一种高油压微机调速器的制作方法

本发明涉及调速器技术领域，具体而言，涉及一种高油压微机调速器。

背景技术：

水轮机调节系统主要是由水轮机高油压微机调速器和调节对象共同组成。高油压微机调速器通常由测量、比较、放大、执行和反馈等元件组成，调节对象包括引水系统、水轮机、发电机组及所并入的电网。机组的频率信号被调节参数送到测量元件，测量元件把频率信号转换为位移或电压信号，然后与给定信号综合确定频率偏差及偏差的方向并根据偏差情况按一定的调节规律发出调节命令，调节命令被放大后送到执行元件去推动导水机构动作，反馈元件又把导叶开度变化的信息返回加法器。

其中，测量元件一般包括单独的限幅电路和放大电路，以及测频电路，限幅电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接测频电路。传统的放大电路一般采用运算放大器，由于运算放大器的输出具有摆动特性，容易导致测得的频率信号失真，进而影响调节水轮机转速的效果。

技术实现要素：

本发明解决的问题是：传统微机调速器中测量元件采用的放大电路易导致测得的频率信号失真，影响调节水轮机转速的效果。

为解决上述问题，本发明提出一种高油压微机调速器，包括微机调节器、电/机转换装置和机械液压系统，所述微机调节器经所述电/机转换装置与所述机械液压系统相连，所述微机调节器包括限幅放大模块、测频模块和plc模块；所述限幅放大模块包括运算放大器u1、电阻r1、反馈电阻、二极管d1和二极管d2，运算放大器u1的同相输入端接电源，反相输入端经电阻r1接入水轮机发电机组的频率信号，运算放大器u1的输出端与所述测频模块的输入端相连，运算放大器u1反相输入端、电阻r1的公共端经所述反馈电阻与运算放大器u1的输出端相连，二极管d1与二极管d2反向并联后再与所述反馈电阻并联；所述测频模块的输出端与所述plc模块相连，所述测频模块用于将所述限幅放大模块输出的信号转化为方波信号并根据所述方波信号获取水轮机发电机组的频率。

可选的，所述反馈电阻包括电阻r2和电位器k1，电阻r2与电位器k1串联，运算放大器u1反相输入端、电阻r1的公共端依次经电阻r2、电位器k1与运算放大器u1的输出端相连。

可选的，所述测频模块包括比较器u2、电阻r3和测频电路，运算放大器u1的输出端与比较器u2的同相输入端相连，比较器u2的反相输入端接入参考电压，比较器u2的输出端经电阻r3与比较器u2的同相输入端相连，比较器u2的输出端还经所述测频电路与plc模块相连，所述测频电路用于根据比较器u2的输出信号获取水轮机发电机组的频率。

可选的，所述测频模块还包括电阻r4和电阻r5，参考电压源依次经电阻r4、电阻r5接地，电阻r4、电阻r5的公共端与比较器u2的反相输入端相连。

可选的，所述限幅放大模块还包括电容c1和电阻r6，运算放大器u1的输出端还依次经电容c1、电阻r6接地。

可选的，所述测频电路包括89c52单片机、74fs14芯片和74fs74芯片，比较器u2的输出端经74fs14芯片与74fs74芯片的clk引脚相连，74fs74芯片的q引脚与89c52单片机相连，74fs74芯片q引脚输出的信号输入89c52单片机的t2定时器。

可选的，所述测频电路包括晶振电路、74ls160芯片、74ls293芯片、74ls14芯片、74ls393芯片、74ls08芯片以及74ls07芯片，晶振电路输出的时钟信号依次经74ls160芯片、74ls293芯片分频后产生计数时钟信号，比较器u2的输出信号经74ls14芯片和74ls393芯片处理后分别得到正相整形波和反相整形波，所述正相整形波和所述反相整形波经74ls08芯片分别与所述计数时钟信号相与后，分别输入所述plc模块的两个高速计数器。

相对于现有技术，本发明所述的高油压微机调速器具有以下优势：

(1)本发明所述的高油压微机调速器中，运算放大器u1、电阻r1、反馈电阻构成了反相放大电路，二极管d1和二极管d2起到了双向限幅的作用，从而运算放大器u1输出的摆动幅度就不会超过二极管的导通电压，从而限制了运算放大器u1输出的摆动幅度，从而避免了发电机组频率信号的失真，以便保证调节水轮机转速的效果；

(2)在运算放大器u1、电阻r1、反馈电阻构成的反相放大电路中，在反相放大电路的输入信号微弱时，反相放大电路仍然具有良好的线性放大特性，进一步避免了发电机组频率信号的失真。

附图说明

图1为本发明实施例所述的高油压微机调速器的结构框图；

图2为本发明实施例所述的微机调节器的结构框图；

图3为本发明实施例所述的测频电路的电路图；

图4为本发明实施例所述的测频电路的另一电路图。

附图标记说明：

10-限幅放大模块；20-测频模块；201-测频电路。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，其为本实施例中高油压微机调速器的结构框图，所述高油压微机调速器包括微机调节器、电/机转换装置和机械液压系统，微机调节器经电/机转换装置与机械液压系统相连，如图2所示，所述微机调节器包括限幅放大模块10、测频模块20和plc模块；所述限幅放大模块10包括运算放大器u1、电阻r1、反馈电阻、二极管d1和二极管d2，运算放大器u1的同相输入端接电源，反相输入端经电阻r1接入水轮机发电机组的频率信号，运算放大器u1的输出端与所述测频模块20的输入端相连，运算放大器u1反相输入端、电阻r1的公共端经所述反馈电阻与运算放大器u1的输出端相连，二极管d1与二极管d2反向并联后再与所述反馈电阻并联；所述测频模块20的输出端与所述plc模块相连，所述测频模块20用于将所述限幅放大模块10输出的信号转化为方波信号并根据所述方波信号获取水轮机发电机组的频率。

其中，水轮机发电机组的频率包括机组频率和电网频率。二极管d1与二极管d2反向并联指的是：对于电阻r1的一端，若二极管d1的阳极与电阻r1的此端相连，则二极管d2的阴极与电阻r1的此端相连；若二极管d1的阴极与电阻r1的此端相连，则二极管d2的阳极与电阻r1的此端相连。

其中，电/机转换装置用于将电气或数字信号转换成机械液压信号以及将机械液压信号转换成电气或数字信号。一般的，plc模块内集成了cpu、ad转换模块、da转换模块、模拟量输入/输出通道以及数字量输入/输出通道。

本实施例中，水轮机发电机组的频率信号经限幅放大模块10处理后，被测频模块20转化为方波信号并获取水轮机发电机组的频率，plc模块的cpu将发电机组的频率与给定信号进行pid运算后，通过da转换模块发出发电机组导叶开度的调节指令，调节指令经电/机转换装置转换后发送给机械液压系统的执行结构，通过推动机械液压系统的导水机构，反馈元件又把导叶开度的变化信息通过ad转换模块送回到plc模块的cpu，以保证偏差较小时不会过多地改变导叶开度，从而避免导叶动作过多而引起过调。

本实施例中，运算放大器u1、电阻r1、反馈电阻构成了反相放大电路，二极管d1和二极管d2起到了双向限幅的作用，从而运算放大器u1输出的摆动幅度就不会超过二极管的导通电压，从而限制了运算放大器u1输出的摆动幅度，从而避免了发电机组频率信号的失真，以便保证调节水轮机转速的效果。同时，在反相放大电路的输入信号微弱时，反相放大电路仍然具有良好的线性放大特性。

本实施例优选plc模块为s7-200系列plc模块。

可选的，如图2所示，反馈电阻包括电阻r2和电位器k1，电阻r2与电位器k1串联，运算放大器u1反相输入端、电阻r1的公共端依次经电阻r2、电位器k1与运算放大器u1的输出端相连。这样可通过改变电位器k1的阻值以改变限幅放大模块10的放大倍数，使得本实施例中的限幅放大模块10的放大倍数可调。

可选的，如图2所示，所述测频模块20包括比较器u2、电阻r3和测频电路201，运算放大器u1的输出端与比较器u2的同相输入端相连，比较器u2的反相输入端接入参考电压，比较器u2的输出端经电阻r3与比较器u2的同相输入端相连，比较器u2的输出端还经所述测频电路201与plc模块相连，所述测频电路201用于根据比较器u2的输出信号获取水轮机发电机组的频率。

其中，比较器u2的同相输入端为测频模块20的输入端。比较器u2、电阻r3构成的正反馈电路用于将运算放大器u1输出的信号放大整形为方波信号，所述测频电路201根据所述方波信号获取水轮机发电机组的频率。这样可通过上述电路将限幅放大模块10输出的信号转化为方波信号并根据所述方波信号获取水轮机发电机组的频率。

可选的，如图2所示，所述测频模块20还包括电阻r4和电阻r5，参考电压源依次经电阻r4、电阻r5接地，电阻r4、电阻r5的公共端与比较器u2的反相输入端相连。电阻r4、电阻r5以及参考电压源构成了参考电压电路，用于提供比较器u2反相输入端所需的参考电压。

可选的，如图2所示，所述限幅放大模块10还包括电容c1和电阻r6，运算放大器u1的输出端还依次经电容c1、电阻r6接地。

本实施例中，首先通过二极管d1和二极管d2的限幅作用限制了运算放大器u1输出的摆动幅度，而电容c1、电阻r6组成了高次谐波抑制电路，可以进一步防止电路的振荡，进一步避免频率信号的失真。

可选的，如图3所示，所述测频电路201包括89c52单片机、74fs14芯片和74fs74芯片，比较器u2的输出端经74fs14芯片与74fs74芯片的clk引脚相连，74fs74芯片的q引脚与89c52单片机相连，74fs74芯片q引脚输出的信号输入89c52单片机的t2定时器。

发电组的机组频率和电网频率的测量一般采用测周法，将被测信号转换为方波后直接将该方波或分频后的方波信号作为开门信号，控制高频计数脉冲，然后用计数器对若干个被测信号整周期内的高频脉冲计数。设高频计数脉冲的频率为f0，测量时间对应于被测信号的m个周期，高频脉冲的计数值为n，则被测信号的频率为

f＝f0*m/n(hz)

本实施例中，比较器u2输出的方波信号经施密特触发器整形和二分频后，信号送给89c52单片机的t2定时器，t2定时器具有俘获功能，当信号负跳变时，t2寄存器的值th2、tl2被俘获进各自的寄存器rcap2h、rcap2l。根据精度选择合适的m，由上述公式可求出机组频率和电网频率。

这样本实施例可通过单片机及施密特触发器构成的测频电路201获取发电机组的频率；且传统的测频单元一般有通过专用的plc高速计数模块测频，由于高速计数模块的价格昂贵，对于微机调速器，特别是中小型微机调速器而言，成本难以控制，本实施例通过单片机测频，可极大的降低成本。

可选的，如图4所示，所述测频电路201包括晶振电路、74ls160芯片、74ls293芯片、74ls14芯片、74ls393芯片、74ls08芯片以及74ls07芯片，晶振电路输出的时钟信号依次经74ls160芯片、74ls293芯片分频后产生计数时钟信号，比较器u2的输出信号经74ls14芯片和74ls393芯片处理后分别得到正相整形波和反相整形波，所述正相整形波和所述反相整形波经74ls08芯片分别与所述计数时钟信号相与后，分别输入所述plc模块的两个高速计数器。

其中，晶振电路为常见的电路，其具体电路结构在此不再赘述。

其中，比较器u2的输出端与74ls14芯片的1号引脚相连，74ls14芯片的4号引脚、6号引脚、8号引脚分别与74ls393芯片的1号引脚、74ls08芯片的4号引脚、74ls08芯片的9号引脚一一对应相连，74ls14芯片的5号引脚分别与74ls393芯片的4号引脚、74ls08芯片的1号引脚相连，74ls14芯片的9号引脚分别与74ls393芯片的9号引脚、74ls08芯片的12号引脚相连。74ls393芯片的5号引脚与其13号引脚相连。晶振电路的输出端与74ls160芯片的clk引脚相连，74ls160芯片的tc引脚与74ls293芯片的clk引脚相连，74ls293芯片的q2引脚与74ls08芯片的2号引脚相连，4ls08芯片的2号引脚还分别与其自己的5号/10号/13号引脚相连，74ls08芯片的3号引脚与74ls07芯片的1号引脚相连，74ls08芯片的6号引脚与74ls07芯片的3号引脚相连，74ls08芯片的8号引脚与74ls07芯片的10号引脚相连，74ls08芯片的11号引脚与74ls07芯片的7号引脚相连，74ls08芯片的12号引脚还与74ls07芯片的12号引脚相连。74ls07芯片的2号、4号、6号、9号、11号、13号引脚分别经电阻接24v直流电源，74ls07芯片的2号、4号、6号、9号、11号、13号引脚还分别与s7-200系列plc模块的i0.1引脚、i0.4引脚、i0.0引脚、i0.2脚、i0.6引脚、i1.2引脚一一对应相连。

本实施例中，对于机组频率，计数时钟信号分别与机频整形方波的8分频信号及其反相信号相与后得到两路分别对应方波正半周和负半周的脉冲序列，这两路脉冲序列作为计数信号分别从i0.1引脚和i0.4引脚输入s7-200模块的cpu，由s7-200模块内部的高速计数器hsc3和hcs5分别进行计数，该机频整形方波8分频信号的下降沿作为hsc3中断信号从i0.0引脚输入，中断号为1；上升沿作为hsc5中断信号从i0.0引脚输入，中断号为0。hsc3和hsc5工作模式都为mode0，交替获得计数值。对于电网频率，计数脉冲信号分别与机频整形方波的64分频信号及其反相信号相与后同样得到两路脉冲序列，这两路脉冲序列作为计数信号分别从i0.6引脚和i1.2引脚输入s7-200的模块cpu，由高速计数器hsc1和hsc2分别进行计数，该机频整形方波64分频信号的下降沿作为hsc1中断源信号，从i0.2引脚输入，中断号为5；上升沿作为hsc2中断信号从i0.2引脚输入，中断号为4。hsc和hsc2工作模式都为mode0，交替获得计数值。

这样本实施例可plc高速计数模块获取发电机组的频率；且与单片机测频相比，由于单片机测频的硬件电路是用户自己设计的电路，在生产工艺、元器件选择、可靠性等方面难免存在一些不足，通过plc高速计数模块测频的方式可提高频率测量的可靠性。

机组频率测量时产生误差的原因主要在于从收到中断信号到用户程序响应中断这段随机时间，虽然这段时间极短但它的存在足以影响测频的稳定性。本实施例中，机频整形后的方波分频信号作为中断信号，此分频方波信号正相及其反相分别和计数脉冲信号相与获得计数信号，两路计数信号分别输入到各自对应的高速计数器hsc计数输入端，由各自对应的hsc独立计数，从而获得每个测量周期的计数值，经过这种处理，一旦有中断信号沿出现，正在进行计数的高速计数器马上停止计数，从而消除了从中断信号产生到响应中断这段时间内的计数误差。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。