樸維軍

(遼寧省柴河水庫(kù)管理局，遼寧鐵嶺 112000)

1 問(wèn)題的提出

頻率是電力工業(yè)基本的參數(shù)之一，在發(fā)電廠，機(jī)組并網(wǎng)時(shí)必須保證機(jī)組與電網(wǎng)的頻率相同，因此頻率的測(cè)量就顯得極為重要。測(cè)量頻率的方法有許多種，其中利用電子計(jì)數(shù)測(cè)量頻率具有精度高、使用方便、測(cè)量迅速，以及便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是頻率測(cè)量的重要手段之一柴河電廠3號(hào)機(jī)采用可控硅整流勵(lì)磁 (見(jiàn)圖1)。機(jī)端電壓經(jīng)變壓器降壓后，反饋給可控硅和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器單元 (控制可控硅通角來(lái)調(diào)整機(jī)端電壓的電路板)，機(jī)組在開(kāi)機(jī)時(shí)靠很少的剩磁產(chǎn)生的機(jī)端電壓很低，不能滿足可控硅和調(diào)節(jié)器單元板工作需要，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器單元板不工作可控硅也不導(dǎo)通，勵(lì)磁繞組仍無(wú)電源供應(yīng)，機(jī)組維持在靠剩磁產(chǎn)生的電壓上，此時(shí)機(jī)旁盤(pán)上的頻率計(jì)不能正確顯示機(jī)組的頻率 (機(jī)組轉(zhuǎn)速)，只有當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到80%額定轉(zhuǎn)速 (估測(cè))后，通過(guò)人工充磁的方法，給勵(lì)磁繞組瞬時(shí)通上直流電源，使發(fā)電機(jī)建立機(jī)端電壓，并且能夠滿足可控硅和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器工作要求，勵(lì)磁可控硅能夠?qū)?。機(jī)端電壓通過(guò)可控硅整流后，再反饋給勵(lì)磁繞組使用，即發(fā)電機(jī)能夠利用一小部分自身發(fā)電供給勵(lì)磁使用，電壓達(dá)到要求后，充磁電源自動(dòng)切斷，機(jī)組便開(kāi)始了正常發(fā)電。

圖1 柴河電廠3號(hào)機(jī)采用的可控硅整流勵(lì)磁系統(tǒng)

機(jī)組在開(kāi)機(jī)到充磁前，機(jī)端電壓一直很低，發(fā)電機(jī)的頻率 (轉(zhuǎn)速)不能用普通頻率計(jì)測(cè)得，但此時(shí)工作人員對(duì)機(jī)組的轉(zhuǎn)速非常關(guān)心，因?yàn)榻o機(jī)組沖磁需要知道機(jī)組的轉(zhuǎn)速，以防止瞬時(shí)超電壓和欠電壓 (超電壓容易擊穿設(shè)備，欠電壓又不能正常建立勵(lì)磁)。因此有必要研制一種能夠在很低的電壓下顯示機(jī)端頻率 (轉(zhuǎn)速)的儀器，用來(lái)顯示機(jī)組從開(kāi)機(jī)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的變化，以方便工作人員的正確操作。本頻率計(jì)基于此目的而開(kāi)發(fā)。

2 頻率計(jì)組成及工作原理

輸入信號(hào)起濾波、整形、放大作用;②鎖相環(huán)部分，主要是起跟蹤信號(hào)頻率，并進(jìn)行100倍倍頻作用，目的是提高測(cè)量精度;③時(shí)基電路及門(mén)空開(kāi)關(guān)電路部分，主要是用來(lái)產(chǎn)生時(shí)基信號(hào)和控制計(jì)數(shù)器開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間，控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期、數(shù)據(jù)清零以及顯示器的刷新等;④計(jì)數(shù)器及顯示器部分，用來(lái)顯示測(cè)得頻率;⑤電源部分，提供整機(jī)所用的12V電源，可使用任何形式的電源 (圖2中沒(méi)有給出)。

2.1 輸入部分

如圖2所示，該電路由晶體管和光電耦合器組成，從勵(lì)磁變壓器次級(jí)取出待測(cè)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)限流電阻接到晶體管進(jìn)行放大，目的是增加頻率計(jì)的電壓適應(yīng)范圍 (幾伏至幾百伏)，放大后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)光電耦合器進(jìn)行整形、限幅、濾波等處理，目的是將變壓

圖2 頻率計(jì)輸入部分

該頻率計(jì)由五部分組成:①輸入部分，主要是對(duì)器次級(jí)傳過(guò)來(lái)的含有部分雜波的正弦量變成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，以方便計(jì)數(shù)測(cè)量。

2.2 鎖相環(huán)電路及其組成的100倍倍頻電路

由鎖相環(huán)芯片4046和雙BCD同步加計(jì)數(shù)器芯片4518組成典型的100倍倍頻器。鎖相環(huán)由三個(gè)基本的部件組成:鑒相器 (PD)、環(huán)路濾波器 (LPF)和壓控振蕩器 (VCO)。

鑒相器是相位比較裝置。它將輸入信號(hào)Si(t)和壓控振蕩器的輸出信號(hào)So(t)的相位進(jìn)行比較，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓Se(t)(此電壓控制壓控振蕩器)。

壓控振蕩器受控制電壓Sd(t)的控制，使壓控振蕩器的頻率向輸入信號(hào)的頻率靠攏，直至消除頻差而鎖定，即頻率跟蹤。

由于機(jī)組剛開(kāi)機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速變化較快 (頻率變化也快)，測(cè)量周期不宜過(guò)長(zhǎng)，考慮人眼觀察的反應(yīng)速度選用的測(cè)量的周期為0.125s。每個(gè)測(cè)量周期結(jié)束后，計(jì)數(shù)器、顯示器刷新一次，供運(yùn)行人員查看，而實(shí)際計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)間只有0.1s(這個(gè)時(shí)間越短測(cè)量結(jié)果就越接近當(dāng)時(shí)的即時(shí)頻率)，當(dāng)頻率較低時(shí)，如果用計(jì)數(shù)器直接對(duì)信號(hào)的脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器只能計(jì)到0.1s內(nèi)完整的脈沖數(shù)，而對(duì)不完整的脈沖只能取或舍，這樣當(dāng)頻率較低時(shí)相對(duì)誤差較大。為了減小相對(duì)誤差，將每個(gè)脈沖分成100份，即將被測(cè)信號(hào)的頻率擴(kuò)大100倍，顯示時(shí)，再將計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)縮小100倍，這樣就可以將被測(cè)信號(hào)在每個(gè)0.1s內(nèi)不完整脈沖有用部分加入進(jìn)來(lái)。提高測(cè)量精度 (見(jiàn)圖3)。

圖3 頻率測(cè)量

如圖3所示，若以機(jī)組原有頻率直接計(jì)數(shù)測(cè)量，在計(jì)數(shù)周期為0.1s的情況下，34.4Hz的頻率只能測(cè)得40.0Hz(0.1s計(jì)4個(gè)脈沖)，而采用100倍倍頻后，測(cè)量結(jié)果為34.4Hz(0.1s計(jì)344個(gè)脈沖)，誤差0.1Hz。因此，信號(hào)必須經(jīng)倍頻再進(jìn)行測(cè)量，采用輸入信號(hào) (經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器40106整形后)輸入到4046的14腳，壓控振蕩器輸出信號(hào)不是直接反饋給鑒相器，而是一部分經(jīng)過(guò)與門(mén)電路送給計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，另一部分經(jīng)過(guò)4518分頻1/100。分頻后的信號(hào)再送回鑒相器與輸入信號(hào)比較，得到壓空信號(hào)，用來(lái)控制振蕩輸出信號(hào)的頻率，使壓控振蕩器頻率向輸入信號(hào)頻率的100倍靠攏，保證輸出信號(hào)的頻率是輸入信號(hào)頻率的100倍，以提高測(cè)量的精度。4046是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬(3～18V)、輸入阻抗高 (約100MΩ)(見(jiàn)圖4)。

圖4 4046通用CMOS鎖相環(huán)集成電路

2.3 時(shí)基電路及門(mén)控開(kāi)關(guān)電路

電路由14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器4060組成時(shí)基電路用來(lái)提供時(shí)基信號(hào)，CD4060由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器位組成，振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路，CR為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器使用無(wú)效，所有的計(jì)數(shù)器位均為主從觸發(fā)器。在CP1(和CP0)的下降沿計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù)。為使測(cè)量周期穩(wěn)定，選擇了晶體振蕩器，晶體的頻率為32768Hz(標(biāo)準(zhǔn)石英鐘晶振)，這些二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器可作為二分頻器使用，將振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)進(jìn)行級(jí)分頻，以得到周期較長(zhǎng)并且頻率穩(wěn)定的頻率信號(hào)，CD4060最多能做到14級(jí)分頻 (本電路沒(méi)采用)，而該頻率計(jì)采用的是12級(jí)分頻，測(cè)量周期0.125s(8Hz)，即 32768/(212)=8Hz，信號(hào)由CD4060的1腳輸出，該電路與6與門(mén)電路CD4081配合，主要作用是控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)開(kāi)始時(shí)間、測(cè)量周期等 (見(jiàn)圖5)。

圖5 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)開(kāi)始時(shí)間、測(cè)量周期控制電路

頻率計(jì)測(cè)量時(shí)，脈沖的計(jì)數(shù)時(shí)間為0.1s(起止時(shí)間間隔)，由雙主從D型觸發(fā)器，CD 4013芯片配合與門(mén)電路芯片CD4081產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)門(mén)時(shí)間為0.1s的信號(hào)，并由此信號(hào)來(lái)控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)起、止時(shí)間，顯示器的顯示時(shí)間、消隱時(shí)間等 (見(jiàn)圖6)。

圖6 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)起止時(shí)間與顯示器顯示、消隱時(shí)間控制電路

CD4013真值見(jiàn)下表。

輸 入 輸 出CP D RD SD Q Q L L L L H H L L H L L L 保持H L L H L H H L H H H H

2.4 計(jì)數(shù)電路及顯示電路

計(jì)數(shù)器電路采用三片可預(yù)置的4位二至十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器CD4510芯片，譯碼器采用BCD－鎖存/7段譯碼/驅(qū)動(dòng)器芯片三片CD 14513。顯示器采用3位1/2英寸熒光數(shù)碼管顯示 (一般情況頻率范圍00.0～50.0Hz)，由于計(jì)數(shù)脈沖的頻率是實(shí)際機(jī)端頻率的100倍，而計(jì)數(shù)時(shí)間又是0.1s，因此顯示器顯示的數(shù)據(jù)為機(jī)端頻率的10倍，故將小數(shù)點(diǎn)固定在第2位后，顯示計(jì)數(shù)結(jié)果的0.1倍 (小數(shù)點(diǎn)前為整數(shù)，小數(shù)點(diǎn)后為小數(shù)位)。

2.5 電源部分

可采用任何形式的12伏電源，這里不作介紹。

圖7 整機(jī)原理

3 結(jié)語(yǔ)

該數(shù)字頻率計(jì)雖然處在開(kāi)發(fā)和試用階段，但經(jīng)柴河電廠使用，得到運(yùn)行人員的認(rèn)可，認(rèn)為該整機(jī)原理見(jiàn)圖7。數(shù)字頻率計(jì)使用效果良好，能夠滿足電廠的開(kāi)機(jī)、并網(wǎng)及正常運(yùn)行的需要，測(cè)量精度較高，性能也比較穩(wěn)定，并且成本較低。