勵磁電流

在對變壓器進行設計和分析過程中，要得到變壓器在不同直流偏置條件下的磁場分佈，準確獲得變壓器繞組中的勵磁電流是至關重要的。當變壓器發生直流偏磁時，勵磁電流的波形發生嚴重畸變，正半周出現尖峯，且其峯值比無偏磁時大很多。

在交流電機的控制系統中，勵磁調節器是其中的重要組成部分。國內外相關專業人士一直致力於勵磁調節器的研究。勵磁調節器的發展也由機械式到電磁式，再發展到數字式。數字式勵磁調節器的主導產品是以微型計算機為核心構成的，但其造價高，需要較高技術支持，在一些小型機組上推廣有一定難度。

由此，出現了以MCS-51單片機為核心的勵磁調節器和基於PIC16F877的同步發電機自並勵微機勵磁調節器。

MCS-51單片機內部資源較少使得外圍電路複雜，從而影響了整個勵磁控制系統的精確性、快速性和穩定性。

PIC16F877是美國Microchip公司生產的PIC16F87X系列芯片中功能最為齊全的微控制器。它可以達到在線調試和在線編程的目的，內部帶有8路10位A/ D轉換器，8KХ14位FLASH程序存儲器，368Х8位RAM，256Х8位的EEPR OM，14個中斷源和3個定時/ 計數器，片內集成多達15個外圍設備模塊，因此外圍電路大大簡化，成本降低。

圖1為自並勵勵磁系統的原理接線圖。發電機勵磁功率取自發電機端，經過勵磁變壓器LB降壓，可控硅整流器KZL整流後給發電機勵磁。自動勵磁調節器根據裝在發電機出口的電壓互感器TV和電流互感器TA採集的電壓、電流信號以及其它輸入信號，按事先確定的調節準則控制觸發三相全控整流橋可控硅的移相脈衝，從而調節發電機的勵磁電流，使得在單機運行時實現自動穩壓，在併網時實現自動調節無功功率，提高電力系統的穩定性。

發電機的線電壓UAC和相電流IB分別經電壓互感器和電流互感器變送後，經鑑相電路產生電壓週期的方波脈衝和電壓電流相位差的方波脈衝信號送PIC16F877微控制器，用PIC的計數器測量這兩脈衝的寬度，便可得到相位差計數值，即電網的功率因素角。然後通過查表得出相應的功率因素，進一步求出有功功率和無功功率。

控制單元選用一片PIC16F877單片機，因PIC16F877單片機內部有A/D轉換功能，從而不用外部A/D模塊，這樣減少了外部器件，降低了成本，增強了抗干擾能力。PIC單片機根據從輸入通道採集的發電機運行狀態變量的實時數據，進行控制計算和邏輯判斷，求得控制量。在可控硅整流電路中，要求控制電路按照交流電源的相位向可控硅控制極輸出一系列的脈衝，才能實現可控硅順利導通和自然換相。同步和數字觸發控制電路的作用就是將計算機CPU計算出來的、用數字量表示的可控硅控制角轉換為觸發脈衝。由功率放大電路將觸發脈衝放大後去觸發可控硅，從而控制勵磁電流。

對於他勵電動機，勵磁電壓是加在定子上的電壓，電樞電壓是加在轉子上的電壓，電機出廠後，定子與轉子的電阻是一定的，在啓動電機時，勵磁電流先給定一固定值，隨着轉速，轉矩的增加電樞電流逐漸的增加以滿足負載的要求。在合適的勵磁的作用下，會有滿足要求的電樞電流使電機正常運轉。 ^[2] 

CPU控制模塊是勵磁調節器的控制核心，採用美國Microchip公司生產的PIC16F877單片機。PIC16F877具有獨特的RISC(精簡指令集) 結構，數據總線和指令總線分離的哈佛總線結構，使指令只有單字長的特性，且允許指令碼的位數可多於8 位的數據位數，這與傳統的採用CISC 結構的8 位單片機相比，可以達到2∶1 的代碼壓縮，速度提高4 倍。PIC16F877內部帶有8路10位A/ D 轉換器，8KХ14位FLASH程序存儲器，368Х8位RAM，256Х8位的EEPROM，14箇中斷源和3個定時/ 計數器，片內集成多達15個外圍設備模塊。此外，還有低功耗睡眠模式和片內看門狗電路，易於實現低功耗設計和抗干擾設計。

PIC單片機勵磁調節器採集反映發電機運行工況的4個模擬信號，即發電機機端電壓UAC和定子電流IB，勵磁電壓UL和勵磁電流IL。這4個模擬信號經過整形濾波後，分別送入對應的4片採樣保持器LF398，採樣保持器在PIC16F877微控制器RE1腳產生的同步控制信號下，完成4路信號同步採樣，將此4路被測信號分別接入RA0、RA1、RA2、RA3 4個10位A/D端口引腳。模擬輸入的模擬參考電壓可以在寄存器中設定。PIC16F877的A/D轉換結果儲存在兩個8位的寄存器ADRESH和ADRESL中。由於PIC的A/D模塊是電壓輸入的，所以在迴路輸入中，電壓信號可以直接輸入，而電流信號要在輸入處接一適當電阻，將其轉換成電壓後再輸入。當A/D模塊的輸入中有輸入電壓超過它的最高輸入電壓5V時，就可能損壞器件。因此，在A/D輸入端接上對地5V的穩壓管，這樣，當有高於最高允許電壓的輸入電壓出現時，利用穩壓管可以把它穩定在正常的範圍之內。

開、停機，起、停勵，手、自動，增、減功率等開關量通過光電隔離後與PIC16F877的端口B相連。

為了節約引腳，利用PIC16F877單片機強大的I/O擴展功能，採用MSSP模塊的SPI方式和移位寄存器芯片74HC595實現數碼管的靜態顯示。

絕大多數勵磁系統與上位機的通信採用RS-485。RS-485是一種半雙工的通信協議，只能構成主從式結構的通信網絡，通信聯絡方式為命令型。這種機制使得在構建大型複雜工業現場的實時測控網絡時存在不足。CAN總線具有點對點、一點對多點、全局廣播傳送數據等功能，以及可靠性高、抗電磁干擾能力強、傳輸速率快、通信距離較遠、易於使用和維護、便於網絡擴張等優點，並考慮到勵磁系統是在強電磁干擾環境中使用，所以本系統使用CAN總線通信。PIC16F877芯片沒有集成CAN功能模塊，但可以通過其SPI方式和CAN控制器MCP2510芯片與帶智能適配卡的PC機實現CAN通信。

PIC微機勵磁調節器的軟件採用PIC16F877的彙編語言和C語言混合編程，人機界面友好，操作簡單。另外，採用模塊化設計思想，以主程序為核心，設計了各功能模塊子程序，使大量的功能在子程序中實現，簡化了軟件設計結構。子程序模塊主要包括系統初始化及上電自檢模塊、PID調節模塊、運行方式跟蹤模塊、過勵和欠勵控制模塊、開停機模塊、通信模塊等。系統主程序流程圖如圖4所示。

系統提供了三種不同的運行方式，即恆電壓調節、恆勵磁電流調節、恆無功功率調節。不同的運行方式可以通過鍵盤切換和設定給定值，此外，系統還設置了運行方式跟蹤模塊，即備用運行方式輸出對當前運行方式輸出的跟蹤，以實現運行方式切換時的無擾動。

由於勵磁系統有慣性和滯後的控制對象，同時要求有較高的控制精度和較快的響應速度，因此本設計中採用改進型PID調節方式，即通過採用積分分離算法消除積分飽和效益，減小超調，同時利用在動態響應中加大比例作用，穩態過程中減小比例作用的變增益方法，消除大偏差，加快過渡過程，使勵磁調節器具有較理想的調節特性。

為了提高整個系統的可靠性，除了在上電時進行自檢外，在每個計算週期內都進行了檢錯、容錯處理和軟件看門狗。