基本原理

 

DVR-2000B微机励磁控制柜的输入电气信号有发电机量测PT电压，仪表PT电压及从发电机电流互感器来的三相定子电流信号。各路信号经各自的信号处理及变换电路对信号滤波、隔离放大，变换成适合于 A／D采样的信号。这些信号送入A／D变换器，由程序控制依次进行模数转换成数字量，存放在存贮器中，供DVR-2000B微机励磁调节器使用。DVR-2000B微机励磁调节器需要直流电源作为后备工作电源。DVR-2000B微机励磁调节器输出的电流、电压为直流量。

 

 A／D变换器

A/D在单片机应用系统中作为输入通道，将现实世界的模拟信号变换成数字位流以进行处理、传输及其他操作，是连接模拟和数字世界的一个重要接口。在单片机实时控制和智能仪表等应用系统中，被控或被测对象往往是一些连续变化的模拟量，如温度、流量、速度等物理量。这些模拟量必须转换为数字量才能输入计算机进行处理。其转换时间大约在几微秒到几百微秒之间。

 

利用以上采集到的数据，通过软件计算可以得到发电机的运行工况，励磁系统参数，DVR调节器输出参数等全部信息，如交流量采用24点快速傅立叶变换（FFT）计算出发电机三相电压有效值，三相电流有效值，有功功率P，无功功率Q。

主控室对DVR-2000B微机励磁调节器工作方式的选择，增、减励磁操作，和灭磁开关等状态量作为开关量输入信号以及故障告警等开关量输出信号是经过光电隔离与CPU接口的。DVR-2000B微机励磁调节器共有16路开关量输入，10路开关量输出通道。

DVR-2000B微机励磁调节器的功率输出部件为单相半控晶闸管整流桥。为了保证其输出直流电压连续可调，要求控制角α在0~170度之间变化。DVR-2000B微机励磁调节器中由脉冲同步电路来保证各晶闸管的依次导通，用大规模逻辑器件直接将数字控制量转换成相应控制角α的触发脉冲信号。

 

    晶闸管

  又称为可控硅(SCR)，它不仅具有硅整流器的特性，更重要的是它的工作过程可以控制，能以小功率信号去控制大功率系统，可作为强电与弱电的接口，属于用途十分广泛的功率电子器件。在电子设备里，晶闸管主要应用于：可控整流、交流调压、电子开关、逆变等。本节重点介绍单向晶闸管的工作特性及检测识别。

 

300Hz的中断控制程序,计算发电机电压与参考电压之差,并进行PID运算后综合附加调差信号得到一个控制量去改变晶闸管的导通角。这就是DVR-2000B微机励磁调节器的主调节环。PID参数的正确选择，将直接影响DVR-2000B微机励磁调节器的静态和动态特性。

DVR-2000B微机励磁调节器中的保护功能模块如失脉冲检测，低励磁限制，过励限制，V/Hz限制，PT断线保护等都是用软件来实现的。

对于DVR-2000B微机型励磁调节器来说抗干扰能力是十分重要的。本调节器有独特的抗干扰措施，如控制板核心部件采用双层屏蔽，每个输入、输出电路均采用光电或电磁隔离电路，电源用开关电源隔离等措施，另外还设软件自复归电路。当程序万一在大干扰的作用下跑飞或进入死循环时，该电路将自动复归使程序重新从头开始执行，恢复正常工作状态。

DVR-2000B微机励磁调节器的前面板设有操作显示界面供人机对话使用。人机界面采用液晶显示，汉化菜单，所有计算机采集到的模拟量值均以有名值显示在液晶显示器上，便于运行人员的监视。另外开关量输入的实时状态显示，开关量强制输出，控制和保护参数设定，故障录波数据的提取等功能均可在此人机对话窗口上实现。

DVR-2000B微机励磁调节器的工作电源也是独立的，采用开关电源。输出电压有：+5V、±12V电源供主机板，运算放大器用；24V1供脉冲回路，24V2供继电器及操作回路用。电源采用两路供电：一路来自永磁机电源整流，另一路后备电源，来自厂用直流电。两路电源通过逆止二极管并联运行，任何一路失电，DVR调节器仍能正常工作。

 

 

工作原理

 

w          电源系统

为了提高系统的可靠性，系统的供电电源由两路冗余，来自永磁机输出的交流电源经过隔离变压器隔离后，经过整流变为直流，并与经过二极管和来自厂用蓄电池的直流电并联运行，共同为机箱内的开关电源供电，为了提高系统的抗干扰能力，按照不同的功能将系统电源分为3部分

 

冗余，指重复配置系统的一些部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。

 

1)     CPU电源：5V，±12V，其中DSP芯片的内核电压1.8V，外设电压3.3V,低压系统保证了高速CPU低功耗和高可靠性。

2)     操作电源：24V2，用于开关量的输入输出，对于双通道的励磁系统，其两个通道的24V2经过二极管并联，提供操作信号。两个通道的0V2直接并联。这样就保证了24V2电源的冗余。

3)     脉冲电源：24V1，用于脉冲放大和触发回路

以上电源系统相互独立，避免干扰的产生。

以上电源系统相互独立，避免干扰的产生。

 

       主机板（CPU）

      此板为系统的中枢，我们选用当前最流行，并且经过多年运行经验的DSP芯片和大规模可编程逻辑阵列CPLD组成这块板，由于采用了可编程逻辑阵列，使我们的系统具有一定的开放性用户可以根据自己的现场实际，进行逻辑组态，并且大大简化了电路，从而做到了总线不出板，提高系统可靠性。本板由以下部分组成。

 

         DSP（数字信号处理器）：本系统采用的芯片为著名的DSP厂商Texas Instrments德州仪器专门为控制领域推出的C2××系列芯片作为主CPU，此CPU具有以下特点：

 

    1)     最高工作频率达到150MHz，每个指令的执行周期只有6.67ns

    2)     32位的数据线，24位地址线使得它的寻址空间达到了4M

    3)     哈佛结构，高速的流水线指令操作，进一步提高了运行速度

    4)     强大的外设功能：

           一个增强型的CAN总线驱动器

           一个串行外设接口（SPI）

           两个串型通讯接口（SCI）

           三个32位的定时/计数器

           片上128K×16位的FLASH

    5)  A/D转换：16路高速（400KSPS）高精度（14位）A/D，同步采样，能避免由于采样速度造成的相移，提高了精度。采样频率为0.833ms。

   6)  两路可编程的D/A输出，为PSS参数整定和DVR调节器模型的辨识提供硬件接口。

   7)  大规模的逻辑阵列CPLD：完成脉冲形成、开关量输入输出、以及其它的逻辑操作和译码功能。

   8）外扩存储器：一片128K的程序存储器用于调试时，下载程序。一片128K的数据存储器用于进行故障录波的数据存储。16K位的串行EEPROM存储参数和重要的故障数据。

   9）看门狗电路：采用专门的看门狗监视芯片。

  10）通讯部分：本板提供一路RS485，一路CAN-BUS，其隔离和电平变换采用模块化产品。RS485从端子输出，CAN 通过端子输出。

  11）时钟电路：时钟采用DS1305，时钟芯片。

  12）四路光耦隔离的开关量输入，要求操作电源电压等级为24V。

  13) 四路光耦隔离的开关量输出，输出为本通道24V2 有源信号。

 

          信号处理板

该板的主要功能是进行电平变换和隔离，由于采用交流采样，所以电流、电压回路经过高精度小CT和PT隔离后，进行滤波和电平转换适配到A/D测量范围内进入主机板。直流量(励磁电流)经过滤波和电平转换后进行采样。同时将同步信号整形为方波，供主机板CPU产生脉冲。

 

        开关量输入继电器输出板

本板将16路开关量输入信号经过光电隔离后，进入测控CPU板，进行状态判断。另外所有的电源检测电路也在这块板上。将10路开关量输出信号经过光电隔离后驱动继电器，进行信号输出。

        脉冲放大板

本板将主CPU板产生的双窄脉冲进行功率放大输出，每一路脉冲功率可驱动5组以上并联的可控硅桥。同时本板上有脉冲指示灯，用于显示脉冲是否正常，本板上可以通过跨接器选择脉冲变压器是内置式，还是外置式。

         PT/CT 板

PT/CT板将发电机量测PT、仪表PT、系统PT、同步电压信号采用小型化的电压互感器进行隔离，后适配为A/D量程内的弱电信号。将定子电流互感器来的信号经过内部电流互感器隔离后，适配为A/D量程内的弱电信号。

 

 

 软件说明

 

    1  主调度程序

     主调度程序主要完成下列功能：

     1) 初始化处理

打开调节器工作电源，首先进行硬件和软件的初始化，硬件初始化包括对CPU及其他智能芯片的初始化，软件初始化是指对一些变量置初值。

    2) 键盘分析及液晶显示

在程序每个循环周期内，对小键盘进行采样，不同的键按下，对应不同的处理子程序，同时在液晶显示器上显示不同的菜单指示。通过键盘和液晶显示的配合，可以完成人机对话，包括：运行参数的实时显示、开关量状态的在线监视、用于调试的开关量强制输出、以及参数修改，事故追忆及故障数据的提取和显示。

    中断程序

作为中断服务程序：主控制程序具有最高的中断优先级，中断周期为0 .833毫秒。在中断程序中完成以下功能：

   1. 交流、直流采样

模拟输入量有发电机测量 PT输出电压和仪表 PT输出电压以及发电机定子电流(均为三相)，另外还有DVR微机励磁调节器的输出电流等，在主控制程序中进行模拟量的采样，每个周波采集24点。

  2. FFT快速傅立叶变换及其它数据处理

32位DSP芯片通过FFT变换分别计算出发电机三相电压，三相电流有功功率，无功功率。

  3. 调差计算

  4. 控制规律的实现

按照给定的控制规律和运行参数进行控制量计算。DVR-2000B微机励磁调节器采用串联校正数学模型。

 

5. 给定子程序

设定发电机在不同的运行工况下的参考电压或参考励磁电流值并综合恒功率因数给定，无功功率调节附加给定值和调差运行附加给定值。在自动运行方式下，采用自动升压方式，在规定时间内电压给定值增加到90％额定电压。

 

6. 保护程序

    所有保护的投退均可在菜单上进行设定，保护只有在设定为投入状态时才起作用。

Ø            PT断线

程序将测量到的仪表PT值和量测PT的值进行比较，如果其差值大于较大值的1/8，则发PT断线信号，如果是测量PT断线，除发信号外，运行方式由自动运行切换到手动运行方式。

Ø            失脉冲检测

触发脉冲重新被CPU重新回读，并进行综合判断，确定失脉冲的相，并显示在液晶显示器上。失脉冲发生时，发报警信号。

Ø            欠励限制和保护

欠励限制按两段整定，如图5-3 所示，第一条线为限制线，第二条线为保护线。当发电机无功功率进入低励限制区时， DVR微机励磁调节器将封闭减磁按钮，并且发报警信号,同时自动进行增磁，直到退出低励状态。如果DVR微机励磁调节器在某种工况下进入低励限制区，而没有被控制住，无功功率继续减少，当无功功率低于保护线时，DVR微机励磁调节器发报警信号并且切手动方式运行。

欠励限制线和欠励环参数可以在菜单上进行整定。保护线为对应的限制线上无功功率的1.25倍。

其中，Q_a点为零有功时，允许进相的无功功率值。P_b点允许发电机进相运行的最大有功功率。

Ø            过励限制

过励限制是为了防止发电机转子励磁绕组长期过负载而采取的限制励磁措施，从转子励磁绕组发热考虑，当强励时，其容许的强励时间t是随发电机励磁电流Ifd²的大小成反比关系。如图5-4 所示。

过励限制和保护按照下列原则：

(a)    转子电流 Ifd＞Ifd_max时，延时1.5秒直接封锁脉冲退出运行。

Ifd_max为菜单整定的瞬时过励值；

(b)   Ifd＞1.1Ifdn、 Ifd＜1.0 Ifdn时计算反时限等效时间：

Heat=∫(Ifd²- Ifdn²)*t  ;

Heat_n= ∫(Ifd_²set- Ifdn²)*t_set ;

其中：Ifd_set:设定的强励倍数的电流值

t_set：强励时间

  ；H0：显示在液晶上，便于监视。

(c)   H0>50%，发信号，限制增磁

H0>80%，切手动运行，并且手动运行给定值设为90%Ifdn

H0<10%，复归过励信号

 

 

Ø            V/Hz 限制和保护

V/Hz是为了防止发电机及其出口变压器出现磁饱和。限制和保护的原则是：

(a) 当 V/Hz＞设定值时，闭锁增磁,发过 V/Hz信号，限制增磁。

(b) 当 V/Hz＞(设定值时+0.05)，面板V/Hz故障指示灯亮，过V/Hz继电器动作，DVR调节器转为手动方式运行。

(c ) 当频率大于45Hz，小于47.5Hz，在自动励磁时，等比例减小自动运行电压给定值。

(d) 当频率低于45Hz时，切手动运行。

Ø            系统自检保护

    系统自检功能含存储器校验、电源检测、可控硅故障，通讯故障等、当有故障发生时，发通道故障信号，同时本通道退出运行。对于主备用系统，备用通道自投。

7. 故障录波

记录故障前10秒，故障后10秒所有采集到的模拟量数据，故障录波分为故障启动和突变量启动两种方式。DVR-2000B微机励磁调节器按先进先出的原则记录5组录波数据，波形能显示在液晶屏幕上，也可以上传到上位机进行分析打印。

8. 试验录波

能够记录试验前1秒，后19秒的通道的录波数据，记录通道为12个，波形能显示在液晶屏幕上，也可以上传到上位机进行分析打印。在菜单上能设定阶跃响试验的阶跃量和阶跃时间。

9. 事件记忆SOE

按照时间的先后记录20组事件发生的时间（精确到毫秒），包括：运行操作信号如通道投入、退出；开关量输入信号，如：灭磁开关的合、分闸；

10. 故障追忆

按照时间先后记录20 组故障发生的时刻（精确到毫秒），故障动作值。

11. 试验功能

通过此功能可以设置信号相加点的位置，设定DVR-2000B微机励磁调节器按恒定触发角输出，输出触发角大小在设定的最小触发角到设定的最大触发角范围内任意可调。通过这种操作可以测定交流励磁机的时间常数。

12. 跟踪切换

手动运行方式时，自动通道实时跟踪发电机电压；自动运行时，手动通道延时30秒跟踪输出电流。两种运行方式之间能进行无扰动切换。

双自动通道之间通过CAN总线高速通讯将双方的运行数据进行交换，完成备用通道对运行通道的跟踪，同时，DVR-2000B微机励磁调节器根据励磁电流计算出对应的触发角，这两种跟踪方式的跟踪结果实时进行比较，以防止由于通讯过程中可能发生的误码，导致错误跟踪，进一步保证了系统的可靠性。

13. 运行方式的选择

DVR调节器具有以下四种运行方式选择：

–          恒机端电压调节

–          恒励磁电流调节

–          恒功率因数调节

–          恒无功功率调节

以上四种运行方式可以进行无扰动切换，其中后两种调节方式是叠加在第一种调节方式上的辅助功能。