电力自动化课程教学虚拟仪器设计及开发

摘要:针对电力自动化教学过程中对仪器构造和原理需有所了解的教学要求,提出了在教学过程中自行开发电力自动化教学用励磁调节器虚拟仪器的教学思路,在给出了电力自动化教学用调节器的设计思路基础上,进行了励磁调节器虚拟仪器的设计和开发,通过在电力自动化课程教学过程自行设计及开发电力自动化教学装置,有利于促进学生们的学习热情和加深对理论知识的理解。

关键词:电力自动化教学;励磁调节器;虚拟仪器设计

中图分类号:G4

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)21-0253-01

1 引言

在电力相关高等职业教育课程中,电力系统自动化课程是一门综合性技术很强的课程,这是因为该课程的教学及其实践环节涉及了电力系统运行理论、通信技术、计算机技术、自动控制理论等多学科多领域的知识。高等职业教育中的电力系统自动化课程要求学生们对安全控制和电力系统中的断路器控制、电压和无功功率自动控制、电力系统频率和有功功率自动控制等专门知识有一定的了解和掌握。同时,对于高职学生来说,实验教学环节是整个教学中最为重要的一个环节,重视实验教学环节有利于培养和提高学生的动手能力和实际操作能力、也有利于提高其分析问题和解决问题能力。此外与高职专业技术能力培养直接相关的实验课程还有助于学生综合运用所学的专业知识和基础知识,最大程度地激发和培养学生的创新能力。然而现在的电力自动化教学实验普遍存在以下主要问题:

(1)常用的电力自动化教学仪器均采用比例控制方法,用电容、电阻、晶体管等分立器件组成。实验教学过程中主要进行验证性的实验,该教学过程对于学生动手能力的培养和对基本电路的认识是起不到积极作用的;

(2)在教学实验过程中,仪器设备的控制方式单一,能够用于调试的可变参数有限且为预先按照实验过程预先设定,整个实验不够灵活,因此不能充分调动学生的主观能动性;

(3)现有的教学实验不能对电力自动化动态特性进行观测,也不能在实验过程对其进行控制;

(4)高职教育作为教育改革的重要组成部分,近年来随着招生规模的不断扩大,已经导致实验设备严重不足,并不能保证每个学生都拥有丰富的实验资源;因此必须通过采取新的教学方法和教学手段来弥补这些不足,切实解决这一普遍现实问题。基于此,本文提出了在教学过程中自行开发电力自动化教学用励磁调节器虚拟仪器的教学思路,在给出了电力自动化教学用调节器的设计思路的基础上,进行了励磁调节器虚拟仪器的设计和开发。

2 虚拟调节器的设计思路

本文选择进行电力自动化教学用调节器虚拟仪器的开发。电力系统中励磁调节器的选择,主要依据机组容量等级和所在电力系统的重要性,目前主要的数字励磁调节器的硬件组成形式有多通道、双通道和单通道微机结构。数字励磁调节器核心控制器目前主要有32位和16位两种类型,常有的控制及调节方式包括:PLC、DSP、通用型工控机、嵌入式工控机、单片机等类型。

针对教学过程所要仪器制作简单,可靠;结合数字式励磁调节器的特点,提出电力自动化教学用调节器虚拟仪器的设计思路如下:

(1)虚拟仪器硬件构成结构简单、可靠、便于实现调节过程。采用调节器专用的高速可编程控制器或高速微处理器作为输入输出电路的主要构成形式,这样一来,不仅能省掉了选用大量的逻辑控制继电器的复杂程度和对各器件原理的了解,同时减少了电子元器件数量,对整个结构组成实现了冗余设计,其可靠性显著得到提高。

(2)虚拟仪器软件已编制,并能实现各种调节控制功能。软件的编制是开发本励磁调节器的重要组成部分,其中涉及的各种励磁限制功能、逻辑控制、PSS等均能由软件实现,同时要着重分析和设计可用于实现多种调节规律的选择切换功能。这部分的软件实现,将有指导教师完成,对学生来说,重点是掌握其基本原理。

(3)虚拟仪器具有友好通用的人机交互界面、同时便于后期维护。虚拟模拟显示将被用作实现在实际中的励磁系统调节和人机接口。目前,对于外部接口,国内外基本都采用小键盘和LED或LCD显示器。因此虚拟仪器的制作中需要显示正常运行时励磁系统的常规测量数据;这些数据包括:转子电压、无功功率、电流、机组电压、温度等。此外,对调节器的励磁系统的可进行各种故障监测,还包括自动初始化、故障报警、自动检测等。

(4)实现虚拟仪器和控制系统的通讯。虚拟系统根据用户的要求设置串行通讯或网络通信接口,这样可以方便地实现励磁系统与电站计算机监控系统的控制及数据交换。发展此类型的虚拟仪器系统,还有助于学生更好地了解远程励磁系统的监测及其运行情况,通过对励磁系统的参数的修改和适当设置,有利于电力自动化教学过程中减少老师的参与情况,使得学生更好地成为实验的参与者。

综上所述,随着数字式装置在实际中大量的工业应用,针对数字式励磁调节器的了解和学习对于学生更好地了解工业需求具有重要意义。针对虚拟仪器的设计实现过程,研制和开发这样的虚拟仪器更能有利于学生的学习过程及学习水平的提高,有利于学生掌握工作原理,理解和消化课堂知识和锻炼操作能力的目的。

3 教学用调节器的虚拟仪器开发过程

虚拟仪器的开发过程选择开发集成电路型励磁调节器,设计的集成电路型励磁系统的硬件电路图及其总体结构框图如图1所示。具体的单元组成及虚拟仪器选用分析如下:

3.1 测量单元模块

测量单元实现的过程为:将测量变压器二次电路通过三相整流滤波电路。实现过程所需要的给定电压通过对直流电压源的分压过程得到的,直流电压源是对三相同步信号经过整流滤波后利用三端稳压电源7812和7912得到的。

3.2 PID控制模块

实现对测量比较单元输出的电压偏差信号分析和控制,分别经过比例、微分和积分环节后,再经过一个运放综合各个信号。其P、I、D和最后的求和单元都是由运放LM324扩展一些电阻、电容来实现。

3.3 同步及移相触发模块

主要由TC787A、三相同步信号电路和出口电路组成。同步电压信号是由励磁功率单元的三相电源经过变压器降压,然后经过滤波、分压和直流偏置形成的。移相及触发脉冲形成由集成电路TC787A来完成,它可单电源工作,亦可双电源工作,主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路,以构成多种交流调速和变流装置。

3.4 励磁功率模块

励磁功率单元由三相交流电源和全控可控硅整流桥电路构成。

4 结语

(1)克服了电力自动化教学实验课时紧张和实验教学资源不足的缺点。利用开发的虚拟仪器可以在计算机上就能完成对整个实验过程的仿真实验。

(2)开发的虚拟仪器将具有先进的图形显示功能,可以直接显示仿真波形。同时具备良好的可扩展性和可维护性,满足多年级教学需求。

(3)通过学生和老师共同参与实验过程,进行设计及虚拟仪器零件的选择,可以让学生加深对已经学习过专业知识的理解和实际应用能力,同时有助于激发学生的学习兴趣。

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