Terminología del flujo de excitación
En el sistema de control del generador síncrono, el regulador de excitación es una parte importante. Cuando el generador funciona solo, el regulador de excitación ajusta la corriente de excitación del generador para ajustar el voltaje terminal del generador. Cuando hay varios generadores funcionando en paralelo en el sistema de energía, el regulador de excitación ajusta la corriente de excitación para distribuir razonablemente las operaciones en paralelo. .Potencia reactiva entre unidades generadoras, mejorando así la estabilidad estática y dinámica del sistema eléctrico. Por lo tanto, profesionales relevantes nacionales y extranjeros se han comprometido con la investigación de reguladores de excitación. El desarrollo de reguladores de excitación también ha evolucionado de mecánicos a electromagnéticos y luego a los digitales actuales. En la actualidad, el producto líder del regulador de excitación digital se compone de una microcomputadora como núcleo, pero su costo es alto, requiere un alto soporte técnico y es difícil promocionarlo en algunas unidades pequeñas. Como resultado, apareció el regulador de excitación con el microcontrolador MCS-51 como núcleo [1][2]. El microcontrolador MCS-51 tiene menos recursos internos y complica el circuito periférico, lo que afecta la precisión, velocidad y estabilidad de todo el sistema de control de excitación. Este artículo propone un método de diseño para un regulador de excitación de microcomputadora con excitación automática en derivación de un generador síncrono basado en PIC16F877.
PIC16F877 es el microcontrolador más completo de la serie de chips PIC16F87X producidos por Microchip en Estados Unidos. Puede realizar depuración y programación en línea. Tiene 8 canales de convertidores A/D de 10 bits, memoria de programa FLASH de 8K a 14 bits, RAM de 368 a 8 bits, EEPROM de 256 a 8 bits, 14 fuentes de interrupción y 3 temporizadores/contadores. chip Al integrar hasta 15 módulos periféricos, el circuito periférico se simplifica enormemente y se reduce el coste.
2 Principio de funcionamiento básico del regulador de excitación del microordenador con excitación en derivación automática [4]
La Figura 1 es el diagrama de cableado principal del sistema de excitación en derivación automática. La potencia de excitación del generador se toma del extremo del generador, se reduce mediante el transformador de excitación LB y se rectifica mediante el rectificador controlado por silicio KZL para excitar el generador. El regulador de excitación automático controla el disparo del cambio de tiristor del puente rectificador trifásico totalmente controlado de acuerdo con el voltaje, las señales de corriente y otras señales de entrada recopiladas por el transformador de voltaje TV y el transformador de corriente TA instalados en la salida del generador de acuerdo con los criterios de ajuste predeterminados. Los pulsos de fase se utilizan para ajustar la corriente de excitación del generador, de modo que se pueda lograr la estabilización automática del voltaje cuando una sola máquina está en funcionamiento, y la potencia reactiva se puede ajustar automáticamente cuando se conecta a la red, mejorando así la estabilidad del sistema de energía. .
Después de que el transformador de voltaje y el transformador de corriente transmiten el voltaje de línea UAC y la corriente de fase IB del generador respectivamente, el circuito detector de fase genera un pulso de onda cuadrada de período de voltaje y un pulso de onda cuadrada de voltaje y diferencia de fase actual. La señal se envía al microcontrolador PIC16F877, y el contador PIC se utiliza para medir el ancho de los dos pulsos, y se puede obtener el valor del recuento de diferencia de fase, es decir, el ángulo del factor de potencia de la red eléctrica [ 1]. Luego, consultando la tabla se obtiene el factor de potencia correspondiente y se calculan además la potencia activa y la potencia reactiva.
La unidad de control utiliza un microcontrolador PIC16F877. Debido a que el microcontrolador PIC16F877 tiene una función de conversión A/D interna, no hay necesidad de un módulo A/D externo. Esto reduce los componentes externos, reduce los costos y mejora. Capacidades antiinterferencias. El microcontrolador PIC realiza cálculos de control y juicios lógicos basados en los datos en tiempo real de las variables del estado operativo del generador recopilados del canal de entrada para obtener la cantidad de control. En el circuito rectificador de tiristores, se requiere que el circuito de control envíe una serie de pulsos al electrodo de control del tiristor de acuerdo con la fase de la fuente de alimentación de CA para lograr una conducción suave y una conmutación natural del tiristor. La función del "circuito de control de disparo síncrono y digital" es convertir el ángulo de control del tiristor calculado por la CPU de la computadora y representado por una cantidad digital en un pulso de disparo. El circuito amplificador de potencia amplifica el pulso de disparo y activa el tiristor para controlar la corriente de excitación.
Módulo de control de CPU 3.1
El módulo de control de CPU es el núcleo de control del regulador de excitación y adopta el microcontrolador PIC16F877 producido por American Microchip Company. PIC16F877 tiene una estructura RISC (conjunto de instrucciones reducido) única, una estructura de bus Harvard que separa el bus de datos y el bus de instrucciones, lo que hace que las instrucciones tengan una longitud de una sola palabra y permite que el número de dígitos del código de instrucción sea superior a 8 dígitos de datos. , que es consistente con En comparación con el microcontrolador tradicional de 8 bits que usa estructura CISC, puede lograr una compresión de código 2:1 y aumentar la velocidad 4 veces.
PIC16F877 tiene 8 convertidores A/D internos de 10 bits, memoria de programa FLASH de 8K a 14 bits, RAM de 368 a 8 bits, EEPROM de 256 a 8 bits, 14 fuentes de interrupción y 3 temporizadores/contadores, e integra hasta 15 módulos de dispositivos periféricos en el chip. . Además, hay un modo de suspensión de bajo consumo de energía y un circuito de vigilancia en el chip, lo que facilita la implementación de un diseño de bajo consumo de energía y un diseño antiinterferencias.
3.2 Módulo de adquisición de datos
El regulador de excitación del microcontrolador PIC recopila cuatro señales analógicas que reflejan las condiciones de funcionamiento del generador, a saber, el voltaje del terminal del generador UAC, la corriente del estator IB, el voltaje de excitación UL y la excitación. IL actual. Después de que estas cuatro señales analógicas se moldean y filtran, se envían a los cuatro dispositivos de muestreo y retención correspondientes LF398. El dispositivo de muestreo y retención completa el muestreo sincrónico de las cuatro señales bajo la señal de control síncrono generada por el pin RE1 del microcontrolador PIC16F877. Las señales bajo prueba están conectadas a cuatro pines de puerto A/D de 10 bits RA0, RA1, RA2 y RA3 respectivamente. El voltaje de referencia analógico para la entrada analógica se puede configurar en un registro. Los resultados de la conversión A/D de PIC16F877 se almacenan en dos registros de 8 bits, ADRESH y ADRESL. Dado que el módulo A/D del PIC tiene una entrada de voltaje, la señal de voltaje se puede ingresar directamente en la entrada del bucle, mientras que la señal de corriente debe conectarse a una resistencia adecuada en la entrada para convertirla en voltaje antes de ingresarla. Cuando el voltaje de entrada del módulo A/D excede su voltaje de entrada máximo en 5 V, el dispositivo puede dañarse. Por lo tanto, se conecta un tubo regulador de voltaje de 5V a tierra al terminal de entrada A/D. De esta manera, cuando aparece un voltaje de entrada superior al voltaje máximo permitido, se puede utilizar el tubo regulador de voltaje para estabilizarlo dentro del rango normal. .
Los valores de conmutación como inicio y parada, inicio y parada de excitación, manual, automático, aumento y disminución de potencia se conectan al puerto B del PIC16F877 a través del aislamiento fotoeléctrico.
3.3 Módulo de visualización
Para ahorrar pines, se utiliza la potente función de expansión de E/S del microcontrolador PIC16F877 y el método SPI del módulo MSSP y el chip de registro de desplazamiento. 74HC595 se utilizan para realizar la visualización estática del espectáculo de tubo digital.
3.4 Módulo de comunicación
Actualmente, la gran mayoría de sistemas de excitación se comunican con el ordenador host mediante RS-485. RS-485 es un protocolo de comunicación semidúplex que solo puede formar una red de comunicación maestro-esclavo y el método de comunicación es de tipo comando. Este mecanismo lo hace insuficiente a la hora de construir redes de medición y control en tiempo real en sitios industriales grandes y complejos. El bus CAN tiene las funciones de transmisión de datos punto a punto, punto a multipunto y transmisión global, así como las ventajas de alta confiabilidad, fuerte capacidad de interferencia antielectromagnética, velocidad de transmisión rápida, larga distancia de comunicación, fácil uso y mantenimiento, y expansión conveniente de la red, y tiene en cuenta El sistema de excitación se utiliza en un entorno de fuerte interferencia electromagnética, por lo que este sistema utiliza comunicación por bus CAN. El chip PIC16F877 no tiene un módulo de función CAN integrado, pero puede lograr la comunicación CAN con una PC con una tarjeta adaptadora inteligente a través de su método SPI y el chip controlador CAN MCP2510.
4 Diseño de software del regulador de excitación del microordenador
El software del regulador de excitación del microordenador PIC adopta el lenguaje ensamblador PIC16F877 y la programación mixta en lenguaje C, con una interfaz hombre-máquina amigable y un funcionamiento sencillo. Además, se adopta la idea de diseño modular, con el programa principal como núcleo, y se diseñan subrutinas de cada módulo funcional, de modo que se puedan realizar una gran cantidad de funciones en las subrutinas, simplificando la estructura de diseño del software. El módulo de subrutina incluye principalmente un módulo de inicialización del sistema y autoprueba de encendido, un módulo de ajuste PID, un módulo de seguimiento del modo de funcionamiento, un módulo de control de sobreexcitación y subexcitación, un módulo de arranque y apagado, un módulo de comunicación, etc. El diagrama de flujo del programa principal del sistema se muestra en la Figura 4.
El sistema proporciona tres modos de funcionamiento diferentes: regulación de voltaje constante, regulación de corriente de excitación constante y regulación de potencia reactiva constante. Se pueden cambiar diferentes modos de funcionamiento y establecer valores a través del teclado. Además, el sistema también está equipado con un módulo de seguimiento del modo de funcionamiento, es decir, la salida del modo de funcionamiento de respaldo rastrea la salida del modo de funcionamiento actual para lograr no perturbaciones. al cambiar los modos de funcionamiento.
Dado que el sistema de excitación tiene objetos de control de inercia e histéresis y requiere una mayor precisión de control y una velocidad de respuesta más rápida, este diseño adopta un método de ajuste PID mejorado, es decir, mediante el uso del algoritmo de separación integral. efecto de saturación y reducir el sobreimpulso Al mismo tiempo, el método de ganancia variable para aumentar el efecto proporcional en la respuesta dinámica y reducir el efecto proporcional en el proceso de estado estable se utiliza para eliminar grandes desviaciones y acelerar el proceso de transición, de modo que el El regulador de excitación tiene características de ajuste ideales.
Para mejorar la confiabilidad de todo el sistema, además de la autoprueba al encender, en cada ciclo de computación se realizan detección de errores, procesamiento de tolerancia a fallas y vigilancia de software.