單片機在開機并網模擬系統中的應用

摘 要：針對基于模擬電路的直流調速勵磁裝置在開機并網模擬系統中應用時，難于實現跟計算機進行通信，維護調試困難，易受電網干擾，精度較低等問題，開發設計了基于STC89C52單片機的直流調速勵磁裝置，用性價比較高、技術資料較全的STC89C52單片機作為核心控制元件，做成數字觸發電路，利用軟件來實現移相。經實踐，基于STC89C52單片機的直流調速勵磁裝置，不僅提高了精度，調試也比較方便，還能夠很容易的實現跟計算機進行通信。

關鍵詞：單片機 STC89C52 直流調速勵磁裝置 開機并網模擬系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0112-02

在電力系統中，開機并網操作是要求非常嚴格、技術含量較高的一項技能，其操作的好壞，會影響發電機的并網時間，甚至損壞電氣設備、影響電力系統的穩定運行。因此，電力系統的相關工作人員要非常熟練的進行開機并網操作，但是由于電能生產的特殊性，工作人員不能在電站中進行反復的練習，所以，在工作人員培訓和學生教學中需要一套開機并網模擬系統，本文談的開機并網模擬系統用0.38 kV的低壓來模擬發電機端的高壓。這里采用性價比較高、技術資料較全的STC89C52單片機作為核心控制元件。

1 開機并網模擬系統功能及組成

開機并網模擬系統可實現的操作有手動開機并網、自動開機并網一鍵操作、自動開機并網分步操作、發電機組檢修安全措施布置、發電機出口斷路器檢修安全措施布置等。該系統可以供電站職工培訓，在校學生學習以及電氣值班員考證使用。

開機并網模擬系統由動力模塊、發電機模塊、開關柜模塊、直流調速勵磁模塊、控制及同期模塊、通信模塊及微機控制模塊。動力模塊的核心設備是直流電動機，用直流電動機來模擬原動機。發電機模塊的核心設備是低壓的同步發電機，用其來模擬高壓同步發電機。開關柜模塊主要包括低壓隔離開關、低壓萬能斷路器、數字式互感器以及母線，其中母線能跟0.38 kV市電連接，用它們來模擬高壓設備。控制及同期模塊主要是進行手動準同期操作、自動準同期操作和控制，包括二次控制回路、手動同期裝置和相關儀表。計算機控制模塊包括操作軟件、主機、顯示器及外設。通信模塊主要是為了實現微機模塊跟開關柜模塊、控制及同期模塊、直流調速勵磁模塊之間的通信。

2 直流調速勵磁裝置硬件原理

直流調速勵磁模塊的核心是直流調速勵磁裝置。直流調速勵磁裝置主要有以下幾個功能；首先，驅動直流電動機旋轉，并且能夠調節其轉速；其次，給同步發電機提供勵磁電流，并能調節其端電壓。為了實現以上功能，采用三相半波可控整流電路將交流變換為直流，利用基于STC89C52單片機的控制系統對整流電路進行控制。

2.1 三相半波可控整流電路

三相半波可控整流電路的工作情況取決于負載的性質，負載一般可分為純電阻和阻感兩種類型，而本文的情況是阻感負載，電路見圖1。下面分析這種情況下電路的工作情況。

如果負載為阻感負載，且L較R大得多，則整流電路ID的波形基本是平直的，流過晶閘管的電流接近矩形波。當α≤30°時，負載電流連續，。當α>30°時，例如α=60°時當U2過零時，由于電感的存在，阻止電流下降，因而VT1繼續導通，直到下一相晶閘管VT2的觸發脈沖到來，才發b生換流，由VT2導通向負載供電，同時向VT1施加反壓使其關斷。這種情況下ud波形中出現負的部分，若α增大，ud波形中負的部分將增多，至α=90°時，ud波形中政府面積相等，ud的平均值為零，可見阻感負載時α的移相范圍為90°[1]。

2.2 單片機系統

單片機系統原理框圖見圖2。電源是為了給系統提供直流電源。按鍵設置有五個，分別是電壓上升、電壓下降、轉速上升、轉速下降、復位鍵，通過五個按鍵來控制兩個整流電路控制角的移相。因為兩個整流電路的輸入都是0.38 kV的市電，而市電的中性點是直接接地的，可以認為三相之間相位差保持120°不變，所以同步電壓可以只選取A相，通過過零檢測電路檢測其過零點，作為移相的基準，如果為了更加精確，可以將三相電壓作為同步電壓。測速及通信用單片機不僅可以和STC89C52之間進行通信，還可以跟計算機進行通信，并且還具有測量直流電動機轉速的功能。光電隔離和觸發脈沖形成電路，輸出觸發脈沖，控制兩個整流電路的輸出。

3 單片機系統軟件原理

要對整流電路進行控制，必須利用單片機系統的軟件解決脈沖同步和移相的問題。軟件采用相對同步基準觸發方式，該方式僅需一個同步基準，當第一個脈沖由同步基準差生后，再以第一個脈沖作為下一個觸發脈沖的基準，以此類推[2]。移相的實現，是當同步信號正跳沿發生時，觸發STC89C52硬件定時器T0開始計時，同時中斷NT0產生中斷響應，將按當前按鍵要求計算的α值寫入軟件觸發定時器T1，并啟動定時器T1，當時間到了輸出觸發脈沖[3]。定時器T1中斷的中斷處理子程序如圖3[4]。主程序流程如下，當單片機啟動開始后就檢測同步電壓過零點，然后初始化控制角使兩個整流電流輸出值都為零，接下來判斷是否有轉速上升或下降的命令，以此來減小或增大控制角α1，如果沒有轉速控制命令就判斷是否有電壓上升或下降命令，以此來減小或增大控制角α2，調節完控制角后或者沒有檢測到轉速和電壓的控制命令，都要再次檢測同步電壓過零點，然后根據控制角α1和角α2的大小來調整輸出值，最后又返回判斷轉速和電壓控制命令，如此循環。

4 結語

基于STC89C52單片機的直流調速勵磁裝置，克服了模擬觸發電路，靠硬件實現移相觸發，精度較低，易受電網電壓影響的缺點。不僅提高了精度，程序修改、調試都比較方便，抗干擾能力也較強，還能夠實現跟計算機進行通信，更加適用于開機并網模擬系統。

參考文獻

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].4版.機械工業出版社，2006，2：51-54.

[2]陳濤.電網遠動終端功率采集模塊的設計[J].哈爾濱理工大學學報，2008，13（3）：98-101.

[3]王衛兵，孫永杰，劉衛東.單片機和FPGA的可控硅觸發電路的設計與實現.哈爾濱理工大學學報，2009，14（3）.

[4]黃新林，王鋼.有限狀態機在單片機編程中的應用[J].哈爾濱理工大學學報，2008，13（4）：7-9.