单片机在开机并网模拟系统中的应用

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摘 要：针对基于模拟电路的直流调速励磁装置在开机并网模拟系统中应用时，难于实现跟计算机进行通信，维护调试困难，易受电网干扰，精度较低等问题，开发设计了基于STC89C52单片机的直流调速励磁装置，用性价比较高、技术资料较全的STC89C52单片机作为核心控制元件，做成数字触发电路，利用软件来实现移相。经实践，基于STC89C52单片机的直流调速励磁装置，不仅提高了精度，调试也比较方便，还能够很容易的实现跟计算机进行通信。

关键词：单片机 STC89C52 直流调速励磁装置 开机并网模拟系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（a）-0112-02

在电力系统中，开机并网操作是要求非常严格、技术含量较高的一项技能，其操作的好坏，会影响发电机的并网时间，甚至损坏电气设备、影响电力系统的稳定运行。因此，电力系统的相关工作人员要非常熟练的进行开机并网操作，但是由于电能生产的特殊性，工作人员不能在电站中进行反复的练习，所以，在工作人员培训和学生教学中需要一套开机并网模拟系统，本文谈的开机并网模拟系统用0.38 kV的低压来模拟发电机端的高压。这里采用性价比较高、技术资料较全的STC89C52单片机作为核心控制元件。

1 开机并网模拟系统功能及组成

开机并网模拟系统可实现的操作有手动开机并网、自动开机并网一键操作、自动开机并网分步操作、发电机组检修安全措施布置、发电机出口断路器检修安全措施布置等。该系统可以供电站职工培训，在校学生学习以及电气值班员考证使用。

开机并网模拟系统由动力模块、发电机模块、开关柜模块、直流调速励磁模块、控制及同期模块、通信模块及微机控制模块。动力模块的核心设备是直流电动机，用直流电动机来模拟原动机。发电机模块的核心设备是低压的同步发电机，用其来模拟高压同步发电机。开关柜模块主要包括低压隔离开关、低压万能断路器、数字式互感器以及母线，其中母线能跟0.38 kV市电连接，用它们来模拟高压设备。控制及同期模块主要是进行手动准同期操作、自动准同期操作和控制，包括二次控制回路、手动同期装置和相关仪表。计算机控制模块包括操作软件、主机、显示器及外设。通信模块主要是为了实现微机模块跟开关柜模块、控制及同期模块、直流调速励磁模块之间的通信。

2 直流调速励磁装置硬件原理

直流调速励磁模块的核心是直流调速励磁装置。直流调速励磁装置主要有以下几个功能；首先，驱动直流电动机旋转，并且能够调节其转速；其次，给同步发电机提供励磁电流，并能调节其端电压。为了实现以上功能，采用三相半波可控整流电路将交流变换为直流，利用基于STC89C52单片机的控制系统对整流电路进行控制。

2.1 三相半波可控整流电路

三相半波可控整流电路的工作情况取决于负载的性质，负载一般可分为纯电阻和阻感两种类型，而本文的情况是阻感负载，电路见图1。下面分析这种情况下电路的工作情况。

如果负载为阻感负载，且L较R大得多，则整流电路ID的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。当α≤30°时，负载电流连续，。当α>30°时，例如α=60°时当U2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发b生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。这种情况下ud波形中出现负的部分，若α增大，ud波形中负的部分将增多，至α=90°时，ud波形中政府面积相等，ud的平均值为零，可见阻感负载时α的移相范围为90°[1]。

2.2 单片机系统

单片机系统原理框图见图2。电源是为了给系统提供直流电源。按键设置有五个，分别是电压上升、电压下降、转速上升、转速下降、复位键，通过五个按键来控制两个整流电路控制角的移相。因为两个整流电路的输入都是0.38 kV的市电，而市电的中性点是直接接地的，可以认为三相之间相位差保持120°不变，所以同步电压可以只选取A相，通过过零检测电路检测其过零点，作为移相的基准，如果为了更加精确，可以将三相电压作为同步电压。测速及通信用单片机不仅可以和STC89C52之间进行通信，还可以跟计算机进行通信，并且还具有测量直流电动机转速的功能。光电隔离和触发脉冲形成电路，输出触发脉冲，控制两个整流电路的输出。

3 单片机系统软件原理

要对整流电路进行控制，必须利用单片机系统的软件解决脉冲同步和移相的问题。软件采用相对同步基准触发方式，该方式仅需一个同步基准，当第一个脉冲由同步基准差生后，再以第一个脉冲作为下一个触发脉冲的基准，以此类推[2]。移相的实现，是当同步信号正跳沿发生时，触发STC89C52硬件定时器T0开始计时，同时中断NT0产生中断响应，将按当前按键要求计算的α值写入软件触发定时器T1，并启动定时器T1，当时间到了输出触发脉冲[3]。定时器T1中断的中断处理子程序如图3[4]。主程序流程如下，当单片机启动开始后就检测同步电压过零点，然后初始化控制角使两个整流电流输出值都为零，接下来判断是否有转速上升或下降的命令，以此来减小或增大控制角α1，如果没有转速控制命令就判断是否有电压上升或下降命令，以此来减小或增大控制角α2，调节完控制角后或者没有检测到转速和电压的控制命令，都要再次检测同步电压过零点，然后根据控制角α1和角α2的大小来调整输出值，最后又返回判断转速和电压控制命令，如此循环。

4 结语

基于STC89C52单片机的直流调速励磁装置，克服了模拟触发电路，靠硬件实现移相触发，精度较低，易受电网电压影响的缺点。不仅提高了精度，程序修改、调试都比较方便，抗干扰能力也较强，还能够实现跟计算机进行通信，更加适用于开机并网模拟系统。

参考文献

[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.机械工业出版社，2006，2：51-54.

[2] 陈涛.电网远动终端功率采集模块的设计[J].哈尔滨理工大学学报，2008，13（3）：98-101.

[3] 王卫兵，孙永杰，刘卫东.单片机和FPGA的可控硅触发电路的设计与实现.哈尔滨理工大学学报，2009，14（3）.

[4] 黄新林，王钢.有限状态机在单片机编程中的应用[J].哈尔滨理工大学学报，2008，13（4）：7-9.