電力系統(tǒng)自動化課設(共31頁)

1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學 課 程 設 計 說 明 書 （論文）PAGE 遼 寧 工 業(yè) 大 學 電力(dinl)系統(tǒng)(xtng)自動化 課程設計（論文(lnwn)）題目： 發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)設計（2） 院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學 號： 學生(xu sheng)姓名： 指導(zhdo)教師： 起止(q zh)時間：2014.12.01 12.12本科生課程設計（論文）課程設計（論文(lnwn)）任務及評語院（系）：電氣(dinq)工程學院 教研室：電氣工程及其自動化 學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計題目發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)設計（2）課程設計（論文）任務基本參數(shù)及要求

2、：1水輪發(fā)電機容量280MW，功率因數(shù)0.9，定子額定電壓20KV，空載額定轉子電壓220V。2 要求電壓調(diào)差系數(shù)在10%范圍內(nèi)可調(diào)。3 強勵倍數(shù)1.8，不小于10秒4 調(diào)壓精度，機端電壓靜差率小于1。5 自動電壓調(diào)節(jié)范圍：60140。6 起動升壓至額定電壓時，超調(diào)量不大于6。設計要求闡述發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的控制原理。確定勵磁控制系統(tǒng)方案。設計輸入接口及電力參數(shù)數(shù)據(jù)采集通道。設計輸出接口及輸出勵磁控制通道。確定控制算法，設計系統(tǒng)軟件。對設計進行總結 進度計劃1、布置任務，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（1天）2、系統(tǒng)總體方案設計，選擇CPU，設計單片機最小系統(tǒng)。（1天）3、設計輸入接口及電

3、力參數(shù)數(shù)據(jù)采集通道。（2天）4、設計輸出接口及輸出勵磁控制通道。（3天）5、系統(tǒng)軟件設計。（2天）6、撰寫、打印設計說明書（1天）指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績(chngj)：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要在電力系統(tǒng)正常運行或事故運行中，同步發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)起著重要的作用。優(yōu)良(yuling)的勵磁控制系統(tǒng)不僅可以保證發(fā)電機可靠運行，提供合格的電能，而且還可以有效地提高系統(tǒng)的技術指標。因此(ync)本文(bnwn)采用了單片機AT89C51作為控制核心和適合大容量的自并勵方式設計了280MVA的水輪發(fā)電

4、機勵磁控制系統(tǒng)。在硬件電路中進行單片機最小系統(tǒng)設計和模擬量檢測電路設計，通過軟件編程控制單片機。在軟件上實現(xiàn)了對同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)調(diào)壓范圍的調(diào)節(jié)與控制，還兼顧了功率及功率因數(shù)角的測量。關鍵詞：單片機AT89C51；自并勵勵磁；自動控制系統(tǒng)；MATLAB仿真； PAGE I目 錄 TOC o 1-3 f h z HYPERLINK l _Toc407301201 第1章 緒論(xln) PAGEREF _Toc407301201 h 1 HYPERLINK l _Toc407301202 1.1 勵磁控制系統(tǒng)(kn zh x tn)概況 PAGEREF _Toc407301202 h 1 HYP

5、ERLINK l _Toc407301203 1.2 本文主要(zhyo)內(nèi)容 PAGEREF _Toc407301203 h 2 HYPERLINK l _Toc407301204 第2章 發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)硬件設計 PAGEREF _Toc407301204 h 3 HYPERLINK l _Toc407301205 2.1 發(fā)電機自并勵勵磁自動控制系統(tǒng)總體設計方案 PAGEREF _Toc407301205 h 3 HYPERLINK l _Toc407301206 2.2 單片機最小系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc407301206 h 3 HYPERLINK l _Toc

6、407301207 2.2.1 CPU的選擇 PAGEREF _Toc407301207 h 4 HYPERLINK l _Toc407301208 2.2.2 復位電路設計 PAGEREF _Toc407301208 h 5 HYPERLINK l _Toc407301209 2.2.3 時鐘電路設計 PAGEREF _Toc407301209 h 6 HYPERLINK l _Toc407301210 2.3 發(fā)電機自幷勵勵磁自動控制系統(tǒng)模擬量檢測電路設計 PAGEREF _Toc407301210 h 7 HYPERLINK l _Toc407301211 2.3.1 電壓形成電路 PA

7、GEREF _Toc407301211 h 8 HYPERLINK l _Toc407301212 2.3.2 低通濾波（ALF） PAGEREF _Toc407301212 h 9 HYPERLINK l _Toc407301213 2.3.3 采集保持器（S/H） PAGEREF _Toc407301213 h 9 HYPERLINK l _Toc407301214 2.3.4 多路轉換開關（MUX） PAGEREF _Toc407301214 h 9 HYPERLINK l _Toc407301215 2.4 直流穩(wěn)壓電源電路設計 PAGEREF _Toc407301215 h 10 H

8、YPERLINK l _Toc407301216 2.5 驅動電路設計 PAGEREF _Toc407301216 h 11 HYPERLINK l _Toc407301217 2.5.1 開關量輸入通道 PAGEREF _Toc407301217 h 11 HYPERLINK l _Toc407301218 2.5.2 開關量輸出通道 PAGEREF _Toc407301218 h 12 HYPERLINK l _Toc407301219 第3章 自并勵勵磁控制系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc407301219 h 13 HYPERLINK l _Toc407301220 3.1 軟件

9、實現(xiàn)功能綜述 PAGEREF _Toc407301220 h 13 HYPERLINK l _Toc407301221 3.2 流程圖設計 PAGEREF _Toc407301221 h 13 HYPERLINK l _Toc407301222 3.2.1 主程序流程圖設計 PAGEREF _Toc407301222 h 13 HYPERLINK l _Toc407301223 3.2.2 模擬量檢測流程圖設計 PAGEREF _Toc407301223 h 14 HYPERLINK l _Toc407301224 3.2.3 程序清單 PAGEREF _Toc407301224 h 15 H

10、YPERLINK l _Toc407301225 第4章 系統(tǒng)仿真與分析 PAGEREF _Toc407301225 h 17 HYPERLINK l _Toc407301226 4.1 系統(tǒng)仿真模型建立 PAGEREF _Toc407301226 h 17 HYPERLINK l _Toc407301227 4.2 系統(tǒng)仿真模型的設計 PAGEREF _Toc407301227 h 17 HYPERLINK l _Toc407301228 第5章 課程設計總結 PAGEREF _Toc407301228 h 20 HYPERLINK l _Toc407301229 參考文獻 PAGEREF

11、_Toc407301229 h 21 PAGE 26緒論(xln)勵磁(l c)控制系統(tǒng)概況(gikung)在電力系統(tǒng)正常運行時，發(fā)電機勵磁電流的變化主要影響電網(wǎng)的電壓水平和并聯(lián)運行機組間無功功率的分配。在某些故障情況下，發(fā)電機端電壓降低將導致電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平下降。為此，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，要求發(fā)電機迅速增大勵磁電流，維持電網(wǎng)的電壓水平及穩(wěn)定性?？梢姡桨l(fā)電機勵磁的自動控制在保證電能質量、無功功率的合理分配和提高電力系統(tǒng)運行的可靠性方面都起著十分重要的作用。勵磁系統(tǒng)主要作用是為同步發(fā)電機勵磁繞組提供直流電流，并且勵磁調(diào)節(jié)器通過控制勵磁電壓及勵磁電流，擔負著對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的控制和保護功能。

12、勵磁控制系統(tǒng)是由勵磁功率單元、勵磁控制器和同步發(fā)電機共同組成的反饋系統(tǒng)。勵磁功率單元和勵磁控制器組成的系統(tǒng)就是人們通常所說的勵磁系統(tǒng)。勵磁功率單元負責向發(fā)電機轉子提供直流勵磁或交流勵磁電流；勵磁控制器負責根據(jù)檢測到的發(fā)電機的電壓、電流或其他狀態(tài)量的輸入信號，按照給定的勵磁控制準側自動調(diào)節(jié)勵磁功率單元的輸出。勵磁功率單元勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)電機電力系統(tǒng)輸入信息圖1.1 勵磁自動控制系統(tǒng)構成框圖隨著大規(guī)模集成電路技術及計算機技術發(fā)展，采用微處理器作為硬件控制核心的微機勵磁控制器將成為今后勵磁控制器發(fā)展方向。數(shù)字控制的勵磁調(diào)節(jié)器由以下幾個優(yōu)點：（1）由于計算機具有計算和邏輯判斷功能，使得復雜的控制策略可以在

13、勵磁控制中得到實現(xiàn)。（2）調(diào)節(jié)準確、精度高，在線該變參數(shù)方便。在數(shù)字是勵磁調(diào)節(jié)器中，信號處理、調(diào)節(jié)控制(kngzh)規(guī)律都由軟件來完成，不僅簡化控制裝置，而且信號處理和控制精度高。（3）可靠性高，無故障時間(shjin)長等。不論是直流勵磁機勵磁系統(tǒng)還是交流勵磁機勵磁系統(tǒng)，一般都是與主機同軸旋轉，為了縮短主軸長度，降低造價，減少環(huán)節(jié)。后又出現(xiàn)用發(fā)電機自身作為勵磁電源的方法，即以接于發(fā)電機出口的變壓器作為勵磁電源，經(jīng)硅整流后供給發(fā)電機勵磁，這種勵磁方式稱為發(fā)電機自幷勵系統(tǒng)，又稱為靜止(jngzh)勵磁系統(tǒng)。還有一種無刷勵磁系統(tǒng)，交流勵磁機于發(fā)電機勵磁繞組中間不需要滑環(huán)和電刷等接觸元件，這就實現(xiàn)了

14、無刷勵磁。300MW及更大容量機組的勵磁系統(tǒng)用最多的是無刷勵磁和自并勵兩種方式。發(fā)電機自并勵系統(tǒng)它由機端勵磁變壓器供電給整流電源，經(jīng)三相全控整流橋直接控制發(fā)電機的勵磁。它具有明顯的優(yōu)點，被推薦用于大型發(fā)電機組，特別是水輪發(fā)電機組。國外某些公司把這種方式列為大型機組的定型勵磁方式。我國已在一些機組上以及引進的一些大型機組上，采用靜止勵磁方式。因此本文采用了單片機進行控制的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)。本文主要內(nèi)容本文根據(jù)發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的基本原理設計了容量280MW水輪發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)?；跀?shù)字式勵磁系統(tǒng)的優(yōu)勢和所學知識選擇單片機AT89C51作為發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的控制核心，并選擇靜止勵磁方式進行勵磁系統(tǒng)設計。根

15、據(jù)勵磁機要實現(xiàn)的功能，整個系統(tǒng)分為不同模塊：分別是直流穩(wěn)壓電源模塊、復位電路模塊、時鐘電路模塊、單片機89C51模塊和勵磁開關驅動控制電路模塊。對每個模塊進行設計，并通過軟件設計達到勵磁目的。通過設計基本參數(shù)達到如下要求：1.水輪發(fā)電機容量280MW，功率因數(shù)0.9，定子額定電壓20KV，空載額定轉子電壓220V。2.要求電壓調(diào)差系數(shù)在10%范圍內(nèi)可調(diào)。3.強勵倍數(shù)1.8，不小于10秒。4.調(diào)壓精度，機端電壓靜差率小于1。5.自動電壓調(diào)節(jié)范圍：60140。6.起動升壓至額定電壓時，超調(diào)量不大于6。發(fā)電機自并勵勵磁自動(zdng)控制系統(tǒng)硬件設計發(fā)電機自并勵勵磁(l c)自動控制系統(tǒng)總體設計方案

16、(fng n)勵磁控制器總體可分為五個模塊，分別是直流穩(wěn)壓電源模塊、復位電路模塊、時鐘電路模塊、單片機89C51模塊和勵磁開關驅動控制電路模塊，實現(xiàn)單片機控制外部電路。如圖2.1所示。直流穩(wěn)壓電源89C51單片機勵磁控制系統(tǒng)圖2.1 勵磁控制系統(tǒng)總體設計方案復位電路時鐘電路在AT89C51單片機模塊中，應用內(nèi)部的軟件編輯程序，實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)驅動控制電路的控制。在復位電路模塊中，復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。復位電路需要外加電源，而題目中只給出AC220V交流電源，因此在復位電路前加入了直流穩(wěn)壓電源模塊，為復位電路提供可靠的直流穩(wěn)壓電源。在時鐘電路模塊中，時鐘電路

17、為單片機提供工作所需的時鐘信號。勵磁開關驅動控制電路模塊中，采用光電隔離器，是單片機與外部電路實現(xiàn)隔離，并且能有效地控制外部電路。單片機最小系統(tǒng)設計單片微型計算機簡稱單片機。它是在一塊芯片上集成了中央處理器（CPU），一定容量的RAM和ROM，定時/計數(shù)器以及I/O接口電路等部件，構成一個完整的微型計算機。AT89C51 提供以下標準功能：4k HYPERLINK /view/60408.htm t _blank 字節(jié)Flash HYPERLINK /view/600209.htm t _blank 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級

18、中斷結構，一個全雙工 HYPERLINK /view/716175.htm t _blank 串行通信口，片內(nèi)振蕩器及 HYPERLINK /view/2246970.htm t _blank 時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種 HYPERLINK /view/37.htm t _blank 軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器， HYPERLINK /view/716175.htm t _blank 串行通信口及 HYPERLINK /view/597855.htm t _blank 中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RA

19、M中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。CPU的選擇(xunz)本文(bnwn)中選用的單片機型號為89C51。89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造(zhzo)技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖2.2單片機

20、89C51引腳圖本科設所用到的單片機引腳如下:1、電源引腳VSS和VCCVCC（40腳）：電源端。VSS（20腳）：接地端。2、外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：外接部晶體和微調(diào)電容的一端。它是振蕩電路反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。當采用外部振蕩器時，此引腳輸入外部時鐘脈沖。XTAL2（18腳）：外接部晶體和微調(diào)電容的另一端。他是振蕩電路反向放大器的輸出端。當采用外部振蕩器時，此引腳應懸浮。3、控制(kngzh)信號引腳RESET、ALE/、。RST（9腳）：復位輸入，高電平有效。當振蕩器工作時，要保持RST引腳有兩個機器周期(zhuq)以上的高電平，就可

21、以使單片機復位。ALE/（30腳）：地址鎖存允許(ynx)信號。此頻率為振蕩器頻率的1/6。通過用示波器查看ALE端是否有脈沖信號輸出，可以確認89C51芯片的好壞。ALE信號可以用作對外輸出的時鐘或定時信號。需要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。在對89C51片內(nèi)4KB Flash ROM編程（固化）時，此引腳用于輸入編程脈沖。（29腳）：外部程序存儲器的讀選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。4、輸入輸出引腳P0口、P1口、P2口P0口（3239腳）：P0口為一個8位雙向三態(tài)I/O口。在訪問外

22、部存儲器時，可分時用作低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線；在本課設中作為地址數(shù)據(jù)線總線使用。P1口（18腳）：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，在Flash ROM編程時，它接收低8位地址。在本課設中只用做普通I/O口。P2口（2128腳）：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，在訪問外部儲存器時，它送出高8位地址。在對FlashROM編程和程序驗證時，它接收高8位地址和其他控制信號。復位電路設計復位操作可以使單片機初始化，也可以是死機狀態(tài)下的單片機重新啟動，因此非常重要。單片機復位都是靠外部復位電路來實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘振蕩脈沖以上的高電平

23、，單片機就能實現(xiàn)復位。復位電路的第一功能是上電復位。一般危機電路正常工作需要供電電源為5V5%，即4.755.25V。由于微機電路是時序數(shù)字電路，它要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復位信號才被撤出，微機電路開始正常工作。復位電路工作原理如圖2.4所示，是按鍵式復位電路。VCC上電時，電容器C充電，在電阻R2上出現(xiàn)電壓降，RESET引腳為高電平，使得單片機復位；幾個毫秒之后，電容C充電完成，電阻R2上電流降為0，電壓也為0，復位結束，使得單片機進入工作狀態(tài)。工作期間，按下RST按鍵，電容器C放點，松手后循環(huán)上述過程。按鍵的時間

24、決定復位的時間。圖2.3 按鍵電平復位電路時鐘(shzhng)電路設計時鐘(shzhng)電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時鐘信號。時鐘信號可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。時鐘電路是單片機系統(tǒng)的核心部分之一，它可以簡單定義(dngy)成如下兩點：（1）、這是產(chǎn)生像時鐘一樣準確的振蕩電路。（2）、單片機系統(tǒng)內(nèi)，任何工作都按時間順序。用于產(chǎn)生這個時間的電路部分就是時鐘電路。51單片機最小系統(tǒng)晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情況下可以采用更高頻率的晶振，51單片機最小系統(tǒng)晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，頻率越大處理速度越快。本課題中選擇的時鐘方式是

25、內(nèi)部時鐘方式，內(nèi)部時鐘發(fā)生器實質上是一個二分頻的觸發(fā)器，其輸出是單片機工作所需的時鐘信號，所以選擇的晶振頻率為11.2MHz，電容C1、C2均為33pF。時鐘電路是用來配合外部晶體實現(xiàn)振蕩的電路，一般由晶體振蕩器、晶振控制芯片和電容組成。硬件連線如圖2.4所示：圖2.4 振蕩電路綜合以上所作分析與選擇(xunz)，形成了如圖2.5所示的完整的CPU最小系統(tǒng)圖圖2.5 CPU最小系統(tǒng)圖發(fā)電機自幷勵勵磁自動(zdng)控制系統(tǒng)模擬量檢測(jin c)電路設計在勵磁系統(tǒng)中需要測得參數(shù)包括發(fā)電機的極端電壓、發(fā)電機輸出電流、勵磁電壓、勵磁電流、有功功率、無功功率以及功率因數(shù) ，經(jīng)過一系列限制計算和調(diào)節(jié)計

26、算來得到整定后的勵磁電壓所對應的可控硅的導通角，從而觸發(fā)可控硅，使發(fā)電機出口電壓穩(wěn)定在一個新水平。勵磁系統(tǒng)模擬量檢測電路包括信號采集部分、信號轉換部分、A/D轉換部分。1、信號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)互感器后直接進行采樣，這種采樣方法能實時反映出電參量瞬時值的大小以及動態(tài)變化情況，這就使同步采樣或準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，有利于實時控制。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機端電壓和電流，以及(yj)勵磁電流。2、信號(xnho)轉換從互感器獲得(hud)電壓、電流信號很

27、大，而數(shù)模轉換器只能對一定范圍內(nèi)輸入電壓轉換，故需要通過變換器對輸入的電壓、電流信號進行處理。本文中選擇電壓變換器UV來實現(xiàn)電壓信號的變換，電流變換器UA來實現(xiàn)電流信號的轉變。變換器的原理圖如圖2.6所示。電壓形成回路變壓器低通濾波采樣保持多路轉換開關CPUA/DTVTA圖2.6 模擬量檢測電路電壓形成電路RTU要從電流互感器（TA）和電壓互感器（TV）取得信息，但這些互感器的二次側電流或電壓量不能適應模/數(shù)變換器的輸入范圍要求故需對他們進行變換。電壓變換器將由電壓互感器二次側引來的電壓進一步降低。電流變換器將電流互感器二次側引來的電流變換成電壓信，并進一步降低電壓。電壓形成電路除了起電量變換

28、作用外，另一個重要作用是將一次設備的電流互感器TA、電壓互感器TV的二次回路與微機A/D轉換系統(tǒng)完全隔離，提高抗干擾能力。低通濾波（ALF）為了使信號被采集后不失真，采樣頻率必須為不小于2倍的輸入信號最高頻率，這是采集定理的要求。實際上，大多數(shù)的模擬量輸入回路都再采集之前將最高的信號頻率分量限制在一定頻帶以內(nèi)，即限制輸入信號的最高頻率，以降低采集頻率。這樣，只需要在采集前用一個模擬低通濾波器（ALF）將高頻分量濾去即可。采集(cij)保持器（S/H）采樣保持(boch)器（S/H）的基本原理是：A/D轉換器完成一次完整的轉換需要一段時間，這段時間里，模擬量不能變化，否則就不準確(zhnqu)了

29、，必須引入采樣/保持電路，將瞬間采集的模擬量“樣本”凍結一段時間，以保證A/D轉換的精度。多路轉換開關（MUX）多路開關也稱采樣切換器，是一種受CPU控制的高速電子切換開關。由采樣保持器送來的多路模擬量公用一套模/數(shù)轉換器A/D，只有被選中的一路才可以通過多路開關進入A/D，其余各量則需要等候下一次的選擇。通過檢測勵磁電流使勵磁調(diào)節(jié)器能夠實時的監(jiān)控以及控制勵磁電流的大小，及時防止過勵或欠勵現(xiàn)象。勵磁電流測量可通過測量整流橋交流測的交流電流得到。（1）時整流元件有效值。此時，流過各元件的電流波形均為寬度120度的矩形波，與控制角大小無關。原件有效值為：整流橋交流側電流的有效值流過同一相兩個元件的

30、電流組成，所以交流有效值為：，（2）當時，電流有效值為：交流側電流有效值I為元件電流有效值的倍，系數(shù)約為0.955，由此可認為： 。直流穩(wěn)壓電源電路設計本次課設要求控制器選用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。如圖2.7所示：交流輸入電源變壓器穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路直流輸出圖2.7 直流穩(wěn)壓電源設計電路電網(wǎng)供給(gngj)的交流電壓(220V,50Hz) 經(jīng)電源變壓器降壓后，得到(d do)符合電路需要的交流電壓，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化

31、(binhu)的脈動電壓，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。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。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化為直流電壓，即將正弦波電壓轉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。本次可設選用橋式全波整流?？梢?/p>

32、看出它們均含有較大的交流分量，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，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。本次設計主要應用三端穩(wěn)壓器，型號后面的兩位數(shù)字表示輸出

33、電壓值。LM7805表示的輸出電壓為5v。最大電壓為1.5A，因此選用LM7805三端穩(wěn)壓器。如圖2.8所示即為直流穩(wěn)壓電源電路圖。圖2.8 直流穩(wěn)壓電源電路圖驅動(q dn)電路設計本次課課設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(chngwi)關鍵，現(xiàn)在有許多種開關控制輸出電路，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動外部設備，而需經(jīng)過轉化后才能驅動外部設備，許多外設如大功率交流接觸器、制冷劑等在開關控制過程中會產(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。針對這個問題，所選

34、光電耦合器作為(zuwi)開關量輸入輸出計算機的隔離器。開關量輸入通道當有輸入信號時，開關S閉合，二極管導通，發(fā)出光束，使光敏三極管飽和導通，于是輸出端U0表現(xiàn)地電位。在光電耦合器中，信息的傳遞介質為光，但輸入和輸出都是電信號，由于信息的傳遞和轉換的過程都是在密閉環(huán)境下進行，沒有電的直接聯(lián)系，它不受電磁信號干擾，所以隔離效果比較好。如圖2.9所示為光電耦合器原理圖BSAGND1GND2RR1圖2.9 光電耦合器原理圖開關量輸出(shch)通道為了提高干擾能力，開關量輸出通道最好(zu ho)也經(jīng)過一級光電隔離，只要通過軟件(run jin)使并行口PB0輸出“0”，PB1輸出“1”，便可使與非

35、門DAN1輸出低電平，光敏三極管導通，繼電器K被吸合。在初始化和需要繼電器K返回時，應使PB0輸出“1”，PB1輸出“0”如圖2.10開關量輸出通道所示1PB0PB1圖2.10 開關量輸出通道原理圖K+5V+E-E自并勵勵磁(l c)控制系統(tǒng)軟件(run jin)設計(shj)軟件實現(xiàn)功能綜述本次設計所提供的電源是220V交流電源，運用直流穩(wěn)壓電源將其變換為可靠穩(wěn)定的直流+5V電源，從而能夠安全穩(wěn)定的為AT89C51單片機提供電源，從而使單片機可以正常工作，通過選擇合理的內(nèi)部時鐘電路和復位電路，并且對單片機軟件進行編程，使單片機能夠對外部驅動電路進行控制。其中直流穩(wěn)壓電源經(jīng)歷了變壓，整流，濾波

36、和穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)，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LM7805，從而使輸出的直流電源是可靠穩(wěn)定的+5V電源。在驅動控制電路中使單片機與外部驅動控制電路進行光電隔離，并且利用單片機對外部電路進行控制。流程圖設計為了更好的完成上述功能，本設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。主程序流程圖設計控制系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行的是初始化和自檢，初始化包括標志位和變量的初始化、中斷初始化、設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

37、設置和起勵條件的判別，勵磁調(diào)節(jié)器等待轉速信號，在發(fā)電機開機而轉速未達到額定轉速的95%之前將電壓給定值設置在空載額定位置，轉速一旦達到額定轉速的95%，則主程序立刻進入主循環(huán):首先是數(shù)據(jù)采集和處理部分，主要由三個子模塊組成:電機出口交流電壓采樣處理子模塊、電機出口交流電流采樣處理子模塊和勵磁電壓采用處理子模塊。然后進入功率因數(shù)采集計算，它利用徽處理器的外部中斷0和定時器1的聯(lián)合使用來完成對功率因數(shù)的采樣和計算，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)差模塊可以實現(xiàn)無功的合理分配，以適應發(fā)電機并列運行的需要。PID調(diào)節(jié)計算模塊根據(jù)采集的數(shù)據(jù)結果與額定值進行比較，從而進行PID調(diào)節(jié)計算來算出

38、可控硅的控制角；限制控制子模塊則是為保證發(fā)電機的正常及安全運行而設置的。主程序流程如圖3.1所示：啟動初始化開中斷定子電流，轉子電流計算電壓調(diào)節(jié)及各種控制器的門控單元PID計算返回 圖3.1 主程序流程圖模擬量檢測(jin c)流程圖設計模擬量檢測發(fā)電機出口電壓、出口電流和勵磁電壓。通過A/D轉換器對這幾個量進行采集，采用PID算法來實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，計算兩個(lin )相鄰時刻電壓的偏差值，出口電流也是如此。由于功率因數(shù)在系統(tǒng)中是一個很重要的參數(shù)，電阻(dinz)負荷的 HYPERLINK /view/44147.htm t _blank 功率因數(shù)為1，一般具有 HYPERLINK /view/

39、785.htm t _blank 電感性負載的電路功率因數(shù)都小于1。它反映了發(fā)電機所帶負載的性質，是衡量 HYPERLINK /view/1487672.htm t _blank 電氣設備效率高低的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉換的 HYPERLINK /view/56023.htm t _blank 無功功率大，從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。而且在計算有功功率和無功功率的時候都必須用到它，所以必須對它進行很細致的采集。在數(shù)值上，功率因數(shù)是 HYPERLINK /view/56021.htm t _blank 有功功率和 HYPERLINK /view/56022.

40、htm t _blank 視在功率的比值模擬量檢測流程如圖3.2所示：功率因數(shù)取負值根據(jù)測得脈寬計算功率因數(shù)角入口計算角的正弦值RETsin0NY圖3.2 模擬量檢測流程圖程序清單ORG 0000HSJMP MAINORG 0030HSTART: MOV SP, #60HMOV TMOD,#10HMOV TL1,#00HMOV TH1,#4BHMOV R0,#00HSETB TR1LCALL L_DELAYSJMP $INT_T1: PUSH ACC PUSH PSW PUSH DPL PUSH DPH返 CLR TR1 MOV TL1,#00H SETB TR1MAIN：MOV TMOD,#

41、21H; SETB TR0; SETB TR1MOV R7,#8; MOV A,#00HLOOP:MOV P1,A; RL AINC AACALL MAIN0; DJNZ R7,LOOPMAIN1:MOV A,#0FFHMOV P1,A； SUBB A,#08H; ACALL MAIN0DJNZ R6,MAIN1MAIN2:MOV A,#00H； DJNZ R5,MAIN2LJMP LOOPMAIN0:MOV DPTR,#15536; MOV TL0,DPLMOV TH0,DPHMOV TL1,#236;MOV TH1,#236CPL P3.5JNB TF1,MAIN0;CLR TF1RET

42、系統(tǒng)(xtng)仿真(fn zhn)與分析(fnx)系統(tǒng)仿真模型建立MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。Simulink是MATLAB各種工具箱中比較特別的。Simulink是用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，支持連續(xù)，離散及

43、兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的

44、數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C+，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。系統(tǒng)仿真模型的設計通過研究得知組成系統(tǒng)的幾個主要部分分別是發(fā)電機組，三相變壓器，輸電線路，負載，故障元件，測量儀器以及標準電壓源。在Simulink的擴展工具箱中找到SimPowerSystems，或者直接在提示符下鍵入powerlib打開電力系統(tǒng)模塊庫，選擇建模所需要的模塊。使用同步發(fā)電機，勵磁系統(tǒng)和水輪機調(diào)速器來組成發(fā)電機組。在進行發(fā)電機組的參數(shù)設置

45、時, 按照上述的額定值進行設置，轉子類型、凸極，余相可用模塊的默認值。三相變壓器選擇雙繞組三相變壓器，將變比設置為13.8/230（高壓側額定電壓為220KV），低壓繞組三角形接法，高壓繞組星型接地。采用分布參數(shù)輸電線路模型模擬220(KM)的高壓線。另外，將標準電壓源的容量設置無窮大系統(tǒng)。首先用模塊建立一個正常運行的電力系統(tǒng)，仿真后觀察電壓電流波形，待穩(wěn)定后，再將故障元件加入其中，這樣才能保證故障切除后系統(tǒng)最終能恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。本文以單相接地短路(dunl)故障為例，仿真模型如圖4.1所示圖4.1系統(tǒng)仿真模型圖前面(qin mian)部分簡單說明了仿真建模的過程，為了能把最后的仿真波形同時顯

46、示在一個界面中以便比較和分析，設計一個圖形界面，不僅能隨意地選擇故障類型進行仿真，讓波形全部顯示出來，而且還能單獨查看各相的電壓電流波形圖。要實現(xiàn)這樣的功能需要在界面對應M文件中編輯相應的函數(shù)，使界面和仿真模型聯(lián)系起來。如圖4.2所示即為系統(tǒng)仿真波形圖圖4.2 系統(tǒng)仿真波形圖分析圖4.2所示的波形，仿真開始時，系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)，電壓電流波形都按正弦波變化(binhu)，當B相C相0.13s接地短路時，可以觀察到這兩相對地電壓劇降為零，A相非故障相電壓沒有發(fā)生變化。再觀察電流，在故障發(fā)生前，A、B、C三相的對地電流都為0， A相接地短路以后，電流迅速增大，Ib和Ic保持原樣。再往后看，電壓序分量和電流序分量都是輸出的峰值，在系統(tǒng)正常運行時，電壓只有正序分量，電流為零。當出現(xiàn)故障時，也就是在0.13到0.25秒，電壓和電流出現(xiàn)了負序和零序分量。經(jīng)過第二章的理論分析，故障時正序、負序和零序電流是相等的，因此三條線在坐標軸上被覆蓋了，只有最后一條零序分量的圖線。理論上A相的電流值是等于3倍的序分量，由圖可見，故障電流Ia峰值大約為4500安培，零序電流分量大約為1500安培，是Ia的三分之一，說明仿真波形圖是正確的。故障切除后，系統(tǒng)中仍然只有正序分量，從電壓序分量可以看出。因此圖4.2的波