基于pic單片機的小型同步發電機勵磁控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于PIC單片機的小型同步發電機勵磁控制器(以下簡稱PIC勵磁控制器),包括采樣單元(A)、測相單元(B)、運算控制單元(C)、同步與觸發單元(D)、功率單元(E)、人機對話單元(F)、電源單元(G)，PIC勵磁控制器是采用一種電阻電流電路的輸入電壓相量與輸出電壓相量比較,通過數字電路與函數計算實現的相位測量，采用PIC18C4521/P單片機為主芯片,PIC勵磁控制器所有單元集成為一主模塊，插入3U機箱，具有簡單、可靠、實用的優點,適用于小型同步發電機勵磁控制器。
【專利說明】
基于PIC單片機的小型同步發電機勵磁控制器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種基于PIC單片機的小型同步發電機勵磁控制器。
【背景技術】
[0002]勵磁系統是發電機重要組成部分，它為同步發電機提供可調勵磁電流，勵磁控制系統作用是在正常運行時維持發電機機端電壓和合理分配機組間的無功功率，并按系統與用戶要求調節功率因數；當電力系統發生事故而使發電機機端電壓下降時，對發電機進行強行勵磁，以提高繼電保護動作的靈敏性及發電機并列運行的穩定性，同時提高電力系統暫態穩定性與動態穩定性，抑制低頻振蕩;在發電機甩負荷電壓升高時，對發電機進行強行減磁，以限制過電壓；當發電機內部及發電機機端發生三相短路時，進行強行滅磁，以防止事故的擴大，對水輪發電機組勵磁裝置還起電氣制動作用。同步發電機勵磁控制技術是一門涉及通信技術、控制理論、控制技術、網絡技術的綜合技術，也是一門關系到發電機運行特性及電力系統運行安全性、穩定性的重要技術。
[0003]中小型同步發電機勵磁控制，要求基本功能完備、安全可靠、結構緊湊、接線簡單、體積小、成本低、運行操作簡單、維修方便，能實現一個指令開停機、自動調壓、自動調節無功功率，保證發電機及電力系統安全、穩定運行，便于實現無人值守與遠程監控。中小型與微型發電機多數采用直流勵磁機勵磁系統、自并激靜止可控硅勵磁系統及交流勵磁機旋轉整流器的無刷勵磁系統，其中直流勵磁機勵磁系統已逐漸被淘汰。
[0004]測相單元是同步發電機勵磁控制器重要環節，通過它求發電機端部電壓與電流相位差，并導出無功電流、功率因數，作為恒定無功功率調節控制、恒COSO調節控制與限制保護用，電壓一無功電流特性(常稱為調差特性)用以保證發電機間并列運行的穩定性及合理分配發電機間無功功率。模擬式勵磁調節器測量相位及電壓一無功電流調節特性一般是采用單相、兩相、三相式電阻電流電路或變壓器耦合式的電路，其體積笨大，結構復雜，且有一個龐大的“調差電阻”，調整亦不方便，響應速度慢，靈敏度差，但可靠較高而且不受干擾。數字式勵磁調節器測量相位及無功電流，通常采用將電流、電壓整形為方波進行相位比較或用交流采樣方法，其硬件電路及軟件計算比較復雜。
[0005]因此，本實用新型提出一種較簡單、實用的小型發電機組勵磁控制器。
【發明內容】
[0006]本實用新型的任務是提供一種基于PIC18C4521/P單片機的小型同步發電機勵磁控制器(簡稱:PIC勵磁控制器)。本實用新型的任務是通過如下技術方案來實現的:
[0007]本實用新型的基于PIC單片機的小型同步發電機勵磁控制器，設置采樣單元(A)、測相單元(B)、運算控制單元(C)、同步與觸發單元(D)、功率單元(E)、人機對話單元(F)、電源單元(G)，采用PIC18C4521/P單片機為主芯片；
[0008]本實用新型的采樣單元(A)—端接至Al-模擬量輸入，Al模入分別接至發電機c相電流(Ic)、發電機端線電壓(Uab)、系統電壓(Ux)、系統頻率(Fx)、系統電壓與發電機電壓的相位差(S)、勵磁電壓(UL)、勵磁電流(IL)，另一端接至D 1-開關量輸入，D I分別接至斷路器位置信號DL、控制命令L，還有一端接至MI數字量輸入，MI接至給定值GD;
[0009]本實用新型的測相單元(B)—端與電阻電流電路的輸入電壓Uab、輸出電壓ITab聯接，另一端與運算控制單元(C)聯接；
[0010]本實用新型的運算控制單元(C)一端聯接至采樣單元(A)，另一端聯接至同步與觸發單元(D)，還有一端聯接至故障報警信號輸出至報警器BZ，PIC勵磁控制器并具有常規勵磁控制器通信功能，亦即可通過485通信口接至上位機進行遠方監控、通過232通信口接至觸摸屏。
[0011]本實用新型的所述的功率單元(E)對可控硅勵磁系統可采用三相半控橋式全波整流或三相全控橋式全波整流，對無刷勵磁系統采用單相半波可控整流或單相全波可控整流，功率單元(E) —端聯接至同步與觸發單元(D)，另一端聯接至勵磁線圈LQ。
[0012]本實用新型的PIC勵磁控制器人機對話單元(F)包括4位數碼顯示器顯示頻率、控制角、機端電壓、勵磁電流、COSci)的實時值與給定值，3個運行控制方式指示燈顯示恒電壓、恒COSO、恒勵磁電流的運行控制方式，4個運行參數指示燈顯示頻率、恒電壓、控制角、給定電壓值的運行參數，5個按鍵，分別為增勵、減勵、啟勵/滅磁、控制方式切換、招顯。
[0013]與現有技術比較，本實用新型從一次電路及相量圖看，與模擬式勵磁調節器調差電路很相似，但事實上有重大區別，主要區別是:(1)模擬式勵磁調節器調差電路的調差電阻R。是一個體積與阻值很大的可調電阻，本實用新型采用的R。是100歐姆左右的小電阻；(2)模擬式的調差電阻Rc是用于改變調差系數，Rc采用觸點式的可調電阻，本實用新型經數字電路轉換為弱電電路后，是采用小型無觸點的固定電阻，改變相位及調節無功分配是用數字給定，調差系數改變是通過調整輸出電壓ITab的放大倍數，一般不改變Rc阻值；(3)本實用新型根據圖3相量分柝計算，在純有功功率(cos<i)=l )、純無功功率(cos<i) =O)或者既有有功功率又有無功功率(O〈cos Φ〈I)情況下，經推導分析計算在電阻R。前的電壓Uab與Rc后電壓ITab相量差(不是代數差)是正比于無功電流Iqc,據此分析，將電阻電流電路輸出電壓與輸入電壓相量差，轉換為弱電數字電路后，通過軟件進行余弦函數計算，可求得無功電流Iqc與功率因數COSO值，與發電機端電壓電流相位Φ，依此原理我們成功地設計了基于PIC的小型同步發電機勵磁控制器(簡稱:PIC發電機勵磁控制器)。本實用新型是用一臺PIC18C4521/P單片機作為主芯片組成的小型發電機組的勵磁控制裝置。其結構簡單、可靠，可用于小型發電機組，主要用于自并激勵磁系統和無刷勵磁系統。
【附圖說明】
[0014]圖1是PIC勵磁控制器原理結構圖；
[0015]其中采樣單元(A)、測相單元(B)與運算控制單元(C)聯接，運算控制單元(C)另一端聯接至同步與觸發單元(D)，還有一端聯接人機對話單元(F)，同步與觸發單元(D)聯接至功率單元(E);
[0016]圖中:(A)為采樣單元、(B)為測相單元、(C)為運算控制單元、(D)為同步與觸發單元、(E)為功率單元、(F)為人機對話單元、(G)電源單元、LQ為勵磁線圈。
[0017]I為模擬量輸入，輸入模擬量有發電機相電流(Ic)、發電機端線電壓(Uab)、系統電壓(Ux)、系統頻率(Fx)、系統電壓與發電機電壓的相位差(Φ )、勵磁電壓(UL)、勵磁電流(IL);
[0018]DI為開關量輸入，包括斷路器位置信號DL、控制命令L和測速信號輸入N;
[0019]MI為數字量輸入，輸入數字給定值GD。
[0020]圖2是PIC勵磁控制器采樣單元(A)的單相式電阻電流電路圖；
[0021]本電路圖采用AB線電壓，C相電流，并聯補償電阻接在A相電壓互感器；
[0022]圖中:電流互感器LH，電壓互感器YH，電流互感器并聯的補償電阻Rc，補償電阻Rc并接在電流互感器LH的次端，并聯補償電阻Rc的一端還串連于所述電壓互感器YH的次端。
[0023]圖3是PIC勵磁控制器接線框圖；
[0024]圖中:(A)為采樣單元、(B)為測相單元、(C)為運算控制單元、(D)為同步與觸發單元、(E)為功率單元。
[0025]圖4是PIC勵磁控制器原理接線圖例；
[0026]圖中:F是發電機，LQ是勵磁線圈，LH是電壓互感器，YH是電流互感器，LB是勵磁變壓器,A為采樣單元,B為運算控制單元,C為同步與觸發單元,D為功率單元。
[0027]圖5是PIC勵磁控制器的人機對話單元(F)，
[0028]包括:4位數碼顯示器，6個運行狀態指示燈，6個運行狀態指示燈，3個運行控制方式指示燈，4個運行參數指示燈，5個按鍵。
[0029]4位數碼顯示器顯示頻率、控制角、電壓、勵流、Ο^ΦΦ的實時值與給定值；
[0030]6個運行狀態指示燈顯示運行、并網、低頻、滅磁、欠勵、過勵的運行狀態；
[0031]3個運行控制方式指示燈顯示恒電壓、恒COS? Φ、恒勵流的運行控制方式；
[0032]4個運行參數指示燈顯示頻率、恒電壓、控制角、給定電壓值的運行參數；
[0033]5個按鍵，分別為增勵、減勵、啟勵/滅磁、方式切換、招顯。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖對本實用新型做進一步的描述，但不是對本實用新型的限制。
[0035]本實用新型的基于PIC單片機的小型同步發電機勵磁控制器，設置采樣單元(A)、測相單元(B)、運算控制單元(C)、同步與觸發單元(D)、功率單元(E)、人機對話單元(F)、電源單元(G)，采用PIC18C4521/P單片機為主芯片；
[0036]本實用新型的采樣單元(A)—端接至Al-模擬量輸入，Al模入分別接至發電機c相電流(Ic)、發電機端線電壓(Uab)、系統電壓(Ux)、系統頻率(Fx)、系統電壓與發電機電壓的相位差W)、勵磁電壓(UL)、勵磁電流(IL)，另一端接至D 1-開關量輸入，D I分別接至斷路器位置信號DL、控制命令L，還有一端接至MI數字量輸入，MI接至給定值GD;
[0037]本實用新型的測相單元(B)—端與電阻電流電路的輸入電壓Uab、輸出電壓ITab聯接，另一端與運算控制單元(C)聯接；
[0038]本實用新型的運算控制單元(C)一端聯接至采樣單元(A)，另一端聯接至同步與觸發單元(D)，還有一端聯接至故障報警信號輸出至報警器BZ，PIC勵磁控制器并具有常規勵磁控制器通信功能，亦即可通過485通信口接至上位機進行遠方監控、通過232通信口接至觸摸屏。
[0039]本實用新型的所述的功率單元(E)對可控硅勵磁系統采用三相半控橋式整流或三相全控橋式整流，對無刷勵磁系統采用單相半控整流或單相全控整流，功率單元(E) —端聯接至同步與觸發單元(D)，另一端聯接至勵磁線圈LQ。
[0040]本實用新型的PIC勵磁控制器人機對話單元(F)包括4位數碼顯示器顯示頻率、控制角、機端電壓、勵磁電流、COSci)的實時值與給定值，3個運行控制方式指示燈顯示恒電壓、恒COSO、恒勵磁電流的運行控制方式，4個運行參數指示燈顯示頻率、恒電壓、控制角、給定電壓值的運行參數，5個按鍵，分別為增勵、減勵、啟勵/滅磁、控制方式切換、招顯。
[0041]測相電路(B)根據測量精度要求，可選用單相電阻電流電路與數字電路組成的單相式測相電路，也可選用兩相電阻電流模擬電路與數字電路組成的兩相式測相電路，所述的電阻電流電路是由電流變送器、電壓變送器及補償電阻組成的，所述的補償電阻并接在所述電流變送器次端，該補償電阻的一端同時串接于所述電壓變送器次端。單相式測相電路由一個電流變送器，一個電壓變送器及一個補償電阻組成，兩相式測相電路由兩個電流變送器，兩個電壓變送器及兩個補償電阻組成，該兩補償電阻分別并接在所述兩電流變送器次端，該兩補償電阻的一端還分別串連于所述兩電壓變送器次端，
[0042]所述的測相位單元(B)是采用一種電阻電流電路的輸入電壓相量與輸出電壓相量比較，通過數字電路與余弦函數計算，求得機端電壓電流相位Φ、無功電流Iqc與功率因數COSO值，所述的并聯補償電阻前(即電壓互感器二次側)電壓Uab與電阻后(即測相電路輸出端)電壓ITab的相量差，它正比于無功電流Iqc，因此根據相量關系，通過余弦函數計算，求無功電流Iqc與功率因數COS Φ值；
[0043]PIC勵磁控制器采樣單元(A)、運算控制單元(C)、同步與觸發單元(D)、功率單元
(E)、電源單元(G)集成為一主模塊，插入3U機箱，機箱外殼一方面作散熱用，另方面作為接地用。人機對話單元(F)嵌入面板上。
[0044]PIC勵磁控制器有單機系統和雙機系統，雙機系統可工作于單機模式，也可工作于雙機模式，當單機時，則自動工作于所述的單機模式，當兩臺機并列運行時，則工作于所述的雙機模式。雙機分為A機與B機，設定A機為主控機，B機作為熱備用機，兼對A機進行監控，當診斷到A機出故障，或用按鍵手動進行雙機切換時，切換至B機；PIC勵磁控制器具有RS232接口可聯接觸模屏，同時通過RS485可聯接上位機。
[0045]單相電阻電流測相電路的輸出電壓ITab及無功電流Iqc跟并聯補償電阻R。與電流、電壓互感器配置及接線方式有關。
[0046]圖2是單相式電阻電流測相位單元電路圖，圖中測相電路的輸入電壓與發電機端電壓同相(即PT為Y/Y-12接線)，采用AB線電壓，C相電流，并聯補償電阻接在B相，電壓引自電壓互感器YH 二次側。
[0047]測相位電路輸出電壓Clab主要與無功電流分量有關，與有功電流分量關系不大。在(KCOSci)〈I時，不是輸入電壓與補償電阻Re電阻前后壓降算術相減，而是相量相減，因此應通過相量運算，這里采用佘弦函數運算。測相電路輸出Cab與輸入Uab之差，不是直接數值相減，測相電路輸出ITab與輸入電壓Uab相量差，正比于無功電流Iqc =Ic，小型發電機勵磁控制器也可以采用為兩相式電阻電流測相電路。兩相式電阻電流測相電路包括兩個電流互感器LH，兩個電壓互感器YH及兩個并聯補償電阻RcJ且成，兩相式測相電路比單相測相電路測量準確度較高，但一次電路較復什。
[0048]圖5是PIC勵磁控制器的人機對話單元(F)，包括:
[0049]4位數碼顯示器，6個運行狀態指示燈，6個運行狀態指示燈，3個運行控制方式指示燈，4個運行參數指示燈，5個按鍵。
[0050]4位數碼顯示器顯示頻率、控制角、電壓、勵流、Ο^ΦΦ的實時值與給定值；
[0051]6個運行狀態指示燈顯示運行、并網、低頻、滅磁、欠勵、過勵的運行狀態；
[0052]3個運行控制方式指示燈顯示恒電壓、恒COS? Φ、恒勵流的運行控制方式；
[0053]4個運行參數指示燈顯示頻率、恒電壓、控制角、給定電壓值的運行參數；
[0054]5個按鍵，分別為增勵、減勵、啟勵/滅磁、方式切換、招顯。
[0055]人機對話單元(F)裝在面板上。
[0056]以上是本實用新型的的具體實施例，凡依上述構思所作的相類似改變，理應屬本實用新型的的范圍。
【主權項】
1.基于PIC的小型同步發電機勵磁控制器，其特征在于:所述的基于PIC的小型同步發電機勵磁控制器，設置采樣單元(A)、測相單元(B)、運算控制單元(C)、同步與觸發單元(D)、功率單元(E)、人機對話單元(F)、電源單元(G)，采用PIC18C4521/P單片機為主芯片； 采樣單元(A) —端接至Al—模擬量輸入，Al模入分別接至發電機c相電流(Ic)、發電機端線電壓(Uab)、系統電壓(Ux)、系統頻率(Fx)、系統電壓與發電機電壓的相位差(δ)、勵磁電壓(UL)、勵磁電流(IL)，另一端接至D 1-開關量輸入，D I分別接至斷路器位置信號DL、控制命令L，還有一端接至MI數字量輸入，MI接至給定值GD; 測相單元(B)—端與電阻電流電路的輸入電壓Uab、輸出電壓ITab聯接，另一端與運算控制單元(C)聯接； 運算控制單元(C) 一端聯接至采樣單元(A)，另一端聯接至同步與觸發單元(D)，還有一端聯接至故障報警信號輸出至報警器BZ，PIC勵磁控制器并具有常規勵磁控制器通信功能，它可通過485通信口接至上位機進行遠方監控、通過232通信口接至觸摸屏； 功率單元(E)對可控硅勵磁系統采用三相半控橋式全波整流或三相全控橋式全波整流，對無刷勵磁系統采用單相半波可控整流或單相全波可控整流，功率單元(E) —端聯接至同步與觸發單元(D)，另一端聯接至勵磁線圈LQ; 人機對話單元(F)包括4位數碼顯示器顯示頻率、控制角、機端電壓、勵磁電流、COSci)的實時值與給定值，3個運行控制方式指示燈顯示恒電壓、恒COSO、恒勵磁電流的運行控制方式，4個運行參數指示燈顯示頻率、恒電壓、控制角、給定電壓值的運行參數，5個按鍵，分別為增勵、減勵、啟勵/滅磁、控制方式切換、招顯。2.根據權利要求1所述的基于PIC的小型同步發電機勵磁控制器，其特征在于:所述的測相電路(B)根據測量精度要求，可選用單相電阻電流電路與數字電路組成的單相式測相電路，也可選用兩相電阻電流模擬電路與數字電路組成的兩相式測相電路，所述的電阻電流電路是由電流變送器、電壓變送器及補償電阻組成的，所述的補償電阻并接在所述電流變送器次端，該補償電阻的一端同時串接于所述電壓變送器次端； 單相式測相電路由一個電流變送器，一個電壓變送器及一個補償電阻組成，兩相式測相電路由兩個電流變送器，兩個電壓變送器及兩個補償電阻組成，該兩補償電阻分別并接在所述兩電流變送器次端，該兩補償電阻的一端還分別串連于所述兩電壓變送器次端。3.根據權利要求1所述的基于PIC的小型同步發電機勵磁控制器，其特征在于:所述的測相位單元(B)是采用一種電阻電流電路的輸入電壓相量與輸出電壓相量比較，通過數字電路與余弦函數計算，求得發電機機端電壓電流相位Φ、無功電流Iqc與功率因數COSci)值，電壓互感器二次側電壓Uab與測相電路輸出端電壓ITab的相量差，它正比于無功電流Iqc，因此4.根據相量關系，通過余弦函數計算，求無功電流Iqc與功率因數COSci)值。4.根據權利要求1所述的基于PIC的小型同步發電機勵磁控制器，其特征在于:所述的采樣單元(A)、運算控制單元(C)、同步與觸發單元(D)、功率單元(E)、電源單元(G)集成為一主模塊，插入3U機箱，機箱外殼一方面作散熱用，另方面作為接地用，人機對話單元(F)嵌入面板上。5.根據權利要求1所述的基于PIC的小型同步發電機勵磁控制器，其特征在于:所述的勵磁控制器有單機系統和雙機系統，雙機系統可工作于單機模式，也可工作于雙機模式，當單機系統時，則自動工作于所述的單機模式，當雙機并列運行時，則工作于所述的雙機模式，雙機分為A機與B機，設定A機為主控機，B機作為熱備用機，兼對A機進行監控，當診斷到A機出故障，則自動或用按鍵手動進行雙機切換，切換至B機運行；PIC勵磁控制器具有RS232接口可聯接觸模屏，同時通過RS485可聯接上位機進行遠方監控。
【文檔編號】H02P9/30GK205566150SQ201620215506
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月21日
【發明人】戴樹梅, 戴超波
【申請人】戴樹梅