发电机自并励励磁自动控制系统设计.docx

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发电机自并励励磁自动控制系统设计

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

目录

第1章绪论1

1.1励磁控制系统概况1

1.2本文主要内容2

第2章发电机励磁系统硬件设计3

2.1发电机励磁系统原理3

2.2发电机励磁系统总体设计方案3

2.3单片机最小系统设计4

2.2.1CPU4

2.2.2复位电路设计5

2.2.3时钟电路设计6

2.4励磁系统模拟量检测电路设计7

2.5功率因数角测量电路8

2.6励磁电流的检测8

2.7励磁系统可控整流电路设计9

2.7.1晶闸管整流电路原理及设计9

2.7.2驱动电路设计10

第3章励磁系统软件设计11

3.1软件实现功能综述11

3.2流程图设计11

3.2.1主程序流程图设计11

3.2.2模拟量检测流程图设计12

第4章课程设计总结13

参考文献14

第1章绪论

励磁控制系统概况

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。

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：

1水轮发电机容量300MW，功率因数0.85，定子额定电压18KV，空载额定转子电压177V。

2要求电压调差系数在±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：

60％～140％。

6起动升压至额定电压时，超调量不大于5％

第2章

发电机励磁系统硬件设计

发电机励磁系统原理

发电机励磁系统可以对其电压、无功功率的分配进行控制。

随着负荷波动，励磁系统对励磁电流进行调节维持电压在给定水平即合理分配无功功率。

发电机励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。

其中励磁调节器基本控制由测量比较、综合放大、移相触发单元组成。

测量比较单元测量发电机电压并转换为直流电压，与给定的基准电压相比较，得出电压偏差信号。

电压偏差信号及调差单元电压信号在综合放大单元与励磁限制、稳定控制及反馈补偿等其他调节信号加以综合放大，用来得到满足移相触发单元相位控制所需的控制电压。

移相触发单元根据综合放大单元送来的信号的变化，产生触发脉冲，用以触发功率整流单元的晶闸管。

晶闸管自动励磁调节器原理框图如图2.1所示。

图2.1晶闸管自动励磁调节器原理框图

发电机励磁系统总体设计方案

本文采用发电机自并励系统，由八部分组成：

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。

总体框图如图2.2所示。

图2.2总体框图

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2.3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2.389C51引脚

2.2.2复位电路设计

复位是单片机的初始化操作，使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

也可以使死机状态下的单片机重新启动。

单片机简单的复位电路有上电复位和手动复位两种，也可以采用专用复位电路芯片作为复位电路。

按键式复位电路既可以实现上电复位功能，又可以通过按键实现复位功能。

为了有效控制单片机对系统进行复位，因此本文采用了按键电平复位电路。

复位电路与单片机硬件接线图如图2.4所示.

图2.4复位电路与单片机硬件接线图

2.2.3时钟电路设计

时钟电路为系统提供基本的时钟信号对于内部时钟信号外接晶振（陶瓷振荡器）时，C1、C2的值通常选择为30pF（40pF）左右;振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。

时钟信号可以由内部时钟方式和外部时钟方式产生的。

本文时钟电路选择内部时钟方式。

时钟电路与单片硬件接线图如图2.5所示。

图2.5时钟电路与单片硬件接线图

CPU最小系统图如图2.6所示。

图2.6CPU最小系统图

励磁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2.7所示。

图2.7变换器的原理图

功率因数角测量电路

通过直接检侧相电流和线电压的相邻的两个方波的上升沿的时间差，利用单片机来确定功率因数以及功率因数的超前滞后情况，从而通过运算得到三相电网的功率因数。

设θ为线电压滞后相电流的相角，相电流滞后相电压的相角为Φ。

把电压和电流方波信号经异或门之后的方波作为过零点的检测信号，为了节省外部中断，采用一个反相传输门和模拟开门相结合的电路。

由P3.0控制模拟开关的选通。

这样就可以控制用于脉宽测量的定时器T1的计数值n，即当方波的上升沿到来的时候，计数器T1启动，开始计数；当方波的下降沿到来的时候，T1停止计数。

得到对应的脉宽计数值n。

假设测量工频的半个周期所对应的计数值N，通过N，n的关系推导出θ和Φ值。

（N=

）

则有功功率和无功功率可以由采集得到的电压、电流以及测算得到的功率因数

经过运算得到。

励磁电流的检测

通过检测励磁电流使励磁调节器能够实时的监控以及控制励磁电流的大小，及时防止过励或欠励现象。

励磁电流测量可通过测量整流桥交流测的交流电流得到。

（1）

时整流元件有效值。

此时，流过各元件的电流波形均为宽度120度的矩形波，与控制角

大小无关。

原件有效值为：

整流桥交流侧电流的有效值流过同一相两个元件的电流组成，所以交流有效

值为：

，

（2）当

时，电流有效值为：

交流侧电流有效值I为元件电流有效值的

倍，系数

约为0.955，由此可认为：

。

励磁电流检测电路如图2.8所示。

图2.8励磁电流检测电路

励磁系统可控整流电路设计

2.7.1晶闸管整流电路原理及设计

本文采用静止励磁系统，机端电压励磁变压器经由大功率晶闸管构成的整流装置供给。

原理图如图2.9所示。

图2.9三相全控桥整流电路原理图

三相全控整流桥的六个桥臂均由可控硅构成，习惯将其阴极连接在一起的三个晶闸管称为共阴极组。

阴极分别接于三相电源；阳极连接在一起的三个晶闸管称为共阳极组，阴极分别接于三相交流电源。

在整流电路合闸启动的过程中或电流续流时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲。

为此可采用两种方法：

一种是脉冲宽度大于60°，因此称为宽脉冲触发；另一种方法是，用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60°脉宽一般为20°-30°，称为双脉冲触发。

根据需要本系统采用的是双脉冲触发方式，每个工频周期发出六对触发脉冲。

2.7.2驱动电路设计

晶闸管工作时需要有触发脉冲，即需要驱动电路驱动晶闸管。

功率驱动电路将从单片机的控制命令进行功率放大，经过脉冲变压器隔离按顺序触发可控硅。

其电路原理图如图2.10所示。

图2.10驱动电路图

第3章励磁系统软件设计

软件实现功能综述

控制系统通过软件完成以下主要功能：

恒定机端电压调节功能；无功调差功能；空载过压保护功能；强行励磁功能；欠励限制功能；通过发电机出口电压、电流及计算功率因数；在线调节PID系数功能。

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。

流程图设计

主程序流程图设计

图3.1主程序流程图

根据励磁系统的功能及组成部分，来设计主程序流程图。

主程序流程图如图3.1所示。

模拟量检测流程图设计

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

第4章课程设计总结

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。

本文基于发电机励磁系统的原理，结合设计要求为容量300MW水轮发电机设置了励磁系统。

随着大规模集成电路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的优点更加显著，因此本文选择单片机AT89C51作为控制器的核心，使得复杂的控制策略可以在励磁控制中得到实现。

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。

而且系统的可靠性可靠性高，无故障时间长。

同步发电机励磁方式直流励磁机、交流励磁机和静止励磁机三种方式。

本文中选择优点相对突出的静止励磁方式。

本文通过电流、电压互感器获取电信号，经变换器转换为模拟量，通过A/D转换器输入AT89C51中。

对单片机进行程序设计，对输入量进行计算分析，最后由单片机控制励磁系统的功率控制单元来实现发电机的励磁控制。

参考文献

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