发电机自并励励磁自动控制系统设计解读Word文档格式.docx

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学生姓名

张宝全

专业班级

电气091

课程设计题目

发电机自并励励磁自动控制系统设计（3）

课程设计（论文）任务

基本参数及要求：

1水轮发电机容量300MW，功率因数0.80，定子额定电压18KV，空载额定转子电压200V。

2要求电压调差系数在±

12%范围内可调。

3强励倍数2，不小于10秒

4调压精度，机端电压静差率小于0.5％。

5自动电压调节范围：

70％～130％。

6起动升压至额定电压时，超调量不大于8％。

设计要求

1.阐述发电机励磁控制系统的控制原理。

2.确定励磁控制系统方案。

3.设计输入接口及电力参数数据采集通道。

4设计输出接口及输出励磁控制通道。

5确定控制算法，设计系统软件。

6对设计进行总结。

进度计划

1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。

（1天）

2、系统总体方案设计，选择CPU，设计单片机最小系统。

3、设计输入接口及电力参数数据采集通道。

（2天）

4、设计输出接口及输出励磁控制通道。

（3天）

5、系统软件设计。

6、撰写、打印设计说明书（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

励磁控制系统是同步发电机的一个重要组成部分，在保证电能质量、无功率合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面起着十分重要作用。

本文针采用了单片机AT89C51作为控制核心和适合大容量的自并励方式设计了300MVA的水轮发电机励磁控制系统。

在硬件电路中进行了模拟量检测电路和功率因数测量电路的设计，通过编程控制单片机在软件上实现了对同步发电机励磁系统调压范围及调差系数的调节与控制。

采取了以提高电力系统动态稳定性为目标的线性最优励磁控制方式不仅实现了电压调节，还兼顾了功率及功率因数角的测量。

关键词：

AT89C51；

自并励；

调差系数；

线性最优控制

第1章绪论

励磁控制系统概况

励磁系统主要作用是为同步发电机励磁绕组提供直流电流，并且励磁调节器通过控制励磁电压及励磁电流，担负着对电力系统稳定运行的控制和保护功能。

随着大规模集成电路技术及计算机技术发展，采用微处理器作为硬件控制核心的微机励磁控制器将成为今后励磁控制器发展方向。

数字控制的励磁调节器由以下几个优点：

（1）由于计算机具有计算和逻辑判断功能，使得复杂的控制策略可以在励磁控制中得到实现。

（2）调节准确、精度高，在线该变参数方便。

在数字是励磁调节器中，信号处理、调节控制规律都由软件来完成，不仅简化控制装置，而且信号处理和控制精度高。

（3）可靠性高，无故障时间长等。

因此本文采用了单片机进行控制的发电机励磁系统。

同步发电机励磁方式根据励磁电源不同分为：

直流励磁机、交流励磁机和静止励磁机方式。

直流励磁方式有自励式和他励式两种，他用具有整流子的直流发电机作为励磁电源。

不受电力系统中非正常运行状况影响。

交流励磁机方式有自励式和他励式两种，经半导体可控硅整流后供给发电机励磁。

同样发电机励磁也不受电力系统运行情况变化的影响。

但由于交流励磁机的电枢反应压降相对直流机励磁机大些，在发电机近端短路故障时可能会造成强力不足。

静止励磁方式用接于发电机出口或厂用母线上的变压器作为交流励磁电源，经半导体整流后供给发电机励磁绕组。

静止励磁系统直接对转子励磁，其显著特点是具有高起始励磁电压响应速度，易于实现高起始响应比。

具有结构简单、造价低既能减少轴系统振动等优点。

因此在本文采用里静止励磁方式。

励磁控制系统是由励磁功率单元、励磁控制器和同步发电机共同组成的反馈系统。

励磁功率单元和励磁控制器组成的系统就是人们通常所说的励磁系统。

励磁功率单元负责向发电机转子提供直流励磁或交流励磁电流；

励磁控制器负责根据检测到的发电机的电压、电流或其他状态量的输入信号，按照给定的励磁控制准侧自动调节励磁功率单元的输出。

优良的励磁系统不仅可以保证发电机可靠运行，而且还可以有效地提高电力系统的性能指标。

根据运行方面的要求，同步发电机力控制系统任务：

（1）电压控制

电力系统正常运行时同步发电机总是随负荷波动而变化，要求发电励磁系统对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定水平；

（2）控制无功功率分配；

（3）提高同步发电机并联运行的稳定性；

（4）改善电力系统运行条件。

本文主要内容

本文根据发电机励磁系统的基本原理设计了容量300MW水轮发电机的励磁系统。

基于数字式励磁系统的优势和所学知识选择单片机AT89C51作为发电机励磁系统的控制核心，并选择静止励磁方式进行励磁系统设计。

根据励磁机要实现的功能，整个系统分为不同模块：

数据采集电路；

CPU部分；

模数转换电路；

功率因数测量电路；

触发电路；

SCR；

继电器输出电路及模拟输入电路。

对每个模块进行设计，并通过软件设计达到励磁目的。

通过设计基本参数达到如下要求：

6起动升压至额定电压时，超调量不大于8％

第2章

发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计

发电机自并励励磁自动控制系统总体设计方案

如图2.1所示即为励磁控制器设计总体设计方案的框图，其中分为五个模块，分别是直流稳压电源模块、复位电路模块、时钟电路模块。

AT89C51单片机模块和励磁开关驱动控制电路模块，实现单片机控制外部电路。

在AT89C51单片机模块中，应用内部的软件编辑程序，实现对励磁系统驱动控制电路的控制。

在复位电路模块中，复位操作可以使单片机初始化，也可以使机状态下的单片机重新启动。

复位电路需要外加电源，而题目中只给出AC220V交流电源，因此在复位电路前加入了直流稳压电源模块，为复位电路提供可靠的直流稳压电源。

在时钟电路模块中，时钟电路为单片机提供工作所需的时钟信号。

励磁开关驱动控制电路模块中，采用光电隔离器MOC3041，是单片机与外部电路实现隔离，并且能有效地控制外部电路。

图2.1励磁控制系统总体设计方案框图

单片机最小系统设计

单片机最小系统包括CPU、存储器、晶振电路、复位电路几个部分。

2.2.1CPU

根据所学知识本文中选择AT89C51单片机作为系统的控制核心。

89C51有面向控制的八位CPU，有一个片内震荡器和时钟产生电路，震荡频率为0~24MHz；

片内4KBFlashROM的程序存储器，128B的片内数据存储器；

89C51有4个并行I/O，共32条可单独编程的I/O线；

存在5个中断远源，2个中断优先级。

2、引脚功能介绍：

单片机89C51引脚如图2.2所示。

（1）外接晶体引脚和：

是震荡电路反向放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端，是震荡电路反向放大器的输出端，当采用外部震荡器时。

（2）RESET:

复位信号输入端，当震荡器工作时，此引脚出现两个机器周期以上高电平，就可以使单片机复位。

（3）、分别是外部中断0、外部中断1申请输入。

（4）输入输出引脚P0口、P1口

P0口（P0.0-P0.7）：

用作普通I/O口，访问外部存储器时，可分时用做低8位地址和8数据线；

P1口（P1.0-P1.7）：

用作普通I/O口。

图2.289C51单片机的引脚图

引脚功能：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

复位操作可以使单片机初始化，也可以使机状态下的单片机重新启动，因此十分重要。

单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟震荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。

为了保证系统可靠地复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10毫秒以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。

当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。

在复位有效期间，ALE和/PSEN引脚输出高电平。

如图2.3所示即为AT89C51单片机的按键电平复位电路，这种复位电路利用电容器充电实现。

当加电时，电容C充电，电路有电流通过，构成回路，在电阻R上产生压降，RESET的引脚为高电平；

当电容C充满电后，电路相当于断开，复位结束。

它还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1和R2形成回路，使RESET端产生高电平。

按键的时间决定了复位时间。

如图2.3所示即为89C51单片机的按键电平复位电路。

图2.3按键电平复位电路

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时钟信号可以有两种方式产生：

内部时钟方式和外部时钟方式，下面介绍内部时钟方式。

89C51内部有一个高增益反相放大器（即与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

在XTAL1和XTAL2两端跨界晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，如图2.所示。

外接晶振时，C1、C2参数通常选择30pF左右。

C1、C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，谐振频率范围是0到24MHz，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠接地，谐振器和电容应该尽量安装的与单片机芯片靠近。

内部时钟发生器实质是一个二分频的触发器其输出是单片机工作所需的时钟信号.如图2.4所示即为89C51单片机的内部时钟电路。

图2.4内部时钟电路

综合以上所作分析与选择，形成了如图2.5所示的完整的CPU最小系统图

图2.5单片机最小系统图

发电机自并励励磁自动控制系统模拟量检测电路设计

在励磁系统中需要测得参数包括发电机