专利名称：基于dsp的同步发电机模拟励磁系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力系统及其自动化技术领域，涉及一种基于DSP的同步发电机模拟励磁系统。
背景技术：
同步发电机模拟励磁系统是电力系统动态模拟的重要设备之一，主要应用于科研院和电力自动化设备生产企业的科学研究，电力新技术新设备的研发和电力产品检验和测量，以及高等院校的科研和实验教学。由于经济性和安全性的原因，电力系统的故障试验一般不在实际电力系统而在电力系统动态模拟实验室进行。同步发电机原模拟励磁系统，是电力系统动态模拟的重要设备之一，对于研究电力系统中的大干扰问题和机电暂态过程，具有不可忽略的作用。目前模拟励磁系统的研究还落后于励磁系统，虽然有全数字控制的模拟励磁系统产品，但仍存在着如下几个问题(1)控制核心采用196单片机，与专用电机控制芯片TMS320F2812DSP相比数据处理速度、精度、片内集成的专业外设等差距很大。(2)人机界面差，采用数码管和指示灯来显示参数和状态，与大屏幕IXD显示器相比人机界面不够友好。(3)与上位机通信系统采用的是RS232接口，传输速度小，距离短，抗干扰能力差。(4)模拟发电机的控制方式少，保护限制功能不够完善，没有模拟发电机运行过程中所出现的许多故障问题，比如发电机断线、励磁变断线失磁等。因此，有必要对现有的模拟励磁系统进行改造设计。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提出一种基于DSP的同步发电机模拟励磁系统，该基于DSP的同步发电机模拟励磁系统性价比高、易于实施、具有很高的实用价值。本实用新型的技术解决方案如下一种基于DSP的同步发电机模拟励磁系统，三相整流桥的直流侧和负阻器均串接到同步发电机的励磁回路中；DSP的PWM端口通过脉冲驱动电路与三相整流桥的触发端相接；同步发电机端电压信号、同步发电机端电流信号、励磁电压信号、励磁电流信号均接入到DSP的AD输入端口，电压同步信号接DSP的CAP输入端。DSP通过串行通信接口与上位机通信连接。DSP与IXD显示器相接。三相整流桥为三相全控整流桥，电压同步信号为同步发电机端电压信号经过零比较器后输出的信号，用于跟踪电压过零点。有益效果[0017]本实用新型的基于DSP的同步发电机模拟励磁系统，以32位的高速专用DSP芯片 TM3202812为控制核心，在DSP芯片中，可以采用免疫算法对控制参数进行优化整定；而且在模拟励磁系统中加入了功角测量功能。利用DSP的高速数据处理能力，在不增加硬件，只利用实时、精确的采样据，实现了功角的精确计算，可以显著提供同步发电机模拟励磁系统的控制精度。本系统采用 RS-485通信接口与上位机通信，比现有RS-232通信速度和距离都有很大提高；采用大屏幕 LCD显示器，比现有LED数码管和指示灯，有更好的人机界面，并用单片机实现了 DSP与LCD 屏间的串并行转换，增加了传输的可靠性。使用户能直观的进行参数调整等操作。
图1是同步发电机模拟励磁系统的主回路示意图；图2是同步发电机模拟励磁系统的总体电路框图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明实施例1 如图1和图2所示，一种基于DSP的同步发电机模拟励磁系统，三相整流桥的直流侧和负阻器均串接到同步发电机的励磁回路中；DSP的PWM端口通过脉冲驱动电路与三相整流桥的触发端相接；同步发电机端电压信号、同步发电机端电流信号、励磁电压信号、励磁电流信号均接入到DSP的AD输入端口，电压同步信号接DSP的CAP输入端。DSP通过串行通信接口与上位机通信连接。DSP与IXD显示器相接。脉冲驱动电路为现有的常用电路。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。同步发电机模拟励磁系统的主回路的设计思想是励磁调节器从模拟同步发电机采集所需信号，控制励磁功率单元的输出即控制模拟同步发电机的励磁电流，负阻器串接在励磁绕组回路中，增大励磁绕组时间常数。本励磁系统是对15KVA机组设计的，励磁电流为3. 5A，励磁电压为200V。机励磁系统功率输出部分采用三相全控桥整流电路。三相全控桥式整流电路，其移相角度为15-150度，接有灭磁回路或采用逆变灭磁。全控桥逆变灭磁是将磁场储能从直流侧反送回交流侧。控制角由移相触发脉冲来控制。当触发角在0到π/2时，整流电路处于整流状态；当触发角大于η /2小于π，整流电路处于逆变状态。数字式励磁调节器包括电源模块，看门狗模块，存储扩展模块，信号采集模块，同步测频模块，与上位机通信模块，按键输入模块，继电保护与开关量输出模块，LCD显示模块，PWM输出隔离放大模块。系统的工作原理是发电机的机端电压、机端电流、励磁电压、励磁电流等采样信号，经过信号的隔离与变换转换成0 3V信号送入TMS320F2812的ADC模块。DSP根据控制参数、工作方式、保护限制条件对采样结果进行运算处理，根据运算结果控制PWM触发脉冲角度，同时将信息送给LCD显示。PWM信号经脉冲放大模块，输出后直接驱动可控硅的触发极，控制励磁电流大小，从而调节机端电压。同时，故障监测模块实时监测系统的输入和输出。当监测到故障发生时，立即以中断方式通知DSP，让DSP快速处理故障事件。另外， TMS320F2812通过RS485通信模块与上位机进行通信，交换数据。DSP系统基本硬件设计TMS320F2812是TI公司推出的专门用于电机及其它运动控制的DSP芯片，器件上集成了多种先进的外设。同时代码指令与系列数字信号处理器完全兼容，从而保证了项目或产品设计的可延续性。与系列数字信号处理器相比，系列数字信号处理器提高了运算的精度(32位)和系统的处理能力(达到150MIPS)。该系列数字信号处理器还集成了 U8KB的Flash存储器，4KB的引导ROM，数学运算表以及2KB的0TPR0M，从而大大的改善了应用的灵活性。1 位的密码保护机制有效地保护了产品的知识产权。两个事件管理模块为电机和功率变换控制提供了良好的控制功能。16通道高性能12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样。TMS320F2812的I/O工作电压是3. 3V，因此，其I/O电平也是3. 3V逻辑电平。在设计DSP系统时，除了 DSP芯片外，必须设计DSP芯片与其他外围芯片的接口，如果外围芯片的工作电压也是3. 3V，那么就可以直接连接。本控制系统尽量采用工作电压为3. 3V的外围芯片，以使电路简化。本数字信号处理系统采用的看门狗芯片为)(5163，带SPI接口 16Kb E2PR0M的CPU 监视器。把看门狗定时器、工作电压监控和E2PR0M三种功能组合在一个封装内，并采用三线总线工作的串行外设接口(SPI)和软件协议，降低了系统成本，提高了系统的工作可靠性，非常适合于需现场修改数据的场合，可广泛应用于仪器仪表、工业自动控制等领域。在应用中，对存储阵列的读写、看门狗定时器的设置则需通过芯片要求的指令来完成。X5163的串行输入输出口与TMS320F2812的串行外设接口(SPI)相接，采用SPI时钟输入，DSP的GPI0B3 (PWMlO)作为片选控制脚，复位信号输出脚接DSP的复位脚，当程序跑飞或死机状态时，X5163发出低电平，让DSP复位，系统重新启动。程序初次运行时，初始化X5163，DSP的GPI0B3(P丽10)脚置低，选中)(5163，在SPICLK时序配合下，控制命令与数据通过SI写入)(5163。设置看门狗定时器，同时将需要保存的数据写入)(5163保存。当程序再次运行时，数据从SO 口读入DSP，这样完成了对数据的保存。当设置的定时值到时，程序若不能复位，则)(5163的RST发出低电平，使TMS320F2812复位，系统重新启动。DSP与上位机通讯电路对励磁控制装置而言，与PC机通讯主要需要实现的功能如下(1)将励磁装置的各种运行参数，上传PC，利用PC丰富的软硬件资源，实现形象的显不；(2)通过PC上的应用软件，对各种运行参数进行修改，然后传送到励磁控制装置中。如果不需要实时采集数据的话，励磁控制装置对与PC通讯的实时性要求并不高，传输的数据量也并不大。负阻器箱设计发电机的励磁绕组可以看作是电感L与电阻R的串联，其时间常数『=#。在电力系统动态模拟实验室中，模拟机组是按物理相似原理进行设计制造的。而其中机组惯性时间常数&的模拟使模拟同步机组转子结构受到限制，其励磁绕组的时间常数大多小于电力系统中原型发电机的励磁绕组的时间常数，特别是满足大型电机&和转子绕组电阻1>的模拟要求是互相矛盾的。当要求&愈小时，转子绕组电阻的模拟愈困难，(例如同步补偿机，其 Hj特小)。在保证其它电气参数相似的情况下，模型电机转子电阻一般总要比原型电机要求的大数倍。为了保证模拟机组和原型机组参数相似的要求，必须对其励磁回路的电阻进行补偿。一般模型电机之励磁绕组时间常数Td。大约为2秒左右，而大型发电机组之Td。为 5 13秒。在电力系统的动态模拟实验室中，必须串接负电阻来增加时间常数。用负阻器时间常数补偿前，应首先经过调零和负阻整定，然后才能保证得到所需的负阻特性。负阻器工作于“调零“、“整定“与”补偿“位置时，应打开工作电源开关。调零方法调节“调零”电位器，测量负阻器两端电压(RIR0间电压)，使电压为零即可。一般第一次调零调好之后，不需要进行下次调整。整定方法外接试验电源注意正负极接入+，_插孔，“工作状态转换开关”置“整定”位置，调节外加试验电源的电压由零逐渐增加，读取负阻器两端电压与流过负阻器的电流，并计算出负电阻值(负阻器两端电压除电流)，调节负阻“整定”电位器使比值等于所需数值即可。 在本实施例中，外接试验电源容量为30V/3A，在流过负阻器的电流等于IA时的负阻器两端电压的数值即等于负电阻的阻值，负阻器整定完成。
权利要求1.一种基于DSP的同步发电机模拟励磁系统，其特征在于，三相整流桥的直流侧和负阻器均串接到同步发电机的励磁回路中；DSP的PWM端口通过脉冲驱动电路与三相整流桥的触发端相接；同步发电机端电压信号、同步发电机端电流信号、励磁电压信号、励磁电流信号均接入到DSP的AD输入端口，电压同步信号接DSP的CAP输入端。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的同步发电机模拟励磁系统，其特征在于，DSP通过串行通信接口与上位机通信连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于DSP的同步发电机模拟励磁系统，其特征在于，DSP 与IXD显示器相接。
专利摘要本实用新型公开了一种基于DSP的同步发电机模拟励磁系统，其特征在于，三相整流桥的直流侧和负阻器均串接到同步发电机的励磁回路中；DSP的PWM端口通过脉冲驱动电路与三相整流桥的触发端相接；同步发电机端电压信号、同步发电机端电流信号、励磁电压信号、励磁电流信号均接入到DSP的AD输入端口，电压同步信号接DSP的CAP输入端。该基于DSP的同步发电机模拟励磁系统性价比高、易于实施、具有很高的实用价值。
文档编号H02P9/14GK201966860SQ201020657899
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者付义, 刘振兴, 刘觉民, 向增, 周冰航, 姜武强, 李亚萍, 祖映翔, 秦攀, 章兢, 陈明照, 鲁文军 申请人:湖南大学