6-发电机自并励励磁自动控制系统设计(3).pdf

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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：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： 学号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间： 2016.11.2812.9 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 课程设计（论文）报告的内容及其文本格式 1、课程设计（论文）报告要求用A4 纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括： 封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、起止时间等） 设计 ( 论文 ) 任务及评语 中文摘要（黑体小二，居中，不少于200 字） 目录 正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等

2、） 参考文献 2、课程设计（论文）正文参考字数：2000 字周数。 3、封面格式 4、设计（论文）任务及评语格式 5、目录格式 标题“目录”（小二号、黑体、居中） 6、正文格式 页边距：上2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm，左侧装订； 字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文 字，小四号字、宋体； 行距： 20 磅行距； 页码：底部居中，五号、黑体； 7、参考文献格式 标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。 示例：（五号宋体） 期刊类： 序号 作者 1, 作者 2, 作者 n. 文章名 .

3、期刊名（版本） . 出版年 , 卷次（期次） :页次 . 图书类： 序号 作者 1, 作者 2, 作者 n. 书名 . 版本 .出版地 : 出版社，出版年 : 页次 . 本科生课程设计（论文） I 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130303016 学生姓名高逸飞专业班级电气131 课程设计 题目 发电机自并励励磁自动控制系统设计（3） 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0.80，定子额定电压18KV ，空载额

4、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。 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

5、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 本科生课程设计（论文） II 摘 要 励磁控制系统在同步发电机中起到保证电能质量、无功功率分配、提高电力 系统运行可靠性等重要作用。本文设计在软件方面采用了单片机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。 而 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，通过主程序控 制单片机实现对同步发电

6、机的同步发电机励磁系统调压范围及调差系数的调节与 控制。并且通过对电动机的校正实现了电动机电压的自动调节，还兼顾了功率及 功率因数角测量的精度。 关键词： AT89C51 ；自并励；自动调压； 本科生课程设计（论文） III 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硬总体设计方案. 3 2.2 单片机最小系统设计. 3 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. 6 2.4 直流稳压电路设计. 7 第 3 章 发电机自并励励磁自动控制系统软件

7、设计 9 3.1 软件实现功能综述. 9 3.2 流程图设计 . 9 3.2.1主程序流程图设计. 9 3.2.2模拟量检测流程图设计 10 3.3 程序清单 10 第 4 章 课程设计总结 . 13 参考文献 14 本科生课程设计（论文） 1 第1章 绪论 1.1 励磁控制系统概况 励磁系统是同步发电机组的重要构成部分，它的技术性能及运行的可靠性， 对供电质量、继电保护可靠动作、加速异步电动机自启动和发电机与电力系统的 安全稳定运行都有重大的影响。 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，励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流：励磁调节器根 据输入信号

8、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、发电机构成的一个反馈控制系统。 在电力系统发展初期，同步发电机容量不大，励磁电流由与发电机组同轴的 直流发电机供给，既所谓直流励磁机励磁系统。随着发电机容量的提高，所需励 磁电流也相应增大，机械整流在换流方面遇到了困难，而大功率半导体整流元件 制造工艺却日益成熟，于是大容量机组的励磁功率单元就采用了交流发电机和半 导体整流元件组成的交流励磁机励磁系统。 不论是直流励磁机励磁系统还是交流励磁机励磁系统，一般都是与主机同轴 旋转。为了缩短主轴张度，降低价格，减少环节，又出现用发电机自身作为励磁 电源的方法，

9、即发电机自并励系统，又称为静止励磁系统。而随着国内外励磁系 统的研制不断取得进展，各型励磁系统不断涌现。综合各种因素的比较，交流无 刷励磁机励磁系统和静止励磁系统（发电机自并励系统）两种励磁系统在工程是 实际应用中占有很大的优势。 1.2 本文主要内容 本文根据同步发电机的励磁系统设计了容量为300MW 的水轮发电机的励磁系 统，在软件上采用AT89C51 为核心控制系统，通过编程对硬件的控制实现了： 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

10、 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： 70130。 本科生课程设计（论文） 2 6 起动升压至额定电压时，超调量不大于8。 本科生课程设计（论文） 3 AT89C51单片机 时钟电路 复位电路 励磁控制系统 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硬总体设计方案 整个励磁系统包括直流稳压电源模块、 复位电路模块、时钟电路模块、AT89C51 单片机模块和励磁控制系统模块，从而实现单片机控制外部电路。 如图 2.1 所示。 在单片机核心控制模块中包括复位电路和时钟电路，其中复位电路的可使单 片机初始化或者在运行中当单片机进入

11、死循环时可使单片机重启。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。 励磁系统采用自并励励磁方式，通过单片机对励磁系统的控制实现对外部设 备的控制。 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 CPU 的选择 本次程设计选择 89C51单片机为中央处理器（ CPU ） ，AT89C51可靠性高、实 时性好、速度快、系统掉电后重要数据和状态信息不会丢失 , 其性能价格比远高 于同类芯片，并且其与各大公司的MC-51系列单片机兼容。 89C51内部资源： （1）面向控制的 8 位 CPU （2）一个片内振荡器和时钟产生电路，振荡频率为0 到 24MHz （

12、3）片内 4KB Flash ROM 程序存储器。 （4）128B片内数据存储器。 （5）可寻址 64KB的片外程序存储器和片外存储器控制电路 直流稳压电路 本科生课程设计（论文） 4 （6）2 个 16 位的定时 / 计数器。 （7）有 4 个并行 I/O 接口分别为 P0、P1、P2 和 P3口，共 32条可单独编 程的 I/O 线。 （8） 5个中断源， 2 个中断优先级。 （9） 一个全双工的异步串行口 （10）21 个特殊功能寄存器 （11）具有节电工作模式，即休闲方式和掉电保护方式 89C51引脚可分为 3 类： （1）电源及时钟引脚： VCC、VSS、XTAL1 、XTAL2 。

13、 （2）控制信号引脚： PSEN、ALE 、EA、RESET（RST） 。 （3）I/O 口引脚： P0、P1、P2、P3为四个 8 位 I/O 口的外部引脚。 89C51芯片的 I/O 口： (1) P0口：P0口有两个用途，一是作普通I/O 口使用；二是作低 8 位地址数 据总线使用。 (2) P1口：P1口只做作普通 I/O 使用。 (3) P2口：P2口有两个用途，一是作为普通I/O 口使用；二是作高 8 位地址 线。 (4) P3口：P3口是一个多功能端口，除了有准双向I/O 功能外，还具有第二 功能。 引脚如图 2.2所示 复位电路设计 复位电路设计 图 2.2 AT89C51 引

14、脚图 本科生课程设计（论文） 5 复位电路的设计 复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因 此复位电路对单片机是非常重要的。单片机的复位都是靠外部的复位电路来实现 复位的，当时钟电路工作后，在单片机的RESET 引脚上出现两个机器周期以上的 高电平，就可以使单片机复位。为了保证单片机可靠的复位，实际设计电路时， 一般使 RESET 引脚保持 10ms以上的高电平。 本设计采用按键式复位电路，原理图如图2.3 所示。本设计采用的12MHz晶 振， 所以一个机器周期就是1us， 要复位就加 2us 的高电平。 图中的 RC常数是 1.5K 22uF=33ms ，这个常数足

15、够可以使单片机可靠复位。 图 2.3 复位电路 时钟电路设计 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。本设计采用内部时钟方式，原理图如图2.4 所示，在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振 荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。 图 2.4 时钟电路原理图 时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ 和两个 33pF 的瓷片电容组成。时钟电 EA/VP 3 1 X1 1 9 X2 1 8 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 1 2 INT1 1 3 T0 1 4 T1 1 5 P10 1

16、 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 4 0 VSS 2 0 U? 8 9C5 1 VCC R2 1K R1 200 RESET + C3 22uF 本科生课程设计（论文） 6 路产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间 的相互关

17、系。 综上所述整体的最小系统电路图如图2.5 所示 图 2.5 最小系统电路图 2.3 发电机自并励励磁自动控制系统模拟量检测电路设计 本设计的励磁系统需要采集的数据为极端电压、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 ，数据采集系统将采集到数据 送到信号转换部分，信号转换部分将接收到的信号转换为模数转换器可识别的信 号送入单片机内，单片机对数据进行分析输出反馈信号，使自并励发电机系统维 持在稳定状态。 信号采集 根据采样信号的不同，可分为直流采样和交流采样2 大类。直流采样是把交 流电压、电流信号转化为05V的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单， 便

18、于 滤波，但投资较大， 维护复杂， 无法实现实时信号采集， 因而在电力系统中 的应用受到限制。交流采样是把交流量转化为5V( 或 05V)的交流电压进行采 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 RESET 9 P3.0 10 P3.2 12 P3.3 13 P3.4 14 P3.5 15 P3.6 16 P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 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 ALE/PROG 30

19、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 AT89C51 C1 C2 XTAL2 XTAL1 R1 200 R2 1K C 22uF RESET VCC VCC RESET VSS 本科生课程设计（论文） 7 集，主要优点是实时性好，相位失真小，投资少、便于维护；其缺点是算法复杂， 精度难以提高，对A/D 转换速度要求较高。 本文采用的采样法为交流采样法，采用电压互感器电流互感器获取机端电压 和电流。 信号转换 由于模数转换器只能对一定范围内的电

20、压进行转换，所以还需将电压互感器 和电流互感器测得的电压和电流转换成模数转换器能够识别范围的大小。本文采 用电压转换器 UV来实现电压信号的转换， 用电流转换器 UA 来实现电流信号的转 换。其变换器原理如2.6 图所示。 图 2.6 变换器原理图 2.4 直流稳压电路设计 对于一个完整的电子设计来讲， 首要问题就是为整个系统提供电源供电模块， 电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51 单片机虽然使用时间最 早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系 列的单片机， 51 单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出 现的一个重要手段就是为单片机

21、系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。 本次可设选用桥式全波整流。转变后的电压含有较大的交流分量，会影响负 载电路的正常工作；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。 C1 CAP C2 CAP R4 RES1 R5 RES1 R3 RES1 R1 RES1 R2 RES1 - + . + - ADC VREF UA 本科生课程设计（论文） 8 在稳压方面本次设计主要应用

22、三端稳压器，而W7805 系列三端稳压器的输出 电压为 5v、6v、9v、12v、15v. 、8v 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。 T1 1 2 3 4 D1 C1 3300uF C2 100uF C3 100uF C4 100uF w7805 Vin Vout 1 2 3 GND . . 图 2.7 直流稳压电源 本科生课程设计（论文） 9 第3章 发电机自并励励磁自动控制系统软件设计 3.1 软件实现功能综述 本设计采用AT89

23、C51单片机内的编程实现对外部自并励同步发电机进行控 制。而本控制系统主要实现稳定机端电压并且对电压进行调节、进行无功的调差、 强行励磁、通过发电机出口电压和电流及计算功率因数等功能。 根据各个部分所完成的功能的不同，可将整个控制程序分为主程序和中断服 务程序。 3.2 流程图设计 3.2.1主程序流程图设计 本设计采用单片机进行系统控制，首先电压互感器和电流高互感器完成对电 压和电流的采集并且送入转换模块，在转换模块内对接收到的电压和电流进行转 换，将电压和电流转换成模数转换器可识别的信号，然后模数转换器将模拟信号 转换为数字信号送入单片机内，单片机对信号进行分析输出反馈信号从而完成对 发电

24、机的控制。主程序流程图如图3.1 所示。 3.1 主程序流程图 初始化 参数计算 开中断 系统调整 开始 是否符合要求 Yes No 本科生课程设计（论文） 10 当给自并励发电机上电之后，单片机自动初始化，然后程序进行启励设置和 启励条件的判断，并且发出转速信号。当发电机转动后采样模块将进行数据的采 集送入转换模块，再经模数转换器将收集到的信号返回到单片机，单片机进行判 断来完成无功和其他指标的正常，并且限制子模块来保证发电机的正常运行。 3.2.2模拟量检测流程图设计 本设计对功率因数的测量至为重要，因为它反映了发电机所带负载的性质， 而且在计算各个参数时基本上都要用到功率因数，因此功率因

25、数的采集在本系统 中显得尤为重要。功率因数的采集流程图如图3.2 所示。 图 3.2 功率因数采集流程图 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 输入 根据测得脉宽计算功率因数角 计算角的余弦值 输出 本科生课程设计（论文） 11 LCALL L_DELAY SJMP $ INT_T1: PUSH ACC PUSH PSW PUSH DPL PUSH DPH

26、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 MAIN2:MOV A,#00H ； MOV P1,A CPL A ACALL MAIN0

27、DJNZ R5,MAIN2 LJMP LOOP 本科生课程设计（论文） 12 MAIN0:MOV DPTR,#15536; MOV TL0,DPL MOV TH0,DPH MOV TL1,#236; MOV TH1,#236 JNB TF0,$;30ms CLR TF0;?0ms CPL P3.5 JNB TF1,MAIN0; CLR TF1 RET 本科生课程设计（论文） 13 第4章 课程设计总结 励磁系统的作用为维持发电机端电压在给定值、合理分配并列运行机组之间 的无功分配、提高电力系统的稳定性、包括静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定 性。 本设计主要研究了发电机自并励励磁系统，采用单片机

28、AT89C51作为控制器 的核心，使复杂的控制系统在控制励磁中得以简化，而且使信号处理和控制精度 得以提高，并且是系统的可靠性提高。在设计工程中本文选择静止励磁的励磁方 式， 不仅提高了发电机的稳定性而且也提高了电力系统的稳定性和暂态稳定水平。 本文在整体设计上通过单片机对发电机的控制，并且通过电流互感器和电压 互感器对电流、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。 本科生课程设计（论文） 14 参考文献 1 梅丽凤等 . 单片机原理及接

29、口技术 . 清华大学出版社， 2009.7 2 何仰赞等 . 电力系统分析 . 华中科技大学出版社， 2002.3 3 杨会翔. 基于双 CPU 综合微机继电保护装置研究与设计D. 东华大学 ,2015. 4 王彦军. 电力线路三段式保护模拟实验装置设计D. 西安科技大学 ,2013. 5 陈勇. 电力系统动态无功优化分析D. 西华大学 ,2013. 6 薛春旭 . 电力系统微机继电保护交流采样算法研究D. 西安电子科技大 学,2012. 7 徐敏,彭瑜. MATLAB在电力系统分析教学中的应用J. 电力系统及其自 动化学报 ,2010,(03):152-155. 8 张伟. 基于 PSASP 的电力系统分析课程实验教学改革初探J. 中国电力 教育,2008,(11):105-106. 9 孙伟卿. 电力系统分析教学方法探讨J. 课程教育研究 ,2015,(25):230. 10 肖长春 . 并行处理在电力系统分析中的应用分析J. 科技资讯 ,2015,(09):26. 11 曹丽华 . 基于复杂系统理论的电力系统连锁故障分析和预防方法研究D. 湖 南大学 ,2015. 12 黄弘扬 . 交直流电力系统暂态稳定分析与控制问题研究D. 浙江大学 ,2014. 13 燕青 . 单机无穷大系统模型的Hopf 分岔及电压失稳研究D. 华南理工大 学,2013.