CN101924512A - 船用同步发电机励磁控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶自动化控制技术领域和船舶电力系统发电机控制技术领域，具体涉及一种船用同步发电机励磁控制装置，该装置由励磁控制主板、人机界面和开关电源组成，所述励磁控制主板包括CPU主控单元、数据采集电路、A/D转换电路、实时日历时钟电路、看门狗电路、整流电路、MOSFET驱动电路、灭磁电路、开关量输入电路、通信接口电路和LCD驱动电路，所述人机界面包括按键、LCD显示器及LED指示灯。本发明安装使用灵活方便；测量精度高、执行速度快、运行稳定；具有实时监测控制同步发电机的端电压、实时调节同步发电机无功功率的分配，提高同步发电机并联运行的稳定性的功能，人机界面丰富，采用CAN通信接口与上位机交换数据。本发明按照船舶电站标准设计，可广泛应用于船舶电站中发电机组自动控制系统。

Description

船用同步发电机励磁控制装置

技术领域

本发明属于船舶自动化控制技术领域和船舶电力系统发电机控制技术领域，具体涉及一种船用同步发电机励磁控制装置，可应用于船舶电站中发电机组自动控制系统。

背景技术

船舶电力系统是独立电网，一般一条船舶上只有一个电站，电站的容量就是电网的容量。由于电网容量有限，船舶上负载的起停也很频繁，所以船舶电网电压波动比陆上大电网电压波动更为严重。通过励磁控制装置来维持发电机电压稳定，对船舶电网的可靠和稳定运行有着重要的作用和影响。传统的模拟电路组成的船用同步发电机励磁控制装置存在许多不足之处，如功能单一、控制精度不高、无对外通信接口、采用工控机作为控制核心使装置体积较大，成本较高，需要使用专用控制柜；这些都不便于船舶电网综合自动化系统的统一综合管理。

船舶自动化的程度同时依赖于船舶供电系统，因此对船舶电网中发电机组的稳定控制显得尤为重要。本船用同步发电机励磁控制装置能够有效地调节机组的机端电压，适当地分配机组间的无功功率，在必要时还能阻尼发电机组与系统间的机电振荡，保证发电机组的稳定运行。因此将本发明引入船舶供电系统，可提高船舶电网动态和暂态稳定性，减少发电机组维护工作量，确保船舶供电安全性，为船舶自动化提供有力保证。

发明内容

本发明的目的在于，解决上述传统的船用同步发电机励磁控制中的难题，克服现有技术的缺点与不足，提供一种船用同步发电机励磁控制装置，控制、调节采用全数字化技术，集测量电量、自动控制发电机电压、调节无功功率、显示、通信、事件记录等多种功能于一体，每一套装置可作为船舶电网综合自动化系统的智能终端，从而由一套装置实现多个传统装置的所有功能。

本发明提出的船用同步发电机励磁控制装置，由励磁控制主板25、人机界面26开关电源27组成；其中：

所述励磁控制主板25是船用同步发电机励磁控制装置的核心部分，包括CPU主控单元8、数据采集电路、A/D转换电路5、实时日历时钟电路6、看门狗电路7、整流电路9、MOSFET驱动电路10、灭磁电路11、开关量输入电路12、通信接口电路13和LCD驱动电路14，所述的数据采集电路包括交流电压信号调理电路1、交流电流信号调理电路2、直流电流信号调理电路3以及测频电压电流整形电路4；交流电压信号调理电路1、交流电流信号调理电路2和直流电流信号调理电路3的输出端分别连接A/D转换电路5输入端，A/D转换电路5和测频电压电流整形电路4的输出端分别连接CPU主控单元8输入端，整流电路9、MOSFET驱动电路10和CPU主控单元8依次连接；CPU主控单元8输出端分别连接实时日历时钟电路6、看门狗电路7、灭磁电路11和LCD驱动电路14，CPU主控单元8输入端连接开关量输入电路12，CPU主控单元8的输入输出端连接通信接口电路13；

所述人机界面26包括按键15、LCD显示器16及LED指示灯18；按键15连接CPU主控单元8的输入端，人机界面26连接 LCD驱动电路14；

所述开关电源27输入为AC220V电压，输出为DC±15V，DC5V电压，与励磁控制主板25、人机界面26连接。

本船用同步发电机励磁控制装置，是一个以微控制器为处理器的嵌入式系统，整个软件系统包括测频模块、数据采集与分析模块、脉冲触发模块、控制功能模块、人机交互驱动模块、通信模块。装置通信组网接入船舶电网综合自动化系统后，控制功能模块可实现船舶电网各发电机励磁的全局化智能控制。

本发明中，励磁控制主板25将测量电量、自动控制发电机电压、调节无功功率、显示、通信、事件记录等功能集成在一起，包含的电路模块全部设置在同一印制电路板上。

本发明中，所述灭磁电路11由灭磁继电器22、灭磁电阻组23和二极管组24组成，灭磁继电器22的输入端连接CPU主控单元8，输出端分别连接灭磁电阻组23和二极管组24，灭磁电阻组23和二极管组24分别连接发电机转子绕组；当CPU主控单元8输出灭磁信号，灭磁继电器22动作，通过灭磁电阻组23和二极管组24的灵活组合方式，以实现快速、可靠地灭磁。

本发明中，所述交流电压信号调理电路1输入为发电机侧线电压，交流电流信号调理电路2输入为发电机侧相电流。

本发明中，所述CPU主控单元8与上位监控机通信的通信接口电路13采用CAN通信接口。

本发明中，所述LCD显示器16为高速并行接口，通过LCD驱动电路14直接与CPU主控单元8的并行接口连接；所述LED指示灯18包括电源指示灯、故障指示灯、发送指示灯和接收指示灯。

本发明中，所述按键15包括上选择、下选择、确认和复位四个按键，用于修改系统整定参数、查看运行信息、查看事件记录、手动启动/停止本励磁控制装置等。

本发明船用同步发电机励磁控制装置的技术效果在于：

集测量、控制、显示、通信、事件记录等多功能于一体，能够实时采集发电机电量信息，监控发电机工作状态，自动控制发电机端电压，实现船舶电网各发电机组间无功功率的平衡，提高船舶电网并联机组的稳定性；实现数据显示和与上位机通信，测量准确，安全可靠，并按照船舶电站安全标准设计，特别适用于一般船舶电站的同步发电机组自动控制系统。

附图说明

图1 船用同步发电机励磁控制装置结构框图。

图2 船用同步发电机励磁控制装置外形结构图。

图3 励磁控制主板原理框图。

图4 灭磁电路原理框图。

图5 装置软件总流程图。

图6 通信组网系统连接图。

图中标号：1为交流电压信号调理电路，2为交流电流信号调理电路，3为直流电流信号调理电路，4为测频电压电流整形电路，5为A/D转换电路，6为实时日历时钟电路，7为看门狗电路，8为CPU主控单元，9为整流电路，10为MOSFET驱动电路，11为灭磁电路，12为开关量输入电路，13为通信接口电路，14为LCD驱动电路，15为按键，16为LCD显示器，17为开关电源进线，18为LED指示灯，19为电压电流进线，20为CAN通信线，21为灭磁控制输出线，22为灭磁继电器，23为灭磁电阻组，24为二极管组，25为励磁控制主板，26为人机界面，27为开关电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1：船用同步发电机励磁控制装置结构框图如图1所示，装置由励磁控制主板25、人机界面26、开关电源27组成。此外，装置与发电机连接，从发电机侧采集电压电流模拟量及运行状态，并给发电机转子输出控制量。装置具有CAN通信接口电路，用于与上位监控机连接通信，以构成船舶电网综合自动化系统。

船用同步发电机励磁控制装置外形结构图如图2所示，人机界面26包括键盘15、LCD显示器16及LED指示灯18，安装在励磁控制主板25上，主板周围分布有开关电源进线17、发电机电压电流进线19和CAN通信线20。

励磁控制主板25原理框图如图3所示，其CPU主控单元采用Microchip公司高性能、低功耗的16位微控制器dsPIC30F6014，CPU主控单元直接与精度为16位的高速A/D转换电路5、实时日历时钟电路6、看门狗电路7、整流电路9、MOSFET驱动电路10、灭磁电路11、开关量输入电路12、通信接口电路13、LCD驱动电路14连接，通过交流电压信号调理电路1、交流电流信号调理电路2、直流电流信号调理电路3以及测频电压电流整形电路4采集发电机的电压、电流和频率信息，监测发电机工作状态，采集的信息存储在CPU内部RAM里，通过LCD显示器进行实时显示，通过通信接口电路13与上位机通信，一些重要数据如整定参数等保存在CPU内部的EEPROM里，通过按键15可对系统参数进行修改及各种信息查询。当发电机机端电压的测量值低于给定值时，通过MOSFET驱动电路10增大励磁电流，使机端电压上升；反之，通过MOSFET驱动电路10减小励磁电流，从而达到自动控制和调节发电机机端电压和无功功率的目的。当发电机内部励磁系统出现过励磁、欠励磁故障时，灭磁电路11在规定动作时间内输出灭磁信号可靠灭磁，同时，故障类型及故障时间被保存在EEPROM中；看门狗电路7对CPU内部程序的运行状态进行监控，并可实现手动或自动复位。

灭磁电路11如图4所示，将CPU主控单元8输出的灭磁信号经过光耦隔离后发送给灭磁继电器22信号，断开与励磁电源的连接，并将发电机转子绕组中剩余的能量转至灭磁电阻组23和二极管组24，通过它们的有效组合，以实现快速、可靠地灭磁。

船用同步发电机励磁控制装置的大部分功能由写入微控制器dsPIC30F6014片内Flash的软件来实现，考虑到软件开发效率和dsPIC30F6014芯片强大的功能，装置软件设计中采用高级编程语言C语言进行编程，整个软件包括测频模块、数据采集与分析模块、脉冲触发模块、控制功能模块、人机交互驱动模块、通信模块等几部分，其流程如图5所示。

本发明船用同步发电机励磁控制装置可作为船舶电网综合自动化系统的智能终端装置，提供了标准的CAN通信接口，方便船舶中各种设备的组网运行。通信组网系统连接示意图如图6所示，利用本装置组网后可通过远方监控主机统一调度，实现船舶电网中各发电机励磁系统的全局化智能控制，维持船舶电网电压稳定与无功功率平衡，也可以与其他终端设备组网运行。

Claims (6)

1.一种船用同步发电机励磁控制装置，其特征在于由励磁控制主板(25)、人机界面(26)和开关电源(27)组成；其中：

所述励磁控制主板(25)是船用同步发电机励磁控制装置的核心部分，包括CPU主控单元(8)、数据采集电路、A/D转换电路(5)、实时日历时钟电路(6)、看门狗电路(7)、整流电路(9)、MOSFET驱动电路(10)、灭磁电路(11)、开关量输入电路(12)、通信接口电路(13)和LCD驱动电路(14)，所述数据采集电路包括交流电压信号调理电路(1)、交流电流信号调理电路(2)、直流电流信号调理电路(3)以及测频电压电流整形电路(4)；交流电压信号调理电路(1)、交流电流信号调理电路(2)和直流电流信号调理电路(3)的输出端分别连接A/D转换电路(5)输入端，A/D转换电路(5)和测频电压电流整形电路(4)的输出端分别连接CPU主控单元(8)输入端，整流电路(9)、MOSFET驱动电路(10)和CPU主控单元(8)依次连接；CPU主控单元(8)输出端分别连接实时日历时钟电路(6)、看门狗电路(7)、灭磁电路(11)和LCD驱动电路(14)，CPU主控单元(8)输入端连接开关量输入电路(12)，CPU主控单元(8)的输入输出端连接通信接口电路(13)；

所述人机界面(26)包括按键(15)、LCD显示器(16)及LED指示灯(18)；按键(15)连接CPU主控单元8的输入端，人机界面(26)连接 LCD驱动电路(14)；

所述开关电源(27)输入为AC220V电压，输出为DC±15V，DC5V电压，与励磁控制主板(25)、人机界面(26)连接。

2.根据权利要求1所述的船用同步发电机励磁控制装置，其特征在于所述灭磁电路(11)由灭磁继电器(22)、灭磁电阻组(23)和二极管组(24)组成，灭磁继电器(22)的输入端连接CPU主控单元(8)，输出端分别连接灭磁电阻组(23)和二极管组(24)，灭磁电阻组(23)和二极管组(24)分别连接发电机转子绕组；当CPU主控单元(8)输出灭磁信号，灭磁继电器(22)动作。

3.根据权利要求1所述的船用同步发电机励磁控制装置，其特征在于所述交流电压信号调理电路(1)输入为发电机侧线电压，交流电流信号调理电路(2)输入为发电机侧相电流。

4.根据权利要求1所述的船用同步发电机励磁控制装置，其特征在于所述CPU主控单元(8)与上位监控机通信的通信接口电路(13)采用CAN通信接口。

5.根据权利要求1所述的船用同步发电机励磁控制装置，其特征在于所述LCD显示器(16)为高速并行接口，通过LCD驱动电路(14)直接与CPU主控单元(8)的并行接口连接；所述LED指示灯(18)包括电源指示灯、故障指示灯、发送指示灯和接收指示灯。

6.根据权利要求1所述的船用同步发电机励磁控制装置，其特征在于所述按键(15)包括上选择、下选择、确认和复位四个按键，用于修改系统整定参数、查看运行信息、查看事件记录、手动启动/停止本励磁控制装置。

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