同步发电机数字式励磁调速系统的研究与设计

本科生毕业论文(设计)

调研报告

题 目： 同步发电机数字式励磁 调速系统的研究与设计

学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师：

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同步发电机数字式励磁调速系统的研究与设计

一、课题介绍

（1）主要目标任务

综合运用所学知识，利用以DSP为核心的芯片设计一个同步发电机励磁调速系统，有很好的人机接口和运算控制功能，数字式调速系统除了可以实现模拟式调节器PID调节、PSS（电力系统稳定器）附加控制和线性最优控制外，还可以实现模拟式调节器难以实现的自校正调节、非线性最优励磁控制（NOEC）、自适应控制及模糊控制等；具有非常重要的现实意义。通过此设计还可以提高学生的创新能力，使学生的理论知识与实践水平跨上一个新的台阶，为以后的工作打下良好的基础。

通过本设计，培养学生综合运用所学知识，独立分析问题与解决问题的能力；培养学生创新意识与创新能力；学到如何独立构造一个系统，掌握可编程器件实际知识与工程设计的基本技能（理论分析、试验研究、查阅文献、使用计算机及语言文字表达等），为走上工作岗位打下良好的基础。 （2）设计基本要求

1、技术要求：

（1）设计方案正确，能正确实现系统的功能； （2）模拟量输入参数分辨率12位；

（3）超调量小于5％的额定值；起励时间小于4S；振荡次数小于3次；

（4）空载机端电压调节范围：70%-130%额定值，励磁电流调节范围：70%-130%额定值；

（5）可控硅移相范围：20°-90°，触发脉冲为脉冲列，电压响应时间上升小于10s，下降小于3s；

2、文本要求：

（1）语言简洁，表达清楚，逻辑性强； （2）各种绘制正确，符合规范；

（3）设计课题调研报告、开题报告和设计报告的字数、文本格式等要 符合学院规范。

（3）简要工作原理

本系统以TMS32LF2407 DSP为控制核心的微机励磁调节器，本设计采用智能选

择PID（比例－积分－微分控制）+PSS（电力系统稳定器）控制的控制策略实现微机励磁调节器提供了必要的理论支持。整个硬件平台的设计，包括电源模块、采样模块、电平匹配模块、扩展SRAM模块、SCI和CAN（控制器区域网络）通信模块、键盘和LCD显示模块等各个模块的详细设计。同时与硬件对应的软件模块设计，包括SCI通信模块、CAN通信模块、PWM产生模块、FFT算法实现模块的详细设计。最后，用MATLAB仿真PID控制算法，得到PID的整定参数，它们都证明了相关设计的有效性。

二、课题文献综述

1、《DSP励磁控制器的研穷与开发》 （1）作者：刘毅力 ，石引峰 ，朱伟江。

（2）摘要：励磁控制器的设计应该简单可靠，DSP励磁控制器充分利用了TMS32OLF24O7 DSP控制器芯片强大的数据处理能力、丰富的片内外设和高速的实时控制能力，不仅具有信息采集、数据处理、数据传输和控制功能，而且使仪器具备了在线监测及故障记忆功能。简要介绍了控制器的软件设计和硬件结构。 （3）关键词：DSP；励磁；励磁控制器；USB

（4）主要内容：本文通过研究并开发了一种能够适应水力发电厂发展要求的DSP励磁控制器。该控制器具有一定的智能信息处理能力、具有良好的人机界面、具有高度的可靠性和现场通信能力(如选用CAN总线)。DSP微机励磁控制器是一种性能可靠的励磁控制器装置。励磁调节器主要包括调差单元、测量比较单元、综合放大单元、移相触发单元及稳压电源等环节。辅助装置部分则主要包括欠励磁限制器，过励磁限制器、励磁电流延时限制器等。本文在信号调理单元对DSP励磁系统的交流采样方式和触发脉冲单元做了一些介绍。

2 、《 发电机励磁系统的设计理念》 （1）作者：熊兴德

（2）摘 要：为使发电机组安全可靠运行，探讨了发电机励磁系统的设计理念对 用于励磁系统4种主要调节控制方式分别进行了分析和论述。

（3）关键词：发电机；励磁系统；设计；控制

（4）主要内容：本文对励磁系统的调节控制方式和功率元件设计做了介绍。励磁系统具有多种调节控制方式，主要有以下4种：(1)比例积分微分方式(PID)；(2)电力系统镇定器方式(PSS)；(3)线性最优控制方式(LOEC)；(4)非线性最优控制方式(NOEC)。

3 、《基于DSP的微机励磁调节器的设计与实现》 （1）作者：容太平 区干生

（2）摘要：论述了基于DSP(Digital Signal Processubg)芯片TMS320LF2407的微机励磁调节器的设计原理及实现过程．利用DSP芯片可快速执行傅氏算法的优点，通过采用同步采样ADC芯片AIXS8364实行交流同步采样的方法，对同步发电机出口端的定子电压、电流进行准确测量．通过PID和最优控制的方法，得到精确的PWM控制信号输出，并且利用DSP芯片上的串行通信接口SCI和CAN控制器接口，实现多机之间和与上位机之间的调试和监控通信。

(3)关键词：微机励磁调节器；DSP；同步采样；AD68364；CAN总线

(4)主要内容：为了满足微机励磁调节器的新的应用需要，本文研究了采用数字信号处理器(DSP)芯片TMS320LF2407A(下面简称为2407A)，设计出了一套新的微机励磁调节器，其特点主要反映在2407A与系统的融合、交流同步采样和CAN 总线通信的硬件和软件的实现方面。讲述了励磁调速系统的原理，主要包括电压调节原理和交流同步采样原理。阐述了励磁电动机的工作原理。系统的硬件设计的主要模块。它利用DSP芯片可快速执行傅氏算法的优点，通过采用同步采样ADC芯片ADS7864实行交流同步采样的方法，对同步发电机出口端的定子电压、电流进行准确测量；通过PID和最优控制的方法，得到精确的PWM控制信号输出；并且利用DSP芯片上的串行通信接口SCI和CAN控制器接口，实现多机之间和与上位机之间的调试和监控通信。

4 、《同步发电机励磁控制系统设计与分析》 （1）作者：李丽华

（2）摘要：优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且可以有效的提高发电机及其相连的电力系统的经济技术指标。励磁控制系统应承担电力系统电压控制、无功分配和提高同步发电机并列运行的稳定性的任务。励磁系统的种类很多，但主要可分为他励系统和自励系统两大类。自并励方式是自励系统中最简单的一种

励磁方式，它不仅结构简单、效率高、维护费用省，而且有很快的励磁电压响应速度。随着发电机机端短路时强励问题和短路电流迅速衰减保护拒动的问题的解决，自并励方式越来越普遍地被采用。国外某些公司已经把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。 （3）关键词：自并励；励磁系统；非线性控制；电力系统

（4）本设计采用自并励方式。励磁控制系统由励磁控制系统设计和性能分析组成。设计采用自并励励磁方式，通过同步发电机励磁系统的方案论证，计算和设计，得到满足要求的励磁系统。性能分析是在完成励磁系统电路部分的计算和设计后，建立数学模型，应用控制理论方法对所设计的励磁系统的稳定性、暂态性能进行分析，验证所设计的励磁系统的性能并且判断其对电力系统的影响。 5 、《同步发电机微机励磁调节器的研究》 （1）作者：粱家定

（2）摘要： 阐述作者研制的一个用MCS一51系列单片机8D31参与控制的同步发电机励磁调节器，并用软件实现了16位精度的可控硅三相全控桥移相触发及分相控制技术。该调节器具有集成度高、精度好、功能齐全、工作可靠等优点。该技术适用于各种机型的微机励磁调节器。文中给出该调节器的硬件电路。 （3）关键词：同步发电机；微机；励磁；调节器

（4）主要内容：自20世纪60年代以来，由于可控硅元件容量和耐压等性能指标的不断提高，可控硅整流在同步发电机的励磁方式中占有主导地位。但是，常规式的可控硅自动励磁调节器只容一路信号输人，自然就满足不了高标准供电网调节的要求，而且，它对动态过程的控制也不尽如人意。故在7O年代微机问世以后，人们已逐渐把它引人同步发电机的励磁系统中。本励磁调节器是其中的一种尝试。本文主要介绍了励磁调节器的主要功能是：(1)调节和稳定各相的输出电压。(2)显示各相的瞬时电压值。(3)显示和修改时钟。(4)功率因数的检测和调节。(5)并网运行时合理分配无功功率。 6 、《基于DSP的复合励磁同步发电机控制系统的设计》 （1）作者：王 超, 刘景林, 付朝阳, 李 颖

（2）摘 要: 针对宽转速范围的发电机系统正在由复合励磁同步发电机逐步取代传统的电励磁同步发电机和永磁同步发电机的发展趋势, 本文介绍了以高性能TMS320LF2407A为主控制单元的复合励磁同步发电机控制系统的设计方法。详细阐述

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