专利名称：一种中小型发电机励磁综合控制器的制作方法
技术领域：
一种中小型发电机励磁综合控制器
技米领域
本实用新型涉及发电机组综合控制器，尤其是涉及中小型发电机励磁综合控制装置。
背景技术：
根据调研和文献检索，目前国外发电机组自动控制系统主要采用"集成型"控制 系统，"集成型"是基于可编程控制器(PLC)的功能分布的一种通用模式，其控制系 统多数采用AD转换器加DSP高速通讯芯片技术，其技术成熟，但由于其价格比较高， 在发展中国家推广有较大难度。我国大型发电机组的自动控制系统也基本上是采用"集 成型"控制系统， 一些科研院所和高校研究的多变量的线性、非线性最优综合控制器也 都属"集成型"控制系统，如中国专利局2006年12月20日公开的专利号为 200520123919.6"基于DSP芯片发电机励磁控制器的USB通讯装置"，该专利公开了 一 种基于DSP芯片的发电机励磁控制器USB通讯装置，其特征在于它是基于高性能控制 芯片TMS320F2812作为核心处理器，灵活方便的CH375作为USB通讯控制芯片，上 位机功能完善丰富的应用软件作为其人机界面。该专利技术的优越性和技术效果在于利 用高性能数字信号处理芯片实现各种复杂的发电机励磁控制规律，提高励磁系统的精度 和速度，并通过灵活的USB接口和上位机功能完备的应用软件，实现丰富的通讯功能， 包括实现无遗漏的连续记录发电机中因各种断路故障而造成的系统振荡，系统频率突 变以及系统动态过程的电流和电压变化；通过分析软件分析实时的电压电流曲线可以直 接得出现有的工作状态的可靠性报告。但是，由于其采用线性、非线性复杂的计算程序, 电路复杂，造价高，对于中小型水力发电机组不大适用。目前我国中小型发电站的励磁、 周期、转速、调速器、及水位控制都是各自独立构成的一套独立系统的独立设备，还没 有真正的综合控制装置，现有的励磁调节、调速器、准周期装置及其它装置都是分立设 置，不但设备分散，接线复杂，体积大，元器件多，成本高，同时不便进行协调控制， 不能达到最佳运行状态。
我国的水力资源丰富，数以万计的中小水电站遍布全国各地乡村，中小水电站的 大力发展使我国几百个县实现了农村电气化。但中小水电站绝大多数都是处在偏避的山丘地带，十分需要远程自动化监控系统。而由于客观原因，我国中小水电站的运行管理 人员的文化水平和技术水平一般都比较低，难以接受其操作和维护都相对比较复杂的自 动化综合控制系统。我们认为，我国中小型水电站的综合自动化，重点不在于高性能， 也不在于片面追求功能完善化；其重点应在于实现其基本的控制、操作、和保护的功能 以及运行的安全和可靠性，也就是说关健是要确保其励磁调节，调速、机组保护、机组 自动化控制以及其机组运行的可靠性和安全性。这也正是本专利申请技术当初研究的出 发点和落脚点。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用于中小型水电站并能实现发电机 的励磁调节，调速、故障判断和报警、通讯以及数字显示等功能的中小型发电机励磁综 合控制装置。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为
一种中小型发电机励磁综合控制器，含有单片机、液晶显示屏、ADE7758芯片，数 据采样电路单元、开关输入电路单元、按鍵电路单元、开关输出电路单元，可控硅三相 触发电路、励磁电流、励磁电压测量电路单元、通讯串口和设置值存贮电路单元；其数 据采样电路单元含有三相电压互感器电路和电流互感器电路，并与ADE7758芯片相连， ADE7758芯片与单片机连接，按鍵电路单元、开关输入电路单元和开关输出电路单元 分别与单片机相连，可控硅三相触发电路，励磁电流、励磁电压测量电路单元、通讯串 口联接电路单元与单片机电连接。
本实用新型还具有如下特征
数据采样电路单元，由发电机组的三相电压互感器PT、电流互感器CT输入至接线 端，本装置电路中设置了一组三相精密小电压互感器PT和三相精密小电流互感器CT进 行电路电磁隔离和参数变换，变换后的参数输入电量计ADE7758芯片，按设定的设置值, 经该芯片内部程序运算后,由SPI接口与单片机通讯。将电能、电压、电流、频率和各相 电压过零点以中断的方式传送给单片机。单片机据此计算出有功功率、无功功率、功率 因数、触发角等各种电参数。
开关输入电路单元，是由电阻、发光二极管、光电耦合器连接的八个相同电路组成; 开入电路闭合后，电压通过电阻，发光二极管，光电耦合器导通，光电耦合器A脚电位 变零，信号输入单片机处理。
开关输出电路单元，是由的继电器、三极管、光电耦合器分别组成六个相同电路； 低电平信号由单片机端口输出，经光电耦合器，三极管导通，继电器吸合，用于控制加 减有功功率，报警信号，飞車制动等。
通讯串口和设置值存贮电路单元，是由RS485通讯接口电路和E2ROM电量、设置值 存贮电路组成；信号通过单片机的串口和光电耦合器输入单片机。
可控硅三相触发电路，含有光电耦合器、可控硅电路、脉冲变压器主要元器件；单
片机根据采集到的各种电量计算出触发角，通过控制脉冲变压器触发三相可控硅完成励 磁调节任务，采用光电耦合和脉冲变进行双重隔离以防干扰.。
励磁调节电路单元是由励磁电压和励磁电流电路组成，励磁电流电路含有分流器、
运算放大器、多路转換开关电路；励磁电压电路包含U/F变換电路、光电耦合器、单片
机计数器。分流器上的电流信号电压经运算放大器进行比例放大后送入多路转換开关电
路，经U/F变換电路，再通过光电耦合器，输出给单片机计数器；励磁电压信号经分压 后也送入多路转換开关电路，通过多路转換开关电路切換，经同一个U/F变換电路，再通过 光电耦合器，输出给单片机计数器。励磁电压采样分相触发导通的时间段累加计数值， 三相总电压等于三相分相采样的总和。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于基于ADE7758芯片对于采集的电能、电 压、电流、频率及各相电压过零点以中断的方式传送给单片机，以及各功能电路单元的 执行，从而实现了发电机励磁调节、调速、故障检测、通讯及数字仪表显示的功能；是 目前国内不多的集多种功能于一体的中小型发电机组综合控制装置，代替了五大产品的 功能，可靠、实用、经济。整个水电站自动化投资可节约50%以上，整套装置硬件成本 低，性能价格比优。其功能及性能指标好(l)励磁调节功能电压调节范围，30-130%，
精度0.5%，调节速度为20ms，控制角分辨率0.005度，可以与自动准周期装置接口，实 现跟综系统电压，甩负荷时，机端电压自动稳定在额定值，不会过电压，有过励、欠励、 低励保护功能，软硬件看门狗，使得程序受干扰后能自动恢复运行；(2)调速器功能能 自由加减有功负荷，能驱动电动机打开导叶，实时检测转速(周波)，精度0.2级，甩负 荷时能自动关闭导叶；(3)数字仪表功能汉字液晶直接显示电压、电流、有功功率、无 功功率等各项运行参数；(4)故障判断及报警功能具有过电压、过电流延时报警，测量 回路PT、 CT断线故"障报蒈，测温报警；(5)与上位机通讯功能具有RS-485接口，所有 运行参数均可在上位机显示，运行人员在的后台监视操作发电机组，实现无人或少人值班。
图1为本实用新型原理方框图2为本实用新型数据采样电路单元原理图3为本实用新型开关输入电路单元、键盘输入电路和液晶显示屏电路原理图4为本实用新型开关输出电路单元原理图5为本实用新型可控硅三相触发电路单元原理图6为本实用新型励磁电流，励磁电压采样单元原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
图1显示本实用新型中小型发电机励磁综合控制器各电路单元及元器件的基本结构 及连接关系，包含有单片机l、液晶显示屏7、 ADE7758芯片21、数据采样电路单元2、 开关输入电路单元3、开关输出电路单元4，按键输入装置5、可控硅三相触发电路单元 10、励磁电流、励磁电压测量单元6、通讯串口电路单元8、设置值，电量存贮器9。附 图2清楚表示，数据采样电路单元2由三相电压单元23、三相电流单元22原边连接至接线 端，三相电压互感器电路23和电流互感器电路22付边与ADE7758芯片21相连，电路中的 三相精密小电压互感器PT (B4—B6)和三相精密小电流互感器CT(B1""B3)进行电路电 磁隔离和参数变换，变换后的参数输入电量计ADE7758芯片(U1)21，按设计者设定的设置 值，经该芯片21内部程序运算后，由串行接口SPI (DOUT， DIN, CLK)与单片机通讯， 将电能、电压、电流、频率和各相电压过零点以中断的方式(/IRQ)传送给单片机，单 片机据此计算出有功功率、无功功率、功率因数、触发角等各种电参数。图3中的开关 输入电路3以其中一路为例，外部l号开关闭合后，接通12伏电压，通过R1，发光二极管 Dl，光电耦合器U1导通，U9(並入串出)A脚电位变零，此信号输入单片机处理。附图3 所示按鍵电路单元5由电阻R1、发光二极管D1、光电耦合器U1连接的八个相同电路组成， 键入信号通过该电路输入单片机l,单片机接受信号后予以处理。图3中的液晶显示电路 7由单片机端口输出至CZ3，液晶並入数据端口接im(串入並出)，指示灯通过U12(串入 並出)控制。图4清楚表明开关输出电路单元4，是由六个由继电器41、三极管、光电耦 合器42相连的相似电路组合，其作用是输出报警信号、起动、加减有功功率、机组超速、 机组飞车报繁等动作信号，低电平信号由单片机端口？1.3输出，经光电耦合Ul,三极管
Tl导通，继电器J1吸合，控制P1.3就控制了继电器J1，其中2个继电器用于控制加减有功 功率，l个用于报警信号，l个用于飞車制动，剩余2个由用户指定。通讯串口和设置值 存贮电路单元8，是由RS485通讯接口电路和E2ROM电量、设置值存C电路9组成，单片 机的串口p3.0， P3.1和P3.7通过光电耦合器U2，U3连接到U1(MAX485)，完成与外部设备通 讯任务。存贮器U4为E2ROM芯片，其中保存着电量数据、设置参数和现场的一些重要数 据。图5所示，可控硅三相触发电路单元IO，由光电耦合器101、可控硅电路102、脉冲 变压器103组成，其作用是由单片机根据采集到的各种电量计算出触发角，通过控制 脉冲变压器触发三相可控硅完成励磁调节任务。可控硅电路是一种强大的干扰源，该装 置采用光耦U1^U3和脉冲变B7""B9进行双重隔离以防干扰。附图6较清楚显示，励磁调 节电路单元6是由励磁电压和励磁电流电路组成，包含有分流器66、电流放大电路61、 电压放大电路62、摸拟转换开关63、 A/F变换器64、光电耦合器65组成，由分流器上的 75mV电流信号电压经Ul运放进行比例放大后送入多路转換开关电路U2，励磁电压信号 经分压后也送入U2，通过U2切換，它们共用一个U/F变換电路U4，再通过光耦U5输出给单 片机计数器。励磁电压采样分相计算方法(即某相触发导通的时间段累加计数值)，三相 总电压等于三相分相采样的总和。当其中一相脉冲消失或某相熔丝熔断，该相的电压采 样值显著变小，利用这一特征可以很容易地判断出该相故障，通过报警和显示可以通知 运行人员进行在线检修。
权利要求1、一种中小型发电机励磁综合控制器，含有单片机、液晶显示屏、ADE7758芯片，其特征在于设置有数据采样电路单元、开关输入电路单元、按鍵电路单元、开关输出电路单元，可控硅三相触发电路、励磁电流、励磁电压测量电路单元、通讯串口和设置值存贮电路单元；其数据采样电路单元含有三相电压互感器电路和电流互感器电路，并与ADE7758芯片相连，ADE7758芯片与单片机连接，按鍵电路单元、开关输入电路单元电路和开关输出电路单元分别与单片机相连，可控硅三相触发电路，励磁电流、励磁电压测量电路单元、通讯串口联接电路单元与单片机电连接。
2、如权利要求l所述的一种中小型发电机励磁综合控制器，其特征在于所述的 数据采样电路单元中设置了 一组三相精密小电压互感器PT和三相精密小电流互感器 CT进行电路电磁隔离和参数变换，变换后的参数输入电量计ADE7758芯片，按设定的设 置值，经该芯片内部程序运算后，由SPI接口与单片机通讯。
3、如权利要求l所述的一种中小型发电机励磁综合控制器，其特征在于所述的开 关输出电路单元，是由继电器、三极管、光电耦合器分别组成六个相同电路，低电平信 号由单片机端口输出，经光电耦合器,三极管导通，继电器吸合。
4、如权利要求l所述的一种中小型发电机励磁综合控制器，其特征在于所述的 开关输入电路单元，是由电阻、发光二极管、光电耦合器连接的八个相同电路，电压通 过电阻，发光二极管，光电耦合器导通，光电耦合器A脚电位变零，信号输入单片机处 理。
5、 如权利要求l所述的一种中小型发电机励磁综合控制器，其特征在于所述的通讯串口和设置值存贮电路单元，是由RS485通讯接口电路和E2ROM电量、设置值存贮电 路组成；信号通过单片机的串口和光电耦合器输入单片机。
6、 如权利要求l所述的一种中小型发电机励磁综合控制器，其特征在于所述的可 控硅三相触发电路，由含有光电耦合器、可控硅电路、脉冲变压器主要元器件；单片机根据采集到的各种电量计算出触发角，通过控制脉冲变压器触发三相可控硅完成励磁调 节任务，采用光电耦合和脉冲变进行双重隔离以防干扰.。
7、 如权利要求1所述的一种中小型发电机励磁综合控制器，其特征在于所述的励磁电流、励磁电压测量电路单元，是由励磁电压和励磁电流电路组成，励磁电流电路含有分流器、运算放大器、多路转換开关电路；励磁测量电路包含U/F变換电路、光电 耦合器、单片机计数器；分流器上的电流信号电压经运算放大器进行比例放大后送入多 路转換开关电路，经U/F变換电路，再通过光电耦合器，输出给单片机计数器；励磁电 压信号经分压后也送入多路转換开关电路，通过多路转換开关电路切換，经U/F变換电路， 再通过光电耦合器，输出给单片机计数器；励磁电压采样分相触发导通的时间段累加计 数值，三相总电压等于三相分相采样的总和。
专利摘要本实用新型公开了一种中小型发电机励磁综合控制器，包含有单片机、显示器、基于ADE7758芯片，设置有数据采样电路单元、开关输入输出电路单元、按键电路单元、励磁调节、调速电路单元、通讯串口联接电路单元，数据采样电路单元由三相电压互感器电路和电流互感器与ADE7758芯片相连，ADE7758芯片置在单片机内，开关输入输出电路单元电路直接与单片机相连，励磁调节、调速电路单元、通讯串口联接电路单元与单片机电连接，各功能电路单元的执行，从而实现了发电机励磁调节、调速、故障检测、通讯及数字仪表显示的功能；是目前国内不多的集多种功能于一体的中小型发电机组综合控制装置。
文档编号H02P9/14GK201181924SQ200720183310
公开日2009年1月14日 申请日期2007年9月21日 优先权日2007年9月21日
发明者杨典保, 陈善基 申请人:江西吉安电机制造有限责任公司