电压调节器范文
时间：2023-03-18 06:53:03
导语：如何才能写好一篇电压调节器，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
1引言
硅整流发电机是工程建筑运输等行走机械的主要电源，它以内燃机为动力源，在结构上是交流同步发电机与整流装置的组合。与直流发电机相比，交流发电机具有体积小、质量轻、易维修、寿命长、产生的无线电干扰少等优点，所以在包括汽车在内的行走机械中一般使用硅整流发电机，而不是直流发电机。硅整流发电机在内内燃机在正常转速范围内时，向机械上除启动机外的所有用电设备供电。
2硅整流发电机工作原理
交流发电机是基于电磁感应的基本理论而工作的，结构上包括定子（电枢）、转子、前后端盖、电刷及传动带轮等部分，将机械能转变成电能。三相定子绕组在结构、匝数及线圈个数上完全相等，排列上分别相差120度的电角度，转子与传动带轮同轴安装，产生旋转的磁场，使定子绕组切合磁力线，从而产生三相感应电动势，这三个电动势的频率、幅值相等，相位互差120度。
硅整流发电机的另一部分是整流器，整流器一般由6只硅二极管组成，作用是将电枢绕组产生的交流电整流成直流电，如图1所示。现代汽车常采用压装式整流器，将VD1、VD3、VD5安装在正整流板上，组成共阴极二极管组，在某一瞬间，只有正极具有最高电位的二极管导通，连接在一起的阴极作为硅整流发电机对外输出的正极；VD2、VD4、VD6安装在在负整流板上，组成共阳极二极管组，在某一瞬间，负极具有最低电压的那个二极管导通，连接在一起的阳极作为硅整流发电机的负极搭铁。同一时刻，六个二极管中只有两个二极管导通，于是输出一个比较平稳的直流电压。
硅整流发电机的整流器除了常用的六管整流器外，还有八管、九管、十一管整流器，与六管相比，较多二极管的整流器可以提高发电机的输出的功率。
图1 六管硅整流发电机原理图
3 电压调节器的重要性
3.1 交流发电机的工作特性
3.1.1 空载特性
发电机的空载特性是发电机空载时输出电压与转速之间的关系，从特性曲线上可以看出，随着转速的升高，端电压上升很快，在较低转速就可以从他励转入自励。
3.1.2 外特性
发电机的外特性是发电机转速一定时，其输出电压与输出电流的变化关系，由外特性曲线可知：发电机的转速越高，输出电压也越高，输出电流越大，当转速保持一定时，输出电压随输出电流的增大而下降[1]。
3.2 电压调节器的重要性
由发电机的空载特性可知，在发电机的输出电压与发电机的转速及负载的电流均有关，由于硅整流发电机是由内燃机驱动，其转速由内燃机决定，机械工作时内燃机的转速变化范围很大，所以其输出电压也会在很大范围内变化；而由外特性可知，在发电机运转时，如负载突然变化，电压也会随着突然变化，可能会击穿电子元件或烧毁用电设备。所以，硅整流发电机必须配有具有稳压性质的电压调节器。
4 电压调节器的工作原理
由于发电机的输出电压与发电机的转速及磁通成正比，由转速变化而影响的端电压，可以通过改变磁通的大小来调节。因此，电压调节器的基本工作原理是通过测量电路检测发电机的端电压，根据端电压的具体情况，通过改变励磁电流的大小，保持发电机的输出电压不变。电压调节器分为触点式、电子式和集成式三类。其中触点式调节器利用电磁铁的原理，控制触点振动，控制励磁电路，实现电压调节。电子式调节器是通过电子元件实现对励磁电流的控制，由于电子式调节器无触点，在工作时无机械惯性和磁惯性，且经久耐用、无无线电干扰，已经广泛应用于汽车及其他机械用交流发电机中。。
4.1 晶体管调节器的基本组成及工作原理
电子式调节器可分为晶体管式和集成式两大类，国内外晶体管调节器的电路设计原理大致相同，一般由1-2个稳压管、1-3个二极管、2-3个晶体管、若干个电阻、电容等元件组成。由印制电路板连成电路，外有三个接线柱，“+”（或火线）与发电机正极相连，“-”（或搭铁）与发电机负极相连，“F”（或磁场）与励磁绕组相连接。。常用的晶体管调节器有JET126、JFT106A、JTF246等型号。。图2为晶体管调节器的基本电路图，其内部电路可分为控制电路（Ⅰ）和电子开关电路（Ⅱ）。
当发电机转速较低，输出电压较低时，蓄电池电压加在晶体管调节器的正负两端，由于R2两端电压较低，小于稳压管的反向击穿电压，稳压管截止，VT1截止，VT2导通，蓄电池向励磁电路供电，即励磁电流一定，于是发动机的电压随转速的升高而升高。当发电机输出电压超过蓄电池电压后，发电机为包括励磁绕组在内的用电器供电，由他励转为自励。如发电机电压超过规定值后，稳压管两端电压超过反向击穿电压而击穿，VT1导通，VT2截止，截断励磁电流，使发电机输出电压快速下降，降到规定值以下后稳压管再次截止，如此循环，保持发电机输出电压恒定。
图2 晶体管调节器基本原理图
4.2 集成电路调节器
集成电路调节器将电压调节电路中的元件集成一块芯片上，基本工作原理与晶体管调节器一样，都是根据发电机的电压信号，利用三极管的开关特性控制励磁电流以达到控制电压的目的，集成电路调节器除了具有晶体管调节器的优点外，还具有精度高、耐振、体积小、可安装在发电机内部与发电机组成整体式交流发电机等优点。
按检测电源电压的方式不同，集成电路调节器可分为硅整流发电机电压检测式和蓄电池检测式两种，一般大功率发电机多采用改进的蓄电池电压检测法，使蓄电池的端电压得以保证，如图3所示。
图3 实用型蓄电池电压检测改进电路
4.3 电脑控制调节器
电脑控制调节器是一种新型调节器，由电负载监测仪测量系统总负载后，向发电机电脑发送信号，控制发电机电压调节器，适时地接通或断开励磁电路。在调节电压之外又能减轻发动机负荷，提高燃料经济性。
5 结束语
作为行走机械的主要电源，硅整流发电机完成了将交流电整流成直流电，并保持稳定输出电压的任务，关键部分即整流器和电压调节器在其工作中任务非常重要，提高发电机的输出功率，并输出高精度的、不受干扰的稳定电压是用电器正常工作及蓄电池良好充电的前提。
参考文献
[1]张能武，陶荣伟汽车电工快速入门广东科技出版社2009年1月
[2]高树德汽车电工电子技术基础机械工业出版社2008年9月北京
[3]顾永杰电工电子技术基础高等教育出版社2005年1月北京
篇2
关键词： 汽车发电机； 电压调节器； 数据采集； 静态测试
中图分类号： TN710?34； TM31 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）15?0099?03
Multifunction static testing instrument for voltage regulator of automotive alternator
LI Zhi?hong1， ZHANG Xiao?qin1， BAO Chang?chun1， WANG Lian?chuan2， WANG Bao?liang2
（1. Hebei Normal University of Science and Technology， Qinhuangdao 066600， China； 2. Qinhuangdao Nachuan Electronic Co.， Ltd.， Qinhuangdao 066600， China）
Abstract： The static testing system for voltage regulator of automotive alternator was developed， for which the electronic simulation alternator was adopted instead of vehicle generator. The system takes a computer as its application platform， and combines the novel integrated components and electronic applied technology. The testing result shows that the system is applied to the multi?paramer test of several products， and has the characteristics of high testing accuracy， stable performance， simple operation and high intelligence. Its testing accuracy is up to 0.1% as dynamic testing system.
Keywords： automotive alternator； voltage regulator； data acquisition； static testing
0 引 言
汽车发电机电压调节器，是汽车供电系统的一个关键部件，其用途是稳定汽车发电机的输出电压，使其不受发电机转速变化和负载变化的影响。该产品的质量状况的好坏，直接影响到车辆的正常行驶。
多年来，对汽车发电机电压调节器的电气性能测试，一直沿用在发电机测试台上进行测试的传统方法。由于整个测试系统设备庞大、价格昂贵、耗电量大、操作复杂[1?3]。所以只有调节器生产厂具备该测试系统，一般的使用单位和汽车电器维修单位都不具备使用该测试系统的条件。所以对汽车发电机电压调节器的电气性能测试，一直是困扰各电机厂及维修市场的难题。
汽车发电机电压调节器多功能电子测试仪器，是多年来汽车行业不论是电机厂还是维修市场，都急需的电气性能测试仪器。多功能测试仪以计算机为应用平台，结合最新的集成器件和电子应用技术，具有测试准确、稳定可靠、操作简单、智能化程度高的特点，它将替代现有庞大的汽车发电机电压调节器测试系统，是一项填补国内空白的研究课题。
汽车发电机电压调节器多功能电子测试仪器在相关领域推广应用后，将取得较高的社会效益和经济效益。已开发的BL?2型单一功能电压调节器静态测试仪已成为国内多家电压调节器生产厂及发电机生产厂的检测仪器，但其只适用于中小批量、单一功能电压调节器的测试，不能满足市场的功能需求。为此又开发了BL?4型多功能电压调节器综合参数静态测试仪，适用于三引脚单功能、多引脚单功能、多引脚多功能等不同产品的多项参数的检测。
1 测试信号采集与转换电路的设计
汽车电压调节器的主要参数有调节电压值、转速特性、负载特性、温度补偿系数和饱和压降，其中转速特性与负载特性是与发电机匹配有关联的参数，不适合做静态测试，须在发电机测试台上进行动态测试。
1.1 多引脚多功能电压调节器的静态测试
该调节器的特点适合装配无激磁整流管的发电机，调节器具有双重功能，即调节器功能和指示灯功能，其中的典型产品是夏利发电机用的7引脚调节器，其外电路的连接如图1所示。由于调节器功能和充电指示灯控制功能相互独立，可对两个功能分别进行静态测试。
图1 7引脚调节器外接电路
调节器功能：可将B+、IG、S、W并在一起接测试仪+极，F、E分别接测试仪的相应接线端子（如图1所示），L串接指示灯后接正极，电压表指示的数值即为调节电压值。将W端从正极上断开，指示灯亮；接上则指示灯灭，说明指示灯功能正常，否则为不正常。
1.2 三引脚单功能调节器的测试
1.2.1 调节电压值的测试
测试电路如图2所示。测试原理：将电源输入电子模拟发电机，不接调节器时，发电机+、-极输出电瓶电压，测量14 V调节器时约8～10 V，测量28 V调节器时约16～20 V，将调节器的引脚按极性分别接到电子模拟发电机上时，电压表显示的数值即为调节器的调节电压值。用此方法测量调节电压值，不须手动调节，数据准确，效率高。测量精度取决于电子模拟发电机。
图2 三引脚单功能调节器调节电压值测试
1.2.2 输出端导通压降的测量
输出端导通压降（即功率管导通压降）的测试电路如图3所示。调节电阻[R]至电流规定值，此时电压表读数即为调节器导通压降。该压降越低，调节器的自身消耗也越小。
1.3 多引脚单功能调节器的静态测试
多引脚单功能调节器也可以用静态方法进行测试，因为任何一个电压调节器，只有三个电极是必备的和不可缺少的，这就是E、B+、F，其他引脚均起辅助功能，只要将辅助引脚进行技术处理，都可以用静态方法进行测试。
图3 输出端导通压降测试
2 数据采集系统的设计
2.1 硬件设计
数据采集系统由信号调理电路、多路切换电路、采样保持电路、A/D转换电路、信号处理电路组成。其硬件结构框图如图4所示。A/D转换模块采用ADC0809芯片，其为CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，具有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关型D/A转换器和逐次逼近寄存器，满足本系统要求。信号处理模块采用AT89C51单片机，其为一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4 KB的FLASH可编程、可擦除只读存储器（PEROM），采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS?51兼容，是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，适合本系统使用。通信接口采用RS 232异步串行通信标准接口，并利用MAX232芯片进行RS 232与TTL电平之间的转换。
图4 数据采集系统硬件结构框图
2.2 数据采集系统软件设计
系统的支持软件分为汇编服务程序和人机界面高级语言处理程序两类， 两者的有机结合达到了高速控制、操作界面简便、交互友好、功能齐全的目的。
汇编服务程序主要包括主程序、A/D转换程序及其中断服务程序、ASCII码转换程序、串口通信程序[4?5]。程序设计中采用模块化设计方法，各功能模块相对独立，由主控模块调用。模块层次分明、思路清晰，可读性强，极大地方便了软件调试和移植工作。这里给出主程序和ASCII码转换子程序。主程序主要完成调用各子程序以及中断服务程序的准备工作，其程序流程如图5所示。ASCII码转换子程序采集卡采集到的数据在输出到计算机之前，必须先转换成ASCII码，才能在屏幕上显示。程序流程如图6所示。
图5 汇编服务主程序流程 图6 ASCII码转换流程
3 可视界面的软件设计
为给用户提供方便的图形界面和全面的数据信息，采用Visual Basic 语言进行人机界面设计，包括参数设定、数据显示、数据输出三个主要功能，操作流程如图7所示。图8为电压值采集界面。软件在第一次使用运行时，需要对屏幕右下角功能配置区进行相应设置。全局设定包括采集频率、取值周期、是否自动保存和自动保存取值次数等内容的设定。电压值校准是为了保证软件显示数据和测试仪面板显示数据一致，进行电压值校准设置时，必须先开启测试仪电源，并保证采集卡已经正确连接到电脑上。产品维护是配置所测试产品数据的合格范围，在此范围外的测试数据为不合格记录，必须正确配置。
4 测试结果分析
BL?4多功能电压调节器静态测试仪如图9所示，由测试部分和数据采集部分组成。测试部分用来测试汽车电压调节器的电气性能参数，并可以显示输出数据，其原理结构如图10所示，包括电源、电子模拟发电机、控制、输出、操作及可调负载6个模块。电源部分设置3组开关，用于测试不同系列产品的不同参数。数据采集系统的作用是将电压调节器测试系统的测试结果传输到计算机中，并通过人机界面记录、保存数据，以便进行成批分析、处理数据。
测试室温为23 ℃，发电机转速为6 000转/分，14 V调节器负载电流为9 A，28 V调节负载电流为5 A时，动态测试与静态测试的调节电压值见表1。说明静态测试结果接近于动态测试结果，相对误差小于0.14%，满足调节器标准要求[6]。
图7 操作界面流程
图8 电压值采集界面
图9 BL?4型电压调节器测试仪
图10 测试仪原理结构
表1 静态测试与动态测试结果
[调节器＼&调节电压＼&相对
误差 /V＼&型号＼&电压系列 ＼&发电机
类型＼&动态
测试 /V＼&静态
测试 /V＼&T152E＼&12 V＼&JFZ182＼&14.45＼&14.46＼&0.01＼&T1425＼&12 V＼&JFZ1925＼&14.62＼&14.64＼&0.02＼&T1676＼&12 V＼&JFZ1921＼&14.44＼&14.42＼&-0.02＼&T231E＼&24 V＼&JFZ271＼&28.50＼&28.48＼&-0.02＼&T2674＼&24 V＼&JFZ2821A＼&28.52＼&28.55＼&0.03＼&T2665＼&24 V＼&JFZ2821B＼&28.48＼&28.50＼&0.02＼&]
5 结 论
经过一年多的试用，BL?4多功能电压调节器综合参数测试仪，同时操作方便，成本低，既适用于中小批量、单一功能电压调节器的测试，也适用于大批量生产、多功能电压调节器的测试，并可以进一步统计、分析和预测大批量产品的性能和可靠性，测试精度可以达到动态测试的0.1%，高于市场上同类产品，具有很强的推广性。
参考文献
[1] 樊久铭，程东明，徐斌，等.电压调节器综合参数测试台的研制[J].汽车技术，1997（3）：20?22.
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[3] 吴滨.汽车电机质量检验参数采集与处理系统的研制[J].汽车工程，1993，15（5）：309?315.
[4] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社，2004.
篇3
一、前言
核电汽轮机的特点是功率大、进汽参数低，因此转子重量大，轴承所需油量大。为了保证安全、稳定的轴承供油，油系统采用主轴驱动式主油泵直接供油，压力调节阀调节系统油压。
核电汽轮机主油泵为齿轮泵，齿轮泵结构相对简单，油系统安全、稳定性高，在工程应用经验核电汽轮机主油泵的试验研究为其国产化提供了理论依据。
二、目的
对于首次研制的主油泵，按照机械行业标准要求须对其进行型式试验，以检验其性能是否达到设计指标，能否满足使用要求。
为了完成试验，设计一套试验系统来进行测试。
三、试验项目及试验方法
根据机械行业标准要求以及核电汽轮机油系统的运行特点，确定主油泵、压力调节阀的试验项目以及试验方法，本试验项目包括：
1、排量验证试验
测量泵在空载稳态工况下设定转速的流量和转速，转速测量分3档，额定转速、停辅助油泵转速及二者中间转速；
2、效率试验（容积效率、总效率）
在额定转速至最低转速范围内的六个等分转速下，分别测量空载压力至额定压力范围内至少六个等分压力点（包括空载压力和额定压力）的有关效率的流量、压力、转速、输入扭矩等各组数据；
3、压力振摆检查
在额定工况下，观察并记录被试泵出口压力振摆值；
4、自吸试验
检验泵的吸油能力，在额定转速、空载压力工况下，测量被试泵吸入口真空度为零时的排量。以此为基准，逐渐增加吸入阻力，直至排量下降1%时，测量其真空度；
5、噪声试验
在额定转速下，进口压力在-16kPa至设计规定最高的进口压力的范围内，分别测量被试泵空载压力至额定压力范围内，至少六个等分压力点（包括空载压力和额定压力）的噪声值；
6、低速试验
在输出稳定的额定压力，连续运转10分钟以上测量流量、压力数据，计算容积效率并记录最低转速；
7、超速试验
分别在空载压力及额定压力下，逐渐升速至额定转速的115%，各自连续运转15分钟以上；
8、超载试验
在被试泵的进口温度为52～55℃、额定转速和125%额定压力下作连续运转1分钟以上；
9、效率检查
完成上述规定项目试验后测量额定工况下的容积效率和总效率。
10、压力调节阀试验
测量压力调节阀在不同压力下对应的流量。
四、试验系统设计
1、系统主要组成及功能
该试验系统主要由变频电机、液压系统、仪器仪表、控制等组成。
变频电机用于向被试泵提供动力并调节转速；主油泵试验系统提供被试泵的各种工况；仪器仪表用于测量压力、流量、温度、转速、扭矩等参数并远传信号；集控中心实现油温控制、压力控制、转速控制、数据采集和计算机通信等。
2、主油泵试验系统工作原理
针对主油泵试验需要验证的项目，模拟核电汽轮机油系统实际布置情况，设计本试验系统。
试验系统主要设备：
1）变频电机、主油泵试验箱体
变频电机向主油泵提供动力，与泵减速齿轮之间采用挠性联轴器连接，同时安装扭矩仪和速度传感器。变频电机可根据试验需要调节转速并稳定在设定值。
为了模拟主油泵在油系统中的正常运行工况，变频电机与主油泵安装在油箱液面大约4.5米高的平台上，以检验泵的自吸性能。
根据主油泵的结构特点设计试验箱体，泵进、出油管均在箱体下方。试验时箱体密闭，防止油泄漏。
2）流量调节阀
使用流量调节阀可调节系统回油箱的流量，通过调节流量以达到给系统加载的目的，实现主油泵出口压力的调节。
3）压力调节阀
压力调节阀与主油泵同属于油系统设备，也是被试对象。
汽轮机油系统正常工况主油泵的流量是恒定的，为了克服损耗的变化并使油压维持在恒定值，在供油管道上并联一压力调节阀，使过量的油经过旁路回到主油箱以调节油供油母管压力。在进行主油泵试验时，压力调节阀可用于稳定系统压力。
4）仪器仪表
包括压力传感器、热电阻、流量计、扭矩仪、速度传感器等，仪表精度应符合相应规范要求并能实现信号远传。
流量计安装在直管段上，其前后直管段长度要求：前10D，后5D（D管道公称直径）。
5）供油设备
包括油箱、供油泵、冷油器、电加热器、温度计、油箱等。
3、试验结果验证
通过调整泵的转速和出口压力从而得出对应的流量，记录试验数据，试验完毕后将得出的数据进行整理，编制详细的试验报告，绘制相关特性曲线。
1）流量-转速曲线
齿轮泵是容积泵，其流量随着转速增加而增大，理论上是成正比关系。
2）流量-压力曲线
齿轮泵理论上在转速一定的情况下流量不变，泵的结构特性，实际上泵齿间、齿壳间存在间隙，有泄露，泵出口压力升高泄露量增大，泵出口流量减小。
3）效率-压力曲线
在额定转速下，泵的容积效率随工作压力的增大而降低；泵的机械效率随工作压差的增大而提高；泵的总效率等于输出功率和输入功率之比，随着压力增大，其输出功率增大幅度大于输入功率增大幅度，因此泵的总效率随压力增大而提高。
五、结语
随着我国核电事业的不断发展，核电项目不断增多，从长远利益考虑，核电汽轮机主油泵的自主化设计势在必行，主油泵试验系统以及试验规程必不可少，因此本试验研究具有很大的实际意义。由于本试验系统是全新设计且较复杂，在试验过程中还需不断摸索、完善。
参考文献
[1] 国家发展和改革委员会，《液压齿轮泵》（JB/T 7041-2006），机械行业标准.
[2] 国家机械工业委员会，《液压泵、马达空载排量 测定方法》（GB7936-87），国家标准.
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【关键词】单片机；空调压缩机控制器；低耗节能
0 前言
空调系统的能耗在现实生活中是一个不可忽视的问题。因此，研究设计低能耗空调系统对于节能来说非常重要。空调压缩机控制器是空调系统中的一个重要组成部分。采用基于单片机控制的电动空调压缩机控制器是一种有效的低功耗节能手段。电动空调压缩机是由电机、电子控制单元和压缩机等组成，压缩机由电机驱动，电子控制单元控制电机的运转。永磁无刷直流电机因为性能优良等特点在诸多行业备受重视，尤其在节能方面具有巨大优势。无刷直流电机在空调压缩机中采用变频等技术，很大程度上降低了噪音和损耗，从而达到节能的目的。采用基于单片机控制的控制器节能效果明显，具有广泛发展前景。
1 电动空调压缩机工作过程
压缩机是电动空调系统中一个非常重要的部件，它为空调系统的正常工作提供了保障。空调压缩机在空调系统中主要用来压缩驱动制冷剂。空调压缩机的工作过程有蒸发和冷凝过程，压缩机把制冷剂压缩后进行冷却，同时通过散热片向空气中散热，制冷剂也发生形态变化，压力也同时升高。制冷剂随后被送到到蒸发器中，压力下降。此时散热片吸收空气中大量的热量。经过这样一个循环过程，空调压缩机不断工作，就不断把热量散发到空气中，从而进行调节气温的工作。电动空调压缩机一般都采用电机驱动，而且现在空调压缩机的电机多采用无刷直流电机进行驱动。无刷直流电动机，是一种用电子换向的小功率直流电动机。这种电动机的特点是结构简单，运行可靠，工作效率高。无刷直流电动机中采用的是自控式逆变器，它的输出频率不是独立调节的，而是受安装在同步电动机轴上的转子位置检测器控制。这也是电动空调压缩机的具体工作方式。电动空调压缩机主要通过单片机控制器进行相关的控制和调节，对空调系统的一些设定参数进行控制，并进一步控制电动空调的低功耗和节能效果。
2 控制器低功耗节能设计途径
控制器是控制电动空调的的主要部件。要想使空调的功耗低从而达到节能的目的，必须对控制器进行全面的设计，主要包括硬件设计和软件设计两大部分。硬件和软件的双重设计和结合使低功耗成为常态，并为节能提供了保障。
2.1 单片机的合理选择
单片机在现代生活和工业中的电子产品中广泛应用。单片机实质上是一种微控制器，它主要功能是将多种处理器以及接口等通过相应的芯片集成而成。与其它普通的微处理器相比较的话，单片机的最大优点就是不用外接其它的硬件，从而节约了制造成本。单片机有很多显著的特点，比如单片机的结构比较简易、方便用户使用，可通过模块化进行编程；单片机可靠性很强，可以连续进行长时间的工作。此外，单片机本身需要的电压较低，因而能耗也比较低。单片机本身可以做成小规模产品，便于使用者携带。可以说单片机的功能是十分强大的，能够满足现实中很多实际需求。单片机应用在电动空调的压缩机控制时需要进行相应的匹配和合理选择。只有这样才能充分发挥单片机的优势，进而达到节能的目的。整个空调压缩机系统的控制器要采用合适的单片机，以期满足需要的供电电压等相关要求。单片机具体在空调待机不需要正常工作时进行控制，降低空调能耗，从而节约电能。在空调其它工作状态下时单片机再进行对应的控制。单片机作为一个核心部件，它性能的优劣直接关系到空调的工作效率以及低功耗的实现甚至减小能源消耗等，所以在进行单片机的选择时要合理、规范而有效。
2.2 电路的全面统筹
空调系统作为一个系统的整体，缺少不了电路的设计。而空调压缩机控制系统的电路设计也非常复杂，电路的设计包括主控电源电路设计、低功耗电源电路设计以及模式切换电路设计等相关设计，必须全面统筹进行合理有效的设计。在主控电源电路的设计环节，多采用双路供电工作方式，并采取电子开关转换方式实现相应工作模式的切换。主控电源根据电机工作模式的需要，进行相应电压的供应，以提高电源转换效率。在低功耗电源电路设计环节，电源可采用低功耗直流电-直流电，从而满足相应的电压和电流的要求。两路电源都可以产生相应的电压给单片机供电，当单片机进行工作模式的转换时，电子开关能够切换到要使用的电源。在设计电子开关时，依据控制器的输入电流和输入电压来进行选择，同时考虑到散热体积、散热效果和成本，选择合适的晶体管来作为电子开关的材料。空调系统的工作模式其实可以分为两大类，就是低功耗模式以及其它功耗工作模式，根据实际需求，单片机需要在这两大类工作模式之间进行相应的切换，因此必须设计相应的模式切换电路。其中唤醒电路是模式切换电路的一种有效方式。使用者可以通过调节外部信号来控制控制器中的相应程序。控制器通过外部速度信号以及不同占空比来调节电机的转速，并同时调节相应的电压和电流在一定范围内变化。总而言之，电路的设计在空调系统中是一个十分重要的设计环节，需要根据实际情况和设计目标做好各电路的设计以及各电路之间的全面统筹协调，从而提高工作效率，达到低功耗和节能的效果。
2.3 控制软件的编程
任何一个电子产品的成功运行，除了在硬件上进行相应的保证和升级，软件的设计和编程也非常重要。必须对硬件进行相应的软件控制才能使硬件正常甚至高效工作。控制软件在编程的时候可以采用模块化的编程方式，从而控制电机的待机、起动、停止、低功耗等工作模式。控制软件除了使空调进行相应模式的工作之外，使空调进行安全的正常工作也十分重要。因此在控制软件的编程环节，也需要针对现实生活中常见的安全问题进行合理有效编程。比如要避免在空调刚通电时出现过压、过载、过流、过温等情况，从而保证空调系统起动正常。因此在软件编程的时候要考虑到各种保护机制，防止在系统工作的时候产生故障影响安全。控制软件的编程也可以降低空调系统的功耗。其中在编程的时候采取限流降速的方法来降低功耗。也就是控制软件根据使用者的具体需要，限制压缩机的工作电流，并且可以调整相应的限流值。如果压缩机的电流超过了限制的电流，控制器会则根据之前设定好的程序来降低电机转速，减少能耗，从而实现节能。通过软件的编程，可以根据实际情况，使控制器执行相应的程序，从而控制电机的运行，使空调系统在待机等环节实现低功耗，从而达到节能的目的。
3 结语
采用单片机来进行电动空调压缩机的控制是一种有效的低功耗节能方式。本研究在空调系统节能的必要性以及压缩机工作过程的背景下，具体提出了三种控制器低功耗节能设计措施。要合理选择单片机，进行相应工作模式的控制和切换。要全面统筹电路，在主控电源电路设计、低功耗电源电路设计以及模式切换电路做好设计和协调。软件在控制时编程环节要考虑实际情况，并要保障空调系统的安全问题。这些措施的实施都为空调系统的低功耗和节能提供了有效思路和合理建议。
【参考文献】
篇5
电流调节器主要作用是稳定电流，电路如图4示．当IdUi=－Us+Ufi=(－Us+Id)＞0UkUdId．当系统稳定时，Ui=(－Us+Id)=0，即Id=Us/，所以Us一定时，Id将保持在Us/的数值上．通过调节W6可以调节LT的时间常数，调节W7可以整定Id的最大值．
参数设定
电流调节器参数的设定。取输入电阻R22=R23=10kΩ，滤波时间常数Tfi=2ms，则滤波电容C8=4Tfi/(R22+R23)=0．4μF．因三相桥式整流晶闸管的延时时间T0=1．7ms，则电流环小时间常数T∑i=Tfi+T0=3．7ms，Ti=4T∑i=14．8ms．现取C11=2μF，那么R26=4T∑i/C11=7．4kΩ，此处取W6=W7=20kΩ，R27=2kΩ，限电阻R24=R28=R29=R31=1kΩ，R25=100kΩ．
速度调节器参数的设定。取输入电阻R13=R14=10kΩ，速度滤波时间常数Tfn=10ms，则滤波电容C6=4Tfn/(R13+R14)=0．2μF．因电流环为典“Ⅱ”系统设计，则速度环小时间常数T∑n=Tfn+Ti=10+14．8=24．8ms，Tn=4T∑n=99．2ms，现取C7=2μF，那么R20=4T∑n/C7=49．6kΩ(取50kΩ)，此处取W4=W5=20kΩ，R21=2kΩ，限电阻R15=R17=R18=R19=1kΩ，R16=150kΩ．
双闭环调速系统的控制过程
在轧制带钢的过程中，当遇到带钢的焊接口或带钢比较厚的地方时，双闭环调速系统对主机进行控制和调节的过程如图5示．
转速n下降，电流Id上升．在轧钢过程中遇到上述现象时，转速n会下降，电流Id会上升，因为MfzMd＜MfzM合=(Md－Mfz)＜0nUn=(Ug2－an)＞0|－Us|Ui=(－Us+Id)＜0UkUdIdMd，同时IdUi=(－Us+Id)＞0UkUdId．在速度调节器的作用下，转速n的继续下降会得到阻止，同时电流调节器的作用也使电流Id的继续上升会被其抑制，因ST是外环在调节过程中起主导作用，而LT是内环起跟随作用，所以电流的变化始终跟随着速度的变化，因此转速n下降，电流Id上升．
转速n上升，电流Id继续上升．随着Id的上升，Md继续上升，当Md=Mfz时，转速n不再下降，但n仍然小于n1，U仍然大于零，所以Md继续上升，Md＞Mfz，转速n回升，同时电流Id也继续上升．
转速n继续上升，电流Id下降．当n回升n1时，Md不再上升，则电流Id也不再上升，但Md＞Mfz，因此马达继续加速，转速n继续上升，使转速n＞n1．这样又使U＜0|－Us|Ui=(－Us+Id)＞0UkUdIdMd，所以电流Id下降．
转速n下降，电流Id继续下降．随着Md的下降，当Md=Mfz时，n此时仍然大于n1，U仍然小于零，U＜0|－Us|Ui=(－Us+Id)＞0UkUdIdMd，所以电流Id继续下降．3．5转速n下降，电流Id上升．因为Md继续下降，使Md＜Mfz，此时系统将重复上述的过程．当系统经过一些小震荡后，Md、Id和转速n将会趋于稳定，即Md=Mfz2，n=n1，I=I1．虽然此系统要经过一些小震荡后才能稳定，但在LT和ST的作用下，其震荡的幅值比较小，同时系统调节的时间非常短，只有零点零几秒，所以在轧制带钢的过程中观察不到主机转速的变化和钢带“拉扯”的现象，这样轧出来带钢的质量比较理想．同理当带钢由厚变薄时，此系统将会进行反过程的调节，使其达到新的平衡，调节过程不再陈述．
故障分析与处置
在一次轧制带钢的过程中，主机的运行速度从平稳状态突然上升到到最大值，并且不可控制．紧急停机后检查发现，用来测定主机运行速度的发电机烧毁，致使转速负反馈的作用突然消失，也就是说Ufn=an=0，那么加在速度调节器输入端的偏差电压Un=Ug2－Ufn=(Ug2－an)=Ug2，而此时Ug2的电压是4．2伏，远远大于正常输入时的偏差电压Un，Ug2的电压直接加在速度调节器输入端，使速度调节器饱和，输出的电压Us为－9．5伏，为主机转速n的最大限幅值，主机转速突然上升到最大值．更换测速发电机，调整其在速度调节器输入端的反馈电压Ufn，主机的运行状态恢复正常．
主机空载启动正常，轧钢时，主机的运转速度不稳定，出现“颤抖”的现象．调节电流反馈量时发现，反馈量越小，主机“颤抖”越严重，检查发现电流调节器的积分电容短路，导致电流调节器由比例－积分调节器变成了比例调节器．当主机轧钢时，主机的电枢电流升高，电流反馈量增大，电流调节器的输入电压Ui=(－Us+Id)减小，因为电流调节器变成了比例调节器而不具备积分的作用，失去了其消除偏差的作用，所以输入电压Ui被即刻输出，输出电压Uk立即减小，导致晶闸管整流装置的输出电压减小，主机的速度降低．主机的速度降低导致其转速反馈量Ufn减小，速度调节器的输入电压Un=Ug2－Ufn升高，其输出电压Us增大，结果电流调节器的输入电压Ui=(－Us+Id)增大被立即输出，Uk增大，晶闸管整流装置的输出电压增大，主机的速度升高．主机的速度升高使其转速反馈量Ufn增大，结果又使Uk减小，主机的速度降低，因此主机的运转速度出现“颤抖”的现象．更换积分电容C11后，控制恢复正常．
篇6
[关键词]自动装置；静态；自并励；励磁系统
一、技术性能
励磁系统在发电机变压器组高压侧对称或不对称短路时，保证AVR正确动作；当发电机的励磁电压和励磁电流不超过其额定值的1.1倍时，励磁系统能保持连续运行，励磁设备的短时过负荷能力大于发电机转子绕组短时过负荷能力，强励倍数不小于2，允许强励时间不小于10秒。励磁系统电压响比即电压上升速度不低于3.5PU/S，励磁系统电压响时间≤0.1S；交流电压允许偏差为额定值的-15%～+10%（外供交流电源额定电压为380/220V），频率允许偏差为额定值的-6%～+4%，直流电压允许偏差为-20%～+10%（外供直流工作电源额定电压为220V）。励磁系统设备在电厂所在地最恶劣的环境条件下，能可靠、安全、连续地正常工作。
二、主要部件技术性能
（1）励磁变压器。励磁变压器额定容量根据励磁系统需要确定，三相式，频率50Hz，星/三角-11接线，安装在户内。励磁变压器采用干式、环氧树脂、自冷、F级绝缘型式，其高低压绕组之间有静电屏蔽，能适带整流负荷的要求，并能承受出口三相短路和不对称短路，而不产生有害变形。高压侧保护用CT引至保护设备，用于可靠探测变压器高压侧出口短路故障，并发出相关信号至报警和启动发电机程序跳闸。高压侧测量用CT引出至我厂提供的测量系统，用于可靠检测变压器的工况。（2）可控硅整流装置。可控硅整流装置采用三相全控桥式整流电路，主要元器件选用高性能的进口设备，有至少25%的备用容量。功率整流装置并联支路数不小于3。整流装置的每个功能元件都有快速熔断器保护。并联整流柜交直流侧均设断路器或刀闸，能与主电路及其它控制回路隔断。整流装置及其风机有良好的减噪设备，整流装置柜门1米远处嘈音小于65dB。（3）励磁调节器。励磁调节器（AVR）采用32位以上工控双微机并联冗余容错的开放式结构，有良好的抗震、抗冲击、抗电磁干扰能力；有与电厂计算机监控系统进行通讯接口的设备；两套微机构成的双通道从输入到输出均可完全独立工作，双机之间相互诊断、相互跟踪、相互通讯、相互切换、相互备用。励磁调节器具备下列5种运行方式：机端恒压运行方式、恒励磁电流运行方式、恒无功功率运行方式、恒功率因数运行方式、空载跟踪网压运行方式。自动电压调节AVR：常规调节模式，以机端电压作为反馈进行闭环调节。磁场电流调节FCR：以转子电流作为反馈量进行闭环调节，在电压反馈量测故障时，调节器由AVR方式自动切换至FCR方式，在正常情况下，可由AVR方式手动切换至FCR方式。恒无功调节：恒无功控制方式设定为只能在AVR方式下投入，它是通过修改AVR的电压给定而使无功功率保持为给定常数值来实现的。恒功率因数调节：恒功率因数控制方式设定为只能在AVR方式下投入，它是通过修改AVR的电压给定而使功率因数保持为给定常数值来实现的。通过软件可实现下列辅助功能：欠励磁瞬时限制功能、瞬时/延时过励磁功能，定子过电流反时限限制功能，电压频率比限制功能，PSS限制功能，PT断线监测和保护功能，误强励检测限制功能，空载过压保护功能，在线自检功能，具有脉冲丢失及脉冲异常检测功能，断口自恢复式的软硬件双重WATCHDOG功能。过励磁限制单元能与发电机转子绕组发热特性匹配的反时限特性；低励限制特性由系统静稳定极限和发电机端部发热限制条件确定；电压频率比限制特性与发电机和主变压器铁心的过励磁特性匹配。励磁调节器除配置有双通道的自动励磁调节器外，还配置一套手动励磁调节器。励磁调节装置能够接受自动准同期装置的调节信号，能够接受无功功率自动成组调节信号，能够实现起停的自动控制。能够进行就地、远方的灭磁开关分合。调节方式和通道的切换以及增减励磁操作。手动调压范围保证发电机励磁电压能从空载励磁电压的20%到额定励磁电压的110%范围内稳定平滑的调节。自动励磁调节器稳压电源装置由两路独立的直流电源供电，电源取自220V直流系统。（4）励磁系统其他设备。励磁系统配置转子灭磁装置、转子过电压装置以及起励设备。正常停机采用逆变灭磁的方式，事故停机采用磁场断路器加氧化锌灭磁电阻灭磁的方式。把“手动逆变”打到“逆变”位置，则调节器强制逆变灭磁。在可控硅整流桥交流侧、直流侧及发电机转子侧设有过电压保护装置，用以保护可控硅及发电机转子。起励装置采用交流整流起励和直流蓄电池起励两种方式，起励电流的大小按发电机空载励磁电流的15%确定。
篇7
【关键词】 NES5100 励磁调节 无功波动原因 PT
1 引言
旗能电厂2*330MW火电机组，采用国电南瑞NES5100自动励磁系统，2012年投产以来运行正常。2015年9月16日至20日间集控运行人员多次发现#1发电机无功功率突然增加18MVAR，#2发电机无功功率下降25MVAR，#2有功功率上升或者#1发电机无功功率突然下降，#2发电机无功功率突然上升约25MVAR至30MVAR，期间无任何调整操作，系统电压也无明显变化，无异常报警。对励磁系统及发电机碳刷集电环检查并未发现异常，汇报调度，系统无异常扰动。但有无、功负荷频繁出现异常波动，外部检查又没有发现异常，遂对运行数据进行搜集分析，最终找出了故障原因，并采取相应措施消除了异常，保证了机组安全。
2 可能影响发电机无功负荷波动的因素
（1）AVC模式下机组无功负荷受外界指令控制影响：发电厂AVC子站接收AVC主站系统下发的发电厂高压母线电压/全厂总无功目标值或设定的电压控制曲线，按照一定的控制策略，合理分配各机组的无功，AVC子站直接或通过DCS向发电机的励磁系统发送增减磁信号以调节发电机无功，达到主站控制目标，实现全厂机组的电压/无功自动控制。
（2）附加模式下PSS异常调节：电力系统稳定器（pps）就是为抑制低频振荡而研究的一种附加励磁控制技术。它在励磁电压调节器中，引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩，去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用。用于提高电力系统阻尼、解决低频振荡问题。当增加发电机原动机输入功率或降低输入功率时，PSS“反调”则会导致无功负荷较大幅度的减少或增加。
（3）发电机PT及采样回路异常或调节器故障：励磁调节器通过发电机机端PT1和PT2回路采样后的量作为励磁调节器模拟量板输入，通过模数转换作为发电机定子电压测量值，通过与AVR给定电压比较形成偏差，此偏差信号经PID闭环调节，再经差分放大等，形成新的控制电压，从而作用于整流桥通过对整流桥触发脉冲的控制达到调整发电机电压稳定的目的。如果发电机PT一、二次回路出现触头、接线或熔断器接触不良，励磁调节器采样回路故障等也会影响机组无功，导致无功负荷波动。
（4）系统电压异常波动影响：本厂发电机励磁调节器双通道均选用“恒电压”控制模式，以维持定子电压稳定在给定电压运行。当系统电压发生波动时，发电机定子电压也会受影响，此时励磁调节器会自动调节无功功率以维持发电机定子电压恒定。
（5）励磁回路异常：发电机励磁碳刷接触不良打火花严重等也会造成发电机励磁电流、电压及无功负荷异常波动，
3 无功负荷异常波动的检查分析
（1）我厂接入地方电网，目前调度未要求投入AVR运行；励磁调节器为国电南瑞NES5100励磁调节系统，其PSS采用PSS2B型，PSS试验及国内使用经验，未出现反调现象，且目前调度并未要求投入PSS运行。
（2）运行数据分析：1）发电机励磁碳刷和集电环检查温度正常，无打火花等异常现象，调节器无异常报警；2）两台有、无功功率波动时，励磁电流、定子电流对应发生变化，说明无功变化并非纯粹因为变送器输出异常，确为真实波动；3）#2发电机无功波动时，#1机无功同时出现波动，但波动方向与#2机相反，幅度略小；如果是系统电压变化引起无功异常波动，#1、2机组波动方向应一致，#2机组无功波动明显大于#1机且与#1机方向相反，由此可基本排除系统电压波动引起。#1机无功波动应为#2机无功波动影响系统电压导致的正常调整。4）查运行数据曲线发现出现#2机有、无功功率异常上升时，#2机机端三相线电压基本平衡，略有上升，且无功波动时线电压与无功同向变化。由于220KV系统电压无明显变化，说明机端电压上升是无功上升硬气的。有无功率上升时B相相电压比A、C相相电压降低约0.4KV。无功突降时#2发电机机端B相电压上升至与A、C相基本一致。可能是励磁调节器采样回路和发电机相电压检测回路均同时出现了A、C相相电压降低，导致调节器自动增磁。5）由于DCS线电压和相电压显示变送器输入电压分别为两组PT，电压存在差别应该与发变组一次回路无关是PT及检测回路原因。相电压变送器输入电压取自PT2，励磁当前工作通道为B套，其反馈电压同样取自PT2，如果PT2输出电压异常波动可能导致#2发电机无功异常波动。
（3）通过以上分析，运行怀疑因励磁系统采集的B相电压突变失准导致调节器调节动作，引起机组无功波动，但由于电压差值不大不足以启动励磁调节器和保护回路PT断线报警。通知检修对励磁调节器机端电压采样输入电压，发变组变送器屏及保护屏端子PT、发电机出线PT端子箱二次电压进行检查。测量结果励磁调节屏和发电机PT端子箱处PT2B相二次电压约55.6V，A、C相电压为58.2V，PT1三相电压均为58.2V左右与DCS显示对应。检修进一步检查PT2二次空开处进线电压也存在相间不平衡，应为PT柜一二次回路接触不良所致，最终打开PT2B相前柜门发现一次插头处有间隙性微小火花放电现象。
4 处理过程中的注意事项
发电机PT回路用于机端电压采样，PT回路检修工作需将故障PT二次空开断开及一次手车拉出，可能导致发电机电压、频率、发电机有无功功率，有无功电能异常，这些参数关系到发电机功率调节、励磁调节、保护装置等，必须采取可靠措施才能保证机组安全。
（1）解除电压测量波动对励磁调节的影响。将双通道励磁调节方式由“恒电压”切换为“恒电流”调节模式。励磁调节器恒电流调节是维持发电机励磁电流为恒定值，实际是励磁手动调节模式，在此模式下励磁调节不受机端电压影响但必须加强机组监视。
（2）退出可能受定子电压采样值突变而引起误动的保护和自动装置。发电机逆功率、失磁、过激磁、定子接地保护、匝间保护、过电压、低电压、低频率等反应电压变化的保护装置应做好防止误动的措施，退出保护压板。
（3）解除有功功率相关调节回路。由于拉出发电机PT柜可能造成发电机有功功率突变，应退出DEH功控回路，改为阀位控制；退出减温水自动，避免汽温异常变化。同时由于有功功率显示异常，应暂停负荷调整，加强对发电机定子电流以及汽温、汽压、蒸汽流量等监视，维持机组负荷稳定并做好少计电量记录。
（4）做好检修安全措施。机组PT共第三组，检修时注意核对编号、端子号及测量二次电压，避免误动正常的PT。PT小车推进拉出操作人员带绝缘手套。
篇8
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关键词：开关电源；UCC3895；测控系统
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.012
引言
大中功率直流开关电源一般采用移相全桥DC/DC变换器 。实现全桥变换器的移相控制主要有以下三种方法：（1）采用分立器件进行逻辑组合；（2）采用DSP或CPLD实现数字控制；（3）采用专用集成控制芯片 。采用分立器件进行逻辑组合构成的模拟控制电路结构复杂，不利于开关电源小型化；采用DSP或CPLD实现数字控制的成本较高，且存在数字电路延迟；采用专用的集成控制芯片电路简单且成本较低。第三种方法中可以采用UCC3895芯片来产生PWM控制波形，UCC3895是一款优良的移相全桥控制芯片，有电压和电流两种控制模式，占空比可从0%～100%， 且可以为零电压开关（ZVS）提供高效高频的解决方案。国内外常用的移相全桥反馈模式为电流模式 ，但其双闭环控制电路复杂，不易实现。
由于单电压环反馈模式简单有效的优点，本文基于UCC3895移相全桥控制芯片采用单电压环加限流环的反馈模式和单片机相结合设计了直流开关电源数字模拟混合测控系统，详细设计了闭环系统、控制器参数、保护电路，显示电路，调压电路，并对测控系统进行了实验。
系统方案
采用应用广泛的TI公司生产的UCC3895芯片与单片机相结合的方案设计了直流开关电源数字模拟混合测控系统。如图1所示，利用UCC3895对DC/DC变化器主电路进行PWM移相控制，并与单片机相结合来实现对主电路的检测与反馈控制，以及输出过压，过流，过温等保护。其中，所选单片机型号为美国微芯公司生产的PIC16F873单片机。PIC16F873共28个引脚，内部自带5个10位A/D通道，2个定时计数器，2个脉宽调制（PWM）通道。
UCC3895电路设计
如图4所示，UCC3895的EAN脚为内部误差放大器反相输入端，E A O U T脚为误差放大器输出端，R 3、R 4、R 6、C 1、C 2、C 3构成了闭环控制系统的电压调节器，输出电压Vo经过电阻分压接到电压调节器反相输入端构成反馈电压，改变可调电阻R2的值可以改变电源输出电压。RT、CT可以实现开关频率的设定，A D S脚为自适应延迟死区时间设置端，接地表示输出延迟死区时间设为最大。限流调节器输出端也接到UCC3895的EAOUT脚，故障保护电路接到CS脚实现电源系统的故障保护功能。
故障保护电路设计
UCC3895的CS脚有过流保护功能，当CS脚电压高于2.5V时，UCC3895芯片将会被软关断，驱动脉冲被封锁，CS脚低于2.5V，芯片将进入下一个软启动过程。如图5所示，保护电路的设计就是基于CS脚的过流保护功能，正常情况下保护电路的输出为低电平，一旦出现输出过压、过流、过温等故障，相应的电压比较器输出高电平，同时故障信号被单片机检测，通过单片机数字控制也可使电压比较器输出为高电平，开关管T1导通，输出一个高于2.5V的高电平至CS脚，使芯片封锁驱动信号，从而使主电路停止工作，实现电源系统的数字模拟双重保护功能。
限流值可调的限流环电路设计
单片机与电路设计
单片机部分电路和电源状态显示电路分别如图7和图8所示。单片机部分引脚功能分配如下：AN0脚是限流信号检测，AN1脚是输出电压检测，AN2脚是输出电流检测，AN4脚是温度检测，其中AN0、AN1、AN2、AN4脚均为A/D转换端口。CCP2脚（PWM端口）提供可调的限流调节器的限流参考值，CCP1脚（PWM端口）提供可调的电压调节器的输出电压参考值，SCK、SDO、RB4脚用于电源状态显示，RB1脚（I/ O口）为单片机数字控制。单片机通过SPI（同步串行通讯）向移位寄存器SN74HC164发送电源当前工作状态数据，由移位寄存器把串行数据转换为并行数据并输出给显示模块。单片机RB4脚（I/O口）控制发光二极管的供电电压，在刚开机还没有采集工作状态之前，保证所有二极管不工作。单片机SCK（时钟）脚接在三个移位寄存器的脉冲输入口（CLK）作为脉冲输入。单片机SDO（SPI通讯数据输出）脚接到移位寄存器的数据输入口（A、B脚），并把三个移位寄存器接到一起串联使用。通过数码管实时显示输出电流值，通过4个LED灯图11 突加突减负载电压波形的亮灭表示电源当前的工作状态，其中发光二极管D4（绿灯）灯亮表示电源正常工作，D3（红灯）灯亮表示输出过压故障，D2（红灯）灯亮表示输出限流，D1（红灯）灯亮表示过温故障。
调压电路设计
单片机CCP1脚为PWM波端口，可以通过调节PWM波的占空比产生不同的电压。如图9所示，PWM信号经过滤波电路由数字量转变为模拟量输入到由运放5构成的电压跟随器进行缓冲与隔离，该模拟电压与参考电压VDD叠加构成分压电路，分压信号输入到由运放6构成的电压跟随器正向输入端。输出端经过滤波电路接到UCC3895芯片电压调节器参考电压端（EAP）。改变CCP1的PWM波占空比即可调整电压调节器参考电压，进而改变电源输出电压。图中由R2、R3、R4构成的分压电路可以设定PWM占空比为最低时电压调节器参考电压的最低值，保证电源电压的最低输出。可调电阻R2的作用是调节电压调节器参考电压的范围，改变R2的值，在输出占空比范围不变的情况下，输出参考电压的范围可以进行调整，进而改变电源输出电压的范围。图12 过载限流波形
实验及结果
图10是直流开关电源上电输出电压瞬态波形，上电输出瞬态电压的超调量为1.1%，调整时间为50ms，稳态误差为0.5V。图11是直流开关电源突加突减负载输出电压瞬态波形，突加突减负载输出瞬态电压的恢复时间为30ms，电压动态降落为22%。图12是突加过载限流波形，过流后限流环起作用，通过调节输出电压，使得电流很快限制在限流值上。
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关键词：凤凰水电厂；立式混流水轮发电机组；励磁系统
中图分类号：TV734.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）11-0093-02
凤凰水电厂二级电站位于广东省潮州市凤凰镇，是韩江一级支流凤凰流域中凤凰水库的引水式二级电站，装二台12 MW的立式混流水轮发电机组，机端电压10.5kV，通过变压站升压110 kV后并入110 kV桥东站，机组励磁方式为自并励磁。
1 工作原理
发电机的励磁电源由接于发电机出口端的励磁变压器供给，励磁变压器提供的交流电源在调节器根据输入信号和调节准则的控制下，经过功率柜整流为直流电源，再经灭磁柜送到发电机转子的滑环上，为同步发电机磁场提供直流励磁电流，只要发电机运行，就能提供可靠性高的励磁电源，接线较为简单（图1）。
2 系统的组成
系统主要由1 台励磁变压器、1 台调节器、1 台功率整流柜、1 台灭磁柜组成。
①励磁变压器户内干式，三相，环氧树脂浇注绝缘，500 kV，Y/-11接线，10.5 kV/0.182 kV。
②调节器。主要由3个调节通道，适配器STD总线、人机界面、接口电路等组成。其硬件包括：1套人机界面、1块模拟量适配器、1块现地操作单元板、1个独立的手动控制通道，2个微机调节通道（每个调节通道包括：1块A/D转换，2块I/O板）、1块智能 板及相应的继电路输出板。
三个调节通道由两个数字式自动通道和模拟式手动通道组成，采用微机／微机／模拟三通道型。三个通道通过两条外部总线联结。这三个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立，以主从方式工作，其中1个数字式为主通道，另一个数字通道和模拟式手动通道作为第一备用，第二备用通道。
③功率柜。每个功率柜的主要部件包括：6个可控硅组件(含可控硅、散热器、脉冲变压器、6个带接点指示的快速溶断器、可控硅阻容保护装置、冷却风机及其控制单元、脉冲功放单元、交流侧进压保护单元。
④灭磁柜。灭磁柜主要元件有灭磁开关，耗能电阻、快速熔断器、可控触发器、二极管可控硅、过电压动作检测器。
3 系统功能
3.1 调节器
调节器是励磁系统的核心部分，为保护励磁系统的可靠性，采用了三通道主从方式运行，二个数字自动通道和1个人工通道，正常方式为第一自动通道工作，第二自动通道及人工通道作为第一备用, 第二备用。调节器按发电机电压偏差或励磁电流偏差进行调节，以保持发电机端电压或励磁电流恒定。
调节器主要包括数据条件、脉冲形成，起励控制、灭磁控制、监测保护等功能。
①数据采样。采用D/A模数转换处理器，通过采集装在机端的电压、电流互感器的交流量，用傅氏算法算出调节所需的有功功率、无功功率、相角等交流信号量，为调节器提供自动调节、保护的有关数据。
②脉冲形成。由电压互感器采集系统的电压波形，用触发电器产生触发脉冲，并经过脉冲放大器放大后来触发整流装置的晶用管，通过改变触发控制角来调整整流装置输出的励磁电流。
③起励控制。励磁系统的起励主要是利用机组剩磁所产生的残压来实现残压起励，当机组的残压值太低时，则由助起励电源和起励回路来提供初始励磁，当机组电压达到励磁装置工作的电压值时，则断开起励回路，通过自励建立发电机的电压。
④灭磁控制。正常停机时，调节器自动逆变灭磁，当发电机保护或励磁系统保护动作时，在跳开机端断路器的同时，给灭磁柜的灭磁装置发出跳开灭磁开关的信号。
⑤监测保护。若监测到是调节器本身出现故障，通过硬件“看门狗”和单片机的故障检测自动切换至备用通道运行。如果是监测到励磁系统内部出现故障，如：电源故障、软硬件故障、PT断线、整流桥故障、脉冲故障、转子过热、通信故障等，并传给发电机监控系统。由发电机监控系统作出故障式事故保护的快速反应。
3.2 功率柜
功率柜的整流装置是一个执行元件，在调节器的触发脉冲控制下，调整整流电路晶匣管的导通角，输出满足系统需要的励磁电流值。根据机组励磁容量的要求，选用了2个三相全控式整流桥。均流系数85%以上。退出一个整流桥时，剩余整流桥仍能满足机组额定运行的要求。
3.3 灭磁柜
灭磁柜的灭磁装置主要职能是防止非正常停机时，转子产生过高的感应电压损坏晶闸管。灭磁装置原理如图2所示。
励磁系统正常停机时，调节器自动逆变灭磁;事故停机时，跳灭磁开关将磁场能量转移到耗能电阻灭磁。工作原理如下：当发电机处于滑极等非正常运行状态时，在转子回路中产生很高的感应电压，此时安装在转子回路的转子过电压检测单元A1模块检测到转子正向过电压信号，马上触发V2可控硅元件，将耗能电阻并入转子回路，通过耗能电阻的吸能作用，将产生的过电压能量消除;而转子回路的反向过电压信号则直接经过V1二极管接于耗能电阻吸能，以确保发电机转子始终不会出现开路，从而可靠地保护转子绝缘不会遭受破坏。而且这种保护的存在，转子绕组会产生相反的磁场，抵消定子负序电流产生的反转磁场，保护转子表面及转子护坏不至于烧坏。
3.4 励磁变压器
励磁变压器一次侧接于发电机端，二次侧接至整流装置，为励磁系统提供交流励磁电源。
4 结 语
凤凰水电厂二级电站2台机组自投入运行以来，发电机自并励磁系统运行稳定，调节响应时间短，起励速度快，并且因接线简单，没有主辅励磁机，轴向尺寸短而节省了投资成本。但是励磁电源取于发电机端，当发电厂侧的线路端发生三相短路时，对于保持系统的暂态稳定是衡量其性能的重要指标，相信通过先进的继保技术和断路器技术能弥补自身的弱点。
篇10
关键词：同步发电机；微机励磁；ARM920T单片机；PLD；CAN总线
中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）06-0156-02
1 引言
现如今，自动控制理论和计算机技术飞速发展，计算机控制技术得到了广泛的应用，现在逐渐在水电厂开始普及，效果成绩显著，同时也为以后发展积累了丰富的经验，这使得水电厂综合自动化水平得到很大提高，许多类型的微机励磁调节器在发电机励磁控制方面大量涌现。微机励磁调节器以其硬件结构简单、清晰、设备通用性好、标准化程度高、软件灵活、能够方便实现多种功能和满足各种控制规律的要求等优点广泛运用。但是，现有的微机励磁调节器大多只是单方面的利用计算机取代了常规模拟式励磁调节器，不论是在界面显示、通讯能力还是可靠性兼容性方面都不能满足当下的水电厂的要求。本文在调研和总结了之前所有的励磁调节器的优缺点基础之上，研究开发了一种基于ARM920T的微机励磁调节器。
2 励磁调节器的工作原理
自并励静止可控硅励磁系统的原理是可控硅整流装置整流后供给发电机励磁电流。调节发电机励磁电流的方法是通过检测发电机的端电压（或无功功率）与给定值进行比较运算来改变可控硅的控制角α。
2.1 硬件结构
调节器运用冗余容错结构、两套微机构成的双通道，从输入到控制输出均可完全独立工作。一套作为系统工作使用，另一套设备作为备用设备，双方的通讯方式用的是CAN总线设备。单套系统的内部结构主要包ARM920T单片机及芯片；A/D转换电路；输入输出电路；频率测量电路；CAN总线通讯电路；显示电路；交直流供电电源。系统共用设备有锁相同步与可控硅触发脉冲形成电路、脉冲放大电路。
2.2 工作原理
励磁调节器运行时，主通道调节，备用通道热备用。调节器首先利用中断测得机组频率，通过频率得到采样的周期，然后对发电机的机端模拟量进行高速交流采样，经过计算算出机端电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因数。与此同时直流采样励磁电流、励磁电压，目的是将这些状态反馈信号数据供调节装置进行计算和分析；调节器还有特殊功能，它会将现实的操作和信号进行分析判断，实现各种运行方式所需的励磁调节和限制、保护、检测、故障判断功能。为了保证调节器控制的实时性，程序在计算模块中首先对采集到的最新模拟量进行计算，由计算的结果推算出可控硅的移相触发角的增量，CPU将此触发角增量以串行脉冲的形式通过输出口送入脉冲形成回路，脉冲形成回路中通过一个双向计数器进行加减计数，从而获得表征移相角的脉冲数。当同步信号到来后进行移相并产生触发脉冲，此脉冲经过功率放大后去触发可控硅组件，通过控制发电机转子励磁电流来控制和调节发电机电压或无功功率的目的。综上所述，励磁调节器完成一次调节任务。而微机调节器输出的可控硅移相触发角则需要满足整流桥输出电流连续可控运行及逆运行。
2.3 ARM920T单片机系统
CPU是自动调节通道的核心，起主控作用，PLD由高16位地址线控制，为各个器件分配地址空间，执行片选功能，同时作为I/O口的扩展，用于开关量输出和发光二极管显示。锁存器，由ARM920T单片机低八位地址与八位数据总线共用。数据存储器，存放调节运算中的各种数据。模拟多路转换器，作为模拟量输入的选择开关。双12位高速低功耗并行A/D转换器，用于把模拟量转换为数字量供CPU调节计算。CAN总线通讯控制器，用于CAN总线通讯。4k SPIEEPROM，用作定值器件，而且内部具有Watchdog Timer circuit，可用于监视微控制器。
单片机系统还包括以下几个回路：
（1）测频回路：频率测量的基本方法是利用示波器观测波形信号并读取，然后利用信号周期T来获得频率。这样做的主要目的是利用频率确定采样周期。本文测量机组频率的方法将正弦的交流电压信号转变成方波信号，然后将方波信号放大后送入单片机的外中断引脚，当方波信号的每个上升沿到来时，即引起外中断产生中断效果，此时在中断处理程序中读出并记下定时器上的计数值，每次中断就以此操作，两次计数值之差就是方波的周期，也即是正弦电压的周期。
（2）开关量输入/输出回路：输入端模拟量经过光电隔离器隔离后送入驱动器，驱动器的输出连接到数据总线上，CPU通过数据总线读取驱动器中存储的内容，判断高低电平，确定有无开关量变位。输出端模拟量经pld输出，经过光电隔离后送入驱动电路，从而输出去驱动继电器的节点。
（3）模拟量输入及A/D转换电路：交流电信号的预处理：发电机机端电压、电流需要用与发电机直接连接的电压互感器和电流互感器采集。交流信号的采集工作则需要用小型精密电压、电流互感器实现对交流信号的变换，同时还要采取硬件抗干扰技术和滤波处理。
2.4 移相触发单元
锁相同步与移相触发脉冲形成回路。微机励磁中主机计算出的是数字量，要把它转换为触发脉冲，这就需要数字/脉冲电路。它是主机与脉冲输出过程通道间的一个接口电路，包括同步、数字移相和脉冲形成三个环节。
为了进一步提高调节器的可靠性，在本文中励磁调节器的锁相同步采用了硬件锁相环（PLL）技术，而移相和触发脉冲形成运用PLD来实现。锁相同步的目的是用锁相环跟踪系统交流电压，输出若干倍系统电压频率的脉冲列和与系统保持严格同步的参考电压，基于此作为移相触发脉冲形成部分产生可控硅触发脉冲的角度量化基准和频率相位基准。
本文中移相触发脉冲的形成是在可编程逻辑器件基础之上利用VHDL硬件描述语言来完成的。调节器的移相触发脉冲形成回路硬件结构简单，抗干扰能力强，可靠性高，价格便宜。
脉冲放大回路：由移相触发脉冲形成回路形成的六路可控硅触发脉冲，首先通过驱动器进行驱动，然后通过光电隔离器进行光电隔离，隔离后的信号由放大器放大再经脉冲变压器输出，触发相应的可控硅导通。
2.5 显示单元
本励磁调节器的显示回路分两大部分，第一部分为发光二极管显示，另一部分为液晶显示。二极管显示主要是一些特殊的状态显示，点亮或熄灭发光二极管可显示的信息如：断路器分合状态信号；励磁变压器不对称信号；过励限制动作信号；欠励限制动作信号；各种通讯信号等，非常方便调试。
液晶显示主要与触摸屏结合用于系统控制参数的显示与设置，状态参数的显示，以及调节器或系统的各种运行状况。液晶显示控制器为S3C2440A，液晶显示的调节器当前状态信息及对触摸屏输入信号的采样都是通过与其相连的ARM920T来完成的，由于芯片内带有CAN控制器，可方便地与两个自动调节通道中的主处理器内部集成的CAN控制器组成现场总线网络，及时的将调试运行人员通过触摸屏设置的各种控制参数实时地传到调节器，同时又将调节通道所得的各种运行参数及状态信息及时送往液晶屏显示。发光二极管能将励磁调节器的重要状态显示出来，二者配合可共同反映当前发电机及调节器运行状态及故障点，便于运行人员掌握当前情况，及时发现问题并作出判断、处理。
2.6 通信单元
本励磁调节器选用了CAN总线。CAN 即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
3 励磁调节器软件设计
微机励磁调节器软件采用模块化结构设计，各种功能都由相应的子程序来完成。调节器上电后执行初始化和自检，初始化结束后，表明励磁调节器已经准备就绪，接着程序进入起励的设置和起励条件的判别，然后进入主程序。首先是数据采集和处理部分；主要由电机出流电压采样子模块、电机出流电流采样处理子模块和励磁电压采样处理子模块三部分组成。然后进入功率因数测算模块和PID调节模块；其中，采用数字滤波的方式求得功率因数cosφ，再通过PID调节计算出可控硅的导通角。由于励磁控制系统比较复杂，需要测量的量比较多，因此该系统电压及电流的采集，使用直流采样法和数字PID控制调节法。PID调节计算根据采集的数据结果与额定值进行比较，从而进行PID调节计算出可控硅的触发角α；PID算法采用了一种智能受模态控制规律，根据系统偏差信号的大小、方向及变化趋势做出相应的决策，以选择适当的控制模式进行控制，具有良好的适应能力和极强的鲁棒性。
4 励磁系统可靠性分析
4.1 系统结构的简化
（1）采用可编程逻辑器件，用于CPU器件的逻辑译码（即地址分配）和I/O口的扩展，代替了常规的逻辑译码器和并行I/O口扩展器件。
（2）采用了高速低功耗并行同步双12位A/D转换器。
（3）脉冲形成回路同样也采用了可编程逻辑器件。本文设计时充分利用了其具有的大量PLD门、通用口和寄存器，采用VHDL硬件描述语言来实现移相触发脉冲的形成，而且还完成了互为备用的三相同步信号的故障检测、切换和相位补偿。硬件结构大大简化，且抗干扰能力强，可靠性高。
4.2 硬件结构容错冗余技术
本调节器采用备用系统的冗余结构。两套系统，一套工作，另一套热备用。两套系统在软、硬件设计上都完全相同，但是两套系统在工作中执行的程序却不一样。整个软件由工作程序与备用程序组成，正常情况下工作系统执行工作程序，备用系统执行备用程序.工作程序包括测频、采样，调节机端电压或励磁电流，进行自检，向备用系统和显示传送数据等；备用程序除了进行测频、采样、调节计算和自检外，还监测工作系统的工作情况和接收工作系统传送来的故障信息，向显示单元传送数据。一旦工作系统自检出故障，备用系统将接收到表明工作系统出故障的信息，或者备用系统监测到工作系统故障，如果此时备用系统自检无故障，则备用系统自动转为工作系统，执行工作程序，而原工作系统退出，发出相应的报警信号。如果两套自动系统都出错，则两套自动系统都退出，由常规手动通道人工调节，同时在显示单元显示故障信号。
4.3 提高调节器的抗干扰能力
（1）硬件设计时的抗干扰措施。
（2）软件设计时的抗干扰措施。
5 结束语
本文详细介绍了基于单片机的励磁调节器系统，分析了当前发展大趋势下励磁系统在电力系统中的地位，此励磁调节器系统硬件结构简化，高可靠性和实用性，为水电厂综合自动化水平的提高奠定基础。
参考文献
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