基于单片机的同步发电机励磁控制系统的设计

1、基于单片机的同步发电机励磁控制系统的设计学号班级姓名 摘 要发电机在正常运行时，负载总是不断变化的。为了保持同步发电机的端电压稳定，需要根据负载的大小及负载的性质调节同步发电机的励磁电流。本文以AT89C51为核心，以PID控制为主要的控制思想，采用模块化的设计原理，首先对同步发电机励磁控制器的硬件、软件组成及运行流程进行了分析设计；然后给出了系统硬件原理图及软件流程图关键字：励磁控制；AT89C51目录1 励磁系统工作原理 11.1 起励 11.2 运行 12 励磁系统主回路的设计 22.1 励磁变压器 22.2 整流回路 22.3 半导体励磁系统的保护 32.4 同步发电机的起励设计与选择

2、 42.5 同步发电机的灭磁 53 励磁系统控制回路的设计 73.1 控制回路的作用、构成 73.2 测量比较单元 73.3 综合放大单元 93.4 移相触发单元 104 励磁系统控制算法研究 124.1 励磁控制系统的结构与模型建立 124.2 励磁PID控制器的设计 135 励磁控制系统的软件设计 165.1 主程序 165.2 中断服务程序 171 励磁系统工作原理励磁系统的总体结构如图1-1所示，具体工作原理如下。A/D转换信号调理单片机LED显示发动机报警装置励磁装置图1-1 励磁系统总体结构图1.1 起励在自并励励磁控制系统中，励磁电源取自发电机机端电压，发电机正常运转之前，不能提

3、供励磁电流，所以发电机起励时要外加起励电源。一般为提高励磁电源的可靠性，选用厂用交流电和直流蓄电池两路供电，对于前者经过降压整流后，供给励磁绕组进行起励。当程序判断出机端电压达到额定电压时此值可在线修改，自动发出一个控制信号，断开接触器，切断起励电源，进入正常调节升压。1.2 运行在发电机正常工作时，励磁电源由接在发电机机端的励磁变压器提供，经三相全控桥整流后供给发电机励磁电流。控制部分负责将电量采集送入ADC模块， 经过实时计算后送入控制器，经过控制算法处理后输出控制量，即三相全控桥的触发角，通过触发角的改变来控制发电机励磁电流的大小。当发电机机端电压的测量值低于给定值时，增大励磁电流，使机

4、端电压上升；反之，减小励磁电流，从而达到控制和调节发电机机端电压和无功功率的目的。控制器还将根据现场输入的操作和状态信号进行逻辑判断，实现各种运行方式所需的励磁调节、限制、 保护、检测和故障判断等功能。2 励磁系统主回路的设计2.1 励磁变压器励磁变压器的安全、稳定运行，是励磁系统可靠运行的关键，是自并励机组安全、稳定运行的前提，是发电机组稳定发电、满负荷发电的先决条件。发电机的基本参数：发电机空载励磁电流，空载励磁电压, 额定励磁电流 ，额定励磁电压 。发电机机端电压对于100MW及以上的汽轮发电机励磁系统顶值电压的倍数Kc不低于1.8。各种工程计算得表2-1：表2-1U（V）I（A）空载1

5、6695580.899.2额定542249560.7119.3强励108444904.8175.2由表(2-1)可知，变压器的参数计算以及控制角的范围都能满足各种工况下的运行要求。为消除三次谐波的影响，选用环氧树脂干式变压器，多采用/ Y11接线。2.2 整流回路本设计的主回路中整流回路采用三相全控桥式整流。三相全控桥整流接线中，六个桥臂元件全部采用可控硅管。图2-1 三相全控桥电路可控硅元件在各自电源电压为负半周时共阳极组导通，而共阴极组则恰好相反，当控制角相同时共阴极组和共阳极组的元件触发换流。有两种触发脉冲满足三相桥式全控整流电路的要求，一种是双脉冲触发，另一种是宽脉冲触发。由于双脉冲触

6、发相比宽脉冲触发的方法更容易实现一些，所以在实际应用中双脉冲用的比较多。当三相全控桥式整流回路工作在整流状态时，控制角a应小于90 º，此时为正。电路工作在整流状态，改变控制角a，就可以改变输出的平均电压的大小，以满足自动调节励磁装置对可控硅实行控制的要求。2.3 半导体励磁系统的保护在可控硅励磁系统整流装置中，可控硅元件是半导体励磁装置中的重要器件，可是它承受过电流和过电压的能力比较差，为保证它们安全可靠地工作，延长可控硅的使用寿命，除了再设计时正确选择可控硅的参数和提高硅元件的产品质量之外，还必须在装置中适当地采用保护措施，限制过电压、过电流，使其在允许范围内，以确保可控硅励磁系

7、统安全可靠的运行工作。2.3.1 过电压保护所谓过电压，即所有超过规定值的施加在可控硅上的正反向瞬时峰值电压，产生过电压就有可能破坏电路损坏元件。其中有两个原因使励磁系统产生过电压，第一，经常发生的是可控硅元件的关断和本身的换相以及系统的跳闸、合闸，引起的换相过电压和操作过电压，这是不可避免的一种过电压。第二，线路遭受雷击等原因引起的大气过电压。为了限制过电压，必须安装保护设备。在励磁变压器原边绕组上装设避雷器，通常是为了抑制大气过电压，从而起到保护变压器的作用。然而为了保护可控硅元件，还需要在变压器二次侧装设其它过电压保护器件。压敏电阻压敏电阻一般是由氧化锌、氧化铋，再有其它多种金属氧化物烧

8、结而成的一种多晶的陶瓷片，是一种非线性电阻，用它做成所谓压敏电阻浪涌吸收器，是比较常用的良好的过电压保护器件。压敏电阻具有很陡的伏安特性，残压很低，浪涌承受量大，元件的可靠性高、寿命长、漏电流小及廉价等很多的优点，适用于大多的整流装置。转子过电压的保护 发电机在运行时受到比较大的扰动，就有可能在转子绕组上产生正向过电压活着反向过电压，对可控硅元件的安全以及转子励磁绕组的绝缘造成威胁，造成元件的损坏。所以，需要在励磁绕组的两端也就是整流桥的直流侧，装设抑制过电压的保护。通常会采用几种保护，例如：阻容保护、压敏电阻或者硒堆浪涌吸收器、非线性电阻、固定电阻、转子放电器等等，这里主要采用压敏电阻和非线

9、性电阻保护，作为转子过电压保护，压敏电阻简单可靠。而非线性电阻与励磁绕组并联，既可以作为转子保护装置，又可以作为灭磁电阻。2.3.2 过电流保护引起整流元件过电流的原因大致为：（1）励磁回路某处发生短路。（2）整流桥中某一元件被击穿，引起其它元件过电流。（3）全控整流桥因故逆变失败。（4）同步发电机定子绕组发生短路、失步或者自同期、非同期合闸等干扰，而在转子绕组引起瞬时过电流。因此，为了限制过电流保护可控硅元件，在整流装置中常采用快速熔断器，以及快速过电流继电器等保护措施。在本次设计采用了快速熔断器的保护，快速熔断器是过电流保护中最简单且保护作用好的一种方式，通常串联在元件支路上，应用比较广泛

10、。它的结构简单，而且保护范围广，能保护内部故障，外部短路，逆向电流及某些过载等因素引起的过电流，它是有极优越的快速性，导热性能良好而热容量小，能够快速熔断。 2.4 同步发电机的起励设计与选择本设计采用自并励励磁系统，功率单元电源来自发电机机端。由于发电机启动时残压较低，提供的功率和电流可能使发电机自身空载电压达到额定值。由于同步电压太低，这时励磁调节器中的触发电器，还不能够正常运行，可控硅也不能导通，所以励磁电流不流通，导致发电机不能建立电压，因此必须采取一定的措施，先供给发电机初始励磁，使发电机逐步建立起一定的电压，称之为起励过程。由于自并励励磁系统励磁变压器接在机端，起励措施有两种：第一

11、种称为残压起励，利用机组剩磁所产生的残压，供给初始励磁。第二种称为他励起励，即另没起励电源及起励回路，供给初始励磁。本设计采用他励起励方式，起励电源取自厂用低压母线，采用厂用电起励的原因：本设计针对机组有相对独立的机组母线，并且有可靠的自投入电源；厂用电所带负荷较小，所以考虑将厂用电线做为起励电源，从而解决起励问题。厂用电起励原理图如图2-2，起励电源用厂用电经整流即可，ZC为直流接触器，担任起励回路的接入及切除，起励时ZC闭合，由起励回路供给初始励磁电流，发电机电压使逐步升高，当达到成超过发电机电压额定值的30%，则断开起励回路，进行自励。图2-2 厂用电它励起励原理图2.5 同步发电机的灭

12、磁当电机内部出现故障时，有可能将导线绝缘损坏，所以要求尽快地灭磁以缩短在故障点的燃弧时间。所谓灭磁就是将转子励磁绕组的磁场迅速的减少到尽可能小的地步。灭磁的时间必须得短，转子过电压不得超过允许值，发电机的灭磁需要做到这两点要求。发电机灭磁方式很多种，例如：单独励磁机灭磁、放电电阻灭磁、非线性电阻灭磁、灭弧栅灭磁和可控硅桥逆变灭磁等。图2-3 灭磁特性曲线本设计采用非线性电阻灭磁，其优点是：在灭磁初始瞬间转子电压不超过容许值，而这之后，电压的变化率基本不变，接近理想的灭磁曲线，灭磁时间短。此外，还可以将可控硅桥逆变灭磁作为后备灭磁方式。这种灭磁方式简单、经济、无触点化。图2-4 非线性电阻灭磁原

13、理图3 励磁系统控制回路的设计3.1 控制回路的作用、构成我们已经知道励磁调节器一般由基本装置和辅助装置两部分组成。励磁调节器的基本装置主要包括测量比较单元、综合放大单元和移相触发单元三个部分。励磁调节器的基本任务是根据发生电机端的电压的变化，并将多种控制信号综合放大，然后作用于移相触发单元从而改变触发脉冲的相位，得以控制可控硅导通的大小，使可控硅整流回路输出的励磁电流适应负载的需要，以保持发电机端电压的恒定，其自动励磁调节器的好坏，决定着励磁装置能否稳定，持久，可靠运行。因此它是励磁系统的一户重要环节。再设计时要求励磁调节器结构简单、工作可靠、稳定运行；方便检修维护，具有良好的特性。3.2

14、测量比较单元测量比较单元是调节器的敏感单元，它的基本作用是将测量发电机电压并按比例变换为直流电压信号，然后与相应的直流基准电压进行比较，最后得到两者的偏差信号送到综合放大单元。测量比较单元的组成，如图3-2图3-2 测量比较单元组成框图3.2.1 测量整定环节测量整流电路是由测量变压器和整流桥组成的，发电机输出的三相电压经过测量变压器降压，在经过整流桥整流及滤波电路后，变换成与发电机成比例的平稳的直流电压，然后输出到比较整定环节与相应的基准电压进行比较。本设计采用六相桥式整流电路，如图3-3，测量变压器CB由三个单相的三绕组变压器组成，副方有两组三相绕组分别接到两组三相整流桥，接线组别为/-1

15、2，/Y-11，两组相移30°两桥在直流侧并联。图3-3 六相桥式整流电路原理图六相桥式整流输出的直流分量是1.4倍交流线电压有效值，当电源频率为50HZ时，最低次谐波频率为600HZ，其它高次谐波，随着频率的增大，它的幅值也将减小。所以经过六相整流后直流电压已经是比较平稳的了。测量变压器和六相桥式整流电路构成了电压测量单元，是将机端电压的一个改变，这里把电压测量单元看成一个比例环节3.2.2 滤波电路测量整流电路输出的是脉动的直流电压，除直流分量外还含有其它高次谐波分量。将脉动的直流电压通过滤波电路将高次谐波分量滤掉，从而得到平滑的直流电压，以保证整定电路良好的工作，所以滤波电路是

16、不可或缺的，本次设计滤波电路选择滤波器，如图3-4所示，滤波器是无源四端网络，利用电容和电感的频率特性。先由电容滤去一部分交流成分，再由电感和电容并联的滤波器滤去一部分交流成分，使输出的电压脉动尽可能的小。 图3-4 滤波电路3.2.3 比较整定电路比较整定电路的任务是进行电压比较和电压整定，从而得到一个电压偏差作为电压偏差信号输入到综合放大单元。通过测量电压和基准电压相比较而得到电压偏差，此外，为了使发动机对无功功率有一定的调节能力，还需进行电压整定，就是通过调整整定电位器滑动触头的位置来改变发电机电压的给定值。比较整定电路有对称比较桥、不对称比较桥和集成元件比较整定电路。本次设计采用集成元

17、件比较整定电路，它是一种按比例加法器原理构成的比较整定电路，如图3-5所示，其基本原理是将测量电压与给定的基准电压在放大器的输入端直接进行比较，来得到电压偏差信号。这种比较整定电路基准电压稳定，通过改变电位器可以改变放电器的放大倍数，也就是改变了比较电路的灵敏度。在不同的整定电压下具有相同的灵敏度，且输入电压的线性度好，电压整定范围非常大，机组能够很好的从零起升压到最高工作电压。图 3-5 集成元件比较整定电路3.3 综合放大单元综合放大单元是将测量比较单元输出幅值较小、变化缓慢、灵敏度低的电压偏差信号放大，从而提高调节器的灵敏度，而且为了能更好的实现调节器的多功能，还需要线性地综合测量、反馈

18、及限制等直流信号，并加以放大。由此可知，综合放大单元有两个作用，一个是综合信号另一个是放大信号。由于它放大的是缓慢变化的信号，故宜采用的是直流放大器。对综合放大单元的基本要求是：1）具有线性地综合和多个输入控制信号的能力；2）具有较高的运算精度且工作稳定；3）反应速度快，时间常数小；常用的综合放大器有简单晶体管直流放大器、磁放大器、直流运算放大器和集成元件直流放大器。磁放大器是在调节器中早期采用的一种放大器，已经逐渐淘汰。简单的晶体管直流放大器适用于中、小型机组的调节器上。集成元件运算放大器有快速灵敏、运算精度高、综合信号容易、工作稳定和便于调试等优点。所以本次设计采用集成元件直流放大器。如图

19、3-6 所示，是低增益线性组件。图3-6 集成元件放大器原理图3.4 移相触发单元 在半导体励磁调节装置中，移相触发单元的任务是将综合放大单元输出控制信号的变化，转变成可以改变相位的脉冲，并用这个脉冲来触发励磁系统的功率输出部分的可控硅，使其控制角随综合放大单元的控制电压的变化而变化，从而产生自动励磁的作用。如图3-7所示，移相触发单元一般由同步、相控、脉冲形成和脉冲放大等环节组成。图3-7 移相触发单元组成框图3.4.1 对移相触发单元的要求（1）可控硅的触发脉冲必须与整流桥电路的电源同步。（2）触发脉冲的移相范围要满足可控硅整流电路的要求。（3）为满足可控硅导通的要求，触发脉冲应具有足够的

20、功率。（4）触发脉冲的前沿要陡，有足够的幅值和宽度。（5）各相可控硅元件的控制角应保持一致。（6）触发电路应与主电路互相隔离，以确保安全。3.4.2 移相触发电路的种类及选择应用在励磁调节器中的触发电路有很多，例如：（1） 单结晶体管移相触发电路；（2） 晶体管单稳态移相触发电路；（3） 晶体管锯齿波移相触发电路；（4） 正弦波移相触发电路； 同步电压信号需要通过同步变压器获得，对于三相全控桥来说，同步变压器应采用六相双星形接法，从而保证触发单元与主电路有一点的联系。本次设计采用晶体管锯齿波移相触发电路，锯齿波的线性度和对称度好，移相范围大，锯齿波不受交流电压波动的影响，如图3-8所示。（a）

21、原理图 （b）电压波形图图3-8 锯齿波发生电路移相触发电路包括移相角确定电路、三稳态触发器、脉冲放大电路和移向角限制电路。4 励磁系统控制算法研究4.1 励磁控制系统的结构与模型建立 同步电机是励磁控制系统的控制对象，其电磁暂态和机电互动现象十分丰富，如何使用有效的控制策略，使励磁系统能够正确、高效运行，保证发电机组运行效果，一直以来都是极为活跃的研究领域。励磁控制系统由励磁控制器、功率单元、励磁变压器等几部分组成，其结构可以如图4-1所示：图2-1 励磁系统结构图对于电网，由于整个电力系统是一个十分庞大的系统，本文采用单机无穷大的抽象方法简化分析。单机无穷大系统是指一台同步发电机经过升压变

22、压器和一段传输线接到了无穷大电网上，由于电网系统无穷大，则其能够提供或吸收的能量是无穷大的，电压能够保持恒定。在同步发电机正常运行区域内，不考虑发电机的饱和特性，在恒定的转速下，可以认为发电机端电压稳定幅值和励磁电压成正比。但是两者之间的比例关系是有一定的滞后的，因此可以用一阶惯性环节来近似代表发电机的传递函数。 GGs=KF1+Tdcs (4.1)其中,KF表示励磁电压和机端电压的比例，Tdc为发电机的惯性常数，单位为秒级。对于励磁控制器的测量环节，输出值和采样得到的数字量之间也是成正比关系，但是信号调理环节和采样环节会有一定的滤波和延时，因此也可以认为是一个一阶惯性环节。设其传递函数为：

23、G1s=KCF1+Tds (4.2)其中,KCF表示电压采样得到的数字量和实际值的比例，Td为测量环节的时间常数，单位是毫秒级。另外系统中还包括励磁控制器脉冲信号的功率放大环节和可控硅整流环节，其中功率放大环节是其输出电压和输入电压的比值，而可控硅整流环节可以表示为： GEs=Ka1+Tss (4.3)其中,Ka表示整流环节的电压比，而Ts为其时间常数，一般Ts=3.3ms。由以上分析可以得出，在发电机稳定运行区域内，可以将励磁控制器的被控对象近似为一个三阶模型，通过励磁控制器组成一个三阶闭环控制回路。对于一个三阶闭环参考模型，其特性可以由阻尼比和固有振荡频率n分别唯一确定。本文提出如何设计针

24、对特定和n的励磁 PID 控制器。4.2 励磁 PID 控制器的设计 对于一个三阶闭环系统，设其传递函数为:RBs=1a1s3+a2s2+a3s+1=1a1s3+a2a1s2+a2a1s+1a1 (4.4)式(4.4)中，a1、a2、a3为待定正实数。设对于这个系统，设其实数根为k1，其两个共轭虚根为-k2±jk3。则 RB(s)根的表达式为:RBs=k1k22+k32s+k1s2+2k2s+k22+k32=k1k22+k32s3+k1+2k2s2+2k1k2k22+k32s+k1k22+k32 (4.5)取共轭虚根-k2±jk3为系统的主导极点，在工程上，一般要求k1比k

25、2至少大5倍以上。若取k1=10k2，则主导极点模型和原系统模型的性能十分近似。该系统主导极点的二阶系统为：RB2s=k22+k32s2+2k2s+k22+k32 (4.6)对于二阶系统，有k2=nk22+k32=n2 (4.7)对于二阶系统，其阻尼比决定二阶系统的超调，固有振荡频率与系统的上升时间，峰值时间和调整时间成反比，和系统的动态响应快速性有关。由于二阶系统的性能完全由阻尼比和固有振荡频率决定，只要能使励磁三阶系统的性能尽量逼近(4.7)所表示的二阶系统，则励磁系统的性能也能由阻尼比和固有振荡频率决定。将式(4.7)代入式(4.5)，并且取k1=10k2，则可以得到励磁系统的三阶模型为

26、：RBs=10n2s3+12ns2+202+1n2s+10n2 (4.8)令Tn=1n，并将式(4.8)标幺化，得到RBs=10n2110Tn3s3+1.2Tn2s2+202+110Tns+1 (4.9)a1=110Tn3, a2=1.2Tn2, a3=202+110Tn, (4.10)根据劳斯判据，三阶系统(4.8)(4.9)稳定的充要条件为：12n×202+1n2>10n2 (4.11)即202+1>56 (4.12)式(4.12)表明，系统的稳定性只与其阻尼比有关，和其固有振荡频率无关，系统不会因为改善快速性和准确性影响其稳定性。 当选定了系统的超调量之后

27、，系统模型的快速性可以由选择的Tn来确定，上升时间、峰值时间和调整时间与其成反比，且不影响系统的超调和稳态误差。 对于励磁系统，要设计一个PID控制器，其控制模型如图4-2所示。图4-2 PID 控制闭环系统模型可以设定其被控对象的传递函数为Gs=NsDs=1DsMs=10+1s+2s2+3s3+=1s (4.13)设计 PID 控制器的函数为GC(s)GCs=Kp1+1T1s+Tds=KpT1+Kps+KpTds2s=ss (4.14)则该控制系统的闭环传递函数为GBs=GCsGs1+GCsGs=ss+ss=11+sss (4.15)为了使系统(4.15)和系统(4.4)等效，则令GBs=RRs=11+sss (4.16)通过(4.16)可以得到：s=ss1RRs-1=0s