專利名稱：基于dsp的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電力系統(tǒng)及其自動化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)是電力系統(tǒng)動態(tài)模擬的重要設備之一，主要應用于科研院和電力自動化設備生產(chǎn)企業(yè)的科學研究，電力新技術(shù)新設備的研發(fā)和電力產(chǎn)品檢驗和測量，以及高等院校的科研和實驗教學。由于經(jīng)濟性和安全性的原因，電力系統(tǒng)的故障試驗一般不在實際電力系統(tǒng)而在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗室進行。同步發(fā)電機原模擬勵磁系統(tǒng)，是電力系統(tǒng)動態(tài)模擬的重要設備之一，對于研究電力系統(tǒng)中的大干擾問題和機電暫態(tài)過程，具有不可忽略的作用。目前模擬勵磁系統(tǒng)的研究還落后于勵磁系統(tǒng)，雖然有全數(shù)字控制的模擬勵磁系統(tǒng)產(chǎn)品，但仍存在著如下幾個問題(1)控制核心采用196單片機，與專用電機控制芯片TMS320F2812DSP相比數(shù)據(jù)處理速度、精度、片內(nèi)集成的專業(yè)外設等差距很大。(2)人機界面差，采用數(shù)碼管和指示燈來顯示參數(shù)和狀態(tài)，與大屏幕IXD顯示器相比人機界面不夠友好。(3)與上位機通信系統(tǒng)采用的是RS232接口，傳輸速度小，距離短，抗干擾能力差。(4)模擬發(fā)電機的控制方式少，保護限制功能不夠完善，沒有模擬發(fā)電機運行過程中所出現(xiàn)的許多故障問題，比如發(fā)電機斷線、勵磁變斷線失磁等。因此，有必要對現(xiàn)有的模擬勵磁系統(tǒng)進行改造設計。

實用新型內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提出一種基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)，該基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)性價比高、易于實施、具有很高的實用價值。本實用新型的技術(shù)解決方案如下一種基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)，三相整流橋的直流側(cè)和負阻器均串接到同步發(fā)電機的勵磁回路中；DSP的PWM端口通過脈沖驅(qū)動電路與三相整流橋的觸發(fā)端相接；同步發(fā)電機端電壓信號、同步發(fā)電機端電流信號、勵磁電壓信號、勵磁電流信號均接入到DSP的AD輸入端口，電壓同步信號接DSP的CAP輸入端。DSP通過串行通信接口與上位機通信連接。DSP與IXD顯示器相接。三相整流橋為三相全控整流橋，電壓同步信號為同步發(fā)電機端電壓信號經(jīng)過零比較器后輸出的信號，用于跟蹤電壓過零點。有益效果[0017]本實用新型的基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)，以32位的高速專用DSP芯片 TM3202812為控制核心，在DSP芯片中，可以采用免疫算法對控制參數(shù)進行優(yōu)化整定；而且在模擬勵磁系統(tǒng)中加入了功角測量功能。利用DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力，在不增加硬件，只利用實時、精確的采樣據(jù)，實現(xiàn)了功角的精確計算，可以顯著提供同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)的控制精度。本系統(tǒng)采用 RS-485通信接口與上位機通信，比現(xiàn)有RS-232通信速度和距離都有很大提高；采用大屏幕 LCD顯示器，比現(xiàn)有LED數(shù)碼管和指示燈，有更好的人機界面，并用單片機實現(xiàn)了 DSP與LCD 屏間的串并行轉(zhuǎn)換，增加了傳輸?shù)目煽啃?。使用戶能直觀的進行參數(shù)調(diào)整等操作。

圖1是同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)的主回路示意圖；圖2是同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)的總體電路框圖。
具體實施方式
以下將結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型做進一步詳細說明實施例1 如圖1和圖2所示，一種基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)，三相整流橋的直流側(cè)和負阻器均串接到同步發(fā)電機的勵磁回路中；DSP的PWM端口通過脈沖驅(qū)動電路與三相整流橋的觸發(fā)端相接；同步發(fā)電機端電壓信號、同步發(fā)電機端電流信號、勵磁電壓信號、勵磁電流信號均接入到DSP的AD輸入端口，電壓同步信號接DSP的CAP輸入端。DSP通過串行通信接口與上位機通信連接。DSP與IXD顯示器相接。脈沖驅(qū)動電路為現(xiàn)有的常用電路。三相交流電源經(jīng)可控整流器變換為直流電源，由控制電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)直流電壓。同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)的主回路的設計思想是勵磁調(diào)節(jié)器從模擬同步發(fā)電機采集所需信號，控制勵磁功率單元的輸出即控制模擬同步發(fā)電機的勵磁電流，負阻器串接在勵磁繞組回路中，增大勵磁繞組時間常數(shù)。本勵磁系統(tǒng)是對15KVA機組設計的，勵磁電流為3. 5A，勵磁電壓為200V。機勵磁系統(tǒng)功率輸出部分采用三相全控橋整流電路。三相全控橋式整流電路，其移相角度為15-150度，接有滅磁回路或采用逆變滅磁。全控橋逆變滅磁是將磁場儲能從直流側(cè)反送回交流側(cè)?？刂平怯梢葡嘤|發(fā)脈沖來控制。當觸發(fā)角在0到π/2時，整流電路處于整流狀態(tài)；當觸發(fā)角大于η /2小于π，整流電路處于逆變狀態(tài)。數(shù)字式勵磁調(diào)節(jié)器包括電源模塊，看門狗模塊，存儲擴展模塊，信號采集模塊，同步測頻模塊，與上位機通信模塊，按鍵輸入模塊，繼電保護與開關(guān)量輸出模塊，LCD顯示模塊，PWM輸出隔離放大模塊。系統(tǒng)的工作原理是發(fā)電機的機端電壓、機端電流、勵磁電壓、勵磁電流等采樣信號，經(jīng)過信號的隔離與變換轉(zhuǎn)換成0 3V信號送入TMS320F2812的ADC模塊。DSP根據(jù)控制參數(shù)、工作方式、保護限制條件對采樣結(jié)果進行運算處理，根據(jù)運算結(jié)果控制PWM觸發(fā)脈沖角度，同時將信息送給LCD顯示。PWM信號經(jīng)脈沖放大模塊，輸出后直接驅(qū)動可控硅的觸發(fā)極，控制勵磁電流大小，從而調(diào)節(jié)機端電壓。同時，故障監(jiān)測模塊實時監(jiān)測系統(tǒng)的輸入和輸出。當監(jiān)測到故障發(fā)生時，立即以中斷方式通知DSP，讓DSP快速處理故障事件。另外， TMS320F2812通過RS485通信模塊與上位機進行通信，交換數(shù)據(jù)。DSP系統(tǒng)基本硬件設計TMS320F2812是TI公司推出的專門用于電機及其它運動控制的DSP芯片，器件上集成了多種先進的外設。同時代碼指令與系列數(shù)字信號處理器完全兼容，從而保證了項目或產(chǎn)品設計的可延續(xù)性。與系列數(shù)字信號處理器相比，系列數(shù)字信號處理器提高了運算的精度(32位)和系統(tǒng)的處理能力(達到150MIPS)。該系列數(shù)字信號處理器還集成了 U8KB的Flash存儲器，4KB的引導ROM，數(shù)學運算表以及2KB的0TPR0M，從而大大的改善了應用的靈活性。1 位的密碼保護機制有效地保護了產(chǎn)品的知識產(chǎn)權(quán)。兩個事件管理模塊為電機和功率變換控制提供了良好的控制功能。16通道高性能12位ADC單元提供了兩個采樣保持電路，可以實現(xiàn)雙通道信號同步采樣。TMS320F2812的I/O工作電壓是3. 3V，因此，其I/O電平也是3. 3V邏輯電平。在設計DSP系統(tǒng)時，除了 DSP芯片外，必須設計DSP芯片與其他外圍芯片的接口，如果外圍芯片的工作電壓也是3. 3V，那么就可以直接連接。本控制系統(tǒng)盡量采用工作電壓為3. 3V的外圍芯片，以使電路簡化。本數(shù)字信號處理系統(tǒng)采用的看門狗芯片為)(5163，帶SPI接口 16Kb E2PR0M的CPU 監(jiān)視器。把看門狗定時器、工作電壓監(jiān)控和E2PR0M三種功能組合在一個封裝內(nèi)，并采用三線總線工作的串行外設接口(SPI)和軟件協(xié)議，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的工作可靠性，非常適合于需現(xiàn)場修改數(shù)據(jù)的場合，可廣泛應用于儀器儀表、工業(yè)自動控制等領(lǐng)域。在應用中，對存儲陣列的讀寫、看門狗定時器的設置則需通過芯片要求的指令來完成。X5163的串行輸入輸出口與TMS320F2812的串行外設接口(SPI)相接，采用SPI時鐘輸入，DSP的GPI0B3 (PWMlO)作為片選控制腳，復位信號輸出腳接DSP的復位腳，當程序跑飛或死機狀態(tài)時，X5163發(fā)出低電平，讓DSP復位，系統(tǒng)重新啟動。程序初次運行時，初始化X5163，DSP的GPI0B3(P麗10)腳置低，選中)(5163，在SPICLK時序配合下，控制命令與數(shù)據(jù)通過SI寫入)(5163。設置看門狗定時器，同時將需要保存的數(shù)據(jù)寫入)(5163保存。當程序再次運行時，數(shù)據(jù)從SO 口讀入DSP，這樣完成了對數(shù)據(jù)的保存。當設置的定時值到時，程序若不能復位，則)(5163的RST發(fā)出低電平，使TMS320F2812復位，系統(tǒng)重新啟動。DSP與上位機通訊電路對勵磁控制裝置而言，與PC機通訊主要需要實現(xiàn)的功能如下(1)將勵磁裝置的各種運行參數(shù)，上傳PC，利用PC豐富的軟硬件資源，實現(xiàn)形象的顯不；(2)通過PC上的應用軟件，對各種運行參數(shù)進行修改，然后傳送到勵磁控制裝置中。如果不需要實時采集數(shù)據(jù)的話，勵磁控制裝置對與PC通訊的實時性要求并不高，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也并不大。負阻器箱設計發(fā)電機的勵磁繞組可以看作是電感L與電阻R的串聯(lián)，其時間常數(shù)『=#。在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬實驗室中，模擬機組是按物理相似原理進行設計制造的。而其中機組慣性時間常數(shù)&的模擬使模擬同步機組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)受到限制，其勵磁繞組的時間常數(shù)大多小于電力系統(tǒng)中原型發(fā)電機的勵磁繞組的時間常數(shù)，特別是滿足大型電機&和轉(zhuǎn)子繞組電阻1>的模擬要求是互相矛盾的。當要求&愈小時，轉(zhuǎn)子繞組電阻的模擬愈困難，(例如同步補償機，其 Hj特小)。在保證其它電氣參數(shù)相似的情況下，模型電機轉(zhuǎn)子電阻一般總要比原型電機要求的大數(shù)倍。為了保證模擬機組和原型機組參數(shù)相似的要求，必須對其勵磁回路的電阻進行補償。一般模型電機之勵磁繞組時間常數(shù)Td。大約為2秒左右，而大型發(fā)電機組之Td。為 5 13秒。在電力系統(tǒng)的動態(tài)模擬實驗室中，必須串接負電阻來增加時間常數(shù)。用負阻器時間常數(shù)補償前，應首先經(jīng)過調(diào)零和負阻整定，然后才能保證得到所需的負阻特性。負阻器工作于“調(diào)零“、“整定“與”補償“位置時，應打開工作電源開關(guān)。調(diào)零方法調(diào)節(jié)“調(diào)零”電位器，測量負阻器兩端電壓(RIR0間電壓)，使電壓為零即可。一般第一次調(diào)零調(diào)好之后，不需要進行下次調(diào)整。整定方法外接試驗電源注意正負極接入+，_插孔，“工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)”置“整定”位置，調(diào)節(jié)外加試驗電源的電壓由零逐漸增加，讀取負阻器兩端電壓與流過負阻器的電流，并計算出負電阻值(負阻器兩端電壓除電流)，調(diào)節(jié)負阻“整定”電位器使比值等于所需數(shù)值即可。 在本實施例中，外接試驗電源容量為30V/3A，在流過負阻器的電流等于IA時的負阻器兩端電壓的數(shù)值即等于負電阻的阻值，負阻器整定完成。
權(quán)利要求1.一種基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)，其特征在于，三相整流橋的直流側(cè)和負阻器均串接到同步發(fā)電機的勵磁回路中；DSP的PWM端口通過脈沖驅(qū)動電路與三相整流橋的觸發(fā)端相接；同步發(fā)電機端電壓信號、同步發(fā)電機端電流信號、勵磁電壓信號、勵磁電流信號均接入到DSP的AD輸入端口，電壓同步信號接DSP的CAP輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)，其特征在于，DSP通過串行通信接口與上位機通信連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)，其特征在于，DSP 與IXD顯示器相接。
專利摘要本實用新型公開了一種基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)，其特征在于，三相整流橋的直流側(cè)和負阻器均串接到同步發(fā)電機的勵磁回路中；DSP的PWM端口通過脈沖驅(qū)動電路與三相整流橋的觸發(fā)端相接；同步發(fā)電機端電壓信號、同步發(fā)電機端電流信號、勵磁電壓信號、勵磁電流信號均接入到DSP的AD輸入端口，電壓同步信號接DSP的CAP輸入端。該基于DSP的同步發(fā)電機模擬勵磁系統(tǒng)性價比高、易于實施、具有很高的實用價值。
文檔編號H02P9/14GK201966860SQ201020657899
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者付義, 劉振興, 劉覺民, 向增, 周冰航, 姜武強, 李亞萍, 祖映翔, 秦攀, 章兢, 陳明照, 魯文軍 申請人:湖南大學