基于微机控制系统的发电机励磁调节系统说明书.doc

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兰州理工大学毕业设计说明书

摘要

随着发电机单机容量和电网规模的增大，发电机组及电力系统对励磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了愈来愈高的要求，相应地，励磁控制在理论和实践上也在不断更新、发展和完善。

传统的模拟式励磁调节器已不能满足需要。

近年来，基于微机控制系统的发电机励磁调节系统已逐渐取代模拟式励磁调节器而成为同步发电机励磁调节器的主流。

发电机在正常工作情况下，负载总是不断的变化着。

而不同容量的负载，以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的作用是不同的，对同步发电机的内部阻抗压降的作用也是不一样的。

要维持同步发电机端电压为一定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时调节同步发电机的励磁。

显然。

这一调节过程只有通过电压的自动调节装置才能实现。

本系统主要完成上述功能。

本课题中自动励磁系统该采用以80C196MC单片机为核心的触发电路代替目前国内市场上流行的集成化KC系列触发电路。

该电路具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰能力强，移相范围宽（0—177°），外接元件少等优点，而且调试简单、使用可靠。

本文主体分为四个部分。

第一部分是单片微机励磁系统结构，论述基本系统构成及各个部分的作用与相互间的协同工作。

第二部分是基于80C196MC单片机的微机励磁调节器硬件设计。

第三部分是控制算法研究，讨论PID控制在励磁装置中的应用。

关键词:

励磁调节器，80C196MC单片机，数字电路，PID控制,

ABSTRACT

Withthesinglegeneratorcapacityandpowergridscaleoftheincrease,generatorsandpowersystemsgroupofexcitationcontrolinthefast,reliability,versatility,andotheraspectsoftheincreasinglyhighdemand,accordingly,excitationcontrolintheoryAndinpracticearealsoconstantlyupdated,todevelopandimprove.Traditionalanalogexcitationregulatorhasbeenunabletomeettheneed.Inrecentyears,computercontrolsystembasedontheexcitation-conditioningsystemhasbeengraduallyreplacedanalogexcitationregulatorandasynchronousgeneratorexcitationregulatorofthemainstream.

Generatorsundernormalworkingconditions,theloadalwayschanging.Thedifferentcapacityload,andloadthedifferentpowerfactor,thesynchronousgeneratorexcitationmagneticfieldisdifferentfromtheroleoftheinternalsynchronousgeneratorimpedancevoltagedropisnottheroleofthesame.Tomaintainsynchronousgeneratorterminalvoltagetoacertainlevel,itmustbebasedonthesizeofloadandloadregulationatanytimethenatureofthesynchronousgeneratorexcitation.Obviously，Thisadjustmentprocessisonlythroughtheautomaticadjustmentvoltagedevicescanbeachieved.Thissystemismainlytocompletethesefunctions.

Thesubjectoftheexcitationsystemautomatically80C196MCusedtotriggercircuitasthecoreofthedomesticmarketinsteadofthecurrentpopularontheintegratedcircuittriggeredKCseries.Thepowercircuitwithsmall,strongfunction,highinputimpedance,anti-interferencecapabilityandphase-shiftingwiderange（0-177°）,theadvantagesoffewerexternalcomponents,anddebuggingsimpletouseandreliable.

Thispaperisdividedintofourmainparts.

Thefirstpartisexcitingsingle-chipcomputersystemarchitecture,onabasicsystemandvariouspartsoftheroleandinter-worktogether.

Thesecondpartisbasedonthe80C196MCexcitationregulatorcomputerhardwaredesign.

ThethirdpartistocontrolthealgorithmtodiscussthePIDcontrolintheapplicationofexcitationdevice.

Keywords:

excitationregulator,80C196MCmicrocontroller,digitalcircuits,PIDcontrol

III

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章绪论 6

1.1概述 6

1.2励磁控制系统的任务及作用 8

1.3研究的目的和意义 9

1.4国内外研究动态和趋势 10

1.5设计的内容和方法 11

1.6对励磁调节器的要求 12

第二章励磁调节器的硬件组成及功能 14

2.1励磁调节器的功能和硬件总体框图 14

2.1.1励磁调节器的基本框图 14

2.1.2励磁调节器的功能 15

2.2各测量电路的设计和计算 15

2.2.1交流电压测量技术 15

2.2.2励磁电流的测量 19

2.2.3用霍尔电压传感器测励磁电压 19

2.2.4发电机频率f测量技术 22

2.2.5脉冲触发同步电路 24

2.2.6功率驱动电路 30

2.380C196MC单片机简介 31

第三章励磁调节器控制算法分析 37

3.1励磁控制系统的传递函数 37

3.1.1各环节的传递函数 37

3.1.2励磁控制系统传递函数框图 38

3.2介绍数字PID控制的基本算法 40

3.3对控制算法的评价 41

3.4参数的整定方法 42

第四章数字式励磁调节器的软件实现 43

4.1调节器的软件结构 43

4.2中断处理 44

4.3对功率因数采样的数据处理 46

4.4对功率因数采样数据处理 50

4.5数据采样 50

4.5.1用电量变送器测量极端电压、机端电流 51

4.5.2励磁电压、励磁电流测量模块 51

4.6对可控硅控制角的计算 52

4.6.1对PID进行计算 52

4.6.2无功调差的概念 53

4.6.3测量有功功率P和无功功率Q 56

4.6.4发电机频率F的测量程序设计 57

4.6.5励磁限制 58

4.7系统程序片段 60

总结 65

参考文献 67

英文翻译原文 69

英文译文 81

致谢 90

90

第一章绪论

1.1概述

为了实现自动励磁调节需借助自动励磁调节器。

按其调节的原理可分为补偿型和反馈型两类。

补偿型调节器是补偿某些引起被调量产生偏差的因素。

由于是开环补偿，只能使电压维持在一定水平。

常用的有电流复式励磁及相位复式励磁柜装置。

反馈型调节器是以被调量与给定值的偏差作为控制信号对系统进行闭环控制，常用的为负反馈比例式调节器。

因为是闭环调节，所以调节性能优于补偿型。

为改善比例式调节器中存在的稳态指标与动态性能的矛盾,发展了PID（比例－积分－微分）型调节器。

用积分环节来提高稳态电压水平，用微分环节来改善动态特性。

一些大型机组的励磁调节器还引入发电机的电压、电流、功率、转速等的微分信号，构成镇定环节及强力调节器，用以提高远距输电机组的稳定性和传输容量。

　　随着调节器功能和构成元件不同，调节器的组成有简有繁，但基本上可划分为：

①量测环节。

感受各类信息偏差量。

②综合放大环节。

放大及综合各类信息。

③执行环节。

实现移相和可控触发。

自动励磁调节系统是同步发电机的一个重要组成部分，它由两部分组成:

第一部分是励磁功率单元，第二部分是励磁调节器。

起初的励磁系统，其励磁功率单元是直流发电机，称为直流励磁机励磁方式。

随着大功率半导体元件的广泛应用，以半导体整流器为励磁功率单元的励磁方式得到了广泛的应用，出现了由副励磁机—交流励磁机—旋转整流器和发电机转子绕组构成的三机励磁方式，和励磁变压器从机端取得电功率，经可控整流后供给转子绕组直流电的自并励静态励磁方式。

目前，大量使用的还是常规模拟式调节器。

随着发电机单机容量和电网容量的不断增大，电力系统及发电机组对励磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的要求，如更优的励磁调节性能、更多和更灵活的控制、限制、报警等附加功能，等等。

显然，常规模拟式的励磁调节器难以满足如此高的性能要求，即使暂时满足了，也需要增加功能组件或重新设计系统，大量的硬件电路不仅使得励磁调节器装置十分复杂.增加了维护工作量，降低了装置可靠性，而且其潜力也是有限的。

在这种情况下，随着数字控制技术、计算机技术及微电子技术的飞速发展和日益成熟，同步发电机组采用数字式励磁调节器已成为发展趋势。

与模拟励磁调节器相比，数字式励磁调节器具有以下优点:

（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。

它除了可以实现模拟式调节器的PID调节、PSS附加控制和线性最优控制外，还可以实现模拟式调节器难以实现的自校正调节、非线性控制、自适应控制及模糊控制等。

（2）调节准确、精度高，在线改变参数方便。

在数字式励磁调节器中，信号处理、调节控制规律都由软件来完成，不仅简化了控制装置，而且信号处理和控制精度高。

（3）利用计算机强有力的判断和逻辑运算能力及软件的灵活性，可以在励磁控制中实现完备的限制及保护功能、通用而灵活的系统功能、简单的操作以及智能化的维修和实验手段。

（4）可靠性高，无故障时间长。

（5）通信方便，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。

（6）山于引入了微处理器，使得控制策略的改变和控制功能的增加