CN101425773A

CN101425773A - 一种发电机原动系统动态仿真装置

Info

Publication number: CN101425773A
Application number: CNA2008101438022A
Authority: CN
Inventors: 刘觉民; 鲁文军; 陈明照; 谭立新; 彭红海; 周冰航
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2009-05-06

Abstract

本发明公开了一种发电机原动系统动态仿真装置，包括主回路、操作回路和控制电路；所述的主回路包括为直流电动机供电的三相可控整流器和控制该可控整流器开闭的开关；所述的操作回路驱动主回路上的开关，同时与控制电路电连接；所述的控制电路包括微处理器、信号采集电路、用于给三相可控整流器的各晶闸管提供触发脉冲的触发电路、用于连接操作回路的继电保护与开关量输出电路；所述的信号采集电路、触发电路以及继电保护与开关信号输出电路均与微处理器连接；所述的信号采集电路包括电枢电流采集电路、电枢电压采集电路、励磁电流采集电路、同步信号发生电路和测速脉冲采集电路。本装置数据处理功能强，发电机原动系统模拟准确度高。

Description

一种发电机原动系统动态仿真装置

技术领域

本发明专利属于电力电子技术与计算机控制领域，涉及一种发电机原动系统动态仿真装置。

背景技术

发电机原动系统仿真模型是电力系统动态模拟的重要设备之一，主要应用于科研院所和电力自动化设备生产企业的电力系统科学研究、电力新技术新设备的研发和电力产品检验与测量，以及高等院校的科研与实验教学。

目前国内外采用的仿真装置多为模拟控制或数/模控制，存在控制系统元器件数量多与结构复杂、电子元器件容易老化、易受环境温度影响、抗干扰能力差与自动化程度低等缺点，。未实现与PC机全面通信功能以及遥测、遥控等功能，PI参数的确定采用传统方法，系统调试与维护复杂，不能满足研究人员对电动机仿真装置的要求，国内外电力系统动态模拟概况具体参见表1。

表1：国内外电力系统动态模拟概况

发明内容

本发明专利所要解决的技术问题是提供一种发电机原动系统动态仿真装置，本装置采用微处理器为核心的数字处理系统，可实现发电机原动系统的动态仿真、直观显示各种数据参数、并可与上位机通信，即在上位机上进行远程监测和控制。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：

一种发电机原动系统动态仿真装置，其特征在于，包括主回路、操作回路和控制电路；

所述的主回路包括为直流电动机供电的三相可控整流器和控制该可控整流器开闭的开关；

所述的操作回路驱动主回路上的开关，同时与控制电路电连接；

所述的控制电路包括微处理器、信号采集电路、用于给三相可控整流器的各晶闸管提供触发脉冲的触发电路、用于连接操作回路的继电保护与开关量输出电路；所述的信号采集电路、触发电路以及继电保护与开关信号输出电路均与微处理器连接；

所述的信号采集电路包括电枢电流采集电路、电枢电压采集电路、励磁电流采集电路、同步信号发生电路和测速脉冲采集电路。

所述的微处理器还通过通信电路与上位机通信连接。

所述的通信电路采用R485通信电路。

所述的同步信号发生电路由单相同步变压器、比较器、光耦隔离器和施密特触发器依次串接组成。

所述的比较器采用LM339芯片，所述的施密特触发器采用74LVC14芯片。

所述的微处理器为DSP。

所述的DSP采用TMS320LF2407A芯片。

本发明所具有的有益效果：

本装置采用DSP直接数字信号处理器，优于单片机微处理器，可提高微机控制系统快速处理信息的能力、计算的精度、发电机原动系统模拟准确度，以及减少系统硬件的数量，提高系统运行的可靠性。

本装置采用LCD液晶中文数据实时显示，使用户能更直观地进行监视、参数调整和控制等操作。

本装置具有R485串行通讯接口，可用来与PC机连接，以便于监控人员对该放置装置进行远程监控。

本装置与国内外发电机原动系统仿真装置主要技术性能对比见表2。

表2：国内外发电机原动系统仿真装置主要技术性能对比

附图说明

图1为本发明的主电路结构示意图；

图2为本发明的继电保护与测量电路图；

图3为脉冲放大电路图；

图4为操作回路接线图；

图5为数字控制原理框图；

图6为电枢电流、电枢电压、励磁电流检测电路；

图7为时钟电路；

图8为复位电路；

图9为存储器扩展电路；

图10按键电路；

图11为下位机通讯电路；

图12为同步信号发生电路；

图13为脉冲功率放大电路；

图14为继电器驱动电路。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

运用电力系统物理模拟和数学仿真基本理论以及物理相似基本定理，建立了发电机原动系统(调速器、管道特性和原动机自平衡特性)通用仿真(数学)模型，突破纯硬件仿真和全模拟控制的传统思想，采用基于微机控制的原动系统动态仿真方法，运用硬件仿真与软件仿真、模拟控制与数字控制以及数学模拟与物理模拟相结合的方法并利用通信技术，实现了发电机原动系统动态特性仿真。

该装置对电力系统的真实原动机(水轮机和汽轮机)及其调速器进行模拟，由数字控制部分、操作回路和主回路组成，如图1所示。数字控制部分完成原动机调速器的仿真，主回路以及直流电动机完成对原动机即水轮机和汽轮机自平衡特性的仿真，它们共同完成原动机及其调速系统的仿真。

主回路功能：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给三相可控整流桥以调节直流电压，以给直流电动机供电和调节机组转速。

操作回路功能：对主回路上各开关进行控制，同时也与控制电路进行信号的交互，完成信号报警等功能。

控制电路功能：通过对主回路的信号采集处理，给主回路的三相可控整流桥各晶闸管提供合适的触发脉冲。故障时可给操作回路提供保护信号，通过操作回路切断主回路的电源。

1 主回路

主回路给直流电机提供电枢电电压和励磁电流，并给主电路提供保护。

1.1 电枢电压形成电路

采用直流电动机来模拟原动机，需要提供直流作为电枢电压，对电动机转速的调节是通过改变电枢电压的大小来实现的，设计的三相可控硅整流桥电路，将电网中的三相交流电源转变为电压大小可调的直流电源。其电路如图1所示。

图中KM1为交流接触器，作为主回路的电源开关；TM1为三相电源变压器(变比为380/200)，其容量根据不同的机组而有所不同。

VT1～VT6为构成整流桥的六个晶闸管，由控制电路形成的六路触发脉冲可分别控制相应晶闸管的导通，以改变整流输出电压的大小；TDV1、TDV2分别为电流传感器和电压传感器，M1和M2将反映电枢电流实际值和电枢电压实际值的模拟信号传递给控制电路进行处理；LK为平波电抗器，使直流侧电流变得连续平滑。

1.2 励磁电流形成电路

在本系统中直流电动机处于恒励状态，即励磁电流是恒定的，用一个不可控整流桥可实现，选择合适的三相变压器就可以得到所需要的直流励磁电源。如图1。

1.3 主回路的保护电路

(1.)过压保护

本装置选用的压敏电阻型号为TVR14681，其额定电压U1mA为680V，残压比UY/U1mA＝1120V/50A，通流容量4500A。

压敏电阻的接法如图1所示(压敏电阻见图1的R47-R49)。

(2)过流保护

图1中的FUA、FUB、FUC为快速熔断器，短路或严重过电流时可保护可控硅。可控硅过负荷能力较小，与可控硅有同样安培数的快速熔断器，可以在可控硅烧坏前快速熔断。本装置快速熔断器参数为500V/150A、200A、300A三种规格。

(3)断相保护

所谓断相保护是指依靠三相电路的一相导线中电流的消失而断开被保护设备或依靠多相系统的的一相或几相失压来防止将电源施加到被保护设备上的一种保护方式。本系统断相保护电路如图2所示。

图中N和DX1分别为主回路变压器TM1的一次侧和二次侧中性点。若A、B、C三相正常时，N和DX1之间无电势差，整流桥VD无输出电流，继电器不动作；若出现断相情况，则N与DX1之间平衡被打破，整流桥将输出电流，使继电器动作，然后通过操作回路切断主回路电源，保护了系统装置的安全。

2 操作回路

操作回路是用户和系统之间进行信息交互的电路，操作回路需要实现的功能有：对主回路电源的合闸与分闸；对控制电路提供开机、停机、增速、减速信号；出现故障时进行报警和信号指示。操作回路如图4所示：

(1).合闸与分闸操作

合闸与分闸的控制是通过交流接触器KM1来实现的，合闸控制电路如图4所示。

图中1QA为自动开关，给操作回路提供操作电源，由图可知操作回路所选用的器件操作电源应该为220V的交流；D为控制箱内的合闸继电器的辅助接点；SB2为安装在操作屏上的本地合闸按钮，SB1作为远程控制时使用；KM1为交流接触器线圈，线圈通电后，主触头闭合，其辅助接点KM1自锁保持；HL1为安装在操作屏上的开机指示灯；K1为分闸继电器的常闭开关。

合闸的原理过程为：按下合闸按钮SB2，交流接触器线圈KM1两端接通220V交流电压，其辅助接点KM1动作，指示灯HL1亮，主回路上面的开关闭合，实现了主回路的合闸操作，同时虚线框内KM1闭合使控制系统里开机信号(STA)变为有效(低电平)，从而使微机系统开机运行。

由图4可知，只要D、SB1、SB2之一闭合一下就可以实现合闸，因此有三种方式可以实现合闸操作：(1)通过控制箱内的软件控制继电器实现合闸(2)通过操作屏上面的按钮实现合闸(3)通过远方的按钮实现合闸。分闸控制原理同合闸差不多，它通过切断合闸操作回路的电源使KM1跳闸，从而断开了主回路的电源。图4中B为控制箱内分闸继电器常开辅助接点，由控制系统软件控制其开合，SB3为远方分闸按钮，SB4为操作屏上合闸按钮，K4为故障控制继电器的一个常开接点，按下按钮SB4，继电器K1两端通电，其辅助接点都将发生动作，合闸电路中的K1常闭开关将跳开，使KM1跳闸，从而切断了主回路的电源，同时，分闸部分虚线框内的K1闭合使控制系统里面的关机信号(STO)变为有效(低电平)，微机运行停止。

(2).增速与减速操作

增速与减速的实现是通过给控制系统提供脉冲信号达到的。在操作屏和控制箱面板上都安装了增速和减速按钮，操作屏上的按钮信号通过光隔进入到DSP，而控制箱面板上的按钮信号所受干扰小，直接进入DSP。

图4中SB6和SB7分别为远方的增速和减速按钮；SB5和SB8分别为操作屏上的增速和减速按钮，虚线框内为控制面板上的增速和减速按钮。

(3).保护与信号显示

系统的故障还有过流、过速、失磁，故障发生时，由微机判断并控制继电器动作对操作回路进行控制。这部分电路主要包括：出现故障时，分闸操作被执行；进行故障报警(故障信号灯、故障报警铃)；故障后能够进行故障复位。

图4中J1为断相保护继电器的辅助接点，A为过流、过速、失磁共用的保护继电器接点，它们都位于控制箱内；K4为故障控制继电器，HL3为故障指示灯，K5为故障恢复继电器，SB10为远方故障恢复按钮，SB9为操作屏上的故障恢复按钮，BELL为故障报警铃。

当有故障发生时，继电器J1或者A闭合，从而使故障控制继电器K4上电，其所有辅助接点动作，指示灯HL3点亮，报警铃BELL报警，K4在分闸操作电路上的辅助接点闭合，执行分闸操作，切断主回路电源，保护了系统的安全。

故障被清除以后，J1和A都处于断开状态，操作回路不能自动复位，需要通过复位按钮手动操作，即按SB9，使复位继电器K5动作，其常闭开关打开，从而K4恢复常态，操作回路得到复位。

3 数字控制部分

3.1 系统核心—主板控制电路

在原理图(附图6)中，通过传感器采集到的励磁电流通、电枢电流、电枢电压分别通过DSP的112/ADCIN00、110/ADCIN01、107//ADCIN02引脚进入DSP，与给定值计算比较以后，再经过DSP的6/IOPF3引脚去控制继电器的动作；DSP的IOPF0最为控制合闸的引脚，IOPF1是分闸的信号输出脚，这两个脚提供给大屏上控制或者是远程控制，IOPF2是背光的控制脚，如果在设定的时间内没有操作，就熄灭背光电源；83/CAP1/QEP1作为捕捉速度信号的输入引脚，经过DSP的计算以后，去控制DSP自身六路触发脉冲的产生，对应的引脚分别是65/PWM7、62/PWM8、59/PWM9、55/PWM10、46/PWM11、38/PWM7，这六路脉冲通过光隔再放大后去触发6个晶闸管。DSP的79/CAP2/QEP2作为同步电压的输入脚，通过DSP计算出移相触发时间，从而确定脉冲触发产生的起始时间。127、130、132、134、136、138、143、5号引脚(共8位)作为液晶屏显示数据和数据存储器低8位的数据总线，其功能通过对应的控制总线进行分时复用；按键操作通过光隔进入DSP的47/IOPB1、44/IOPB2、40/A13、16/IO PB4号引脚，分别表示开机、停机、增速、减速。

3.2 模拟量的采集

电枢电流、电枢电压、励磁电流皆为强电信号，其电路分别见图6的a，b，c图；而DSP所能承受的信号为3.3V以下的弱电信号，所以信号采集电路必须能够使弱电信号能够精确反映强电信号，同时又要使强弱信号有效隔离。

本设计采用了一个10MHz的有源晶体振荡器，而且该晶体振荡器采用的是低电压的型号(3.3V供电)，可以直接连接到DSP的XTAL1脚上(DSP外围电压是3.3V)。时钟电路如图7所示。

TMS320LF2407A内部带有复位电路，为了调试方便采用了如图8的手动复位电路，当调试的时候可以很方便的进行手动复位。

3.5 存储器扩展及仿真接口电路

数字系统设计了存储器外围扩展电路选用的存储芯片为IS61LV6416。

3.6 按键及显示电路

本系统设置的开关量输入有：开机(STA)、停机(STO)、增(AS)、减(SS)、设置(SETUP)、确定(OK)。其中增和减两个按键是复用按键，在设置运行参数时，“增”键功能为：参数递增、水机、自动；“减”键功能为：参数递减、汽机、手动。图10a)是大屏按键，b)是控制箱按键。

表3：输出开关量说明

LCD显示电路

系统在LCD上需要显示的参数

发电机原动机仿真系统是对原动机速度调节和原动机自平衡特性的仿真，其主要是要对被控现场的多个过程参数进行检测。为了方便用户在实验调试过程中更好地调速控制，采用了一个液晶显示器，用于显示各种参数。显示要求如下：按显示翻转键(增、减键)，页面向前或向后翻转，每个页面显示7行；每行显示1个状态量、每行依次显示状态量名称、状态量数值，

3.7 DSP与PC机的通信硬件电路

通讯硬件原理图如图11所示。

在该系统设计中，采用的是MAXIM公司生产的集收发于一体的半双工485总线收发器MAX485。在RS485(半双工)通信中，发送信号时，由TXD输出的RS232信号经MAX485(作发送器时A和B线)输出，转换为RS485信号；接收信号时，RS485信号经MAX485(作接收器时A和B线)接收并转换为RS232信号传送给RXD。DSP的串行通信口出来的电平信号首先要通过光电隔离器件6N137隔离，以保护单片机不受传输通道的干扰影响.

TMS320LF240X包括串行通信接口SCI模块，SCI模块支持CPU与其他使用标准格式的异步外设之间的数字通信。

这里，SCI模块内的所有寄存器为8位，但是它又与16位的外设总线相连，因此当访问这些寄存器时，寄存器的数据在低字节(0～7位)，高字节(8～15位)读出为0对高字节的写操作无效。串行通信接口的接收器和发送器可以半双工和全双工工作方式。

3.8 同步信号电路

图12为同步信号产生电路，是以三相整流变压器二次侧a、c相电压Uac作为同步信号来源，TB为同步变压器；经比较器LM339变换为方波信号，经光耦隔离并使用电阻分压，使方波幅值约为3V，最终通过施密特触发器74LVC14送入DSP的79脚CAP2捕获单元。

3.9 触发脉冲产生与脉冲功率放大和继电器与保护电路(见附图2)

触发脉冲产生与脉冲功率放大电路

图13为其中一路的功率放大电路图.

触发脉冲硬件电路

在DSP中有两个时间管理器，EVA和EVB，这样，一个DSP芯片可利用两个时间管理器分别完成对两个电动机的控制，每个事件管理器内部包含通用定时器(GT)、全比较/PWM单元、捕获单元以及正交编码脉冲(QEP)电路，所以在硬件设计时，同步电压的捕获、PWM波形产生和速度的输入最好设置在一个事件管理器中。

3.10 继电保护电路(见图2)

由控制系统实现的保护有电枢电流过流保护、过速保护、失磁保护，其限定值可以通过软件整定。继电器电路除保护继电器外，还有合闸、分闸、背光控制继电器，过流、过速、失磁保护的判断，都是通过LF2407A由软件来实现的。在数据采集电路中，可以获取到实时的电枢电流、电机转速、励磁电流。在软件里将测量值与设置的基准值进行比较，若超出范围，即可由DSP的一个I/O口(IOPF3)发出脉冲信号去驱动保护继电器，继电保护电路使用三个LED来提示是何种保护动作(过流、过速、失磁)，保护动作时，DSP可以驱动相应LED使之发光。由于DSP的I/O输出不能直接驱动继电器，需采用继电器驱动芯片ULN2004A或者MC1413来驱动继电器，见图14。

Claims

1.一种发电机原动系统动态仿真装置，其特征在于，包括主回路、操作回路和控制电路；

2.根据权利要求1所述的发电机原动系统动态仿真装置，其特征在于，所述的微处理器还通过通信电路与上位机通信连接。

3.根据权利要求2所述的发电机原动系统动态仿真装置，其特征在于，所述的通信电路采用R485通信电路。

4.根据权利要求1所述的发电机原动系统动态仿真装置，其特征在于，所述的同步信号发生电路由单相同步变压器、比较器、光耦隔离器和施密特触发器依次串接组成。

5.根据权利要求4所述的发电机原动系统动态仿真装置，其特征在于，所述的比较器采用LM339芯片，所述的施密特触发器采用74LVC14芯片。

6.根据权利要求1～5任一项所述的发电机原动系统动态仿真装置，其特征在于，所述的微处理器为DSP。

7.根据权利要求6所述的发电机原动系统动态仿真装置，其特征在于，所述的DSP采用TMS320LF2407A芯片。