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1、辽 宁 工 业 大 学 电力系统自动化 课程设计（论文）题目： 250MW发电机自并励励磁自动控制系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气104 学 号： 学生姓名： 孙鹏 指导教师： 起止时间：2013.12.16 -2013.12.29 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 学 号学生姓名孙鹏专业班级电气104课程设计题目250MW发电机自并励励磁自动控制系统设计课程设计（论文）任务设计要求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
2、确定控制算法，设计系统软件。6 对设计进行总结。基本参数及要求：1水轮发电机容量250MW，功率因数0.8，定子额定电压20KV，额定转子电压220V。2 要求电压调差系数在10%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：85120。6 起动升压至额定电压时，超调量不大于11。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。（1天）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。（2天）6、撰写、打印设计
3、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 要励磁系统中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器经整流装置供给。励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统，即自并励励磁系统。课设要求是设计容量为250MW水轮发电机的自并励励磁控制系统。首先根据课设的要求和内容设计并选取自并励励磁控制系统的总体方案，方案由励磁检测电路、A/D转换、励磁调节电路等确立。并确定了采用AT89C51单片机作为课设的核心基础的设计方案，由于单片机需初始化和复位进而设计了时钟电路（
4、内部）和复位电路（独立式按键）从而形成了本次设计的最小系统。在硬件部分中分别设计了模拟量检测电路（信号的采集和变换器UA、UV转换）、功率角测量电路、三相全控整流电路以及开关驱动控制电路。通过对单片机的软件编程实现对同步发电机自并励系统跳崖范围和功率因数角的调节和控制。通过采用单片机作为核心，励磁调节等的电路相辅助，验证了自并励励磁系统的直接用晶闸管控制转自电压等特点。获悉自并励励磁适用于发电机与系统间有升压变压器的单元接线中。关键词：自并励励磁系统；单片机；开关驱动控制；三相桥式全控整流目 录第1章 绪论11.1 励磁控制系统概况11.2 本文主要内容2第2章 发电机自并励励磁控制系统的硬件
5、设计32.1 自并励励磁自动控制系统的总体设计方案32.2 单片机最小系统设计42.2.1 CPU的选择42.2.2 复位电路的设计42.2.3 时钟电路设计52.2.4 最小系统62.3 发电机自并励励磁控制系统模拟量检测电路设计62.3.1 信号的采集和转换72.3.2 励磁电流的监测电路82.4 发电机自并励励磁控制系统可控整流电路设计82.4.1 整流电路的设计82.4.2 开关驱动控制电路设计9第3章 自并励励磁控制系统软件设计103.1 软件实现功能综述103.2 流程图设计103.2.1 主程序流程图设计103.2.2 模拟量检测流程图设计10第4章 课程设计总结12参考文献13
6、第1章 绪论1.1 励磁控制系统概况供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备称为励磁系统。同步发电机的（synchronization dynamo）励磁系统只要有功率单元和调节器（装置）两大部分组成。其中励磁功率单元是指同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调机器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出装置。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。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
7、作的电气设备”提供工作磁场也叫做励磁。有时候，向发电机转子提供转子电源的装置也叫励磁。励磁系统主要作用包括：根据发电机负荷的变化形影的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；控制并列运行各发电机间无功功率分配；提高发电机并列运行的静态稳定性、提高发电机并列运行的暂态稳定性；在发电及内部出现故障时，进行灭此，以减小故障损失程度；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。优良的励磁系统不仅可以保证发电机的可靠运行，而且还可以有效的提高系统的性能指标。根据运行方面的要求，同步发电机控制系统的任务是：电力系统正常运行时同步发电机总是随着负荷波动来变化，要求发电励磁对励磁电流进行调节以维持机端或
8、系统中某一点的电压在给定水平；控制无功功率的分配；改善电力系统的运行条件。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机一起组成整个系统成为励磁系统控制系统。励磁控制系统是发电机重要组成部分，它对电力系统级发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。励磁装置是指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制作用和调节作用的电气控制装置。有调节屏、控制屏、灭此屏和整流屏组成。1.2 本文主要内容设计主要是针对发电机自并励励磁控制系统（基于容量为250MW的水轮发电机），首先阐述自并励励磁控制系统的控制原理，根据课设的要求确定自并励励磁控制系统的设计方案，选取AT89C51单片机作为整个自并励励磁控制系统
9、的主控制器，可控整流电路为其提供稳定的电源。时钟电路选择内部时钟产生的方式，复位电路选用按键式电平复位，时钟电路、复位电路和单片机形成课程设计的最小系统，同时完成功率因数、电压调差系数、强励倍数、调压精度、机端电压静差等的计算。通过设计基本参数实现如下的指标：水轮发电机容量250MW，功率因数0.8，定子额定电压20KV，额定转子电压220V；要求电压调差系数在10%范围内可调；强励倍数1.8，不小于10秒 ；调压精度，机端电压静差率小于1；自动电压调节范围：85120。起动升压至额定电压时，超调量不大于11。最后结合课程设计的内容做出课程设计的总结，得出自并励励磁系统特别适用于发电机与系统间
10、升压变压器的单元接线中。第2章 发电机自并励励磁控制系统的硬件设计2.1 自并励励磁自动控制系统的总体设计方案根据课程设计的要求结合实际的实用性和可靠性，设计了自并励励磁控制设计的总体方案如图2.1所示。总体设计方案包括直流稳压电源电路模块、复位电路模块、时钟电路模块、AT89C51单片机模块、励磁检测和调节电路模块以及开关驱动控制电路模块。进而可以实现单片机对外电路的控制，也是对单片机应用系统的一种应用。图2.1自动控制系统总体设计框图复位电路模块中选用按键式电平复位，复位操作可是实现对单片机的手动复位，在开始状态下也可以是单片机重新启动。与直流稳压电源模块与其相互配合，直流稳压电源为单片机
11、提供可靠地直流稳压电源 。在时钟电路模块中，采用内部时钟触发的方式，为单片机提供启动的脉冲信号。单片机AT89C51模块中，通过内部软件的编辑，来控制励磁系统的调节电路。开关驱动控制电路采用晶闸管，实现大功率驱动。三相全控桥式整流电路提供机端电压励磁变压器的电压，形成励磁调节电路。2.2 单片机最小系统设计2.2.1 CPU的选择根据设计要求和内容，本次设计选择AT89C51作为主控器，AT89C51是一种带4K字节的Flash存储器的低电压、低功耗、高性能CMOS 8位微机处理器，并且带有2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。AT89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储
12、器，128字节内部RAM，32 个 I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。本次设计，P0口控制引脚，P3口湿度监测引脚。单片机如图2.2所示。图2.2AT89C51单片机引脚2.2.2 复位电路的设计时钟电路在单片机开机时都需要复位，一边中央处理器以及其他功能部件都处于初始状态，
13、并从这个状态开始工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现初始化状态复位。为了保证系统的可靠复位，本次设计采用使RESET引脚保持10ms以上的高电平的方法使单片机可靠地复位。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。由于简单的复位电路有上电复位和手动复位两种，所以本次设计采用专用复位电路芯片MAX813L构成复位（上电复位）。它是一种体积小，功耗低，性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片。实现上电复位的原理是：它与单片机相连，若程序出现“死机”时的
14、自动复位和随时的手动复位。为了实现单片机死机时的自动复位功能，需要在P1.7不断输出脉冲信号（时间间隔小于1.6S），如果单片机进入死循环，则P1.7无脉冲输出，于是1.6S后在MAX813L产生一个200ms的复位脉冲输出，是单片机复位，系统重新开始工作。复位电路原理图如图2.3所示。图2.3复位电路图2.2.3 时钟电路设计计算机工作时，是统一在时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的。这个脉冲式单片机控制器中的时序电路发出的。时钟电路是用于产生单片机工作所需要的时钟信号。AT89C51本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证工作方式的实现，AT89C51在唯一的时钟信号控制下严格的按时执行指令经行
15、工作，而且时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。通常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。根据设计的要求本次设计采用内部时钟方式。内部时钟发生器实质是一个二分频的触发器。AT89C51内部有一个用于构成片内振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，在他们两端跨接晶体振荡器，便构成了一个自激励振荡器。其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。设计采用外接晶振，由于电容太小影响振荡频率，C1、C2值通常选择为30pF左右，他们可以稳定频率并对振荡器频率有微调作用，振荡器范围为024MHZ，同时为了更好的保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容尽可能安装的与单
16、片机芯片靠近。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NOP电容，采用晶振频率为12MHz。系统的时钟电路设计如图2.4所示。图2.4时钟电路图2.2.4 最小系统根据上述的电路图，形成最小系统。由CPUAT89C51（图2.1）、晶振电路（图2.4）、复位电路（图2.3）依次连接而成。如图2.5所示。图2.5最小系统电路图2.3 发电机自并励励磁控制系统模拟量检测电路设计发电机上安装了自动电压调整控制器设置了一个电压的设定值，它检测机端电压和无功功率的微小变化，调整发电机励磁电流，以保持发电机的机端电压在一个允许的范围内，励磁系统的时间常数比原动机的时间常数小得多，因此它的暂态衰减的要快的多。本
17、次课设要求发电机自并励励磁控制，结合课设要求需要测量发电机的机端电压、功率因数、有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流、发电机输出电流，经过根据课设要求结合限制计算和调节机端来算出整定的励磁电压所对应的可控硅的导通角，触发可控硅，发电机出口电压就稳定在一个新的水平上。发电机自并励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。2.3.1 信号的采集和转换信号的采集有直流采样和交流采样两种，本次课程设计采用交流采样采集交流量，不存在直流滤波电容所以有利于实时控制。通过电压互感器和电流互感器来获取机端电压、电流以及励磁电流等。由于本次设计是大功率器件的运用，因此采集来的信号比
18、较大，所以用变换器UA、UV转变大信号，将信号控制在一定的范围内输入。变换器原理如图2.6所示。图2.6变换器原理图功率因数角是有功功率和视在功率的夹角。对发电机而言，存在两个功率因数角：内功率因数角y和外功率因数角j。如图2.8所示。通过直接检测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之后的情况从而可以算出三相电网的功率因数。也可以通过功率因数角电路测量出来。功率因数角测量电路如图2.7所示。图2.7功率因数角测量电路图2.8功率因数角向量图2.3.2 励磁电流的监测电路励磁电流就是同步电机转子中流过的电流（有了这个电流，使转子相当于一个电磁
19、铁，有N极和S极），在正常运行时，这个电流是由外部加在转子上的直流电压产生的。以前这个直流电压是由直流电动机供给，现在大多是由可控硅整流后供给。我们通常把可控硅整流系统称为励磁装置。励磁电流的监测电路如图2.9所示。图2.9中LEM是传感器。电阻与电容并联的作用，是希望直流信号或者低频信号通过较困难，而交流信号或者高频信号较容易的通过。图2.9励磁电流的监测电路图2.4 发电机自并励励磁控制系统可控整流电路设计2.4.1 整流电路的设计发电机自并励励磁控制系统中发电机的励磁电源不用励磁机，而是由机端励磁变压器经过蒸馏装置供给。这种励磁装置是采用大功率晶闸管元件实现供给。即是用三相全控整流电桥直
20、接控制发电机的励磁。三相全控整流电路原理如图2.10所示。三相电压由端子8、10、12输入，两个单相变压器T1和T2连接成V形，作为三相电压降压和隔直作用。降压后的三相电压分别经过R1、R2、R3三个相位平衡调节电位器，送至三相桥式整流器整流成直流电压。图2.10中有6个桥臂，为了保证电路的正常的工作状态，需要在同一时间内导通两个晶闸管，也就是采用两个窄脉冲触发。晶闸管上下部分分别采用共阴极、共阳极连接方法。图2.10三相全控整流电路图2.4.2 开关驱动控制电路设计本次课程设计是弱电控制强电，为了系统稳定正常的运行，强电与弱电的隔离是不可缺少的一部分，本次励磁开关驱动控制电路选用MOC306
21、1光电隔离器，是根据晶闸管原理设计出来的，可控硅是一种大功率半导体元件可以作为大功率驱动器件使用。MOC3061价格低廉，触发电路可靠，与主电路之间没有电的联系，抗干扰能力强，MOC3061既可作为触发双向晶闸管又可作为反向并联单向晶闸管，本次课设选用触发双向晶闸管原理。R1为限流电阻，在光隔输出端，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，提高门级电阻的干扰能力，以免误触发。电路如图2.11所示。图2.11开关驱动控制电路图第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：自动电压调节功能；电压调差功能；调压精度调节功能；机端电
22、压静差调节功能；超调量调节功能；检测发电机进出口电压、电流及计算功率因数；在线调节PID系数功能。本次课设提供交流220V，首先通过直流稳压电路（变压、整流、滤波以及稳压）将220V交流电变为可靠地直流电+5V，为单片机以及复位电路提供稳定的电源，从而能与时钟电路形成最小系统。再进行单片机编程，编程之后单片机可以实现对外电路（励磁控制系统）的控制。通过信号的采集和转换、功率因数角测量电路、励磁电流测量电路等来收集机端电压、功率因数、有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流、发电机输出电流等信息。三相桥式整流电路为励磁控制系统提供电源，开关控制驱动电路接受检测来的信息，励磁系统进行调速，从而调节励
23、磁。综上所述实现发电机的自并励力控制，合理的分配机组功率。3.2 流程图设计3.2.1 主程序流程图设计根据课设的要求、励磁控制总体方案，本次课设设计采用单片机作为核心，单片机需要接受数据的采集，进行控制角的计算和调节PID系数等环节，同时需要完成双窄脉冲的产生和触发，开关驱动控制电路结合三相桥式全控整流电路实现励磁控制。如图3.1所示。3.2.2 模拟量检测流程图设计AD转换器(模数转换器)的作用是从信号加工放大器输入的05V的直流电信号通常称为模拟量。本次模拟量需要机端电压、功率因数、有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流、发电机输出电流等。功率因数角比较重要，反映了发电机负载的性质，通过
24、改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。 藉由良好功因值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。可以增加系统的裕度，挖掘出了发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。减少了用户的电费支出；透过上述各元件损失的减少及功率因数提高的电费优惠。所以本次模拟量的检测流程图主要设计功率因数角的测量流程图。假设功率因数角为零，如图3.2所示。 图3.1主程序流程图 图3.2功率因数角程序流程图第
25、4章 课程设计总结同步发电机一把采用直流励磁，当其单机独立运行时，通过调节励磁，能方便地调节发电机的电压。若并入电网运行，因为电压由电网决定，不能改变，此时调节励磁电流的结果是调解率功率因数和无功功率。励磁系统的主要作用是为同步发电机了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，负担着对电力系统稳定运行的控制和保护功能。课设基于发电机的励磁系统的原理，结合设计要求为容量为250MW水轮机设置了励磁系统，针对发电机的自并励励磁，首先描述了发电机自并励励磁系统的现状，然后阐述了发电机励磁控制系统的控制原理，确定了励磁控制系统的总体方案，以AT89C51单片机为基本核心，设计同步
26、发电机自并励励磁控制系统，结合复位电路和时钟电路形成最小系统，控制器提供的是交流220V，所以设计了直流稳压模块，稳定电路由变压器、整流、滤波和稳压器组成，将交流220V变为+5V，用于给单片机和时钟电路提供电压。又设计了数据采集（信号输入电路）和励磁控制通道，数据采集包含了信号采集、转换、励磁电路的检测、功率因数角（功率因数角测量电路），而励磁控制包括三相全控整流桥和开关驱动控制电路。紧接着做出主程序的流程图和模拟量功率因数角的流程图，最后检验设计的合理性和可靠性。通过采用单片机作为核心，励磁调节等的电路相辅助，验证了自并励励磁系统的直接用晶闸管控制转自电压等特点。获悉自并励励磁适用于发电机与系统间有升压变压器的单元接线中。参考文献1郭培源.电力系统自动控制新技术.科学出版社，2003.42 商国才.电力系统自动化.天津大学出版社，2000 3 王葵等.电力系统自动化中国电力出版社，2007.14黄益庄.变电所总和自动化技术.北京：中国电力出版社，2000.45 何仰赞等.电力系统分析.华中科技大学出版社，2002.36 于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社，2003.47 刘卫国等. MATLAB程序设计与应用（第2版）.高等教育出版社, 20088 梅丽凤等.单片机原理及接口技术.清华大学出版社，2009.7