_______发电机自并励励磁自动控制系统设计

辽 宁 工 业 大 学

电力系统自动化 课程设计（论文）

题目：发电机自并励励磁自动控制系统设计（3）

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气091 学 号： 090303007 学生姓名： 张宝全 指导教师： 起止时间：2012.12.31—2013.01.11

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化 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

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 ................................................. 1 第2章 发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计 .......................... 3

2.1 发电机自并励励磁自动控制系统总体设计方案 ..................... 3 2.2 单片机最小系统设计 .......................... 错误！未定义书签。 2.3 发电机自并励励磁自动控制系统模拟量检测电路设计 ............... 7 2.4 直流稳压电源电路设计 ......................................... 8 第3章 自并励励磁控制系统软件设计 ................................... 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 3.3 程序清单 .................................................... 13 第4章 系统仿真与分析 ............................... 错误！未定义书签。

4.1 系统仿真模型建立 ............................ 错误！未定义书签。 4.2 系统仿真模型的设计 .......................... 错误！未定义书签。 第5章 课程设计总结 ................................................. 15 参考文献 ............................................................ 15

第1章 绪论

1.1 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。

1.2 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0.80，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％

第2章 发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计

2.1 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

2.2 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。

2.2.1 CPU

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0~24 MHz；片内4KB Flash ROM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XTAL1和XTAL2：XTAL1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，XTAL2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）INT0、INT1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。

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图2.2 89C51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

2.3 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cos ，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

C1

.

2.4 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。

电网供给的交流电压u1(220V,50Hz) 经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

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2.7所示即为直流稳压电源的主电路图。

图2.7直流稳压电源电路图

T1220V

50Hz

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2.8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。

P1.0

P1.1

5V

图2.8 开关驱动控制电路

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。

第3章 自并励励磁控制系统软件设计

3.1 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。

3.2 流程图设计

3.2.1 主程序流程图设计

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。

3.2.2 模拟量检测流程图设计

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

3.3 程序清单

ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0030H

START: MOV SP, #60H MOV TMOD,#10H MOV TL1,#00H MOV TH1,#4BH MOV R0,#00H MOV R1,#20H SETB TR1 SETB EA LCALL L_DELAY SJMP $

INT_T1: PUSH ACC PUSH PSW PUSH DPL PUSH DPH返 CLR TR1 MOV TL1,#00H MOV TH1,#48H SETB TR1 MAIN：MOV TMOD,#21H;

SETB TR0; SETB TR1 MOV R7,#8; MOV R6,#8 MOV R5,#4 MOV A,#00H LOOP:MOV P1,A；

RL A INC A ACALL MAIN0;

本科生课程设计（论文）

DJNZ R7,LOOP MAIN1:MOV A,#0FFH

MOV P1,A； RR A； SUBB A,#08H; ACALL MAIN0 DJNZ R6,MAIN1

MAIN2:MOV A,#00H；

MOV P1,A CPL A ACALL MAIN0 DJNZ R5,MAIN2 LJMP LOOP

MAIN0:MOV DPTR,#15536;

MOV TL0,DPL MOV TH0,DPH MOV TL1,#236; MOV TH1,#236 JNB TF0,$;?0ms CLR TF0;?0ms CPL P3.5 JNB TF1,MAIN0; CLR TF1 RET

本科生课程设计（论文）

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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