单片机在发电机空气开关自动并网中的应用

1、全套设计. 摘 要同步发电机与电网进行并列的过程是一项非常重要的工作，为了使同步发电机准确、快速地与电网并列，本课题介绍了AT89C51的性能指标和工作原理并将AT89C51为核心控制器件设计一个自动并网控制系统，使其能够对电网电压、频率进行检测与监控。系统主要由工作电源模块、单片机控制模块、电压信号调理模块、AD采样模块和MOSFET驱动模块等组成，另外此文还分析了该系统的硬件组成及软件设计。该并列装置能够对发电机和系统之间的相序作出检测, 通过软件程序的调节, 使电压差、频率差和相位差尽可能小，并网时具有快速、准确等优点，保证了电网系统在发电机并网后正常稳定的运行。关键词：同步发电机；并网

2、条件；自动；AT89C51； Abstract Synchronous generators and grid tied system paralleled is the key to a very important task. In order to enable synchronous generator under the conditions in the laboratory, This topic introduces the performance indexes and operation principles of AT89C51, and will use AT89C51

3、 as a core to design a grid-connected control system which could detect and monitor the grid voltage and frequency. This system is composed by working power supply module, single-chip device control module, voltage signal conditioning module, AD sampling module and MOSFET drive module.Besides,this p

4、aper the hardware composition and software design of the device are described，it can make detection between the generator and the system phase, by adjusting the software program, so the voltage difference, frequency difference and phase difference as small as possible its virtue of quickly and accur

5、ately,to ensure the power system grid after the normal and stable operation.Keywords: Synchronous Generator; Grid Conditions; Automatic; AT89C51; 目 录中文摘要.I英文摘要.II1 绪 论.11.1 研究背景.11.2 国内外发展状况.11.3 自动并网技术的优势与危害.42 总体结构.62.1系统方案概述.62.2 系统总体设计.62.3 发电机并网过程简介.72.4 发电机.113 硬件电路.153.1 单片机.153.2 系统硬件设计.194

6、软件设计.35总结.45参考文献.46致 谢.471 绪论 发电机自动并网技术与我们的生活紧密相关，生活中的发电系统不管是风力发电、火力发电还是光伏发电都运用了并车控制系统。以下以风力发电机并网为例，介绍自动并网系统的研究背景及国内外的发展情况。1.1 研究背景 随着世界上石油和煤炭等资源的大量消耗和环境保护问题的日益突出，风力发电正逐步成为21世纪全球能源利用的热点,并迅速成为一个新兴产业。人们对电力的需求也主要由依赖火力发电渐渐地向清洁的可再生能源转移。风能作为可再生绿色资源，凭借其巨大的商业潜力和环保效应，在全球的新能源和可再生能源行业中创造了最快的增速。目前，风力发电在全国已经发展为年

7、产值超过50亿美元的庞大产业。当前开发利用风力发电是改善我国能源结构的重要途径，也是我国社会主义市场经济迅速发展对能源供应的需求更是人类保护地球环境的需要。 风力机/柴油机并网发电系统，既能获得稳定的电力供应，又能充分利用风能，还具有明显的节油效果，拥有相当高的可靠性。风力机加上容量相当的“整流/蓄电池储能/逆变”装置与柴油机组相联，以实现连续供电。风力机工作在变速工况下，工作风速范围大，可以最大限度地利用风能，达到更高的节油率。在风况允许的情况下，使风力机并入电网，在风况不允许的情况下，使风力机给蓄电池充电。风力机/柴油机并网发电系统的控制系统由单片微型机来完成，根据各种运行工况的要求实现自

8、动控制各部件的起停，真正实现无人值守高效运行。1.2 国内外发展状况 目前，随着世界经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越大，使石油、煤炭等常规能源日趋紧张。因此，世界范围内对风能等可再生能源的开发利用产生了极大兴趣，并取得了长足的进展。特别是进入80年代以来，风能发电作为新能源利用的重要组成部分，已形成一个新兴产业。 但是风能有着很大的随机性，很不稳定，所以要采取适当的控制方式和运行方法来弥补上述缺陷，提高风力发电的质量。从80年代起，一些发达国家着重开展了风力发电机组与柴油机发电机组联合运行的研究试验工作，试点运行的机组已获得了初步成功。国际能源界普遍认为这种运行方式可以对用电量不大和以柴

9、油发电机为供电电源的地区实行局部独立供电，既能获得稳定的电力供应，又能充分利用风能，是利用风力发电的重要方向之一。特别是对发展中国家，如果在风力资源比较丰富的地区实行风力机/柴油机联合供电，将是很有实用价值的。国外风电并网特点：(1)国外风电发达国家都制定了严格的并网导则且强制执行。并网导则明确规定了风电场应具备的有功/无功功率调节能力、低电压穿越能力等性能指标。德国针对大规模风电并网制定了一系列的技术标准和规范，其要求高于国际电工委员会(IEC)的标准，对各种并网技术指标做出了明确规定，并通过可再生能源法等法律法规保障执行。国际上趋于通过技术进步和制定强制性标准，使风电达到或接近常规电源性能

10、。(2)风电收购政策根据风电发展的不同阶段不断调整。德国1991年颁布的电力入网法强制要求公用电力公司收购可再生能源电力，促进了风电产业的发展。但1998年后德国电力行业市场化，销售电价整体下降，为了缓解发电企业和输配电企业面临的压力，2000年4月德国出台了可再生能源法(EEG2000)，核心政策调整为可再生能源强制入网，采用固定电价优先购买，并建立了可再生能源电力成本全网分摊制度。2009年1月，针对风电在电源结构中的比例不断提高、对电网安全稳定运行影响日渐突出等问题，又颁布了可再生能源法修正案(EEG2009)，对部分情况下风电可不优先收购进行了规定，收购政策从全额无条件收购变为优先但有

11、条件收购。(3)国外风电运行管理水平较高。一是广泛开展了风电功率预测工作，如德国、丹麦、西班牙等国都实现了风电输出功率的日前预测，为电网的安全稳定和电力市场运营创造了条件。西班牙规定风电出力预测误差超过20%时将被罚款，2006年，西班牙绝大多数风电场发电量都销售给了电网企业，只有不到5%的风电由于预测误差超过20%，发电企业不愿交罚金而采取了弃风措施。二是对风电场进行有效调控，如西班牙成立可再生能源电力控制中心(CECRE)，对风电场进行有效监控和有序调控，以提高风电机组接入后电网的安全稳定水平。我国风电发展存在的主要问题，截至2010年底，我国风电并网容量达到2956104kW，“十一五”

12、期间年均增速接近100%。风电在持续快速发展中已逐步暴露出一些问题，主要表现在：(1)风电开发缺乏统一规划，配套电网建设难度较大。一方面，各地方政府在编制风电开发规划时，主要依照当地风能资源情况确定风电的开发规模和建设时序，导致地方规划风电装机规模普遍大于国家规划。另一方面，风电投资者热情很高，风电开发存在无序现象，风电项目拆批现象比较普遍，建设布局和规模随意性较大，加上电网项目核准和建设周期远长于风电场的建设周期，难以实现风电与电网统筹规划和协调发展，风电项目的建设速度超前于电网建设项目的问题较为突出。(2)随着风电的大规模发展，系统面临的调峰能力不足问题日益严重。我国电源结构以火电为主，至

13、2009年底，煤电装机占全国发电总装机的74%，而在煤电装机中，供热机组又占了20%以上。在我国风能资源丰富的“三北”地区，供热机组占火电装机的比重更大(如2009年吉林达74%、蒙西达57%)。受电源结构的制约，长期以来我国电力系统调峰能力不足，夏季丰水期弃水、供热期采用机组启停调峰等现象一直存在。随着风电的大规模发展，尤其是风电的反调峰特性明显增加了电网调峰的难度。由于调峰容量不足，2009年吉林、蒙西、蒙东等电网都出现了负荷低谷时段弃风的情况。(3)电网建设滞后于电源建设，尤其是跨大区电网的互联规模不足，不利于风电在更大范围内消纳。长期以来，我国电力发展以分省分区的区内平衡为主，省区间的

14、电网互联规模有限，互相调节的能力不足。由于我国风能资源的分布特点，风电开发主要集中在“三北”偏远地区，受当地电力负荷水平和系统规模的约束，风电消纳能力不足。同时，受跨大区电网互联规模有限和交换能力不足的约束，当地无法消纳的风电难以送到更大范围内消纳，不利于风电的大规模开发利用。(4)风电技术和运行水平较低，风电发展相关政策有待完善。我国目前已经并网的风电机组多数不具备功率调节、低电压穿越等功能，风电场没有建立支持调度运行的风电集中监控平台、风功率预测系统。另一方面，国家制定了可再生能源发电全额保障性收购政策，在实际运行过程中，调峰手段受限的电网在低谷时段必须采取特别措施(如火电机组深度压出力或

15、部分火电机组停机等)，方能保证风电电量的收购，所付出的代价很大，并且存在一定的系统安全运行风险。此外，风电送出工程、调峰调频等辅助服务相关政策也有待完善。 就我国而言，自80年代开始在开发利用风能方面做了大量的工作，取得了很大成就，产生了显著的经济与社会效益，特别是百瓦级小型风力机组的开发与生产已达到相当成熟的地步，并大量投入生产和销售，为无电地区散居的近10万农牧民家庭提供了日常生活用电，受到普遍欢迎和认可。 但是，随着经济的发展和社会的进步，仅仅满足生活用电是远远不够的 。特别是那些无电的村庄、农牧场、边防哨所、沿海岛屿等居民集中点，百瓦级小风力机组是不适宜的，而且这些集中点在全国就有几万

16、个。一方面他们迫切需要生活用电以提高科技文化水平和改善文化娱乐生活，同时，为发展经济，他们更迫切需要解决生产用电，从而对农副渔业产品进行再加工，来提高经济效益、改变经济落后面貌。从我国经济实力而言，在今后一个相当长的时期内还不可能为边远无电地区建设电网提供常规用电，必须由各级地方政府及用户分别解决各自的用电问题，最常见的办法是采用柴油发电。根据我国能源部统计，至“八五”末期，全国县以下单位的柴油发电机组总容量达520万千瓦，每年消耗柴油在450万吨左右，占全国柴油总销售量的1/8以上，这个数字是相当惊人的。另一方面，这些地区，特别是“三北”地区的边疆地带和沿海岛屿，又有着相当多的风能资源，设法

17、利用这些无代价的风能资源发电来补充柴油发电是一个非常有经济实效的途径。这既可以充分利用风能，有可最大限度地节省柴油，还可以减少环境污染，可谓“一举多得”。 正是基于对以上问题的共识，我国政府在制定“八五”科技规划时，将“风力发电/柴油发电联合系统研究开发”列为“八五”科技攻关项目的一个重要专题。投入大量的人力财力来研究开发这类产品，目的是尽快使之达到商品化产业化，以满足市场需求。1.3 自动并网技术的优势与危害： 并网运行的优势，电网供电比单机供电有许多优点： （1）提高了供电的可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故； （2）提高了供电的经济性和灵活性，例如水电厂与火电厂并联时，在

18、枯水期和丰水期，两种电厂可以调配发电，使得水资源得到合理使用。在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投入电网的发电机数量，提高了发电效率和供电灵活性； （3）提高了供电质量，电网的容量巨大(相对于单台发电机或者个别负载可视为无穷大)，单台发电机的投入与停机，个别负载的变化，对电网的影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。电网对单台发电机来说可视为无穷大电网或无穷大汇流排。同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。发电机非同期并网的原因及其带来的危害。根据以往实际经验总结出，发电机非同期并网的原因：(1)电压不等。(2)

19、电压相位不一致。(3)频率不等。(4)自动准同期并列时同期装置故障。(5)自动准同期并列时操作人员未按操作票操作。(6)手动并网时操作人员未按操作票操作。(7)手动准同期并网时同步表故障。发电机非同期并网的危害：非同期并列时，将会对发电机造成巨大影响，具体如下，(1)电压不等的情况：并列瞬间发电机内产生冲击电流。如果电压差很大，则冲击电流过大，将会使发电机定子绕组发热，或定子绕组端部在电动力的作用下受损。(2)电压相位不一致的情况：相位不一致比电压不一致的情况更为严重，此时从系统吸收有功功率。如果很大(在l80度范围内)，则冲击电流很大，其有功分量在发电机轴上产生冲击力矩，使设备烧毁，或使发电

20、机大轴扭屈。特别是=时，近似等于机端三相短路电流的两倍，损坏最严重。(3)频率不等的情况：发电机在频率差较大的情况下并入系统，立即带上较多正的(或负的)有功功率，对发电机转子产生制动(或加速)的力矩，将使发电机产生机械振动，严重时导致失步，造成并列不成功。2 总体结构 2.1 系统方案概述 以达到对发电机进行并网运行为目的，设计出实验电路，首先要对发电机的几项相关的的电气参数进行测量，与电路信号就行对比，若满足并网的条件，即可完成并网运行。此系统主要对发电机的电压进行测量，之后再运用C语言编写的程序进行推算，算出频率与相位。之后，将数据送入单片机中进行比较，若误差在允许的范围内，则从单片机的一

21、个引脚输出控制信号驱动MOSFET，使其开通，完成并网工作，否则MOSFET关断，退出并网工作。2.2 系统总体设计2.2.1 系统的硬件设计方案根据测试系统的功能，系统硬件可以分为工作电源模块、信号调理模块、单片机控制模块、MOSFET驱动模块。系统硬件流程图和电路框图分别如图2.1、图2.2。被测信号在经过霍尔传感器进行电气隔离以及信号调理电路差分放大，被引入到A/D芯片把被测的模拟信号变成数字信号，送入AT89C51单片机中进行数据采集，由单片机中的CPU对该数字信号进行处理和分析。最后，经过比较输出控制信号，传入MOSFET控制其开通或者关断。通过检测被测信号的频率（被测信号频率远大于

22、电路信号），在检测出过零点，得到精确的波形，由此推算出周期、频率、峰值。 2.1 系统硬件设计流程图 图2.2 硬件电路框图2.2.2 系统的软件设计方案 本次设计的电气参数自动测试系统软件的功能主要是控制单片机AT89C51对被测模拟信号采集，并对采集的信号进行分析和计算等功能。本系统采用C语言编制数据采集程序和数据分析计算程序。在整个软件的开发中，采集到的被测信号的数据分析计算是其中的重点。在选择计算机算法时，要充分利用电气参数测试理论的研究成果，不仅要考虑到精度的要求，而且考虑到单片机控制系统的实际运算能力。下图本测试系统软件的总体结构图。图2.3 系统软件总体结2.3 发电机并网过程简

23、介： 2.3.1 电机并网：(1) 传统并列方法传统的实验室验证发电机并列的主要装置是直流电动机三相同步发电机组，直流电动机在这里类似于原动机，它和三相同步发电机同轴连接直接给发电机提供机械能，其接线示意图如图2.4所示。图2.4 同步发电机并列接线示意图调节原动机的转速即可改变发电机输出端电压的频率及相位。由于直流电动机在这里相当于原动机，按照直流电动机转速公式： （1）式（1）中，直流电动机端电压；直流电动机电枢回路电阻；直流电动机励磁磁通量。由式（1）可知，可以通过调节直流电动机的端电压、电枢回路电阻大小和励磁回路的磁通量来调节直流电动机的转速，从而达到调节发电机端电压的频率大小及相位。

24、由发电机的空载特性可知通过调节发电机励磁电流大小可以达到改变发电机端电压的大小，传统的并列方法有暗灯法和灯光旋转法。(2) 自动并列装置设计本文采用频率差和电压差的自适应控制方法以及单向频率差并列原则，以提高微机自动并列装置的性能。单向频率差和单向相角差的并列原则一般的微机自动并列装置对频率差和相角差条件的判别采用下式： （2） 式（2）中:为频率差整定值， 为发合闸命令时实测相角差，为越前合闸相角，是实际应用中为便于确定合闸脉冲而设定的偏角差。式(2)存在绝对值符号，发电机频率既可能高于也可能低于系统频率，合闸瞬间发电机电压相量既可能超前也可能滞后于系统电压相量。但在合闸瞬间，如果发电机电压

25、相量滞后于系统电压相量，则暂时从系统吸收有功功率，这种情况对系统缺乏有功时不利。为此，我们提出采用单向频率差和单向相角差的并列原则，保证发电机并列后（包括并列瞬间）总是向系统输出少量有功功率。根据这一原则并列条件应为： （3）式（3）中：Toc 为越前时间，Toc 为越前时间误差， 为发合闸脉冲时的实测滑差频率。由于越前时间可正可负，按式(3)整定可能出现当越前时间误差为正时合闸瞬间的冲击电流为传统整定方法的2倍，为此将式(3)中的频率差整定值设为式(1)的1/2。 自动并列装置的硬件设计根据系统实际需要和产品性价比，选用ATMEL公司生产的AT89C51。它是CMOS8位单片机，片内含4Kb

26、ytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用高密度、非易失性存储技术生产兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。系统由电压、电流互感器、单片机、模数转换器、直流电动机及励磁驱动电路等组成，硬件结构示意图如图2.5所示。 图2.5 系统框图 自动并列装置前向通道设计数据采集系统中,由于电网、发电机参数变化较快，因此要加入采样保持器，再送到A/D转换器中。设计中我们选用12位逐次逼近型快速A/D转换器AD574，其转换速度最快为35us，其转换误差0.05%,是目前应用较为广泛、价格适中的A/D转换器。由于AD574 内部

27、含三态锁存器，故可直接与单片机数据总线接口连接。设计中使AD574 工作于单极性输入方式，采用12位左对齐输出格式，因此将低4位DB0DB3 接至高4 位DB11DB8 上。读出时，先读高8位（DB11DB4），后读低4位（DB3DB0），此时，DB7DB4为0000H。由于直接采用寻位指令查询，将AD574的标志位STS直接接到AT89C51的P1.0位，AD574的5根控制逻辑线，用来完成寻址、启动和读出功能。2.3.2 发电机自动并网原理：把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并列、并车、整步。在并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。并车前必

28、须检查发电机和电网是否适合以下条件： （1）双方应有一致的相序； （2）双方应有相近的电压； （3）双方应有同样或者十分接近的频率和相位。若以上条件中的任何一个不满足则在开关K的两端，会出现差额电压 ，如果闭合K，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。上述条件中，除相序一致是绝对条件外，其它条件都是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。 并车的准备工作是检查并车条件和确定合闸时刻。通常用电压表测量电网电压 ，并调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压。再借助同步指示器检查并调整频率和相位以确定合闸时刻。以上条件是发电机并网所要满足的理想条件，实际当中，待并发电机的电压和频率

29、与电网的不可能严格相同。而且在实际并网过程中，考虑到发电机的调速和调压控制器的性能，电网的波动等因素，实际的发电机并网条件要比上述条件宽松，我们称之为准同期条件。发电机实际并网满足的准同期条件是： （1）待并发电机组的电压与电网电压的差必须在允许范围之内； （2）待并发电机组的频率与电网的频率相接近（即频率差在允许范围之内）； （3）相位差等于零的瞬时控制合闸开关闭合，这样发电机将会被平滑的并入电网。由于在发电机组安装时已经对发电机的相序与电网的相序进行测定，保证一致的条件。因此并车操作就是检测和调整待并发电机组的电压、频率和相位，使之在满足上述三个条件的瞬间通过发电机主开关的合闸投入电网。这

30、样就可以保证在并车合闸时没有冲击电流，并且并车后能保持稳定的同步运行。实际并车时，除相序外，其他条件不可能做到完全一致，而且必须有一定的频差才能快速投入并联运行。 发电机自动并网装置不但使并网合闸瞬间的各项要求能最大限度地得到满足、电磁冲击和机械冲击最小、杜绝了手工操作的种种不足，而且可对电网故障作出最快速、最恰当的反应，提高了电力系统的综合自动化和运行可靠性。2.4 发电机：2.4.1 发电机简介：电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其它形式的能源转换成电能的机械设备，最早产生于第二次工业革命时期，由德国工程师西门子于1866年制成，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其它动力机械驱动，将水流

31、，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。发电机英文名称：Generators。它的形式有很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。发电机的工作原理：发电机主要由定子、转子、端盖、电刷、机座及轴承等部件构成。定子由机座、定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯、转子磁极（有磁扼.磁极绕组)、滑环、(又称铜环.集电环)、风扇及转轴等部件组成。通过轴

32、承、机座及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，通过滑环通入一定励磁电流，使转子成为一个旋转磁场，定子线圈做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。由于电刷与转子相连处有断路处，使转子按一定方向转动，产生交变电流所以家庭电路等电路中是交变电流，简称交流电。我国电网输出电流的频率是50赫兹。发电机可分为以下3类：直流发电机、同步发电机、异步发电机。直流发电机：它是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，

33、但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。直流电机的结构，必须有满足电磁和机械两方面要求的结构，因此具备具备静止和转动两大部分：1.直流电机静止部分称作定子，作用是产生磁场，由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成；2.直流电机转动部分称作转子(通常称作电枢)，作用是产生电磁转矩和感应电动势；由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成。异步发电机：异步发电机又称“感应发电机”。利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机。其转子的转向和旋转磁场的转向相同，但转速略高于旋转磁场的同步转速。常用作小功率水轮发电机。交流励磁发电机

34、又被人们称之为双馈发电机.交流励磁发电机由于转子方采用交流电压励磁,使其具有灵活的运行方式,在解决电站持续工频过电压、变速恒频发电、抽水蓄能电站电动-发电机组的调速等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。交流励磁发电机主要的运行方式有以下三种:1) 运行于变速恒频方式;2) 运行于无功大范围调节的方式;3) 运行于发电-电动方式同步发电机：转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流发电机，称为同步发电机。当它的磁极对数为、转子转速为时，输出电流频率满足。同步电机多被用作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全是由三相同步发电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备之一。同步电机也可以作电动机使用

35、，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等。 同步电机的定子，就其基本结构来看，与异步电机的定子没有多大区别，也是由定子铁心、定子绕组以及机座、端盖等附件组成。同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极，称为凸极式；另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽，无明显的磁极，称为隐极式。同步电机的励磁电源有两种：一种是由励磁机供电，另一种是由交流电源经过整流而得到。每台同步电机应配备一台励磁机或整流励磁装置，以便调节励磁电流。2.4.2 同步发电机： 同步发电机的基本构造和工作原理：同步发电机是利用电磁感应原理将机械能转换成电能的设备，其工作原理如图所示。由图可见，同步发电机可分为定子

36、和转子两大部分，定子部分主要由定子铁芯和绕组组成，分为A、B、C三相，均匀的分布在定于槽中；转子部分由转子铁芯和绕组组成，绕组通以直流电，建立发电机的磁场。当转子由原动机（如汽轮机）带动旋转时，产生一旋转磁场，定子绕组（导线）切割了转子磁场的磁力线，就在定子绕组上感应出电动势，当定于绕组接通用电设备时，定于绕组中即产生三相电流，发出电能，其结构示意如图2.6所示： 图2.6 同步发电机的结构示意图同步发电机的分类：同步发电机因用途不同，结构也相差甚大，一般可按其原动机的类别、本体特点、安装方式等进行分类： （1）按原动机的类别不同，同步发电机可分为汽轮发电机、水轮发电机、燃汽轮发电机及柴油发电

37、机等。 （2）按冷却介质的不同，可分为空气冷却、氢气冷却和水冷却等。 （3）按主轴安装方式不同，可分为卧式安装和立式安装等。 （4）按本体结构不同，可分为隐极式和凸板式、旋转电枢式和旋转磁极式等。同步发电机的结构，主要是由原动机的特性决定的。如汽轮发电机，由于转速高达3000rmin，故极对数少，转子采用隐极式，卧式安装；水轮发电机由于转速低（一般在500rmin以下）故其极对数多，转子采用凸极式，立式安装。同步发电机的主要技术数据:为使发电机按设计技术条件运行，一般在发电机出厂时都在铭牌上标注出额定参数，并在说明书中加以说明。这些额定参数主要有： （1）额定容量（或额定功率）是指发电机在设计

38、技术条件下运行输出的视在功率，用KVA或MVA表示；额定功率是指发电机输出的有功功率，用kW或MW表示。 （2）额定定子电压是指发电机在设计技术条件下运行时，定子绕组出线端的线电压，用kV表示。我国生产的300MW和600MW发电机组额定定子电压均为20kV。 （3）额定定子电流是指发电机定子绕组出线的额定线电流，单位为A。 （4）额定功率因数（COS）是指发电机在额定功率下运行时，定于电压和定子电流之间允许的相角差的余弦值。300MW机组的额定功率因数为0.85，600MW机组的额定功率因数为0.9。 （5）额定转速是指正常运行时发电机的转速，用 rmin（每分钟转数）表示。我国生产的汽轮发

39、电机转速均为3000rmin。 （6）额定频率，指我国电网的额定频率为50（即每秒50周）。 （7）额定励磁电流是指发电机在额定出力时，转子绕组通过的励磁电流，用A或kA表示。 （8）额定励磁电压是指发电机励磁电流达到额定值时，额定出力运行在稳定温度时的励磁电压。 （9）额定温度是指发电机在额定功率运转时的最高允许温度（）。 （10）效率是指发电机输出与输入能量之百分比，一般额定效率在9398之间，300MW和600MW大型机组在98以上。同步发电机运行特性:工作特性：表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。空载特性：发电机不接负载时，电枢电流为零

40、，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流感生出的空载电动势(三相对称），其大小随的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势与励磁电流关系的曲线称为同步发电机的空载特性。电枢反应：当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。负载运行特性:主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时，发电机端电压与负载电流之间的关系。调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因数为常数时,励磁电流与负载电流之间的关系。同步发电机的电压变化率约为2040%,

41、一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此，随着负载电流的增大,必须相应地调整励磁电流。3 硬件电路3.1 单片机3.1.1 单片机技术简介：单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程

42、序设计者事先规定的任务。由此来看,单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机

43、芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源.要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，

44、现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想.是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。3.1.2 单片机的开发与应用：1. C51的开发一般需要的过程可主要分为以下3个步骤：第一步：通过软件编译平台编写试验程序。最常用的是KEIL软件平台。学习编写源程序有两个重点：其一是学会在KEIL编辑器中编写源程序，一般使用C语言编写，就如使用记事本软件编辑字一样。其二是学会把写好的源程序通过KEIL软件平台编译

45、成为单片机可以读懂的由二进制编码的机器码。为了简化，通常是生成16进制的HEX或者BIN文件。因为高级语言是为了方便程序编写者编辑程序而出现的语言，并不能直接被机器读懂。所以需要把源程序通过编译器编译成最终二进制编码的HEX或者BIN文件。在这里，编译平台充当的是一个语言翻译官的角色。第二步：使用编程器(亦称为烧写器)将程序导入单片机中。编程器的作用是把我们编译好的机器码文件写入到单片机的程序存储器中，该过程已被称为程序烧写。这个设备的作用就好比我们给一个没有记忆的人灌输记忆。编程器和单片机可以支持的文件是16进制的，文件属性一般为HEX或者BIN。编程器只是一种写入设备。而源程序则是我们在K

46、EIL的编辑器中编辑的。第三步：制作或者购买一个实验板。它的作用是完成最终的硬件驱动效果验证。这就好比把一个已经灌输了我们设计思想的单片机连上躯体和四肢。看看这个完整的、已经具备了“头脑+思想十四肢”的设备是不是能按照设想的方式正常工作。如果能或工作方式不一致，就说明我们给他设计的“思想”可能存在问题， 即程序可能存在问题。此时就需要用编程器中的“擦除”操作给单片机“洗脑”， 并且返回编辑器修改程序，然后再次写入单片机和验证结果。除此之外，有时还需要用到仿真器。其作用是调试我们的程序。例如，我们的程序有100行，假设代表了10个驱动硬件的动作。使用仿真器可以让这10个动作依次执行，同时能够观察

47、到在执行这10个动作的过程中单片机内部的各单元的状态。也就是说，可以细致的分析一下整个程序在硬件中的具体工作过程。这样我们就可以了解程序中是不是有问题存在。仿真分为硬件仿真和软件仿真两种。软件仿真是完全虚拟的，比较抽象，初学者理解起来比较困难。硬件仿真方面，如果硬件仿真器连接了目标设备，就可以看到驱动硬件的效果，还是比较实用的。2. C51系列单片机的应用：单片机是世界上数量最多的计算机。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，因此现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。大至导弹的导航装置，飞机上的各种仪表，计算机的网络通讯与数据传输，工业

48、自动化过程的实时控制和数据处理，小至广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。现对C51系列单片机的各种应用作大致分类： (1) 在智能仪器仪表上的应用：C51系列单片机与不同类型的传感器相结合，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等各种物理量的测量。采用单片机控制可使得仪器仪表实现数字化、智能化、微型化，而且功能比起采用电子或数字电路还要更加强大。如各种精密的测量设备(功率计，示波器

49、，各种分析仪等)。(2) 在计算机网络和通信领域中的应用：现在，C51系列单片机普遍具备通信接口，比USB接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的基础，另外，采用MAX232实现MCS-51单片机与PC机的通信。都实现了单片机智能控制。从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等，都能见到单片机的身影。(3) 在工业控制中的应用：C51系列单片机可以用在构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级

50、控制系统等。(4) 在汽车设备领域中的应用：各种型号的单片机在汽车电子中的应用非常广泛。例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，ABS防抱死系统，制动系统等等。(5) 在家用电器中的应用：可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备， 五花八门，无所不在。(6) 在医用设备领域中的应用：C51系列单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。特别地，测量心电、脑电、肌电、胃电等微弱信号的医疗仪器也都采用了单片机进

51、行控制。另外，某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理)，就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM)，由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。集成度的不断提高，才能使现在的各种设备越做越小。3.1.3 单片机工作的主要功能： （1）单片机I/O接口：单片机I/O接口又称单片机端口，它是集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等等功能于一体的I/O电路，特别要把握它的准双向、多功能特点。单片机任意I/O接口的操作：把握输出控制电平高低和输入检测电平高低的特点。 （2）定时器/计数器：单片机的定时器/计数器作为C51或其他型号单片机的基本结构单元，主要完成测控系统中定时或延时控制的任务。当需要对外界事件进行计数时，就可以有计数器完成。 （3）中断：中断系统是单片机