的運(yùn)算精度且工作穩(wěn)定；3）反應(yīng)速度快，時(shí)間常數(shù)?。怀Ｓ玫木C合放大器有簡(jiǎn)單晶體管直流放大器、磁放大器、直流運(yùn)算放大器和集成元件直流放大器。磁放大器是在調(diào)節(jié)器中早期采用的一種放大器，已經(jīng)逐漸淘汰。簡(jiǎn)單的晶體管直流放大器適用于中、小型機(jī)組的調(diào)節(jié)器上。集成元件運(yùn)算放大器有快速靈敏、運(yùn)算精度高、綜合信號(hào)容易、工作穩(wěn)定和便于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。所以本次設(shè)計(jì)采用集成元件直流放大器。如圖3-6所示，是低增益線性組件。圖3-6集成元件放大器原理圖3.4移相觸發(fā)單元在半導(dǎo)體勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置中，移相觸發(fā)單元的任務(wù)是將綜合放大單元輸出控制信號(hào)的變化，轉(zhuǎn)變成可以改變相位的脈沖，并用這個(gè)脈沖來(lái)觸發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)的功率輸出部分的可控硅，使其控制角隨綜合放大單元的控制電壓的變化而變化，從而產(chǎn)生自動(dòng)勵(lì)磁的作用。如圖3-7所示，移相觸發(fā)單元一般由同步、相控、脈沖形成和脈沖放大等環(huán)節(jié)組成。圖3-7移相觸發(fā)單元組成框圖3.4.1對(duì)移相觸發(fā)單元的要求（1）可控硅的觸發(fā)脈沖必須與整流橋電路的電源同步。（2）觸發(fā)脈沖的移相范圍要滿足可控硅整流電路的要求。（3）為滿足可控硅導(dǎo)通的要求，觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠的功率。（4）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，有足夠的幅值和寬度。（5）各相可控硅元件的控制角應(yīng)保持一致。（6）觸發(fā)電路應(yīng)與主電路互相隔離，以確保安全。3.4.2移相觸發(fā)電路的種類及選擇應(yīng)用在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的觸發(fā)電路有很多，例如：?jiǎn)谓Y(jié)晶體管移相觸發(fā)電路；晶體管單穩(wěn)態(tài)移相觸發(fā)電路；晶體管鋸齒波移相觸發(fā)電路；正弦波移相觸發(fā)電路；同步電壓信號(hào)需要通過(guò)同步變壓器獲得，對(duì)于三相全控橋來(lái)說(shuō)，同步變壓器應(yīng)采用六相雙星形接法，從而保證觸發(fā)單元與主電路有一點(diǎn)的聯(lián)系。本次設(shè)計(jì)采用晶體管鋸齒波移相觸發(fā)電路，鋸齒波的線性度和對(duì)稱度好，移相范圍大，鋸齒波不受交流電壓波動(dòng)的影響，如圖3-8所示。（a）原理圖（b）電壓波形圖圖3-8鋸齒波發(fā)生電路移相觸發(fā)電路包括移相角確定電路、三穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、脈沖放大電路和移向角限制電路。4勵(lì)磁系統(tǒng)控制算法研究4.1勵(lì)磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型建立同步電機(jī)是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，其電磁暫態(tài)和機(jī)電互動(dòng)現(xiàn)象十分豐富，如何使用有效的控制策略，使勵(lì)磁系統(tǒng)能夠正確、高效運(yùn)行，保證發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效果，一直以來(lái)都是極為活躍的研究領(lǐng)域。勵(lì)磁控制系統(tǒng)由勵(lì)磁控制器、功率單元、勵(lì)磁變壓器等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)可以如圖4-1所示：圖2-1勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對(duì)于電網(wǎng)，由于整個(gè)電力系統(tǒng)是一個(gè)十分龐大的系統(tǒng)，本文采用單機(jī)‐無(wú)窮大的抽象方法簡(jiǎn)化分析。單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)是指一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)升壓變壓器和一段傳輸線接到了無(wú)窮大電網(wǎng)上，由于電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)窮大，則其能夠提供或吸收的能量是無(wú)窮大的，電壓能夠保持恒定。在同步發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，不考慮發(fā)電機(jī)的飽和特性，在恒定的轉(zhuǎn)速下，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定幅值和勵(lì)磁電壓成正比。但是兩者之間的比例關(guān)系是有一定的滯后的，因此可以用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)近似代表發(fā)電機(jī)的傳遞函數(shù)。GGs=KF1+Tdc其中,KF表示勵(lì)磁電壓和機(jī)端電壓的比例，Tdc為發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)，單位為秒級(jí)。對(duì)于勵(lì)磁控制器的測(cè)量環(huán)節(jié)，輸出值和采樣得到的數(shù)字量之間也是成正比關(guān)系，但是信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)和采樣環(huán)節(jié)會(huì)有一定的濾波和延時(shí)，因此也可以認(rèn)為是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)。設(shè)其傳遞函數(shù)為：G1s=KCF1+其中,KCF表示電壓采樣得到的數(shù)字量和實(shí)際值的比例，Td為測(cè)量環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，單位是毫秒級(jí)。另外系統(tǒng)中還包括勵(lì)磁控制器脈沖信號(hào)的功率放大環(huán)節(jié)和可控硅整流環(huán)節(jié)，其中功率放大環(huán)節(jié)是其輸出電壓和輸入電壓的比值，而可控硅整流環(huán)節(jié)可以表示為：GEs=Ka1+其中,Ka表示整流環(huán)節(jié)的電壓比，而Ts為其時(shí)間常數(shù)，一般Ts=3.3ms。由以上分析可以得出，在發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，可以將勵(lì)磁控制器的被控對(duì)象近似為一個(gè)三階模型，通過(guò)勵(lì)磁控制器組成一個(gè)三階閉環(huán)控制回路。對(duì)于一個(gè)三階閉環(huán)參考模型，其特性可以由阻尼比ξ和固有振蕩頻率ωn分別唯一確定。本文提出如何設(shè)計(jì)針對(duì)特定ξ和ωn的勵(lì)磁PID控制器。4.2勵(lì)磁PID控制器的設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)三階閉環(huán)系統(tǒng)，設(shè)其傳遞函數(shù)為:RBs=1a式(4.4)中，a1、a2、a3為待定正實(shí)數(shù)。設(shè)對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)，設(shè)其實(shí)數(shù)根為k1，其兩個(gè)共軛虛根為-k2±jk3。則RB(s)根的表達(dá)式為:RBs=k1k取共軛虛根-k2±jk3為系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)，在工程上，一般要求k1比k2至少大5倍以上。若取k1=10k2，則主導(dǎo)極點(diǎn)模型和原系統(tǒng)模型的性能十分近似。該系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)的二階系統(tǒng)為：RB2s=k22對(duì)于二階系統(tǒng)，有k2=ξωnk對(duì)于二階系統(tǒng)，其阻尼比決定二階系統(tǒng)的超調(diào)，固有振蕩頻率與系統(tǒng)的上升時(shí)間，峰值時(shí)間和調(diào)整時(shí)間成反比，和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速性有關(guān)。由于二階系統(tǒng)的性能完全由阻尼比和固有振蕩頻率決定，只要能使勵(lì)磁三階系統(tǒng)的性能盡量逼近(4.7)所表示的二階系統(tǒng)，則勵(lì)磁系統(tǒng)的性能也能由阻尼比和固有振蕩頻率決定。將式(4.7)代入式(4.5)，并且取k1=10k2，則可以得到勵(lì)磁系統(tǒng)的三階模型為：RBs=10ξω令Tn=1RB