發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)解讀

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 電力系統(tǒng)自動(dòng)化電力系統(tǒng)自動(dòng)化 課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：題目：發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3） 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 起止時(shí)間：起止時(shí)間： 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：電氣工程及其自動(dòng)化 注：成績(jī)：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名張寶全專業(yè)班級(jí)電氣091 課程設(shè)計(jì) 題目 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（3

2、） 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 基本參數(shù)及要求： 1 水輪發(fā)電機(jī)容量 300MW，功率因數(shù) 0.80，定子額定電壓 18KV，空載額定轉(zhuǎn)子 電壓 200V。 2 要求電壓調(diào)差系數(shù)在12%范圍內(nèi)可調(diào)。 3 強(qiáng)勵(lì)倍數(shù) 2，不小于 10 秒 4 調(diào)壓精度，機(jī)端電壓靜差率小于 0.5。 5 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)范圍：70130。 6 起動(dòng)升壓至額定電壓時(shí)，超調(diào)量不大于 8。 設(shè)計(jì)要求 1.闡述發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的控制原理。 2.確定勵(lì)磁控制系統(tǒng)方案。 3.設(shè)計(jì)輸入接口及電力參數(shù)數(shù)據(jù)采集通道。 4設(shè)計(jì)輸出接口及輸出勵(lì)磁控制通道。 5確定控制算法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。 6對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。 進(jìn)度計(jì)劃 1、布置任務(wù)，查閱資料，理

3、解掌握系統(tǒng)的控制要求。 （1 天） 2、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，選擇 CPU，設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)。 （1 天） 3、設(shè)計(jì)輸入接口及電力參數(shù)數(shù)據(jù)采集通道。 （2 天） 4、設(shè)計(jì)輸出接口及輸出勵(lì)磁控制通道。 （3 天） 5、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。 （2 天） 6、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書（1 天） 指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī) 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 摘 要 勵(lì)磁控制系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要組成部分，在保證電能質(zhì)量、無功率 合理分配和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性方面起著十分重要作用。本文針采用了單 片機(jī) AT89C51 作為控制核心和適合大容量的自并勵(lì)方式設(shè)計(jì)了 300MVA 的水輪

4、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)。在硬件電路中進(jìn)行了模擬量檢測(cè)電路和功率因數(shù)測(cè)量電路 的設(shè)計(jì)，通過編程控制單片機(jī)在軟件上實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)壓范圍及 調(diào)差系數(shù)的調(diào)節(jié)與控制。采取了以提高電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性為目標(biāo)的線性最優(yōu)勵(lì) 磁控制方式不僅實(shí)現(xiàn)了電壓調(diào)節(jié)，還兼顧了功率及功率因數(shù)角的測(cè)量。 關(guān)鍵詞： AT89C51；自并勵(lì)；調(diào)差系數(shù)；線性最優(yōu)控制 目 錄 第 1 章 緒論 .1 1.1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)概況.1 1.2 本文主要內(nèi)容.1 第 2 章 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .3 2.1 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案.3 2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).3 2.3 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制

5、系統(tǒng)模擬量檢測(cè)電路設(shè)計(jì).7 2.4 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì).8 第 3 章 自并勵(lì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .11 3.1 軟件實(shí)現(xiàn)功能綜述.11 3.2 流程圖設(shè)計(jì).11 3.2.1 主程序流程圖設(shè)計(jì) .11 3.2.2 模擬量檢測(cè)流程圖設(shè)計(jì) .12 3.3 程序清單.13 第 4 章 系統(tǒng)仿真與分析 .16 4.1 系統(tǒng)仿真模型建立.16 4.2 系統(tǒng)仿真模型的設(shè)計(jì).17 第 5 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .19 參考文獻(xiàn) .20 第 1 章 緒論 1.1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)概況 勵(lì)磁控制系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要組成部分，在保證電能質(zhì)量、無功率 合理分配和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性方面起著十分重要作用。勵(lì)磁系

6、統(tǒng)主要作 用是為同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組提供直流電流，并且勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通過控制勵(lì)磁電壓及 勵(lì)磁電流，擔(dān)負(fù)著對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制和保護(hù)功能。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，采用微處理器作為硬件控制核 心的微機(jī)勵(lì)磁控制器將成為今后勵(lì)磁控制器發(fā)展方向。數(shù)字控制的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由 以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）由于計(jì)算機(jī)具有計(jì)算和邏輯判斷功能，使得復(fù)雜的控制策略可以在勵(lì) 磁控制中得到實(shí)現(xiàn)。 （2）調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、精度高，在線該變參數(shù)方便。在數(shù)字是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中，信 號(hào)處理、調(diào)節(jié)控制規(guī)律都由軟件來完成，不僅簡(jiǎn)化控制裝置，而且信號(hào)處理和控 制精度高。 （3）可靠性高，無故障時(shí)間長(zhǎng)等。 因此本文采用了單片機(jī)進(jìn)行控制的發(fā)電

7、機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)。 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式根據(jù)勵(lì)磁電源不同分為：直流勵(lì)磁機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)和靜 止勵(lì)磁機(jī)方式。直流勵(lì)磁方式有自勵(lì)式和他勵(lì)式兩種，他用具有整流子的直流發(fā) 電機(jī)作為勵(lì)磁電源。不受電力系統(tǒng)中非正常運(yùn)行狀況影響。交流勵(lì)磁機(jī)方式有自 勵(lì)式和他勵(lì)式兩種，經(jīng)半導(dǎo)體可控硅整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。同樣發(fā)電機(jī)勵(lì)磁也 不受電力系統(tǒng)運(yùn)行情況變化的影響。但由于交流勵(lì)磁機(jī)的電樞反應(yīng)壓降相對(duì)直流 機(jī)勵(lì)磁機(jī)大些，在發(fā)電機(jī)近端短路故障時(shí)可能會(huì)造成強(qiáng)力不足。靜止勵(lì)磁方式用 接于發(fā)電機(jī)出口或廠用母線上的變壓器作為交流勵(lì)磁電源，經(jīng)半導(dǎo)體整流后供給 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組。靜止勵(lì)磁系統(tǒng)直接對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，其顯著特點(diǎn)是具有高起始勵(lì)磁 電壓響應(yīng)速度，

8、易于實(shí)現(xiàn)高起始響應(yīng)比。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低既能減少軸系統(tǒng) 振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。因此在本文采用里靜止勵(lì)磁方式。 勵(lì)磁控制系統(tǒng)是由勵(lì)磁功率單元、勵(lì)磁控制器和同步發(fā)電機(jī)共同組成的反饋 系統(tǒng)。勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁控制器組成的系統(tǒng)就是人們通常所說的勵(lì)磁系統(tǒng)。勵(lì) 磁功率單元負(fù)責(zé)向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁或交流勵(lì)磁電流；勵(lì)磁控制器負(fù)責(zé)根 據(jù)檢測(cè)到的發(fā)電機(jī)的電壓、電流或其他狀態(tài)量的輸入信號(hào)，按照給定的勵(lì)磁控制 準(zhǔn)側(cè)自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁功率單元的輸出。 優(yōu)良的勵(lì)磁系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)可靠運(yùn)行，而且還可以有效地提高電 力系統(tǒng)的性能指標(biāo)。根據(jù)運(yùn)行方面的要求，同步發(fā)電機(jī)力控制系統(tǒng)任務(wù)： （1） 電壓控制 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)同步發(fā)電機(jī)總

9、是隨負(fù)荷波動(dòng)而變化，要求發(fā)電勵(lì)磁系統(tǒng) 對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)以維持機(jī)端或系統(tǒng)中某一點(diǎn)的電壓在給定水平； （2） 控制無功功率分配； （3） 提高同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性； （4） 改善電力系統(tǒng)運(yùn)行條件。 1.2 本文主要內(nèi)容 本文根據(jù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的基本原理設(shè)計(jì)了容量 300MW 水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁 系統(tǒng)。基于數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和所學(xué)知識(shí)選擇單片機(jī) AT89C51 作為發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁系統(tǒng)的控制核心，并選擇靜止勵(lì)磁方式進(jìn)行勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)勵(lì)磁機(jī)要實(shí) 現(xiàn)的功能，整個(gè)系統(tǒng)分為不同模塊：數(shù)據(jù)采集電路；CPU 部分；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路； 功率因數(shù)測(cè)量電路；觸發(fā)電路；SCR；繼電器輸出電路及模擬輸入電路。對(duì)每個(gè)

10、模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過軟件設(shè)計(jì)達(dá)到勵(lì)磁目的。通過設(shè)計(jì)基本參數(shù)達(dá)到如下要求： 1 水輪發(fā)電機(jī)容量 300MW，功率因數(shù) 0.80，定子額定電壓 18KV，空載額定轉(zhuǎn)子 電壓 200V。 2 要求電壓調(diào)差系數(shù)在12%范圍內(nèi)可調(diào)。 3 強(qiáng)勵(lì)倍數(shù) 2，不小于 10 秒 4 調(diào)壓精度，機(jī)端電壓靜差率小于 0.5。 5 自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)范圍：70130。 6 起動(dòng)升壓至額定電壓時(shí)，超調(diào)量不大于 8 第 2 章 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 如圖 2.1 所示即為勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方案的框圖，其中分為五個(gè)模塊， 分別是直流穩(wěn)壓電源模塊、復(fù)位電路模塊、時(shí)

11、鐘電路模塊。AT89C51 單片機(jī)模塊 和勵(lì)磁開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制電路模塊，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制外部電路。 在 AT89C51 單片機(jī)模塊中，應(yīng)用內(nèi)部的軟件編輯程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) 控制電路的控制。在復(fù)位電路模塊中，復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化，也可以使 機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動(dòng)。復(fù)位電路需要外加電源，而題目中只給出 AC220V 交 流電源，因此在復(fù)位電路前加入了直流穩(wěn)壓電源模塊，為復(fù)位電路提供可靠的直 流穩(wěn)壓電源。 在時(shí)鐘電路模塊中，時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供工作所需的時(shí)鐘信號(hào)。勵(lì)磁開關(guān) 驅(qū)動(dòng)控制電路模塊中，采用光電隔離器 MOC3041，是單片機(jī)與外部電路實(shí)現(xiàn)隔離， 并且能有效地控制外部電路。 AT89C

12、51 單片機(jī) 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 直流穩(wěn)壓電源 勵(lì)磁控制系統(tǒng) 圖 2.1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖 2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括 CPU、存儲(chǔ)器、晶振電路、復(fù)位電路幾個(gè)部分。 2.2.1 CPU 根據(jù)所學(xué)知識(shí)本文中選擇 AT89C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心。89C51 有面 向控制的八位 CPU，有一個(gè)片內(nèi)震蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，震蕩頻率為 024 MHz；片內(nèi) 4KB Flash ROM 的程序存儲(chǔ)器，128B 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 89C51 有 4 個(gè)并行 I/O，共 32 條可單獨(dú)編程的 I/O 線；存在 5 個(gè)中斷遠(yuǎn)源，2 個(gè)中斷優(yōu) 先級(jí)。 2、引腳功能介紹：?jiǎn)?/p>

13、片機(jī) 89C51 引腳如圖 2.2 所示。 （1） 外接晶體引腳和：是震蕩電路反向放大器的輸入端及 1 XTAL 2 XTAL 1 XTAL 內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，是震蕩電路反向放大器的輸出端，當(dāng)采用外部 2 XTAL 震蕩器時(shí)。 (2)RESET:復(fù)位信號(hào)輸入端，當(dāng)震蕩器工作時(shí)，此引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高 電平，就可以使單片機(jī)復(fù)位。 （3）、分別是外部中斷 0、外部中斷 1 申請(qǐng)輸入。 _ 0INT _ 1INT （4）輸入輸出引腳 P0 口、P1 口 P0 口（P0.0-P0.7）：用作普通 I/O 口，訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，可分時(shí)用做低 8 位地 址和 8 數(shù)據(jù)線； P1 口（P1.0-

14、P1.7）：用作普通 I/O 口。 圖 2.2 89C51 單片機(jī)的引腳圖 引腳功能： VCC：供電電壓。 GND：接地。 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 E

15、A 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 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高 電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它 可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE

16、的輸出可在 SFR8EH 地址 上置 0。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 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(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每 個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存 器（0000H- FFFFH） ，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1 時(shí)，/EA 將內(nèi)部鎖定 為 RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLAS

17、H 編程期 間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP） 。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)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(jī)初始化，也可以使機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動(dòng)，因此 十分重要。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只 要在單片機(jī)的 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個(gè)時(shí)鐘震蕩脈沖（兩個(gè)機(jī)器周期）以上的高 電平，單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)復(fù)位。為了保證系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，一 般使 RESET 引腳保持 10 毫秒以上的高電平，單片機(jī)便可以可靠地復(fù)位。當(dāng) RESET 從高電平變?yōu)榈碗娖揭院螅瑔纹瑱C(jī)從 0000H 地

18、址開始執(zhí)行程序。在復(fù)位有 效期間，ALE 和/PSEN 引腳輸出高電平。如圖 2.3 所示即為 AT89C51 單片機(jī)的按 鍵電平復(fù)位電路，這種復(fù)位電路利用電容器充電實(shí)現(xiàn)。當(dāng)加電時(shí)，電容 C 充電， 電路有電流通過，構(gòu)成回路，在電阻 R 上產(chǎn)生壓降，RESET 的引腳為高電平；當(dāng) 電容 C 充滿電后，電路相當(dāng)于斷開，復(fù)位結(jié)束。它還可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位，按 下鍵后，通過 R1 和 R2 形成回路，使 RESET 端產(chǎn)生高電平。按鍵的時(shí)間決定了復(fù) 位時(shí)間。如圖 2.3 所示即為 89C51 單片機(jī)的按鍵電平復(fù)位電路。 圖 2.3 按鍵電平復(fù)位電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)

19、可以有兩種方式產(chǎn) 生：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，下面介紹內(nèi)部時(shí)鐘方式。89C51 內(nèi)部有一個(gè) 高增益反相放大器（即與非門的一個(gè)輸入端編程為常有效時(shí)） ，用于構(gòu)成片內(nèi)振 蕩器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。在 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨界晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖 直接送入內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器，如圖 2.所示。外接晶振時(shí)，C1、C2 參數(shù)通常選擇 30pF 左右。C1、C2 可穩(wěn)定頻率并對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用，諧振頻率范圍是 0 到 24MHz，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠接地，諧振器和電容應(yīng) 該盡量安裝的與單片機(jī)

20、芯片靠近。內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器實(shí)質(zhì)是一個(gè)二分頻的觸發(fā)器其 輸出是單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào). 如圖 2.4 所示即為 89C51 單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘 電路。 圖 2.4 內(nèi)部時(shí)鐘電路 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 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 2

21、6 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 VSS 20 U? 89C51 VCC R2 1K R1 200 RESET + C3 22uF EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 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 P2

22、3 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 VSS 20 U? 89C51 C1 30PF C2 30PF 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 圖 2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 2.3 發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬量檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 在勵(lì)磁系統(tǒng)中需要測(cè)得參數(shù)包括發(fā)電機(jī)的極端電壓、發(fā)電機(jī)輸出電流、勵(lì)磁 電壓、勵(lì)磁電流、有功功率、無功功率以及功率因數(shù)，經(jīng)過一系列限制計(jì)算cos 和調(diào)節(jié)計(jì)算來得到整定后的勵(lì)磁電壓所對(duì)應(yīng)的可控硅的導(dǎo)通角，從而觸發(fā)可控硅， 使發(fā)電機(jī)出口

23、電壓穩(wěn)定在一個(gè)新水平。勵(lì)磁系統(tǒng)模擬量檢測(cè)電路包括信號(hào)采集部 分、信號(hào)轉(zhuǎn)換部分、A/D 轉(zhuǎn)換部分。 1、信號(hào)采集 交流量的采樣有兩種方法：直流采樣法；交流采樣法。 交流采樣則是交流電量經(jīng)互感器后直接進(jìn)行采樣，這種采樣方法能實(shí)時(shí)反映 出電參量瞬時(shí)值的大小以及動(dòng)態(tài)變化情況，這就使同步采樣或準(zhǔn)同步采樣成為了 可能。由于采樣電路不存在直流濾波電容，所以不存在滯后，有利于實(shí)時(shí)控制。 本文采用交流采樣法采集的交流量，即采用電壓互感器和電流互感器來獲取 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

24、 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

25、 SE T VCC VCC RE SE T VSS 機(jī)端電壓和電流，以及勵(lì)磁電流。 2、信號(hào)轉(zhuǎn)換 從互感器獲得電壓、電流信號(hào)很大，而數(shù)模轉(zhuǎn)換器只能對(duì)一定范圍內(nèi)輸入電 壓轉(zhuǎn)換，故需要通過變換器對(duì)輸入的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行處理。本文中選擇電壓 變換器 UV 來實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的變換，電流變換器 UA 來實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的轉(zhuǎn)變。變 換器的原理圖如圖 2.6 所示。 圖 2.6 變換器的原理圖 2.4 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 本次課設(shè)要求控制器選用 AC220V 電源供電，而單片機(jī)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(jī)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

26、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(shí)間變化的脈動(dòng)電壓 u3，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(huì)隨交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變動(dòng)而變化。在對(duì)直流供電要 求較高的場(chǎng)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。 C1 CAP C2 CAP R4 RES1 R5 RES1 R3 RES1 R1 RES1 R2 RES1 - + . . + - ADC VREF UA 一般情況下，生產(chǎn)生活中

27、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(duì)交流電壓進(jìn)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(jìn)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(diǎn)一方向的脈動(dòng)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(huì)影響負(fù)載 電路的正常工作；例如，交流分量將混入輸入信號(hào)被放大電路放大，甚至在放大 電路的輸出端所混入的電源交流分量大于有用信號(hào)；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(dòng)，

28、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。然而由 于濾波電路位無源電路，所以接入負(fù)載后勢(shì)必影響其濾波效果。對(duì)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(dòng)和負(fù)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(jì)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(gè)檔次，型號(hào)后面 的兩位數(shù)字表示輸出電壓值。W7805 表示的輸出電壓為 5v。最大電壓為 1.5A，因 此選用 W78

29、05 三端穩(wěn)壓器。如圖 2.7 所示即為直流穩(wěn)壓電源的主電路圖。 圖 2.7 直流穩(wěn)壓電源電路圖 本次課課設(shè)的目的在于用弱電控制強(qiáng)電，因此在這一部分，強(qiáng)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(hào)，這種電平信號(hào)一般不能直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備，而需經(jīng)過轉(zhuǎn) 化后才能驅(qū)動(dòng)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(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)，不加隔離就會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成誤動(dòng)作或傷害。因此， T1 C1 1000uF C2 0.33uF C3 1uF VCC W7805 220V 50Hz 在接口處理中，還要包括隔離技術(shù)。針對(duì)這

30、個(gè)問題，所選勵(lì)磁開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制電路 如圖 2.8 所示，所選的光電隔離器是 MOC3041，它是根據(jù)晶閘管原理開發(fā)出來的。 晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件，可以作為大功率驅(qū)動(dòng)器件使用。具有用較小功 率控制大功率、開關(guān)無觸點(diǎn)等特點(diǎn)，雙向晶閘管目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中， 而與它相配套的光電隔離器已經(jīng)有現(xiàn)成的產(chǎn)品，這種器件一般稱為光耦雙向晶閘 管驅(qū)動(dòng)器，常用的有 MOC3000 系列，用于不同負(fù)載下電壓使用。 圖 2.8 開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制電路 例如 MOC3011 用于 110V 交流，而 MOC3041 等用于 220V 交流使用。在驅(qū)動(dòng)電 路中，R1 為限流電阻，一般在微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，其輸出可以用

31、OC 門驅(qū)動(dòng)，在光 隔輸出端，于雙向晶閘管并聯(lián)的 RC 是為了在感性負(fù)載時(shí)，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)。 1k 1k 74LS04 74LS04 3DG270 3DG270 P1.0 P1.1 +15V +15V 第 3 章 自并勵(lì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 軟件實(shí)現(xiàn)功能綜述 控制系統(tǒng)通過軟件完成以下主要功能：恒定機(jī)端電壓調(diào)節(jié)功能；無功調(diào)差功 能；空載過壓保護(hù)功能；強(qiáng)行勵(lì)磁功能；欠勵(lì)限制功能；通過發(fā)電機(jī)出口電壓、 電流及計(jì)算功率因數(shù)；在線調(diào)節(jié)PID系數(shù)功能。 根據(jù)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器所完成的功能不同，將整個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件劃分為主程序 和中斷服務(wù)程序。控制系統(tǒng)

32、軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種功能都由相應(yīng)的子程 序來完成。本勵(lì)磁控制系統(tǒng)的軟件主要由以下幾個(gè)部分組成：實(shí)時(shí)采樣，數(shù)據(jù)處 理程序；中斷處理程序；勵(lì)磁限制處理程序；調(diào)節(jié)計(jì)算程序；鍵盤管理及其顯示 程序。 3.2 流程圖設(shè)計(jì) 3.2.1 主程序流程圖設(shè)計(jì) 為了更好的完成上述功能，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來完成，首先單片機(jī)完成數(shù)據(jù) 采集、控制角的計(jì)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。 控制系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行的是初始化和自檢，初始化包括標(biāo)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(lì)磁調(diào)節(jié)器已

33、經(jīng)準(zhǔn)備就緒，接著程序進(jìn)入起勵(lì)的設(shè)置和起 勵(lì)條件的判別，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等待轉(zhuǎn)速信號(hào)，在發(fā)電機(jī)開機(jī)而轉(zhuǎn)速未達(dá)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(dá)到額定轉(zhuǎn)速的95%，則 主程序立刻進(jìn)入主循環(huán):首先是數(shù)據(jù)采集和處理部分，主要由三個(gè)子模塊組成:電 機(jī)出口交流電壓采樣處理子模塊、電機(jī)出口交流電流采樣處理子模塊和勵(lì)磁電壓 采用處理子模塊。然后進(jìn)入功率因數(shù)采集計(jì)算，它利用徽處理器的外部中斷0和 定時(shí)器1的聯(lián)合使用來完成對(duì)功率因數(shù)的采樣和計(jì)算，并且采用數(shù)字濾波的方式 最后求得功率因數(shù)；無功調(diào)差模塊可以實(shí)現(xiàn)無功的合理分配，以適應(yīng)發(fā)電機(jī)并列 運(yùn)行的需要；PID調(diào)節(jié)計(jì)算模塊根據(jù)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果

34、與額定值進(jìn)行比較，從而進(jìn) 行PID調(diào)節(jié)計(jì)算來算出可控硅的控制角；限制控制子模塊則是為保證發(fā)電機(jī)的正 常及安全運(yùn)行而設(shè)置的。 圖3.1 主程序流程圖 3.2.2 模擬量檢測(cè)流程圖設(shè)計(jì) 由于功率因數(shù)在系統(tǒng)中是一個(gè)很重要的參數(shù)，它反映了發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載的性 質(zhì)，而且在計(jì)算有功功率和無功功率的時(shí)候都必須用到它，所以必須對(duì)它進(jìn)行很 細(xì)致的采集。模擬量檢測(cè)流程圖如圖3.2所示。 圖3.2 模擬量檢測(cè)流程圖 初始化 電量計(jì)算 開中斷 控制調(diào)節(jié) 功率因數(shù)計(jì)算 開 始 N Y 入口 根據(jù)測(cè)得脈寬計(jì)算功率因數(shù)角 計(jì)算角的正弦值 ?0sin RET 功率因數(shù)取負(fù)值 3.3 程序清單 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 LCALL L_DELAY SJMP $ INT_T1: PUSH ACC PUSH PSW PUSH DPL PUSH DPH 返 CLR TR1 MOV TL1,#00H MOV TH1,#48