发电机励磁装置设计

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1、目 录第一章 引 论.1第一节 课题的提出.1第二节 励磁控制系统技术的发展.1第三节 本课题研究的内容.3第二章 励磁控制系统原理.5第一节 励磁控制系统基本原理与数学模型.5第二节 调节励磁的基本任务.8第三节 控制算法研究.11第三章 励磁系统的硬件设计.17第一节 单片机选型.17第二节 系统的总硬件框图.19第三节 系统的主控制回路设计.20第四节 其他外围电路设计.28第四章 励磁系统的软件设计.31第一节 软件开发工具简介.31第二节 系统控制主要子程序流程图.33第五章 系统抗干扰措施.37第一节 硬件抗干扰措施.37第二节 软件抗干扰措施.37第六章 总结.39参考文献.40

2、致谢.41附录 同步发电机励磁控制装置的设计电路图.42广西大学本科毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 - 1 -第一章 引 论第一节 课题的提出励磁系统是同步发电机中最核心、最主要的组成部分之一，也是经典的同步发电机中最有发展前途的部分之一。随着科学技术的不断发展、生产的不断现代化，国民经济各部门都往高速化、自动化方向发展，对发电机供电质量的要求也越来越高。电压、频率和波形是电网电能质量的三大指标，而电压是否稳定是三大指标之首。电网电压水平取决于发电机的调节和控制系统的功能，随着电力系统自动化水平的不断提高，同步发电机的自动控制越来越与电力系统的自动控制紧密地联系在一起。励磁装

3、置是发电厂的重要控制设备，电力系统要求它除了维持发电机电压恒定和进行无功调节外，还必须保证电力系统的动态和暂态稳定性。因此，励磁系统性能的好坏和运行的可靠性，直接影响同步发电机系统的供电质量及其运行的可靠性和稳定性。目前，己经投入实际使用的微机型励磁控制装置的控制核心使用的多为传统的单片机(如 51 系列、96 系列)或工控机，由于运算精度和速度有限，速度等各种性能指标很低，满足不了高标准供电电网调节的要求。并且，它对动态过程的控制也不尽如人意。本文提出了适用于中小型同步发电机的励磁系统控制方案，并利用 AVR高档单片机研制出励磁控制系统装置。由 ATMEL 公司生产的 Atmega 系列单片

4、机功能强大、稳定性高、精度高、运算速度快，使得该励磁调节系统具有体积小、造价低、功能齐全、可靠性高、维护方便等众多优点，对于装备有同步发电机设备的中小企业及私人企业来说是理想的励磁控制装置。第二节 励磁控制系统技术的发展自 50 年代以来，随着时代的进展，不论是在控制理论还是在电子器件的研制和实际应用方面，均取得长足的进展，这些成果进一步促进了励磁控制技术的发展。随着电力电子技术的飞速发展，控制要求的不断提高和控制理论的不断发展，用常规模拟励磁控制方法实现所要达到指标愈来愈广西大学本科毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 - 2 -困难，并且可靠性大大降低，应用微处理器作为控制核心

5、的微机励磁控制就成了最好的选择。国外从 20 世纪 70 年代开始研究数字励磁调节器，从 80 年代中期世界上第一台数字式励磁调节器（digital-based excitation regulator 简称DER）问世以来，国内外的众多生产厂家纷纷研制并不断推出新的产品，大大推动了 DER 的发展和应用。国外瑞士 BBC 公司、英国 Rolls-Royce 工业动力集团公司、ABB 公司、加拿大 CGE 公司、奥地利 ELIN 公司以及德国SIEMENS 公司等均生产 DER，这些公司具有很强的科研开发能力。DER 用的硬件一般自制专用控制板，10 多年以来，我国在引入大容量发电机组的同时，

6、也引入了一定数量的 DER。从 DER 的硬件构成来看，分为单 CPU 系统和多 CPU 系统以及模拟数字混合系统(数字部分采用 PLC)等三种。单 CPU 系统的特点是快速、总体集成度高，因而成本也高。主要生产厂家有 ABB 公司和我国的大部分生产厂家。多 CPU 系统兼有并行处理的特点，可满足快速要求，调节器功能分配给不同的 CPU 单元，软件编程简化，缺点也是明显的。多 CPU 需要一个多机并行的管理系统。采用多 CPU 厂家主要有英国 Rolls-Roy 工业动力集团公司、瑞士 BHC 公司 UNITROL-0 型励磁调节器(6 个 CPU)，加拿大 CGE 公司 SILCO 型双通道

7、励磁调节器(2 个 CPU)等等。至于模拟数字混合系统应该说是一种过渡系统，在国内仍受到一部分用户的青睐，但无论如何数字式励磁调节器己成为复杂的多功能励磁系统的首选，是最新励磁调节器的发展方向。在农村电力系统中，发电机的励磁方式主要是直流机励磁系统、电抗移相式和电抗分流式相复励励磁系统。采用直流机励磁方式的发电机电压稳定性差，且由于换相器产生火花使系统维护工作量大，故障率高，因而发电机的供电可靠性降低，严重的影响了电网的电压质量；相复励模拟控制励磁方式虽然稳压性能较好，但由于农村电网电压波动较大，经常造成这种励磁方式的发电机出现无功震荡的情况，为了不使发电机出现因无功过载而跳闸，所以在正常运行

8、时，这种发电机都在无功轻载、空载甚至是吸收无功的状态下运行，以致系统无功匾乏，电压下降，严重的影响了生产生活用电。交流机励磁系统的工作特性取决于自动励磁调节器调节装里的性能，且机组较大，造价较高，对小型机组也不适合。虽然90年代后期，可控硅自动励磁装里在部分小型发电机上运行使农村电网电压质量得到了很大的改善，但这种励磁系统是采用模拟电路控制，功能较少，限制了自广西大学本科毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 - 3 -并励励磁系统优越性的发挥。目前国内对全控桥可控硅励磁系统的研究主要集中于大型机组，并与全数字式同步励磁控制系统配套使用。我国现阶段由于中小型电站经济承受能力有限特别是

9、受技术水平制约，以微机为核心的励磁系统并没有得到广泛的应用。中小型电厂特别是小型水电站采用的多是直流机励磁，少数采用相复励，个别电站采用模拟式可控硅励磁系统。励磁控制系统有两个发展方向，一个是采用以微型计算机或单片机为核心的数字式控制系统，它以微处理器为核心，辅以一些外围硬件来实现励磁调节控制要求；另一种方式是以集成电路为核心的模拟式控制系统。八十年代初国外将数字式励磁调节器在发电厂正式投入运行，我国 1989 年在大型发电厂实验运行，但数字式励磁调节器在小型水电站、热电厂较少应用。数字式励磁调节器的硬件结构形式是依据机组容量等级和所在电力系统的重要性进行选择和设计的，目前主要有单通道微机、双

10、通道微机和多通道微机结构。核心控制器主要有 16 位和 32 位两个类型，控制器有多种结构形式，如单板机结构、单片机结构、工控机结构以及可编程序控制器结构等，其中单片机结构和工控机结构在当今励磁控制装置市场中占了绝大部分数额。采用单片机结构的励磁控制器结构简单、体积小、成本低，除控制核心外的其它硬件部分可根据自已的需要自行设计，因此这种励磁控制器的硬件功能比较容易集成。随着芯片制造技术的发展，各种新款单片机的性能得到很大改普，软件和开发工具也越来越多，越来越好，价格却大幅度下滑，从而使得高性能的单片机器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户接受。单片机功能越来越强，运算速度越来越快，数字式励

11、磁调节器的硬件越来越简化，目前国外生产的控制器由用多个单片机向用一个功能强的单片机发展，势必使运行维护量减少，最终达到“傻瓜机”的效果。从发展趋势来看，今后小水电站、中小型热电厂将大量发展，因此高性能的实用于小型机组的数字式自动励磁装置具有巨大的市场潜力。第三节 本课题研究的内容本课题将以 ATMEL 公司生产的 Atmega 系列超低功耗单片机为核心，来广西大学本科毕业设计 单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用 - 4 -实现对励磁系统的控制。本励磁装置检测出电网的电压、电流、频率、相位等参数进行综合测量判断，用移相触发电路来控制三相全桥半波整流电路的晶闸管导通角来达到调节励磁的目的，其主