勵磁電流控制

在同步發電機的控制系統中，勵磁電流控制是其中的重要組成部分。當發電機單機運行時，勵磁調節器通過調整發電機的勵磁電流來調整發電機的端電壓，當電力系統中有多台發電機並聯運行時，勵磁調節器通過調整勵磁電流來合理分配並聯運行發電機組間的無功功率，從而提高電力系統的靜態和動態穩定性。因此，國內外相關專業人士一直致力於勵磁調節器的研究。勵磁調節器的發展也由機械式到電磁式，再發展到今天的數字式。目前，數字式勵磁調節器的主導產品是以微型計算機為核心構成的，但其造價高，需要較高技術支持，在一些小型機組上推廣有一定難度。由此，出現了以MCS-51單片機為核心的勵磁調節器。MCS-51單片機內部資源較少使得外圍電路複雜，從而影響了整個勵磁控制系統的精確性、快速性和穩定性。本文提出了一種基於PIC16F877的同步發電機自並勵微機勵磁調節器的設計方法。

PIC16F877是美國Microchip公司生產的PIC16F87X系列晶片中功能最為齊全的微控制器。它可以實現線上調試和線上編程，內部帶有8路10位A/D轉換器，8KХ14位FLASH程式存儲器,368Х8位RAM,256Х8位的EEPROM,14箇中斷源和3個定時/計數器,片內集成多達15個外圍設備模組，因此外圍電路大大簡化，成本降低。
2自並勵微機勵磁調節器基本工作原理
圖1為自並勵勵磁系統的原理接線圖。發電機勵磁功率取自發電機端，經過勵磁變壓器LB降壓，可控矽整流器KZL整流後給發電機勵磁。自動勵磁調節器根據裝在發電機出口的電壓互感器TV和電流互感器TA採集的電壓、電流信號以及其它輸入信號，按事先確定的調節準則控制觸發三相全控整流橋可控矽的移相脈衝，從而調節發電機的勵磁電流，使得在單機運行時實現自動穩壓，在併網時實現自動調節無功功率，提高電力系統的穩定性。
發電機的線電壓UAC和相電流IB分別經電壓互感器和電流互感器變送後，經鑒相電路產生電壓周期的方波脈衝和電壓電流相位差的方波脈衝信號送PIC16F877微控制器，用PIC的計數器測量這兩脈衝的寬度，便可得到相位差計數值，即電網的功率因素角。然後通過查表得出相應的功率因素，進一步求出有功功率和無功功率。
控制單元選用一片PIC16F877單片機，因PIC16F877單片機內部有A/D轉換功能，從而不用外部A/D模組，這樣減少了外部器件，降低了成本，增強了抗干擾能力。PIC單片機根據從輸入通道採集的發電機運行狀態變數的實時數據，進行控制計算和邏輯判斷，求得控制量。在可控矽整流電路中，要求控制電路按照交流電源的相位向可控矽控制極輸出一系列的脈衝，才能實現可控矽順利導通和自然換相。“同步和數字觸發控制電路”的作用就是將計算機CPU計算出來的、用數字量表示的可控矽控制角轉換為觸發脈衝。由功率放大電路將觸發脈衝放大後去觸發可控矽，從而控制勵磁電流。
3.1CPU控制模組
CPU控制模組是勵磁調節器的控制核心，採用美國Microchip公司生產的PIC16F877單片機。PIC16F877具有獨特的RISC(精簡指令集)結構,數據匯流排和指令匯流排分離的哈佛匯流排結構,使指令只有單字長的特性,且允許指令碼的位數可多於8位的數據位數,這與傳統的採用CISC結構的8位單片機相比,可以達到2∶1的代碼壓縮,速度提高4倍。PIC16F877內部帶有8路10位A/D轉換器，8KХ14位FLASH程式存儲器,368Х8位RAM,256Х8位的EEPROM,14箇中斷源和3個定時/計數器,片內集成多達15個外圍設備模組。此外，還有低功耗睡眠模式和片內看門狗電路，易於實現低功耗設計和抗干擾設計。
3.2數據採集模組
PIC單片機勵磁調節器採集反映發電機運行工況的4個模擬信號，即發電機機端電壓UAC和定子電流IB，勵磁電壓UL和勵磁電流IL。這4個模擬信號經過整形濾波後，分別送入對應的4片採樣保持器LF398，採樣保持器在PIC16F877微控制器RE1腳產生的同步控制信號下，完成4路信號同步採樣，將此4路被測信號分別接入RA0、RA1、RA2、RA34個10位A/D連線埠引腳。模擬輸入的模擬參考電壓可以在暫存器中設定。PIC16F877的A/D轉換結果儲存在兩個8位的暫存器ADRESH和ADRESL中。由於PIC的A/D模組是電壓輸入的，所以在迴路輸入中，電壓信號可以直接輸入，而電流信號要在輸入處接一適當電阻，將其轉換成電壓後再輸入。當A/D模組的輸入中有輸入電壓超過它的最高輸入電壓5V時，就可能損壞器件。因此，在A/D輸入端接上對地5V的穩壓管，這樣，當有高於最高允許電壓的輸入電壓出現時，利用穩壓管可以把它穩定在正常的範圍之內。
開、停機，起、停勵，手、自動，增、減功率等開關量通過光電隔離後與PIC16F877的連線埠B相連。
3.3顯示模組
為了節約引腳，利用PIC16F877單片機強大的I/O擴展功能，採用MSSP模組的SPI方式和移位暫存器晶片74HC595實現數碼管的靜態顯示。
3.4通信模組
目前，絕大多數勵磁系統與上位機的通信採用RS-485。RS-485是一種半雙工的通信協定，只能構成主從式結構的通信網路，通信聯絡方式為命令型。這種機制使得在構建大型複雜工業現場的實時測控網路時存在不足。CAN匯流排具有點對點、一點對多點、全局廣播傳送數據等功能，以及可靠性高、抗電磁干擾能力強、傳輸速率快、通信距離較遠、易於使用和維護、便於網路擴張等優點，並考慮到勵磁系統是在強電磁干擾環境中使用，所以本系統使用CAN匯流排通信。PIC16F877晶片沒有集成CAN功能模組，但可以通過其SPI方式和CAN控制器MCP2510晶片與帶智慧型適配卡的PC機實現CAN通信。
4微機勵磁調節器軟體設計
PIC微機勵磁調節器的軟體採用PIC16F877的彙編語言和C語言混合編程，人機界面友好，操作簡單。另外，採用模組化設計思想，以主程式為核心，設計了各功能模組子程式，使大量的功能在子程式中實現，簡化了軟體設計結構。子程式模組主要包括系統初始化及上電自檢模組、PID調節模組、運行方式跟蹤模組、過勵和欠勵控制模組、開停機模組、通信模組等。系統主程式流程圖如圖4所示。
系統提供了三種不同的運行方式，即恆電壓調節、恆勵磁電流調節、恆無功功率調節。不同的運行方式可以通過鍵盤切換和設定給定值，此外，系統還設定了運行方式跟蹤模組，即備用運行方式輸出對當前運行方式輸出的跟蹤，以實現運行方式切換時的無擾動。
由於勵磁系統有慣性和滯後的控制對象，同時要求有較高的控制精度和較快的回響速度，因此本設計中採用改進型PID調節方式，即通過採用積分分離算法消除積分飽和效益，減小超調，同時利用在動態回響中加大比例作用，穩態過程中減小比例作用的變增益方法，消除大偏差，加快過渡過程，使勵磁調節器具有較理想的調節特性。
為了提高整個系統的可靠性，除了在上電時進行自檢外，在每個計算周期內都進行了檢錯、容錯處理和軟體看門狗。