200MW发电机自并励励磁自动控制系统设计.

辽宁工业大学 电力系统自动化 课程设计（论文） 题目 200MW发电机自并励励磁自动控制系统设计

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气104 学 号： _____________________ 学生姓名：___________________ 指导教师：___________________ 起止时间：2013.12.16 — 12.29 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 号 学 04

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指导教师评语及成绩

日 月 宀字年 辩时 答指 :轨 时 成 平 总 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%以百分制计算 针对自并励励磁系统，论述了自并励励磁自动控制系统的特点及发展现状， 分析了目前自并励励磁自动控制的原理和实现方法，励磁系统是同步发电机的重 要组成部分，它直接影响发电机的运行特性。励磁系统根据负载电流、功率因数、 端子电压的变化而自动调节励磁电流，达到保持发电机机端电压稳定的目的。较好 的励磁控制系统可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，同时也能为电网提供电 能，而且还可有效地改善电力系统静态与暂态稳定性。基由此原因提出了由 AT89C51单片机的同步发电机自并励自动控制系统的设计，对单片机最小系统的 经济比较，从而选择了按键电平复位电路和内部时钟电路，在此基础上设计了励 磁装置的硬件系统和软件系统。对整个系统进行了 MATLA仿真，用来与运算结果 进行比较。同时也对主要部分进行了 PID控制设计,通过其对系统的分析、计算、 反馈，使得整个系统在一个可控的范围内。

关键词：自并励励磁系统；AT89C51单片机；MATLAB仿真;PID控制; 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 ................................................... 4 2.2.1 单片机 AT89C51 ............................................. 4 2.2.2 电平复位电路的设计 ........................................... 4 2.2.3内部时钟电路的设计 ............................................. 5 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 ....................... 6 2.4整流稳压电路设计 ..................................................... 7 2.5开关驱动电路的设计 ................................................... 8

第3章 发电机自并励励磁自动控制系统软件设计 ................................. 10 3.1软件实现功能综述 .................................................... 10 3.2流程图设计 .......................................................... 10 3.2.1主程序流程图设计 ............................................. 10 3.2.2模拟量检测流程图设计 ......................................... 11

第4章系统仿真模型的建立 ..................................................... 13 第5章课程设计总结 ........................................................... 14 参考文献 ..................................................................... 15第1章绪论 1.1励磁控制系统概况

励磁系统是电站设备中不可缺少的部分。励磁系统包括励磁电源和励磁装 置，其中励磁电源的主体是励磁机或励磁变压器；励磁装置则根据不同的规格、 型号和使用要求，分别由调节屏、控制屏、灭磁屏和整流屏几部分组合而成。 励 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） 维持发电机端电压在给定值，通过调节磁场的强弱来恒定机端电压。 （2） 合理分配并列运行机组之间的无功分配。 （3） 提高电力系统的稳定性，静态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。 （4） 改善整个电网（电力系统）运行条件。

1.2本文主要内容

本文主要根据发电机自并励励磁系统的基本原理。设计容量 200MW水轮发电 机自并励励磁系统。基于对所学知识的总结与筛选。选择单片机 AT89C51作为发 电机励磁系统的控制核心，并选择静止励磁励磁系的方式来进行设计。根据励磁 机要实现的功能，整个系统分为不同部分： （1） 数据采集电路； （2） 单片机最小系统部分； （3） 模数转换电路； （4） 功率因数测量电路； （5） 触发电路； （6） 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0.85,定子额定电压18KV，空载额定转子 电压177V。 2要求电压调差系数在±5%范围内可调。 3强励倍数1.8，不小于10秒 4调压精度，机端电压静差率小于1%。 5自动电压调节范围：60%〜140%。 6起动升压至额定电压时，超调量不大于 5%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

在图2.1中为励磁控制器设计总体设计方案的框图，其中有三大部分，各部 分包括了，直流稳压电源、复位电路、系统检测电路、A/D转换、时钟电路、AT89C51 单片机模块和励磁开关驱动控制电路，实现单片机控制外部电路。 在单片机模块中，使用软件编辑程序，来对励磁系统驱动控制的电路进行控 制。在复位电路中，复位操作可以使单片机回到初始状态，也可以使单片机重新 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，为复位电路提供稳定的直流电源电压。 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，通过专业知识的查询，将采用光电隔离器 MOC304,1实现 单片机与外部电路隔离，还能有效地控制外部电路。

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

2.2.1 单片机 AT89C51 本次选用AT89C51单片机作为控制器件，AT89C51是一种4K字节FLASH存储 器（FPEROMFIash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压、 高性能CMOS位微处理器，它由8部分组成，即中央处理器（ CPU，片内数 据存储器（RAM，片内程序存储器，输入/输出端口，可编程串行口，定时/计 数器，终端系统以及特殊功能寄存器，各部分通过内部总线相连。其基本结构依 然是通过CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上，却采用殊功能 寄存器的集中控制方法。如图2.2所示，即为89C51单片机的引脚图。

图2.2 89C51单片机的引脚图 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。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只 要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟震荡脉冲（两个机器周期）以上的高 电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠地复位，在设计复位电路时，一 般使RESET引脚保持10毫秒以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。当 RESET从高电平变为低电平以后，单片机从 0000H地址开始执行程序。在复位 有效期间，ALE 和/PSEN引脚输出高电平。

2.2.2电平复位电路的设计 如图2.3所示即为89C51单片机的按键电平复位电路，这种复位电路利用电 容器充电实现。当两端开始加电时，电容C就是开始充电，所以电路有电流通过,

P1. 0 1 P1. 1 2 P1. 2 ~3~ P1. 3 4 P1. 4 5 P1. 5 6 P1. 6 ~7~ P1. 7 8 RE SET 9 RXD P3. 0 TXD P3. 1 INT0 P3. 2 12 INT1 P3. 3 13 T0 P3. 4 14 T1 P3. 5 15 WR- P3. 6 16 RD P3. 7 17 XT AL2 18 XT AL1 19 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 89C51 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21