本科生课程设计 论文 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 3 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091091 学学 号 号 09030300090303007 7 学生姓名 学生姓名 张宝全张宝全 指导教师 指导教师 起止时间 起止时间 2012 12 312012 12 31 2013 01 112013 01 11 本科生课程设计 论文 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090303007学生姓名张宝全专业班级电气091 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 I 摘 要 励磁控制系统是同步发电机的一个重要组成部分 在保证电能质量 无功率 合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面起着十分重要作用 本文针采用了单 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 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 通过编程控制单片机在软件上实现了对同步发电机励磁系统调压范围及 调差系数的调节与控制 采取了以提高电力系统动态稳定性为目标的线性最优励 磁控制方式不仅实现了电压调节 还兼顾了功率及功率因数角的测量 关键词 AT89C51 自并励 调差系数 线性最优控制 本科生课程设计 论文 II 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 7 2 4 直流稳压电源电路设计 8 第 3 章 自并励励磁控制系统软件设计 11 3 1 软件实现功能综述 11 3 2 流程图设计 11 3 2 1 主程序流程图设计 11 3 2 2 模拟量检测流程图设计 12 3 3 程序清单 13 第 4 章 系统仿真与分析 16 4 1 系统仿真模型建立 16 4 2 系统仿真模型的设计 17 第 5 章 课程设计总结 19 参考文献 20 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 励磁控制系统是同步发电机的一个重要组成部分 在保证电能质量 无功率 合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面起着十分重要作用 励磁系统主要作 用是为同步发电机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 担负着对电力系统稳定运行的控制和保护功能 随着大规模集成电路技术及计算机技术发展 采用微处理器作为硬件控制核 心的微机励磁控制器将成为今后励磁控制器发展方向 数字控制的励磁调节器由 以下几个优点 1 由于计算机具有计算和逻辑判断功能 使得复杂的控制策略可以在励 磁控制中得到实现 2 调节准确 精度高 在线该变参数方便 在数字是励磁调节器中 信 号处理 调节控制规律都由软件来完成 不仅简化控制装置 而且信号处理和控 制精度高 3 可靠性高 无故障时间长等 因此本文采用了单片机进行控制的发电机励磁系统 同步发电机励磁方式根据励磁电源不同分为 直流励磁机 交流励磁机和静 止励磁机方式 直流励磁方式有自励式和他励式两种 他用具有整流子的直流发 电机作为励磁电源 不受电力系统中非正常运行状况影响 交流励磁机方式有自 励式和他励式两种 经半导体可控硅整流后供给发电机励磁 同样发电机励磁也 不受电力系统运行情况变化的影响 但由于交流励磁机的电枢反应压降相对直流 机励磁机大些 在发电机近端短路故障时可能会造成强力不足 静止励磁方式用 接于发电机出口或厂用母线上的变压器作为交流励磁电源 经半导体整流后供给 发电机励磁绕组 静止励磁系统直接对转子励磁 其显著特点是具有高起始励磁 电压响应速度 易于实现高起始响应比 具有结构简单 造价低既能减少轴系统 振动等优点 因此在本文采用里静止励磁方式 励磁控制系统是由励磁功率单元 励磁控制器和同步发电机共同组成的反馈 系统 励磁功率单元和励磁控制器组成的系统就是人们通常所说的励磁系统 励 本科生课程设计 论文 2 磁功率单元负责向发电机转子提供直流励磁或交流励磁电流 励磁控制器负责根 据检测到的发电机的电压 电流或其他状态量的输入信号 按照给定的励磁控制 准侧自动调节励磁功率单元的输出 优良的励磁系统不仅可以保证发电机可靠运行 而且还可以有效地提高电 力系统的性能指标 根据运行方面的要求 同步发电机力控制系统任务 1 电压控制 电力系统正常运行时同步发电机总是随负荷波动而变化 要求发电励磁系统 对励磁电流进行调节以维持机端或系统中某一点的电压在给定水平 2 控制无功功率分配 3 提高同步发电机并联运行的稳定性 4 改善电力系统运行条件 1 2 本文主要内容 本文根据发电机励磁系统的基本原理设计了容量 300MW 水轮发电机的励磁 系统 基于数字式励磁系统的优势和所学知识选择单片机 AT89C51 作为发电机 励磁系统的控制核心 并选择静止励磁方式进行励磁系统设计 根据励磁机要实 现的功能 整个系统分为不同模块 数据采集电路 CPU 部分 模数转换电路 功率因数测量电路 触发电路 SCR 继电器输出电路及模拟输入电路 对每个 模块进行设计 并通过软件设计达到励磁目的 通过设计基本参数达到如下要求 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 本科生课程设计 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 发电机自并励励磁自动控制系统总体设计方案 如图 2 1 所示即为励磁控制器设计总体设计方案的框图 其中分为五个模块 分别是直流稳压电源模块 复位电路模块 时钟电路模块 AT89C51 单片机模块 和励磁开关驱动控制电路模块 实现单片机控制外部电路 在 AT89C51 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 在复位电路模块中 复位操作可以使单片机初始化 也可以使 机状态下的单片机重新启动 复位电路需要外加电源 而题目中只给出 AC220V 交 流电源 因此在复位电路前加入了直流稳压电源模块 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 MOC3041 是单片机与外部电路实现隔离 并且能有效地控制外部电路 AT89C51 单片机 时钟电路 复位电路 直流稳压电源 励磁控制系统 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 单片机最小系统包括 CPU 存储器 晶振电路 复位电路几个部分 本科生课程设计 论文 4 2 2 1 CPU 根据所学知识本文中选择 AT89C51 单片机作为系统的控制核心 89C51 有面 向控制的八位 CPU 有一个片内震荡器和时钟产生电路 震荡频率为 0 24 MHz 片内 4KB Flash ROM 的程序存储器 128B 的片内数据存储器 89C51 有 4 个并行 I O 共 32 条可单独编程的 I O 线 存在 5 个中断远源 2 个中断优 先级 2 引脚功能介绍 单片机 89C51 引脚如图 2 2 所示 1 外接晶体引脚和 是震荡电路反向放大器的输入端及 1 XTAL 2 XTAL 1 XTAL 内部时钟发生器的输入端 是震荡电路反向放大器的输出端 当采用外部 2 XTAL 震荡器时 2 RESET 复位信号输入端 当震荡器工作时 此引脚出现两个机器周期以上高 电平 就可以使单片机复位 3 分别是外部中断 0 外部中断 1 申请输入 0INT 1INT 4 输入输出引脚 P0 口 P1 口 P0 口 P0 0 P0 7 用作普通 I O 口 访问外部存储器时 可分时用做低 8 位地 址和 8 数据线 P1 口 P1 0 P1 7 用作普通 I O 口 图 2 2 89C51 单片机的引脚图 引脚功能 VCC 供电电压 P1 0 1 P1 2 3 P1 1 2 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RESET 9 P3 0 10 P3 1 11 P3 3 13 P3 2 12 P3 4 14 P3 5 15 P3 6 16 P3 7 17 X T AL1 19 X T AL2 18 V SS 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 30 EA 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 V CC 40 89c51 本科生课程设计 论文 5 GND 接地 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持RST 脚两个机器周期的 高电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的1 6 因此它 可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数 据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址 上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每 个机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存 器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式1 时 EA 将内部锁定 为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在FLASH 编程期 间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 复位操作可以使单片机初始化 也可以使机状态下的单片机重新启动 因此 十分重要 单片机的复位都是