一种发电机原动系统动态仿真的装置的制作方法

专利名称：：一种发电机原动系统动态仿真的装置的制作方法
技术领域：
：本实用新型属于电力电子
技术领域：
，涉及一种发电机原动系统动态仿真的装置。
背景技术：
：发电机原动系统仿真模型是电力系统动态模拟的重要设备之一,主要应用于科研院所和电力自动化设备生产企业的电力系统科学研究、电力新技术新设备的研发和电力产品检验与测量，以及高等院校的科研与实验教学。目前国内外采用的仿真装置多为全模拟控制,存在结构复杂、电子元器件容易老化、易受环境温度影响、抗干扰能力差与自动化程度低等缺点。少数釆用数/模控制，但未能实现与PC机通信功能与遥感、遥测、遥控等功能，PI参数的确定采用传统方法，系统调试与维护复杂。表l:国内外电力系统动态模拟概况<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>表2:国内外发电机原动系统仿真装置主要技术指标对比<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>所述的输出电路为整流输出电路；所述的检测电路采集电枢电流、电枢电压、励磁电流以及转速数据；所述的显示器采用LCD显示器。本实用新型所具有的有益效果有本装置采用LCD液晶中文数据实时显示，使用户能更直观地进行参数调整等操作。本装置具有R485串行通讯接口，可用来与PC机或者与监控台连接，供监控人员监控使用。图l装置总体原理框图2电枢供电电路；图3励磁供电电路；图4压敏电阻保护电路；图5断相保护电路；图6操作回路原理图7数字控制部分原理框图。具体实施方式以下结合附图对本实用新型作进一步说明。实施例1:运用电力系统物理模拟和数学仿真基本理论以及物理相似基本定理，建立了发电机原动系统(调速器、管道特性和原动机自平衡特性)通用仿真(数学)模型，突破纯硬件仿真和全模拟控制的传统思想，采用基于微机控制的原动系统动态仿真方法，运用硬件仿真与软件仿真、模拟控制与数字控制以及数学模拟与物理模拟相结合的方法并利用通信技术，实现了发电机原动系统动态特性仿真。该装置对电力系统的真实原动机(水轮机和汽轮机)及其调速器进行模拟,由数字控制部分、模拟控制部分和主回路组成，如图1所示。数字控制部分完成原动机调速器的仿真，模拟控制部分、主回路以及直流电动机完成对原动机即水轮机和汽轮机自平衡特性的仿真,它们共同完成原动机及其调速系统的仿真。主回路功能三相交流电源经可控整流器变换为直流电源，由控制电路产生触发脉冲调节直流电压，以给直流电动机供电和调节机组转速。操作回路功能对主回路上各开关进行控制，同时也与控制电路进行信号的交互，完成信号报警等功能。控制电路功能通过对主回路的信号采集处理，给主回路的三相可控整流桥各晶闸管提供合适的触发脉冲。故障时可给操作回路提供保护信号，通过操作回路切断主回路的电源。4.2主回路主回路给20KW直流电机提供电枢电电压和励磁电流，并给主电路提供保护。4.2.1电枢电压形成电路采用直流电动机来模拟原动机，需要提供直流作为电枢电压，对电动机转速的调节是通过改变电枢电压的大小来实现的，设计的三相可控硅整流桥电路，将电网中的三相交流电源转变为电压大小可调的直流电源。其电路如图2所示。图中KM1为交流接触器，作为主回路的电源开关；TM1为三相电源变压器(变比为380/200)，其容量根据不同的机组而有所不同。VT1VT6为构成整流桥的六个晶闸管，由控制电路形成的六路触发脉冲可分别控制相应晶闸管的导通，以改变整流输出电压的大小；TDV1、TDV2分别为电流传感器和电压传感器，Ml和M2将反映电枢电流实际值和电枢电压实际值的模拟信号传递给控制电路进行处理；LK为平波电抗器，使直流侧电流变得连续平滑。4.2.2励磁电流形成电路在本系统中直流电动机处于恒励状态，即励磁电流是恒定的，用一个不可控整流桥可实现，选择合适的三相变压器就可以得到所需要的直流励磁电源。如图3。4丄3主回路的保护电路(l.)过压保护本装置选用的压敏电阻型号为TVR14681，其额定电压UlmA为680V,残压比UY/UlmA-1120V/50A,通流容量4500A。压敏电阻的接法如图4所示。(2)过流保护图2中的F1、F2、F3为快速熔断器，电流过大时可保护可控硅。可控硅过负荷能力较小，与可控硅有同样安培数的快速熔断器，可以在可控硅烧坏前熔断，而一般熔丝熔断时间较长，不能起到保护作用，所以可控硅要用快速熔断器保护。如果可控硅的额定电流较大，而负荷电流较小，并有短路电流限制装置，则可采用一般熔丝保护。本装置快速熔断器参数为500V/300A。(3)断相保护所谓断相保护是指依靠三相电路的一相导线中电流的消失而断开被保护设备或依靠多相系统的的一相或几相失压来防止将电源施加到被保护设备上的一种保护方式。本系统断相保护电路如图5所示。图中N和DX1分别为主回路变压器TM1的一次侧和二次侧中性点。若A、B、C三相正常时，N和DX1之间无电势差，整流桥VD无输出电流，继电器不动作；若出现断相情况，则N与DX1之间平衡被打破，整流桥将输出电流，使继电器动作，然后通过操作回路切断主回路电源，保护了系统装置的安全。4.3操作回路操作回路是用户和系统之间进行信息交互的电路，操作回路需要实现的功能有对主回路电源的合闸与分闸；对控制电路提供开机、停机、增速、减速信号；出现故障时进行报警和信号指示。操作回路如图6所示(l).合闸与分闸操作合闸与分闸的控制是通过交流接触器KM1来实现的，合闸控制电路如图6所示。图中1QA为自动开关，给操作回路提供操作电源，由图可知操作回路所选用的器件操作电源应该为220V的交流；D为控制箱内的合闸继电器的辅助接点；SB2为安装在操作屏上的本地合闸按钮，SB1作为远程控制时使用；KM1为交流接触器线圈，线圈通电后，主触头闭合，其辅助接点KM1自锁保持；HL1为安装在操作屏上的开机指示灯；Kl为分闸继电器的常闭开关。合闸的原理过程为按下合闸按钮SB2，交流接触器线圈KM1两端接通220V交流电压，其辅助接点KM1动作，指示灯HL1亮，主回路上面的开关闭合，实现了主回路的合闸操作，同时虚线框内KM1闭合使控制系统里开机信号(STA)变为有效(低电平)，从而使微机系统开机运行。由图6可知，只要D、SB1、SB2之一闭合一下就可以实现合闸，因此有三种方式可以实现合闸操作(1)通过控制箱内的软件控制继电器实现合闸(2)通过操作屏上面的按钮实现合闸(3)通过远方的按钮实现合闸。分闸控制原理同合闸差不多，它通过切断合闸操作回路的电源使KM1跳闸，从而断开了主回路的电源。图6中B为控制箱内分闸继电器常开辅助接点，由控制系统软件控制其开合，SB3为远方分闸按钮，SB4为操作屏上合闸按钮，K4为故障控制继电器的一个常开接点，按下按钮SB4，继电器Kl两端通电，其辅助接点都将发生动作，合闸电路中的K1常闭开关将跳开，使KM1跳闸，从而切断了主回路的电源，同时，分闸部分虚线框内的K1闭合使控制系统里面的关机信号(STO)变为有效(低电平)，微机运行停止。(2).增速与减速操作增速与减速的实现是通过给控制系统提供脉冲信号达到的。在操作屏和控制箱面板上都安装了增速和减速按钮，操作屏上的按钮信号通过光隔进入到DSP，而控制箱面板上的按钮信号所受干扰小，直接进入DSP。图6中SB6和SB7分别为远方的增速和减速按钮；SB5和SB8分别为操作屏上的增速和减速按钮，虚线框内为控制面板上的增速和减速按钮。3.保护与信号显示系统的故障主要有断相故障、过流、过速、失磁几个，故障发生的时候，由相关的保护电路控制继电器动作对操作回路进行控制。这部分电路主要包括出现故障时，分闸操作被执行；进行故障报警(故障信号灯、故障报警铃)；故障后能够进行故障复位。图6中Jl为断相保护继电器的辅助接点，A为过流、过速、失磁共用的保护继电器接点，它们都位于控制箱内；K4为故障控制继电器，HL3为故障指示灯，K5为故障恢复继电器，SB10为远方故障恢复按钮，SB9为操作屏上的故障恢复按钮，BELL为故障报警铃。当有故障发生时，继电器J1或者A闭合，从而使故障控制继电器K4上电，其所有辅助接点动作，指示灯HL3点亮，报警铃BELL报警，K4在分闸操作电路上的辅助接点闭合，执行分闸操作，切断主回路电源，保护了系统的安全。故障被清除以后，J1和A都处于断开状态，操作回路不能自动复位，需要通过复位按钮手动操作，即按SB9，使复位继电器K5动作，其常闭开关打开，从而K4恢复常态，操作回路得到复位。4.4数字控制部分原动机仿真系统，实质上是一个直接数字控制系统DDC(DirectDigitalControl),设计中用一单片机对被控现场的多个过程参数(电机转速、端电压Ud、电枢电流Id和励磁电流If)进行巡回检测，并将结果与给定值进行比较，再按照数学模型中的控制规律进行运算，然后输出相应的结果，去实现对整流模块的控制，从而最终完成对电机转速的闭环控制。系统通过AD对原动机的励磁电流、电枢电流和电枢电压进行采样；同时，接在电动机主轴上的电磁感应测速器产生的速度信号则直接进入了CPU的高速输入单元；系统获得了上述信号之后，按照用户设定的运行参数，进行一系统复杂的运算，最后所得将数字控制量通过DA转换输出到可控硅整流模块；系统的按键、开关量及用作保护的继电器接口则通过一片8255A拓展；为了方便用户，系统中设计了一个液晶显示模块和一个串行通讯接口；而程序运行监视和原动机运行参数掉电保护功能则通过了一片X25043来实现。4.4.1CPU及存储器该仿真系统的数字控制部分以Intel公司生产的新一代16位单片机80C196KC作为控制核心，晶振频率为12M，对应的指令周期为1.33us。80C196KC能够对CPU内的512字节寄存器直接操作，有很高的操作速度了数据吞吐能力。此外，80C196KC具有外设事务服务器，能有效处理中断事务。外设事务服务器PTS(PeripheralTransactionServe)对中断能提供一种类似直接存储器访问DMA(DirectMemoryAccess)的响应，CPU的开销比一般的中断响应要少的多。由于80C196KC单片机没有片内ROM,本身提供的存储单元十分有限，而控制系统需要处理大量的数据，同时程序也要占用存储空间，因此，需要对存储器进行扩展。系统采用了一片6264(8K)作为系统的数据存储器；因为液晶显示程序中用到的汉字和英文字符的字模所占存储器空间很大(一个汉字[12]为32x32、128字节，而一个数字或英文为16x32、64字节)，所以系统采用了一片27512(64K)做程序存储器，但由于程序需要及地址分配的原因，实际系统只用到了该程序存储器32K的地址空间(2000H9FFFH)。4.4.2模拟信号通道仿真系统中共有三路模拟信号(电枢电压Ud、电枢电流Id、励磁电流If)需要检测，以用于实时控制、保护和监视。为了使三路模拟信号共用一片AD，增加了一个多路开关CD4051。CD4051是一个八选一的数据选择器，其控制脚A、B分别接在了CPU的HSO.O、HSO.l端，C脚则接地；而三路模拟信号则分接在了CHO、CH1和CH2，其余通道接地；这样，通过CPU的控制即可选择把需要的信号选通，送入A/D转换芯片。80C196KC片内有4通道的8位或10位数模转换器，对于一般设计可直接采用片内A/D。但是，片内A/D输入电压为05伏，且最高只有10位，为了提高系统的运算精度，系统采用了一片高速的12位A/D转换芯片AD1674，采用了单极+10V输入的接法。AD1674片内有内部采样保持器(SHA)，无需再外接采样保持器，其转换时间仅为10us，而且内含三态缓冲器和锁存器，采样精确快捷，因而可简化电路设计和提高系统可靠性。计算机对各输入数据进行处理，最后得到原动机的输出功率Pm(K)，去控制可控硅整流电路的输出电压。本装置选用了一片12位的D/A转换器AD7245来实现输出功率Pm(K)由数字量到模拟量的转化。为了保证输出电压的稳定，在AD7245之后，可控硅整流电路之前，采用了一片OP07对D/A输出进行跟随和反相，增强其驱动能力，并将D/A转换输出的05V电压转变为对应可控硅整流电路所需要的0一5V输入电压。4.4.3实时转速测量为了保证对电动机转速测量的实时性和准确性，系统通过一个分辨率为180脉冲/转的电磁感应测速器获得电动机的速度反馈，电动机每转过一圈，接在原动机主轴上的电磁感应测速器就能产生180个幅值为+15V的方波信号，信号经过光耦与数字系统隔离，再经过施密特触发器整形后输入到CPU的高速输入器HSI，高速输入器HSI用于记录某一外部事件发生的时间。通过对CPU高速输入单元HSI进行编程，分别将相邻两次脉冲发生的时刻读取出来并相减，就能方便的知道此时速度信号的周期，再通过一系列的数学运算即可获得原动机的实时速度4.4.4并口的扩展当微机系统扩大时，经常需要对I/0进行扩展，使用了一块8255A并行接口芯片对系统的I/O进行扩展。8255A有PA、PB和PC三个可编程的8位I/O接口，为DIP40封装。使用了PA口来实现按键和开关量的输入，PB口则用作了继电保护信号的输出，而PC口则能在必要的时候对系统的其它外设进行复位。8255A有三种基本工作方式方式0，基本输入/输出方式；方式l，选通输入/输出方式；方式2，双向数据传送方式。根据系统要求，将8255A的工作方式设置为0，PA口输入，PB、PC口输出，对照8255A的控制字的含意，其控制字为10010001B，即91H。4.4.5看门狗电路及数据掉电保护为了保证在系统的正常工作，就必须对CPU的运行进行监控，避免死机、程序跑飞或进入死循环。为此，选用X25043作为系统的看门狗，在系统失控时能发出复位信号，使系统摆脱故障状态。X25043采用的是SPI接口，由于80C196KC没有SPI接口，所以使用CPU的Pl口来模拟SPI接口对看门狗进行编程。此外，X25043内含512字节的EEPROM，可以满足一万次的数据擦写，至少十年的数据保存期。所以，将其用作系统掉电后各参数的保存，使电动机运行参数一经整定后，就能自动记忆和保存而无需每次开机都要重复整定。4.4.6R485串行通讯接口与液晶显示器本系统还设计了一个R485串行通讯接口，用来与PC机或者与监控连接，系统通过串行口接受上位机的各种命令，或者将控制系统的各种运行状态、运行参数等信息上传到PC机，供运行人员监控使用。此外，为了给用户一个良好的人机界面，方便用户操作，系统还采用了一块分辨率为320x240的液晶显示器，通过8位数据线与80KC196C单片机相联，其显示的字符采用大字体(汉字为32x32，英文为16x32)，使用户能更直观地进行原动机运行参数调整和获取运行数据。本装置具有的有益效果(1)采取磁感应转速传感器，提高了转速测量精度和系统的稳定性。(2)新增电源断相保护功能，所有保护动作值可通过面板按键(修改程序)灵活设置，无误动、拒动。(3)具有LCD液晶中文数据实时显示、计算机远程通信以及故障声光自动报警功能。权利要求1.一种发电机原动系统动态仿真的装置，其特征在于，包括微处理器、用于与传感器连接的检测电路、用于与发电机连接的输出电路和显示器；所述的检测电路、输出电路和显示器均与微处理器连接。2.根据权利要求1所述的发电机原动系统动态仿真的装置，其特征在于，还包括通信电路，该通信电路与上位机通信连接。3.根据权利要求2所述的发电机原动系统动态仿真的装置，其特征在于，所述的通信电路采用R485通信电路。4.根据权利要求13任一项所述的发电机原动系统动态仿真的装置，其特征在于，所述的输出电路为整流输出电路；所述的检测电路采集电枢电流、电枢电压、励磁电流以及转速数据；所述的显示器采用LCD显示器。专利摘要本实用新型公开了一种发电机原动系统动态仿真的装置，其特征在于，包括微处理器、用于与传感器连接的检测电路、用于与发电机连接的输出电路和显示器；所述的检测电路、输出电路和显示器均与微处理器连接。还包括通信电路，该通信电路与上位机通信连接。本装置能能直观显示各种数据参数并且能与上位机通信。文档编号H02P9/00GK201303308SQ20082015929公开日2009年9月2日申请日期2008年11月19日优先权日2008年11月19日发明者刘觉民,周冰航,杜宗林,锋楚,王镇道,兢章,蒲玉兴,谭立新,雄陈,陈明照,鲁文军申请人:湖南大学