發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)方案

1、發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)方案遼寧工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)自動化課程設(shè)計題目：發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)設(shè)計院專業(yè)班級：電氣085學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：起止時間：2018.12.262018.01.06 課程設(shè)計院注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘要 同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)承擔著調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓、保障同步發(fā)電機穩(wěn)定運行的重要責任。優(yōu)良的勵磁控制系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機運行的可靠性和穩(wěn)定性，為電網(wǎng)提供合格的電能，而且還可有效地改善電力系統(tǒng)靜態(tài)與暫態(tài)穩(wěn)定性。要實現(xiàn)這個目的，就必須根據(jù)負載的大小和性質(zhì)隨時調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。 本文采用自勵系統(tǒng)中接線最簡單的自并勵勵磁系

2、統(tǒng)，針對同步發(fā)電機論述了自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)的特點及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了自并勵勵磁自動控制的原理和實現(xiàn)方法，提出了基于at89c51單片機的同步發(fā)電機自并勵自動控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，對于所設(shè)計的單片機最小系統(tǒng)經(jīng)過經(jīng)濟性與技術(shù)性的比較后，選用了按鍵電平復(fù)位電路和內(nèi)部時鐘電路，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了勵磁裝置的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。最后又對整個系統(tǒng)進行了matlab仿真，以用來對比運用算法所得結(jié)果與仿真所得結(jié)果是否在誤差允許范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)；at89c51單片機；matlab仿真目錄第1章緒論11.1勵磁控制系統(tǒng)簡況11.2本文主要內(nèi)容1第2章發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計32.1

3、發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案32.2單片機最小系統(tǒng)設(shè)計32.3發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)模擬量檢測電路設(shè)計62.4直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計7第3章自并勵勵磁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計103.1軟件實現(xiàn)功能總述103.2流程圖設(shè)計103.3程序清單12第4章 matlab建模仿真分析134.1m atlab軟件簡介134.2系統(tǒng)仿真模型的設(shè)計13第5章課程設(shè)計總結(jié)16 參考文獻17 第1章緒論 1.1勵磁控制系統(tǒng)簡況供給同步發(fā)電機勵磁電流的電源及其附屬設(shè)備統(tǒng)稱為勵磁系統(tǒng)。它一般由勵磁功率單元和勵磁調(diào)節(jié)器兩個主要部分組成。勵磁功率單元向同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供勵磁電流；而勵磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號和給定的

4、調(diào)節(jié)準則控制勵磁功率單元的輸出。勵磁系統(tǒng)的自動勵磁調(diào)節(jié)器對提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機組的穩(wěn)定性具有相當大的作用。尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致機組穩(wěn)定極限降低的趨勢，也促使勵磁技術(shù)不斷發(fā)展。一般我們把根據(jù)電磁感應(yīng)原理使發(fā)電機轉(zhuǎn)子形成旋轉(zhuǎn)磁場的過程稱為勵磁。此外，為發(fā)電機等“利用電磁感應(yīng)原理工作的電氣設(shè)備”提供工作磁場也叫勵磁。有時，向發(fā)電機轉(zhuǎn)子提供轉(zhuǎn)子電源的裝置也叫勵磁。勵磁的主要作用是：第一，維持發(fā)電機端電壓在給定值，當發(fā)電機負荷發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)磁場的強弱來恒定機端電壓。合理分配并列運行機組之間的無功分配。第二，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，包括靜態(tài)穩(wěn)定性和暫態(tài)穩(wěn)定性及動態(tài)穩(wěn)定性。第三，直流電機的轉(zhuǎn)動過程

5、中，勵磁就是控制定子的電壓使其產(chǎn)生的磁場變化，改變直流電機的轉(zhuǎn)速，改變勵磁同樣起到改變轉(zhuǎn)速的作用。勵磁按直流電機勵磁方式可分為他勵磁，并勵磁，串勵磁，復(fù)勵磁等方式，按整流方式分為旋轉(zhuǎn)勵磁和靜止勵磁。勵磁裝置是指同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)中除勵磁電源以外的對勵磁電流能起控制和調(diào)節(jié)作用的電氣調(diào)控裝置。根據(jù)不同的規(guī)格、型號和使用要求，分別由調(diào)節(jié)屏、控制屏、滅磁屏和整流屏幾部分組合而成。勵磁裝置的使用，是當電力系統(tǒng)正常工作的情況下，維持同步發(fā)電機機端電壓于一給定的水平上，同時，還具有強行增磁、減磁和滅磁功能。對于采用勵磁變壓器作為勵磁電源的還具有整流功能。中小型水利發(fā)電設(shè)備已實施出口產(chǎn)品質(zhì)量許可制度，未取得

6、出口質(zhì)量許可證的產(chǎn)品不準出口。勵磁裝置主要分為電磁型和半導(dǎo)體型兩大類。電磁型勵磁裝置主要用于以直流或交流勵磁機為勵磁電源的勵磁系統(tǒng)中，半導(dǎo)體型勵磁裝置既可以與勵磁機一起組成靜止(或旋轉(zhuǎn)整流器勵磁系統(tǒng)，也可以與勵磁變壓器組成靜止勵磁系統(tǒng)。1.2本文主要內(nèi)容本次課設(shè)針對發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)，論述了自并勵勵磁自動控制 系統(tǒng)的特點及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了自并勵勵磁自動控制的原理和實現(xiàn)方法，提出了基于at89c51單片機的同步發(fā)電機自并勵自動控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，對于所設(shè)計的單片機最小系統(tǒng)經(jīng)過經(jīng)濟性與技術(shù)性的比較后，選用了按鍵電平復(fù)位電路和內(nèi)部時鐘電路，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了勵磁裝置的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。最

7、后又對整個系統(tǒng)進行了matlab仿真，以用來對比運用算法所得結(jié)果與仿真所得結(jié)果是否在誤差允許范圍內(nèi)。 第2章發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖2.1所示即為勵磁控制器設(shè)計總體設(shè)計方案的框圖，其中分為五個模塊，分別是直流穩(wěn)壓電源模塊、復(fù)位電路模塊、時鐘電路模塊。at89c51單片機模塊和勵磁開關(guān)驅(qū)動控制電路模塊，實現(xiàn)單片機控制外部電路。圖2.1勵磁控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖2.2單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 時/計數(shù)器，終端系統(tǒng)以及特殊功能寄存器，各部分通過內(nèi)部總線相連。其基本結(jié)構(gòu)依然是通過cpu加上外圍芯片的結(jié)構(gòu)模式，但在功能單元的控制上，卻采用殊功能寄

8、存器的集中控制方法。如圖2.2所示，即為89c51單片機的引腳圖。引腳功能： vcc：供電電壓。gnd：接地。rst：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是

9、ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。復(fù)位操作可以使單片機初始化，也可以使機狀態(tài)下的單片機重新啟動，因此十分重要。單片機的復(fù)位都是靠外部復(fù)位電路來實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在單片機的reset引腳上出現(xiàn)24個時鐘震蕩脈沖 時間。如圖

10、2.3所示即為89c51單片機的按鍵電平復(fù)位電路： 圖2.3 按鍵電平復(fù)位電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時鐘信號，時鐘信號可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式，下面介紹內(nèi)部時鐘方式。89c51內(nèi)部有一個高增益反相放大器圖2.4 內(nèi)部時鐘電路綜合以上所作分析與選擇，形成了如圖2.5所示的完整的cpu最小系統(tǒng)圖2.3壓所對應(yīng)的可控硅的導(dǎo)通角，從而觸發(fā)可控硅，使發(fā)電機出口電壓穩(wěn)定在一個新圖2.6vssat 路輸入中電壓信號可以直接輸入，而電流信號則要通過一個電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號再輸入。a/d轉(zhuǎn)換器選擇tlc2543，該芯片是一種單電源、串行控制的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可采集11路信號，與單

11、片機的連接只占用4根口線。模擬量采集部分的電路如圖2.6所示。 2.4直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計本次課設(shè)要求控制器選用ac220v電源供電，而單片機的工作電源是+5v的直流電源，因此需要利用使用直流穩(wěn)壓電源為單片機提供電源。直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如圖2.7所示。電網(wǎng)供給的交流電壓u1(220v,50hz 經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓u2，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓u 3，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓ui。但這樣的直流輸出電壓，還會隨交流電網(wǎng)電壓的波動或負載的變動而變化。在對直流

12、供電要求較高的場合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。圖2.7 直流穩(wěn)壓電源框圖一般情況下，生產(chǎn)生活中所需的直流電壓的數(shù)值與電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，一次需要通過電源變壓器降壓后，在對交流電壓進行處理。變壓器副邊電壓有效值決定于后面電路的需要。目前，也有部分電路不用變壓器，利用其他辦法進行升壓與降壓。變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)化為直流電壓，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)化為點一方向的脈動電壓，半波整流和全波整流電路的輸出波形如框圖中所畫。本次可設(shè)選用橋式全波整流?？梢钥闯鏊鼈兙休^大的交流分量，會影響負載電路的正常工作；例如，交流分量將混入輸入信號被放大電路放大，甚至在放大電路的

13、輸出端所混入的電源交流分量大于有用信號；因而不能直接作為電子電路的供電電源。為了減小電壓的脈動，需要通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。理想情況下，應(yīng)將交流分量全部濾去，是濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。然而因為濾波電路位無源電路，所以接入負載后勢必影響其濾波效果。對于穩(wěn)定系要求不高的電子電路，蒸餾和濾波后的直流電壓可以作為供電電源。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本上不受電網(wǎng)電壓波動和負載電阻變化的影響，從而獲得足夠高的穩(wěn)定性。本次設(shè)計主要應(yīng)用三端穩(wěn)壓器，而w7800系 列三端穩(wěn)壓器的輸出電壓為5v,6v.9v.12v.15v.18v 和24v 七個檔次，型號后面的兩位數(shù)字表示輸出電壓值。

14、w7805表示的輸出電壓為5v 。最大電壓為1.5a ，因此選用w7805三端穩(wěn)壓器。如圖2.8所示即為直流穩(wěn)壓電源的主電路圖。本次課課設(shè)的目的在于用弱電控制強電，因此在這一部分，強電與弱電的隔離成為關(guān)鍵，現(xiàn)在有許多種開關(guān)控制輸出電路，其中大多數(shù)是通過芯片給出的電壓電流如ttl 電平信號，這種電平信號一般不能直接驅(qū)動外部設(shè)備，而需經(jīng)過轉(zhuǎn)化后才能驅(qū)動外部設(shè)備，許多外設(shè)如大功率交流接觸器、制冷劑等在開關(guān)控制過程中會產(chǎn)生較強的電磁干擾信號，不加隔離就會對系統(tǒng)造成誤動作或傷害。因此，在接口處理中，還要包括隔離技術(shù)。針對這個問題，所選勵磁開關(guān)驅(qū)動控制電路 如圖3.3來的。晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件，可

15、以作為大功率驅(qū)動器件使用。具有用較小功率控制大功率、開關(guān)無觸點等特點，雙向晶閘管目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn) 例如路中，r1隔輸出端，于雙向晶閘管并聯(lián)的rc 是為了在感性負載時，吸收與電流不同步的過壓，而門極電阻是為了提高抗干擾能力，以防誤觸發(fā)。t1220v 50hz 第3章自并勵勵磁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 3.1軟件實現(xiàn)功能總述本次設(shè)計所提供的電源是220v交流電源，運用直流穩(wěn)壓電源將其變換為可靠穩(wěn)定的+5v電源，從而能夠安全穩(wěn)定的為at89c51單片機提供電源。其中經(jīng)歷了變壓，整流，濾波和穩(wěn)壓四個過程，在整流階段，選用三相橋式半波整流的方法，在穩(wěn)壓過程中選用了三端穩(wěn)壓器w7805，從而使輸出的直流電源

16、是可靠穩(wěn)定的+5v電源。通過直流穩(wěn)壓電源為單片機提供電源，單片機可以正常工作，通過選擇合理的內(nèi)部時鐘電路和復(fù)位電路，并且對單片機軟件進行編程，使單片機能夠?qū)ν獠框?qū)動電路進行控制。在驅(qū)動控制電路中，選擇光電隔離器moc3041，使單片機與外部驅(qū)動控制電路進行隔離，并且利用單片機對外部電路進行控制，就可以使。設(shè)計某臺機組的自動發(fā)電控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機組功率的合理分配3.2流程圖設(shè)計為了更好的完成上述功能，本設(shè)計采用單片機來完成，首先單片機完成數(shù)據(jù)采集、控制角的計算、調(diào)節(jié)pid系數(shù)等功能，再完成六路脈沖的產(chǎn)生和觸發(fā)的功能。主程序流程圖如圖3.1所示?？刂葡到y(tǒng)上電后首先執(zhí)行的是初始化和自檢，初始化包括標志位和變量的初始化、中斷初始化、設(shè)置各接口芯片初始化、還包括各種程序模塊的初始化等等。初始化結(jié)束以后，表明勵磁調(diào)節(jié)器已經(jīng)準備就緒，接著程序進入起勵的設(shè)置和起勵條件的判別，勵磁調(diào)節(jié)器等待轉(zhuǎn)速信號，在發(fā)電機開機而轉(zhuǎn)速未達到額定轉(zhuǎn)速的95%之前將電壓給定值設(shè)置在空載額定位置，轉(zhuǎn)速一旦達到額定轉(zhuǎn)