发电机自并励励磁自动控制系统设计

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力系统自动化电力系统自动化 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：发电机自并励励磁自动控制系统设计（发电机自并励励磁自动控制系统设计（1） 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气093093 学学 号：号： ？ 学生姓名：学生姓名： ？ 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2012.12.312012.12.312013.01.112013.01.11 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（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 学 号学生姓名*专业班级* 课程设计 题目 发电机自并励励磁自动控制系统设计（1） 课程设计（论文）任务 基本参数及要求： 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：60140。 6 起动升压至额定电压时，超调量不大于 5。 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确定控制算法，设计系统软件。 6对设计进行总结。 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 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） II 摘 要 同步发电机励磁控制系统有调节发电机输出电压、使发电机稳定运行，改善 电力系统运行条件，为电网提供符合要求的电能，有效地改善电力系统静态与暂 态稳定性的作用。 本次设计题目为发电机自并励励磁自动控制系统设计，选用 AT89C51 单机 位控制器，利用整流稳压电路提供稳定的+5V 电源。设计单片机最小系统，选用 了按键电平复位电路和内部时钟电路，并在此基础上设计了励磁装置的硬件系统 和软件系统。通过 MATLAB 对整个系统进行了仿真，用来对比运用算法所得结 果与仿真所得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；AT89C51 单片机；MATLAB 仿真； 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） III 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 励磁控制系统 .1 1.2 本设计主要内容 .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 总体设计方案 .3 2.2 单片机最小系统设计 .3 2.3 模拟量检测电路设计 .6 2.4 整流稳压电路设计 .7 第 3 章 发电机自并励励磁控制系统软件设计 .9 3.1 软件实现功能综述 .9 3.2 流程图设计 .9 3.3 程序清单 .10 第 4 章 系统仿真与分析 .13 4.1 系统仿真模型建立 .13 4.2 仿真波形及分析 .13 第 5 章 课程设计总结 .15 参考文献 .16 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 励磁控制系统 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，励磁系 统包括励磁电源和励磁装置，励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。同步 发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，励磁功 率单元是指向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 磁调节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 输出的装置。如图 1.1 所示，励磁功率单元向同步发电机的转子提供直流电 流，即励磁电流。励磁调节器根据输入信息和给定的调节准则控制励磁功率 单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电 机构成的一个反馈控制系统。 图 1.1 励磁自动控制系统构成框图 励磁的主要作用是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；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；在发电机内部出现故障时，进 行灭磁，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。 1.2 本设计主要内容 本次设计选用 AT89C51 单片机作为发电机自并励自动控制系统的控制器，利 用可控整流电路为 AT89C51 单片机提供稳定的+5V 电源，设计单片机最小系统， 并对所设计的单片机最小系统经过经济性与技术性的比较后，选用了按键电平复 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 2 位电路和内部时钟电路，在此基础上设计了励磁装置的硬件系统和软件系统。最 后又对整个系统进行了 MATLAB 仿真，检验是否符合设计要求。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 3 第 2 章 发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计 2.1 总体设计方案 总体设计分为五个模块，分别是复位电路模块、直流稳压电源模块、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，如图 2.1。 图 2.1 励磁控制系统总体设计方案框图 复位操作可以使单片机初始化，也可以使开机状态下的单片机重新启动。用 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 AT 89C51 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 MOC3061，以使单片机与外部电路实现隔离，并且能有 效地控制外部电路。 2.2 单片机最小系统设计 AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，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。 本次设计选用 AT89C51 单片机作为控制器件。它由如下功能部件组成，即微 AT89C51 单片机 时钟电路 复 位 电 路 直 流 稳 压 电 源 励磁开关驱动控制电路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 4 处理器（CPU） 、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM)、并行 I/O 口(4 个 8 位 I/O 口)、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。89C51 单片机的引 脚图如图 2.2 所示。 图 2.2 AT89C51 单片机的引脚图。 引脚功能： Vcc(40 引脚)：接+5V 电源。 Vss(20 引脚)：接地。 XTAL1(19 引脚)：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端。 XTAL2(18 引脚)：片内震荡器反相放大器的输出端。 RST： 复位引脚，高电平有效。 EA：外部程序存储器访问允许控制端。 ALE：低 8 位地址锁存允许信号端。 PSEN：读外部程序存储器的选通信号端。 P0 口：8 位，漏极开路的双向 I/O 口。 P1 口：8 位，准双向 I/O 口。 P2 口：8 位，准双向 I/O 口。 P3 口：8 位，准双向 I/O 口。 可以使用复位操作使单片机重新启动，复位操作也可以使单片机初始化。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。如图 2.3 所示即为 89C51 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 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 5 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 R9 和 R17 形成回路，使 RESET 端产生高电平。按键的 时间决定了复位时间。 图 2.3 按键电平复位电路 单片机工作所需的时钟信号由时钟电路产生，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，本次设计用内部时钟方式。AT89C51 单片机内部 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 2.4 所示。 图 2.4 内部时钟电路 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。 综合以上所作分析与选择，将按键电平复位电路、时钟电路与 AT89C51 单片 机连接成完整的 CPU 最小系统图，如图 2.5 所示。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 6 图 2.5 单片机最小系统图 2.3 模拟量检测电路设计 发电机励磁系统的任务是在发电机并网前，调节发电机输出的端电压；发电 机并网后，调节发电机承担的无功功率；提高同步发电机并列运行的静、动态稳 定。静态稳定采用灵敏快速的励磁调节系统，可以提高发电机在小干扰下的稳定 性；动态稳定：采用响应快速、顶值电压较高的励磁调节系统，可以提高发电机 在的大扰动下的稳定性（动态稳定、暂态稳定） ；发电机事故时，对转子绕组迅 速灭磁，以保护发电机的安全。 为了实现发电机自并励励磁自动控制，需要测得发电机的极端电压、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cos 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。本系统的数据及变换由 电压互感器和电流互感器获得，所采集的数据包括发电机出口的两相的线电压， 一相相电流、励磁电压。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运算得到。cos 交流信号经变压器隔离和整流滤波后接入 A/D 转换器的输入端，这种采样方 式能满足调节计算的要求，且硬件电路简单，采样要求不高，软件数据处理方便， 降低了整个系统的成本。由于我们采用的 A/D 转换器是电压输入的，所以在四路 输入中电压信号可以直接输入，而电流信号则要通过一个电阻转化成电压信号再 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 RE SE T 9 P3.0 10 P3.2 12 P3.3 13 P3.4 14 P3.5 15 P3.6 16 P3.7 17 XT AL 2 18 XT AL 1 19 VSS 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 AL E/PROG 30 EA /VPP 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 P1.7 8 P3.1 11 AT 89C51 C1 C2 XT AL 2 XT AL 1 R1 200 R2 1K C 22uF RE SE T VCC VCC RE SE T VSS 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 7 输入。A/D 转换器选择 TLC2274，该芯片是一种单电源、串行控制的 12 位模数转 换器，可采集 11 路信号，与单片机的连接只占用 4 根口线。模拟量采集部分的 电路如图 2.6 所示。 图 2.6 模拟量采集部分的电路 2.4 整流稳压电路设计 单片机的工作电源是+5V 的直流电源，而本次设计控制器选用 220V 交流电 源。因此需要使用直流稳压电路为单片机提供电源。直流稳压电路由电源变压器、 整流电路、滤波电路和稳压器四部分组成，其原理框图如图 2.7 所示。 图 2.7 整流电路框图 220V50Hz 交流电经变压器降压，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，通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑，这样可得到比较 平直的直流电压。理想情况下，应将交流分量全部滤去，使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，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，所以接入负载后势必影响其滤波效果。 所以还需使用稳压器，以使输出直流电压更加稳定。 本次设计选用三端稳压器，输出电压为 5v。最大电压为 1.5A，经过分析比 交流 输入 220V 50HZ 电 源 变 压 器 整 流 电 路 滤 波 电 路 稳 压 器 直 流 输 出 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 8 较选用 LM7805 三端稳压器，图 2.8 为整流稳压电路。 图 2.8 整流稳压电路 本次设计是以弱电控制强电,因此强电与弱电的隔离成为关键。因此，在接 口处理中，还要包括隔离技术。针对这个问题，选择励磁开关驱动控制电路如图 2.9 所示。所选的光耦合器是 MOC3061，一般称为光耦双向晶闸管驱动器。 图 2.9 开关驱动控制电路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 9 第 3 章 发电机自并励励磁控制系统软件设计 3.1 软件实现功能综述 电网提供的是 220V50HZ 的交流电源，通过整流稳压电路得到稳定的+5V 直流 电源，安全稳定的为 AT89C51 单片机供电。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，通过光耦合器是 MOC3061 使单片机与外部驱动控制电路进行 隔离。 3.2 流程图设计 为了完成上述功能，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。 图3.1 主程序流程图 启动 AT89C51 单片机初始化 开中断 定子电流、转子电流计算 电压调节及各种限制器的门控单元 PID 计算 RET 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 10 控制系统首先执行的是初始化和自检，结束后励磁调节器准备就绪，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，转速达到额定 转速的95%，主程序进入主循环:首先是数据采集和处理。功率因数采集计算利用 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。模拟量检测流程图如图3.2所示，模拟量检测发电机出口电压、出 口电流和励磁电压。 Y N 图3.2 模拟量检测流程图 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。 3.3 程序清单 ORG 0000H SJMP MAIN ORG 0030H START: MOV SP, #60H 入口 计算功率因数角 功率因数角的正弦值 sin sin0？ 取功率因数的负值 RET 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 11 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; DJNZ R7,LOOP MAIN1:MOV A,#0FFH MOV P1,A； RR A； SUBB A,#08H; ACALL MAIN0 DJNZ R6,MAIN1 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 12 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 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 13 第 4 章 系统仿真与分析 4.1 系统仿真模型建立 在 MATLAB 软件中 Simulink 的扩展工具箱中找到 SimPowerSystems，选择 建模所需要的模块，各模块按给定参数设定，建立仿真模型图，仿真模型如图 4.1 所示。 图 4.1 系统仿真模型图 4.2 仿真波形及分析 实验取同步发电机输出线电压有效值给定为 380.87V，直流母线侧电容为