同步发电机励磁自动调节系统设计毕业设计论文 - 图文

系统硬件设计

图2-1发电机微机励磁系统整体结构

励磁变压器(ZB)是为发电机励磁系统提供能源的装置。根据电站的实际情况，它的一次侧电源可取自电站厂用母线或发电机的出口端，可以采用Y/Y 12组别，但对于副方电流较大的情况，通常采用Y/△组别。另外，采用Y/△接线还可以起到对零序电流的隔离作用。当励磁变原边系统发生不对称故障时，零序电流不能流过副边，能对副边设备起一定的保护作用。励磁变可配有差动保护和过负荷保护，可动作于停机;瓦斯保护可动发出报警信号或跳闸信号。

电压互感器(PD是为测量部分提供合适测量电压的设备。由于发电机出口端的电压很高，无法直接用测量装置来测量。电压互感器通过电感线圈原、副边的电压转换，将高电压降低为一定范围的低电压，以供测量装置能适用的电压。

电流互感器(CT)的工作原理与电压互感器相似，是将大电流量转换为小电流量的装置。

励磁调节器中所需要的电压、电流、波形等信号就是由电压互感器和电流互感器提供的。

微机励磁调节器硬件部分结构如图2-2所示。它主要包括CPU部分，测量部分，同步单元，(移相)触发单元，开关量输入输出接口，以及人机接口与通讯接口等部分。

图2-1微机励磁调节器硬件框图示例

CPU及外围设备部分主要是为CPU的运行提供支持，包括晶振、E2 PROM、电源转换、JTAG接口等部件。

测量部分主要是将输入的电压、电流等模拟量经过电平转换、滤波、整形等

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处理之后送入CPU，使之能进行运算。

微机励磁调节器为了实现调节控制、运行限制、运行参量显示等功能，测量单元必须对有关的参数进行采集。微机励磁调节器需要采集的基本参量有：

1、发电机频率f；2、发电机机端电压Uf；3、发电机主开关电网侧电压；4、发电机励磁电流IL或励磁电压UL；5.发电机有功功率P和无功功率Q等。

发电机频率f是电力系统稳定器(PSS)及最优励磁控制器(EOC)的重要状态之一，并且与机端电压Uf一起构成V/HZ限制，在机组的起励控制、灭磁控制及频率补尝或频率校正中起着重要作用。

发电机机端电压用于机端电压恒定调节，采集电网电压的作用主要有两个:1.在发电机起励时为发电机电压跟踪系统提供跟踪目标值，以简化操作和快速并网;2.在机组并网后，与励磁PT电压和仪表PT电压一起构成冗余容错结构。

发电机励磁电流几用于励磁电流恒定调节和过励限制。

发电机有功功率P是电力系统稳定器(PSS)及最优励磁控制器(EOC)的主要状态量之一。无功功率Q是无功功率稳定调节和实现无功电流补尝所必须的参量。此外，有功功率P和无功功率Q还一起在最小励磁限制中决定低励磁限制线。

电压、电流、功率信号是进行励磁调节的依据和基准，可以根据需要来进行发电机的衡压、衡功率因数等方式的调节。各个参数的测量方法将在第五章里详细介绍。

同步单元是为励磁调节器提供同步电压的部分，它将正弦波转换为方波后经光电隔离后与其它开关量信号一样送入CPU的1/O接口。

人机接口主要包括数码管和按键，可以显示励磁系统工作状态或显示输入的参数，如输入Pm参数，增加/减小励磁命令，显示发电机电压、电流信号等。

触发单元是控制可控硅输出的关键部分，包括脉冲产生和脉冲放大部分。CPU经过对采集来的信号进行运算处理，发出控制脉冲，可以调节可控硅的输出电压。

通讯部分是微机励磁系统和外界其它微机装置交流的桥梁。它可以把本机的工作状态、参数传送出去，同时也可以接收其它微机装置送入的信号。对于现在日益发展的无人值班、少人值守的工作模式，通讯部分的作用显得尤为重要。

可控硅整流桥为发电机励磁绕组提供了工作电流，是励磁装置中的功率部分。通过输入的触发脉冲的触发角的不同，可以使可控硅输出电压变化，从而控制发电机励磁绕组的电流大小。

转子过压保护与灭磁装置是发电机的保护装置。当发电机出现异常或故障时

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转子过压保护与灭磁装置发出跳闸信号或灭磁信号，使发电机免受损害。

2.2 MSP430系列单片机简介

MSP430系列单片机是TI公司生产的超低功耗类型的16位单片机，它将大量外围模块整合到片内，使得外围电路的设计简单、高效。本微机励磁调节装置所选用的型号是MSP430F149，现将其主要特点介绍如下。

在超低功耗方面，MSP430F149单片机能够实现在1.8-3.6V电压、1MHz的时钟条件下，耗电电流在0.1 -400p.A之间，使芯片的发热量尽可能小，保证了芯片的正常工作。

在运算速度方面，MSP430F149单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度，125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能简化程序，大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算，使得处理速度大大加强。

在整合方面，MSP430F149单片机将大量的CPU外围模块集成在了片内，有如下一些模块:

看门狗(WDT) 定时器A( Timer_A) 定时器B (Timer_B ) 串口0、1 (USART0、1) 硬件乘法器 12位ADC 端口P1-P6 PWM

其中，定时器A, B均带有多个捕获/比较寄存器，同时实现多路PWM输出;模拟比较器与定时器配合，可方便地实现D/A转换;硬件ADC模块能在小于lops的速率下实现12位的高速、高精度的A/D转换，同时提供采栩保持与参考电压;端口PI, P2能够接收外部是升沿或下降沿的中断输入。

在存储器方面，MSP430F149单片机兼有2KRAM及60KROM，程序通过JTAG接口写入单片机，简单快捷。

另外，MSP430F149单片机片内还有16个16位通用工作寄存器，多达24个的中断向量，兼有汇编语言/C语言等开发语言，在很大程度上方便了用户。

2.3各部分硬件连接图

2.3.1 开关量信号处理电路 2.3.1.1 输入量

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由于MSP芯片的工作电压为3.3V，因此CPU芯片与一般5V工作电压的芯片不能进行直接接口，需要将输入电压信号转换为3.3V后才能与CPU进行接口。

输入的信号为了将5V信号转换为3.6V，同时为了提高抗干扰能力，将每路信号经过光祸隔离后送入74HC541的输入端。电路图如图2-2所示。

图2-2电平转换电路图

输入信号“in”为5V。当没有输入信号时，发光二极管不亮，三极管截止，输出信号“out”为3.3V;当输入信号到来时，光藕导通，输出信号变为OV。这样就成功地将5V信号转换为3.3V信号，实现了CPU与外围输入电路的接口。

按键输入是开关量信号的一种，它也是通过光祸隔离后送入CPU。这里设置了4个按键，分别定义为:增加励磁、减少励磁、开始、停止。当按键按下后，信号由高电平变为低电平，即低电平为按键的有效电平。此时按键信号通过74HC541送入CPU，由软件进行按键信号识别处理。

74HC541是三态输出8进制总线缓冲器，其内部结构图及真值表如图3-6所示。

片选信号取自经GA.L16V8译码后信号。当片选信号为高电平时输出为高阻抗，片选信号为低电平时芯片被选中。在74HC541的输入端上接了一个排电阻PR301o它是一排上拉电阻，即将每一路输入信号都接上一个上拉电阻，公共端是电源。因为74HC541的输入信号来自光藕的输出端，在光祸导通时排电阻起限制电流的作用。输入的开关量信号经74HC541缓冲后送入CPU，电路图如图2-3所示。

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