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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力系统自动化电力系统自动化 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 50MW发电机自并励励磁自动控制系统设计发电机自并励励磁自动控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气092092 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：2012.12.312012.12.312013.01.112013.01.11 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：电气工
2、程及其自动化 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级092 课程设计 题目 50MW发电机自并励励磁自动控制系统设计 课程设计（论文）任务 设计要求 1.阐述发电机励磁控制系统的控制原理。 2.确定励磁控制系统方案。 3.设计输入接口及电力参数数据采集通道。 4设计输出接口及输出励磁控制通道。 5确定控制算法，设计系统软件。 6对设计进行总结。 基本参数及要求： 1 水轮发电机容量 50MW，功率因数 0.8，定子额定电压 18KV，额定转子电压 177V。 2 要求电压调差系数在10%范围内可调。 3 强励倍数 1.8，不小于 10 秒 4 调
3、压精度，机端电压静差率小于 1。 5 自动电压调节范围：70130。 6 起动升压至额定电压时，超调量不大于 6。 进度计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。 （1 天） 2、系统总体方案设计，选择 CPU，设计单片机最小系统。 （1 天） 3、设计输入接口及电力参数数据采集通道。 （2 天） 4、设计输出接口及输出励磁控制通道。 （3 天） 5、系统软件设计。 （2 天） 6、撰写、打印设计说明书（1 天） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） II 摘 要 同步发电
4、机励磁控制系统承担着调节发电机输出电压、保障同步发电机稳定 运行的重要责任。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，为电网提供合格的电能，而且还可有效地改善电力系统静态与暂态稳定性。 要实现这个目的，就必须根据负载的大小和性质随时调节发电机的励磁电流。 本文采用自励系统中接线最简单的自并励励磁系统，针对同步发电机论述了 自并励励磁自动控制系统的特点及发展现状，分析了自并励励磁自动控制的原理 和实现方法，提出了基于 AT89C51 单片机的同步发电机自并励自动控制系统的 设计思路，对于所设计的单片机最小系统经过经济性与技术性的比较后，选用了 按键电平复位电路和内部时钟电路，并
5、在此基础上设计了励磁装置的硬件系统和 软件系统。最后又对整个系统进行了 MATLAB 仿真，以用来对比运用算法所得 结果与仿真所得结果是否在误差允许范围内。 关键词：自并励励磁自动控制系统；AT89C51 单片机；MATLAB 仿真 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） I 目录 摘 要 II 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 .2 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 .3 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、 .6 2.4 直流稳压电源电路设计 .7 第 3 章 自并励励磁控制系统软件设计 .10 3.1 软件实现功能总述 10 3.2 流程图设计 10 3.3 程序清单 12 第 4 章 MATLAB 建模仿真分析.12 4.1 MATLAB软件简介 .12 4.2 系统仿真模型的设计 12 第 5 章 课程设计总结 .15 参考文献 .16 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 励磁控制系统概况 供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备统称为励磁系统。它一般由励 磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提 供励磁
7、电流；而励磁调节器则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。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当 大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励 磁技术不断发展。 一般我们把根据电磁感应原理使发电机转子形成旋转磁场的过程称为励磁。 此外，为发电机等“利用电磁感应原理工作的电气设备”提供工作磁场也叫励磁 。有时，向发电机转子提供转子电源的装置也叫励磁。励磁的主要作用是：第一， 维持发电机端电压在给定值，当发电机负荷发生变化时，通过调节磁场的强弱来 恒定机端电压。合理分配并列运行机组之间的无功分配。第二，提高电力系统的 稳定性，包括静
8、态稳定性和暂态稳定性及动态稳定性。第三，直流电机的转动过 程中，励磁就是控制定子的电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速，改 变励磁同样起到改变转速的作用。励磁按直流电机励磁方式可分为他励磁，并励 磁，串励磁，复励磁等方式，按整流方式分为旋转励磁和静止励磁。励磁装置是 指同步发电机的励磁系统中除励磁电源以外的对励磁电流能起控制和调节作用的 电气调控装置。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。 励磁装置的使用，是当电力系统正常工作的情况下，维持同步发电机机端电 压于一给定的水平上，同时，还具有强行增磁、减磁和灭磁功能。对于采用励磁 变压器作为励
9、磁电源的还具有整流功能。中小型水利发电设备已实施出口产品质 量许可制度，未取得出口质量许可证的产品不准出口。励磁装置主要分为电磁型 和半导体型两大类。电磁型励磁装置主要用于以直流或交流励磁机为励磁电源的 励磁系统中，半导体型励磁装置既可以与励磁机一起组成静止(或旋转)整流器励 磁系统，也可以与励磁变压器组成静止励磁系统。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 2 1.2 本文主要内容 本次课设针对发电机自并励励磁自动控制系统，论述了自并励励磁自动控制 系统的特点及发展现状，分析了自并励励磁自动控制的原理和实现方法，提出了 基于 AT89C51 单片机的同步发电机自并励自
10、动控制系统的设计思路，针对单片 机最小系统进行了深入的研究，对单片机的 CPU 模块、复位电路以及时钟电路 进行系统分析，最终确定单片机的最小系统配置。对于所设计的单片机最小系统 经过经济性与技术性的比较后，选用了按键电平复位电路和内部时钟电路，并在 此基础上设计了励磁装置的硬件系统和软件系统。最后又对整个系统进行了仿真， 以用来对比运用算法所得结果与仿真所得结果是否在误差允许范围内。 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 3 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 AT 89C51 单片机模块中，应用内部
11、的软件编辑程序，实现对励磁系统驱 动控制电路的控制。在复位电路模块中，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。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，为复位电路提供可靠的 直流稳压电源。 如图 2.1 所示即为励磁控制器设计总体设计方案的框图，其中分为五个模块， 分别是直流稳压电源模块、复位电路模块、时钟电路模块。AT89C51 单片机模块 和励磁开关驱动控制电路模块，实现单片机控制外部电路。 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，采用光电隔离器 MOC304
12、1，是单片机与外部电路实现隔离， 并且能有效地控制外部电路。 AT89C51 单片机 时钟电路 复位电路 直流稳压电源 励磁控制系统 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 本次课设选用 AT89C51 单片机作为控制器件，AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器的低电压、高性能 CMOS 8 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， 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 4 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
13、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 引脚功能： VCC：供电电压。 GND：接地。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平 时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它 可用作对外部输出的脉
14、冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数 据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址 上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外， 该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每 个机器周期两次 /PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H- FFFFH） ，不管是否有内部程序存储器。注意
15、加密方式1 时，/EA 将内部锁定 为 RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期 间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ VPP） 。 P1.0 1 P1.2 3 P1.1 2 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RESET 9 P3.0 10 P3.1 11 P3.3 13 P3.2 12 P3.4 14 P3.5 15 P3.6 16 P3.7 17 X T AL1 19 X T AL2 18 V SS 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 2
16、7 P2.7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 V CC 40 89c51 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 5 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 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，
