發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)方案

1、發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)方案遼寧工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)自動(dòng)化課程設(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)院專業(yè)班級(jí)：電氣085學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：起止時(shí)間：2018.12.262018.01.06 課程設(shè)計(jì)院注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算摘要 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)承擔(dān)著調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓、保障同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要責(zé)任。優(yōu)良的勵(lì)磁控制系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機(jī)運(yùn)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，就必須根據(jù)負(fù)載的大小和性質(zhì)隨時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流。 本文采用自勵(lì)系統(tǒng)中接線最簡單的自并勵(lì)勵(lì)磁系

2、統(tǒng)，針對(duì)同步發(fā)電機(jī)論述了自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制的原理和實(shí)現(xiàn)方法，提出了基于at89c51單片機(jī)的同步發(fā)電機(jī)自并勵(lì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)于所設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)經(jīng)過經(jīng)濟(jì)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(shí)鐘電路，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了勵(lì)磁裝置的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。最后又對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了matlab仿真，以用來對(duì)比運(yùn)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(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)；at89c51單片機(jī)；matlab仿真目錄第1章緒論11.1勵(lì)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(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32.1

3、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32.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.3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)62.4直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)7第3章自并勵(lì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)103.1軟件實(shí)現(xiàn)功能總述103.2流程圖設(shè)計(jì)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(jì)13第5章課程設(shè)計(jì)總結(jié)16 參考文獻(xiàn)17 第1章緒論 1.1勵(lì)磁控制系統(tǒng)簡況供給同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的電源及其附屬設(shè)備統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)。它一般由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩個(gè)主要部分組成。勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流；而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號(hào)和給定的

4、調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。勵(lì)磁系統(tǒng)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機(jī)組的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的作用。尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定極限降低的趨勢(shì)，也促使勵(lì)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(jī)轉(zhuǎn)子形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的過程稱為勵(lì)磁。此外，為發(fā)電機(jī)等“利用電磁感應(yīng)原理工作的電氣設(shè)備”提供工作磁場(chǎng)也叫勵(lì)磁。有時(shí)，向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供轉(zhuǎn)子電源的裝置也叫勵(lì)磁。勵(lì)磁的主要作用是：第一，維持發(fā)電機(jī)端電壓在給定值，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱來恒定機(jī)端電壓。合理分配并列運(yùn)行機(jī)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。第三，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)過程

5、中，勵(lì)磁就是控制定子的電壓使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)變化，改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變勵(lì)磁同樣起到改變轉(zhuǎn)速的作用。勵(lì)磁按直流電機(jī)勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)磁，并勵(lì)磁，串勵(lì)磁，復(fù)勵(lì)磁等方式，按整流方式分為旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁和靜止勵(lì)磁。勵(lì)磁裝置是指同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)中除勵(lì)磁電源以外的對(duì)勵(lì)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(hào)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(lì)磁裝置的使用，是當(dāng)電力系統(tǒng)正常工作的情況下，維持同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓于一給定的水平上，同時(shí)，還具有強(qiáng)行增磁、減磁和滅磁功能。對(duì)于采用勵(lì)磁變壓器作為勵(lì)磁電源的還具有整流功能。中小型水利發(fā)電設(shè)備已實(shí)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(zhǔn)出口。勵(lì)磁裝置主要分為電磁型和半導(dǎo)體型兩大類。電磁型勵(lì)磁裝置主要用于以直流或交流勵(lì)磁機(jī)為勵(lì)磁電源的勵(lì)磁系統(tǒng)中，半導(dǎo)體型勵(lì)磁裝置既可以與勵(lì)磁機(jī)一起組成靜止(或旋轉(zhuǎn)整流器勵(lì)磁系統(tǒng)，也可以與勵(lì)磁變壓器組成靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。1.2本文主要內(nèi)容本次課設(shè)針對(duì)發(fā)電機(jī)自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制系統(tǒng)，論述了自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制 系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了自并勵(lì)勵(lì)磁自動(dòng)控制的原理和實(shí)現(xiàn)方法，提出了基于at89c51單片機(jī)的同步發(fā)電機(jī)自并勵(lì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)于所設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)經(jīng)過經(jīng)濟(jì)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(shí)鐘電路，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了勵(lì)磁裝置的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。最

7、后又對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了matlab仿真，以用來對(duì)比運(yùn)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(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)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。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) 時(shí)/計(jì)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(jī)的引腳圖。引腳功能： vcc：供電電壓。gnd：接地。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

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(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儲(chǔ)器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 時(shí)間。如圖

10、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)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)高增益反相放大器圖2.4 內(nèi)部時(shí)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(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)出口電壓穩(wěn)定在一個(gè)新圖2.6vssat 路輸入中電壓信號(hào)可以直接輸入，而電流信號(hào)則要通過一個(gè)電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)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(hào)，與單

11、片機(jī)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(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(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

12、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。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(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。可以看出它們均含有較大的交流分量，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

13、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)，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?yàn)闉V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。

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(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，在接口處理中，還要包括隔離技術(shù)。針對(duì)這個(gè)問題，所選勵(lì)磁開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(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) 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(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)。t1220v 50hz 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)功能總述本次設(shè)計(jì)所提供的電源是220v交流電源，運(yùn)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(jī)提供電源。其中經(jīng)歷了變壓，整流，濾波和穩(wěn)壓四個(gè)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(jī)提供電源，單片機(jī)可以正常工作，通過選擇合理的內(nèi)部時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，并且對(duì)單片機(jī)軟件進(jìn)行編程，使單片機(jī)能夠?qū)ν獠框?qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。在驅(qū)動(dòng)控制電路中，選擇光電隔離器moc3041，使單片機(jī)與外部驅(qū)動(dòng)控制電路進(jìn)行隔離，并且利用單片機(jī)對(duì)外部電路進(jìn)行控制，就可以使。設(shè)計(jì)某臺(tái)機(jī)組的自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組功率的合理分配3.2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?？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(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)