【最新修订版】单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用毕业论文

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第一章导言

1.1论文的选题背景及意义

同步发电机的励磁系统研究的内容包括两个主要方面：励磁机和励磁调节器，对励磁系统的控制是对发电机运行实现控制的一项重要内容，因而励磁系统是同步发电机的重要配套装备。励磁电流是同步发电机产生无功功率的重要来源，因此，在电力系统运行中，良好的励磁控制系统对改善电力系统运行有着重要的意义。

广西地处西南，有丰富的水力资源，有着许多的中，小型水电站，在此基础上发展的相关电力系统结构也面临着新的升级与改革，其装备的同步发电机设备有的还在用可控硅静止励磁方式，采用人工手动调节，励磁系统不能按照给定电压进行自动调节，直接影响同步发电机系统的供电质量及其运行的可靠性和稳定性，因此，许多电站提出了对励磁控制系统进行技术改造，随着计算机技术和半导体技术的发展，同步发电机励磁系统的微机控制就产生了，提高了电力系统的自动化水平。

本文利用ATMEL公司生产的Atmega系列单片机功能强大、稳定性高、精度高、运算速度快的优点，设计出适用于中小型同步发电机的励磁系统的控制装置，实现电力系统在正常运行情况下维持发电机端电压在给定水平，实现并联运行发电机组的无功功率的合理分配以及提高同步发电机并联运行的稳定性。

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2 1.2国内外同步发电机励磁技术的发展

纵观同步发电机励磁装置的发展历史可知，最初的励磁调节器是以发电机的机端电压偏差(t U ?)为反馈量，由于当时的机组容量不大，电网规模较小，所以基本能满足安全运行的要求。调节器的执行环节是采用电动伺服马达。通过链条传动以改变威磁帆磁场回路中的磁场电阻的方案。这就带来了调节速度慢的问题。而且有一定的调节死区。磁放大器式的勋磁调节器克服了死区的问题。然而仍有较大的时间常数。随着半导体工业的发展，70年代后，执行环节大部分采用可控硅整流桥，目前国内对全控桥可控硅励磁系统的研究主要集中于大型机组，并与全数字式同步励磁控制系统配套使用，这样既解决了灵敏度的同题，也大幅度地提高了反应速度。

然而随着电力系统的发展，单机容量的增大，使得仅以电压偏差(t U ?)为反馈量的励磁调节器不能满足对电压精度及稳定运行的要求，因此出现了PID 励磁控制方式。它是从受控对象及调节器的常微分方程出发，经过拉氏变换建立各个环节的传递函数进而得到受控系统及调节器的传递函数。其调节控制算法为：dt

U d K Udt K U K Y D I P ?+??+?=?,这种励磁控制方式对发电机的运行性能有了很大的改善。进入50年代后，随着自动控制理论的不断发展与成熟，电子器件，半导体技术的研制和应用也取得了长足发发展，从此打开了人们研制新型调节器的思路，70年代后，最优控制理论应用于电力系统励磁控制的研究在国外就蓬勃地展开了，这些成果进一步促进了励磁控制技术的发展。国外从70年代开始研究数字励磁调节器，从80年代中期世界上第一台数字式励磁调节器DER ，问世以来，国外的德国，瑞士，英国等众多生产厂家纷纷研制并不断推出新的产品，大大推动了DER 的发展和应用，DER 用的硬件一般自制专用控制板，分为单CPU 系统和多CPU 系统以及模拟—数字混合系统(数字部分采用PLC)等三种，单CPU 系统的特点是快速、总体集成度高，因而成本也高。多CPU 系统兼有并行处理的特点，可满足快速要求，

调节器功能分配给不同的CPU单元，软件编程简化，缺点也是明显的，多CPU 需要一个多机并行的管理系统。但无论如何数字式励磁调节器己成为复杂的多功能励磁系统的首选，是最新励磁调节器的发展方向。

随着电力电子技术和计算机工业技术的飞速发展，控制要求的不断提高和控制理论的不断发展，用常规模拟励磁控制方法实现所要达到指标愈来愈困难，并且可靠性大大降低，因此对传统的模拟式励磁调节器提出了挑战，模拟式励磁调节器是以半导体元件为基础，它曾对励磁系统的发展起过积极的推动作用，但由于现代发电机组越来越大，对励磁系统的要求越来越高。使得励磁部分的电路较复杂。这就不可避免地降低了整个励磁系统的可靠性，另一方面，半导体元件参数的分散性较大，且焊接点较多，调试及检修工作量大。而用微机实现的励磁控制系统可克服上述矛盾，满足运行的要求，如采用双散机切换可据高整个系统的可性。微机控制技术的应用，使得许多在模拟式调节器中无法实现的功能得以实现，并可以用软件功能代替模拟式中用较复杂的硬件实现的功能。简化了励磁调节器的结构，降低了成本。而且对于一些特殊要求的功能，可以在硬件电路几乎不变的情况下，修改软件来达到。这榉就加快了产品的开发速度，也使得现场运行人员在掌握某种功能的微机励磁装置的前提下，不需要花大力气，就可以掌握另一种性能略有差别的装置。

微机励磁调节器的参数整定灵活方便，便于在线修改、调试工作量小，受到了人们的普遍欢迎。其改善了系统的阻尼，提高了系统运行的静态与暂态性能，以单片机或微型计算机为核心的数字式励磁调节器主要分为主要有16位和32位两个类型，控制器有多种结构形式，如单板机结构、单片机结构、工控机结构以及可编程序控制器结构等，其中单片机结构和工控机结构在当今励磁控制装置市场中占了绝大部分数额。采用单片机结构的励磁控制器结构简单、体积小、成本低，除控制核心外的其它硬件部分可根据自已的需要自行设计，因此这种励磁控制器的硬件功能比较容易集成，是一种很有

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前途的新型调节器。

1.3本课题的主要工作及研究内容

本文的主要研究内容是单片机在同步发电机励磁控制系统中的应用，主要应用于中小型号发电厂和企业发电机组的励磁控制系统方面。

在本次课题设计中，首先对发电机励磁原理作出分析，选择适合中小型发电机励磁控制系统的算法，适应单片机的控制要求以及硬件配置；而后设计出基于A VR微处理器的数字式励磁装置的硬件原理图，再根据原理图和该装置的硬件平台在相应的开发环境下进行实验和仿真，实现各项参数的正常要求。

主要工作包括以Atmega系列超低功耗单片机为核心，辅助相应的硬件电路和外围设备，来实现对发电机励磁系统的控制。设计出来的装置完成对电网电压，频率，相位等参数的检测，并进行综合判断，利用移相触发电路和整流电路来实现励磁电流调节，利用单片机的抗干扰措施实现系统的稳定运行以及同步发电机的灭磁处理。

第二章同步发电机励磁原理分析

2.1励磁调节系统设计原理

优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且

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可以有效的提高发电机及其相连电力系统的经济技术指标。励磁控制系统应承担电力系统电压控制、无功分配和提高同步发电机并列运行的稳定性的任务。

向发电机转子输出励磁电流，而获得励磁电流的方法一般称之为励磁方式，产生励磁电流的装置则称为励磁系统。励磁系统的种类很多，但主要可分为他励系统自励系统两大类。自并励方式是自励系统中最简单的一种励磁方式，它不仅结构简单、效率高、维护费用省，而且有很快的励磁电压响应速度。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成，如图2-1所示。

励磁功率单元向同步发电机的转子提供直流电流，即励磁电流；励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、励磁功率单元和发电机构成 …… 此处隐藏：9238字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……