发电机自并励励磁自动控制系统设计Word格式.docx

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15%范围内可调。

3强励倍数1.8，不小于10秒

4调压精度，机端电压静差率小于1％。

5自动电压调节范围：

80％～110％。

6起动升压至额定电压时，超调量不大于10％。

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、确定励磁方式，设计励磁自动控制系统接线图。

（3天）

3、建立励磁自动控制系统各个环节的传递函数及框图。

（2天）

4、绘制传递函数框图，对传递函数进行线性化，确定PID控制参数。

5、对系统进行仿真，分析系统性能。

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

随着经济建设的发展，我国的电力工业正迅速发展。

电力系统的规模日益扩大，发电设备的容量也相应增大，系统的运行方式的变化越来越频繁。

为了更好地保证安全，经济运行并保证电能质量，电力系统运行对自动控制装置提出了更高的要求。

励磁系统是发电机的重要组成部分，它的主要任务是根据发电机的运行状态,向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机各种运行方式下的需要。

性能良好、可靠性高的励磁系统是保证发电机安全发电，提高电力系统稳定性所必须的。

本文分析了自并励励磁自动控制的原理和实现方法，以单片机AT89C51作为控制核心和适合大容量的自并励方式设计了发电机励磁控制系统。

本次设计分为硬件设计和软件设计，其中硬件设计包括AT89S52单片机、直流稳压电源、开关驱动控制电路和模拟量采集电路。

软件设计包括主流程设计和模拟量检测流程设计。

最后对整个系统进行了MATLAB仿真，用来对比所得结果与仿真结果是否在误差允许范围内。

关键词：

自并励励磁自动控制系统；

AT89S52单片机；

MATLAB仿真

第1章绪论

励磁控制系统概况

一般我们把根据电磁感应原理使发电机转子形成旋转磁场的过程称为励磁。

此外，为发电机等“利用电磁感应原理工作的电气设备”提供工作磁场也叫励磁。

有时，向发电机转子提供转子电源的装置也叫励磁。

励磁主要是维持发电机端电压在给定值，当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压、合理分配并列运行机组之间的无功分配、提高电力系统的稳定性，包括静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性和直流电机的转动过程中，励磁就是控制定子的电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速，改变励磁同样起到改变转速的作用。

按直流电机励磁方式可分为他励磁、并励磁、串励、复励磁等方式，本次采用并励磁方式。

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。

励磁系统的主要作用是：

1.根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；

2.控制并列运行各发电机间无功功率分配；

3.提高发电机并列运行的静态稳定性；

4.提高发电机并列运行的暂态稳定性；

5.在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；

6.根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

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。

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。

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

本次设计是发电机自并励励磁自动控制系统设计，如下图所示即为励磁控制器设计总体设计方案的框图，其中包括直流稳压电源模块、复位电路模块、时钟电路模块、AT89S52单片机模块和励磁控制系统模块。

在AT89S52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

本设计中单片机选择AT89S52。

AT89S52与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz~33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

89C51单片机的引脚图如2.2。

图2.289S52单片机的引脚图

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作，直到下一个中断或硬件复位为止。

8位为控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）.此外，P1.0和P1,2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示：

在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因将输出电流。

在访问外部存储器用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在Flash编程和校验时，P2口也接受高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示：

端口引脚第二功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INT0（外中断0）

P3.3INT1（外中断1）

P3.4T0（定时/计数器0）

P4.5T1（定时/计数器1）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器读选通）

RST——复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

PSEN——程序存储允许（PSEN）输出是外部程序的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

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89S52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89S52单片机的复位电路：

图2.3复位电路

MCS-51内部有一个构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入端口和输出端口分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源，即可构成时钟电路。

根据单片机的生产工艺不同，可以分为内部和外部两种时钟产生方式。

本次设计采用内部时钟产生方式，其电路图如2.4所示。

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所示的完整的单片机最小系统图。

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的极端电压、发电机输出电流、励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率以及功率因数

，经过一系列限制计算和调节计算来得到整定后的励磁电压所对应的可控硅的导通角，从而触发可控硅，使发电机出口电压稳定在一个新水平。

励磁系统模拟量检测电路包括信号采集部分、信号转换部分、A/D转换部分。

1、信号采集

交流量的采样有两种方法：

①直流采样法；

②交流采样法。

交流采样则是交流电量经互感器后直接进行采样，这种采样方法能实时反映出电参量瞬时值的大小以及动态变化情况，这就使同步采样或准同步采样成为了可能。

由于采样电路不存在直流滤波电容，所以不存在滞后，有利于实时控制。

本文采用交流采样法采集的交流量，即采用电压互感器和电流互感器来获取机端电压和电流，以及励磁电流。

2、信号转换

从互感器获得电压、电流信号很大，而数模转换器只能对一定范围内输入电压转换，故需要通过变换器对输入的电压、电流信号进行处理。

本文中选择电压变换器UV来实现电压信号的变换，电流变换器UA来实现电流信号的转变。

变换器的原理图如图2.6所示。

图2.6变换器的原理图

直流稳压电源电路设计

本次课设要求控制器选用AC220V电源供电，而单片机的工作电源是+5V的直流电源，因此需要利用使用直流稳压电源为单片机提供电源。

直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.7所示。

稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图2.7所示。

+电源+整流+滤波+稳压+

U1U2U3UIU0

_变压器_电路_电路_电路_

图2.7直流稳压电源框图

一般情况下，生产生活中所需的直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大，一次需要通过电源变压器降压后，在对交流电压进行处理。

变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。

目前，也有部分电路不用变压器，利用其他办法进行升压与降压。

变压器副边电压通过整流电路从交流电压转化为直流电压，即将正弦波电压转化为点一方向的脉动电压，半波整流和全波整流电路的输出波形如框图中所画。

本次可设选用桥式全波整流。

可以看出它们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；

例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放大，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；

因而不能直接作为电子电路的供电电源。

为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。

理想情况下，应将交流分量全部滤去，是滤波电路的输出电压仅为直流电压。

然而由于滤波电路位无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。

对于稳定系要求不高的电子电路，蒸馏和滤波后的直流电压可以作为供电电源。

稳压电路的功能是使输出直流电压基本上不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。

本次设计主要应用三端稳压器，而W7800系列三端稳压器的输出电压为5v,6v.9v.12v.15v.18v和24v七个档次，型号后面的两位数字表示输出电压值。

W7805表示的输出电压为5v。

最大电压为1.5A，因此选用W7805三端稳压器。

如图2.8所示即为直流稳压电源的主电路图。

图2.8直流稳压电源电路图

本次课课设的目的在于用弱电控制强电，因此在这一部分，强电与弱电的隔离成为关键，现在有许多种开关控制输出电路，其中大多数是通过芯片给出的电压电流如TTL电平信号，这种电平信号一般不能直接驱动外部设备，而需经过转化后才能驱动外部设备，许多外设如大功率交流接触器、制冷剂等在开关控制过程中会产生较强的电磁干扰信号，不加隔离就会对系统造成误动作或伤害。

因此，在接口处理中，还要包括隔离技术。

针对这个问题，所选励磁开关驱动控制电路,如图2.9所示，所选的光电隔离器是MOC3041，它是根据晶闸管原理开发出来的。

晶闸管是一种大功率半导体器件，可以作为大功率驱动器件使用。

具有用较小功率控制大功率、开关无触点等特点，双向晶闸管目前已经广泛应用于生产生活中，而与它相配套的光电隔离器已经有现成的产品，这种器件一般称为光耦双向晶闸管驱动器，常用的有MOC3000系列，用于不同负载下电压使用。

例如MOC3011用于110V交流，而MOC3041等用于220V交流使用。

在驱动电路中，R1为限流电阻，一般在微机测控系统中，其输出可以用OC门驱动，在光隔输出端，于双向晶闸管并联的RC是为了在感性负载时，吸收与电流不同步的过压，而门极电阻是为了提高抗干扰能力，以防误触发。

图2.9开关驱动控制电路

第3章自并励励磁控制系统软件设计

软件实现功能总述

本次设计所提供的电源是220V交流电源，运用直流稳压电源将其变换为可靠稳定的+5V电源，从而能够安全稳定的为AT89S52单片机提供电源。

其中经历了变压，整流，滤波和稳压四个过程，在整流阶段，选用三相桥式半波整流的方法，在稳压过程中选用了三端稳压器LM317，从而使输出的直流电源是可靠稳定的+5V电源。

通过直流稳压电源为单片机提供电源，单片机可以正常工作，通过选择合理的内部时钟电路和复位电路，并且对单片机软件进行编程，使单片机能够对外部驱动电路进行控制。

在驱动控制电路中，选择光电隔离器MOC3041，使单片机与外部驱动控制电路进行隔离，并且利用单片机对外部电路进行控制，就可以使。

设计某台机组的自动发电控制系统，实现机组功率的合理分配。

流程图设计

根据励磁调节器所完成的功能不同，将整个励磁调节器的软件划分为主程序和中断服务程序。

控制系统软件采用模块化结构设计，各种功能都由相应的子程序来完成。

本励磁控制系统的软件主要由以下几个部分组成：

实时采样，数据处理程序；

中断处理程序；

励磁限制处理程序；

调节计算程序；

键盘管理及其显示程序。

为了更好的完成上述功能，本设计采用单片机来完成，首先单片机完成数据采集、控制角的计算、调节PID系数等功能，再完成六路脉冲的产生和触发的功能。

主程序流程图如图3.1所示。

控制系统上电后首先执行的是初始化和自检，初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、设置各接口芯片初始化、还包括各种程序模块的初始化等等。

初始化结束以后，表明励磁调节器已经准备就绪，接着程序进入起励的设置和起励条件的判别，励磁调节器等待转速信号，在发电机开机而转速未达到额定转速的95%之前将电压给定值设置在空载额定位置，转速一旦达到额定转速的95%，则主程序立刻进入主循环:

首先是数据采集和处理部分，主要由三个子模块组成:

电机出口交流电压采样处理子模块、电机出口交流电流采样处理子模块和励磁电压采用处理子模块。

然后进入功率因数采集计算，它利用徽处理器的外部中断0和定时器1的联合使用来完成对功率因数的采样和计算，并且采用数字滤波的方式最后求得功率因数；

无功调差模块可以实现无功的合理分配，以适应发电机并列运行的需要；

PID调节计算模块根据采集的数据结果与额定值进行比较，从而进行PID调节计算来算出可控硅的控制角；

限制控制子模块则是为保证发电机的正常及安全运行而设置的。

图3.1主程序流程图

模拟量检测发电机出口电压、出口电流和励磁电压。

通过A/D转换器TLC2543对这几个量进行采集，采用PID算法来实现调节控制，计算两个相邻时刻电压的偏差值，出口电流也是如此。

由于功率因数在系统中是一个很重要的参数，它反映了发电机所带负载的性质，而且在计算有功功率和无功功率的时候都必须用到它，所以必须对它进行很细致的采集。

模拟量检测流程图如图3.2所示。

图3.2模拟量检测流程图

程序清单

ORG0000H

SJMPMAIN

ORG0030H

START:

MOVSP,#60H

MOVTMOD,#10H

MOVTL1,#00H

MOVTH1,#4BH

MOVR0,#00H

MOVR1,#20H

SETBTR1

SETBEA

LCALLL_DELAY

SJMP$

INT_T1:

PUSHACC

PUSHPSW

PUSHDPL

PUSHDPH返

CLRTR1

MOVTL1,#00H

MOVTH1,#48H

SETBTR1

MAIN：

MOVTMOD,#21H;

SETBTR0;

MOVR7,#8;

MOVR6,#8

MOVR5,#4

MOVA,#00H

LOOP:

MOVP1,A;

RLA

INCA

ACALLMAIN0;

DJNZR7,LOOP

MAIN1:

MOVA,#0FFH

MOVP1,A；

RRA；

SUBBA,#08H;

ACALLMAIN0

DJNZR6,MAIN1

MAIN2:

MOVA,#00H；

MOVP1,A

CPLA

DJNZR5,MAIN2

LJMPLOOP

MAIN0:

MOVDPTR,#15536;

MOVTL0,DPL

MOVTH0,DPH

MOVTL1,#236;

MOVTH1,#236

JNBTF0,$;

?

0ms

CLRTF0;

CPLP3.5

JNBTF1,MAIN0;

CLRTF1

RET

第4章MATLAB建模仿真分析

Matlab软件简介

MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

Simulink是MATLAB各种工具箱中比较特别的。

Simulink是用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，支持连续，离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强