基于單片機的同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的設計

基于單片機的同步發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的設計學號班級姓名摘要發(fā)電機在正常運行時，負載總是不斷變化的。為了保持同步發(fā)電機的端電壓穩(wěn)定，需要根據(jù)負載的大小及負載的性質(zhì)調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的勵磁電流。本文以AT89C51為核心，以PID控制為主要的控制思想，采用模塊化的設計原理，首先對同步發(fā)電機勵磁控制器的硬件、軟件組成及運行流程進行了分析設計；然后給出了系統(tǒng)硬件原理圖及軟件流程圖關鍵字：勵磁控制；AT89C51目錄1勵磁系統(tǒng)工作原理………………11.1起勵…………………11.2運行…………………12勵磁系統(tǒng)主回路的設計…………22.1勵磁變壓器…………22.2整流回路……………22.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護……………32.4同步發(fā)電機的起勵設計與選擇……42.5同步發(fā)電機的滅磁…………………53勵磁系統(tǒng)控制回路的設計………73.1控制回路的作用、構(gòu)成……………73.2測量比較單元………73.3綜合放大單元………93.4移相觸發(fā)單元………104勵磁系統(tǒng)控制算法研究…………124.1勵磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型建立…………………124.2勵磁PID控制器的設計……………135勵磁控制系統(tǒng)的軟件設計………165.1主程序………………165.2中斷服務程序………171勵磁系統(tǒng)工作原理勵磁系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，具體工作原理如下。A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換信號調(diào)理單片機LED顯示發(fā)動機單片機LED顯示發(fā)動機報警裝置勵磁裝置報警裝置勵磁裝置圖1-1勵磁系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1.1起勵在自并勵勵磁控制系統(tǒng)中，勵磁電源取自發(fā)電機機端電壓，發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)之前，不能提供勵磁電流，所以發(fā)電機起勵時要外加起勵電源。一般為提高勵磁電源的可靠性，選用廠用交流電和直流蓄電池兩路供電，對于前者經(jīng)過降壓整流后，供給勵磁繞組進行起勵。當程序判斷出機端電壓達到額定電壓時此值可在線修改，自動發(fā)出一個控制信號，斷開接觸器，切斷起勵電源，進入正常調(diào)節(jié)升壓。1.2運行在發(fā)電機正常工作時，勵磁電源由接在發(fā)電機機端的勵磁變壓器提供，經(jīng)三相全控橋整流后供給發(fā)電機勵磁電流?？刂撇糠重撠煂㈦娏坎杉腿階DC模塊，經(jīng)過實時計算后送入控制器，經(jīng)過控制算法處理后輸出控制量，即三相全控橋的觸發(fā)角，通過觸發(fā)角的改變來控制發(fā)電機勵磁電流的大小。當發(fā)電機機端電壓的測量值低于給定值時，增大勵磁電流，使機端電壓上升；反之，減小勵磁電流，從而達到控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機機端電壓和無功功率的目的。控制器還將根據(jù)現(xiàn)場輸入的操作和狀態(tài)信號進行邏輯判斷，實現(xiàn)各種運行方式所需的勵磁調(diào)節(jié)、限制、保護、檢測和故障判斷等功能。2勵磁系統(tǒng)主回路的設計2.1勵磁變壓器勵磁變壓器的安全、穩(wěn)定運行，是勵磁系統(tǒng)可靠運行的關鍵，是自并勵機組安全、穩(wěn)定運行的前提，是發(fā)電機組穩(wěn)定發(fā)電、滿負荷發(fā)電的先決條件。發(fā)電機的基本參數(shù)：發(fā)電機空載勵磁電流，空載勵磁電壓,額定勵磁電流，額定勵磁電壓。發(fā)電機機端電壓對于100MW及以上的汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)頂值電壓的倍數(shù)Kc不低于1.8。各種工程計算得表2-1：表2-1U（V）I（A）空載16695580.899.2額定542249560.7119.3強勵108444904.8175.2由表(2-1)可知，變壓器的參數(shù)計算以及控制角的范圍都能滿足各種工況下的運行要求。為消除三次諧波的影響，選用環(huán)氧樹脂干式變壓器，多采用△/Y—11接線。2.2整流回路本設計的主回路中整流回路采用三相全控橋式整流。三相全控橋整流接線中，六個橋臂元件全部采用可控硅管。圖2-1三相全控橋電路可控硅元件在各自電源電壓為負半周時共陽極組導通，而共陰極組則恰好相反，當控制角相同時共陰極組和共陽極組的元件觸發(fā)換流。有兩種觸發(fā)脈沖滿足三相橋式全控整流電路的要求，一種是雙脈沖觸發(fā)，另一種是寬脈沖觸發(fā)。由于雙脈沖觸發(fā)相比寬脈沖觸發(fā)的方法更容易實現(xiàn)一些，所以在實際應用中雙脈沖用的比較多。當三相全控橋式整流回路工作在整流狀態(tài)時，控制角a應小于90o，此時為正。電路工作在整流狀態(tài)，改變控制角a，就可以改變輸出的平均電壓的大小，以滿足自動調(diào)節(jié)勵磁裝置對可控硅實行控制的要求。2.3半導體勵磁系統(tǒng)的保護在可控硅勵磁系統(tǒng)整流裝置中，可控硅元件是半導體勵磁裝置中的重要器件，可是它承受過電流和過電壓的能力比較差，為保證它們安全可靠地工作，延長可控硅的使用壽命，除了再設計時正確選擇可控硅的參數(shù)和提高硅元件的產(chǎn)品質(zhì)量之外，還必須在裝置中適當?shù)夭捎帽Ｗo措施，限制過電壓、過電流，使其在允許范圍內(nèi)，以確?？煽毓鑴畲畔到y(tǒng)安全可靠的運行工作。2.3.1過電壓保護所謂過電壓，即所有超過規(guī)定值的施加在可控硅上的正反向瞬時峰值電壓，產(chǎn)生過電壓就有可能破壞電路損壞元件。其中有兩個原因使勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓，第一，經(jīng)常發(fā)生的是可控硅元件的關斷和本身的換相以及系統(tǒng)的跳閘、合閘，引起的換相過電壓和操作過電壓，這是不可避免的一種過電壓。第二，線路遭受雷擊等原因引起的大氣過電壓。為了限制過電壓，必須安裝保護設備。在勵磁變壓器原邊繞組上裝設避雷器，通常是為了抑制大氣過電壓，從而起到保護變壓器的作用。然而為了保護可控硅元件，還需要在變壓器二次側(cè)裝設其它過電壓保護器件。壓敏電阻壓敏電阻一般是由氧化鋅、氧化鉍，再有其它多種金屬氧化物燒結(jié)而成的一種多晶的陶瓷片，是一種非線性電阻，用它做成所謂壓敏電阻浪涌吸收器，是比較常用的良好的過電壓保護器件。壓敏電阻具有很陡的伏安特性，殘壓很低，浪涌承受量大，元件的可靠性高、壽命長、漏電流小及廉價等很多的優(yōu)點，適用于大多的整流裝置。轉(zhuǎn)子過電壓的保護發(fā)電機在運行時受到比較大的擾動，就有可能在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生正向過電壓活著反向過電壓，對可控硅元件的安全以及轉(zhuǎn)子勵磁繞組的絕緣造成威脅，造成元件的損壞。所以，需要在勵磁繞組的兩端也就是整流橋的直流側(cè)，裝設抑制過電壓的保護。通常會采用幾種保護，例如：阻容保護、壓敏電阻或者硒堆浪涌吸收器、非線性電阻、固定電阻、轉(zhuǎn)子放電器等等，這里主要采用壓敏電阻和非線性電阻保護，作為轉(zhuǎn)子過電壓保護，壓敏電阻簡單可靠。而非線性電阻與勵磁繞組并聯(lián)，既可以作為轉(zhuǎn)子保護裝置，又可以作為滅磁電阻。2.3.2過電流保護引起整流元件過電流的原因大致為：（1） 勵磁回路某處發(fā)生短路。（2） 整流橋中某一元件被擊穿，引起其它元件過電流。（3） 全控整流橋因故逆變失敗。（4）同步發(fā)電機定子繞組發(fā)生短路、失步或者自同期、非同期合閘等干擾，而在轉(zhuǎn)子繞組引起瞬時過電流。因此，為了限制過電流保護可控硅元件，在整流裝置中常采用快速熔斷器，以及快速過電流繼電器等保護措施。在本次設計采用了快速熔斷器的保護，快速熔斷器是過電流保護中最簡單且保護作用好的一種方式，通常串聯(lián)在元件支路上，應用比較廣泛。它的結(jié)構(gòu)簡單，而且保護范圍廣，能保護內(nèi)部故障，外部短路，逆向電流及某些過載等因素引起的過電流，它是有極優(yōu)越的快速性，導熱性能良好而熱容量小，能夠快速熔斷。2.4同步發(fā)電機的起勵設計與選擇本設計采用自并勵勵磁系統(tǒng)，功率單元電源來自發(fā)電機機端。由于發(fā)電機啟動時殘壓較低，提供的功率和電流可能使發(fā)電機自身空載電壓達到額定值。由于同步電壓太低，這時勵磁調(diào)節(jié)器中的觸發(fā)電器，還不能夠正常運行，可控硅也不能導通，所以勵磁電流不流通，導致發(fā)電機不能建立電壓，因此必須采取一定的措施，先供給發(fā)電機初始勵磁，使發(fā)電機逐步建立起一定的電壓，稱之為起勵過程。由于自并勵勵磁系統(tǒng)勵磁變壓器接在機端，起勵措施有兩種：第一種稱為殘壓起勵，利用機組剩磁所產(chǎn)生的殘壓，供給初始勵磁。第二種稱為他勵起勵，即另沒起勵電源及起勵回路，供給初始勵磁。本設計采用他勵起勵方式，起勵電源取自廠用低壓母線，采用廠用電起勵的原因：①本設計針對機組有相對獨立的機組母線，并且有可靠的自投入電源；②廠用電所帶負荷較小，所以考慮將廠用電線做為起勵電源，從而解決起勵問題。廠用電起勵原理圖如圖2-2，起勵電源用廠用電經(jīng)整流即可，ZC為直流接觸器，擔任起勵回路的接入及切除，起勵時ZC閉合，由起勵回路供給初始勵磁電流，發(fā)電機電壓使逐步升高，當達到成超過發(fā)電機電壓額定值的30%，則斷開起勵回路，進行自勵。圖2-2廠用電它勵起勵原理圖2.5同步發(fā)電機的滅磁當電機內(nèi)部出現(xiàn)故障時，有可能將導線絕緣損壞，所以要求盡快地滅磁以縮短在故障點的燃弧時間。所謂滅磁就是將轉(zhuǎn)子勵磁繞組的磁場迅速的減少到盡可能小的地步。滅磁的時間必須得短，轉(zhuǎn)子過電壓不得超過允許值，發(fā)電機的滅磁需要做到這兩點要求。發(fā)電機滅磁方式很多種，例如：單獨勵磁機滅磁、放電電阻滅磁、非線性電阻滅磁、滅弧柵滅磁和可控硅橋逆變滅磁等。圖2-3滅磁特性曲線本設計采用非線性電阻滅磁，其優(yōu)點是：在滅磁初始瞬間轉(zhuǎn)子電壓不超過容許值，而這之后，電壓的變化率基本不變，接近理想的滅磁曲線，滅磁時間短。此外，還可以將可控硅橋逆變滅磁作為后備滅磁方式。這種滅磁方式簡單、經(jīng)濟、無觸點化。圖2-4非線性電阻滅磁原理圖3勵磁系統(tǒng)控制回路的設計3.1控制回路的作用、構(gòu)成我們已經(jīng)知道勵磁調(diào)節(jié)器一般由基本裝置和輔助裝置兩部分組成。勵磁調(diào)節(jié)器的基本裝置主要包括測量比較單元、綜合放大單元和移相觸發(fā)單元三個部分。勵磁調(diào)節(jié)器的基本任務是根據(jù)發(fā)生電機端的電壓的變化，并將多種控制信號綜合放大，然后作用于移相觸發(fā)單元從而改變觸發(fā)脈沖的相位，得以控制可控硅導通的大小，使可控硅整流回路輸出的勵磁電流適應負載的需要，以保持發(fā)電機端電壓的恒定，其自動勵磁調(diào)節(jié)器的好壞，決定著勵磁裝置能否穩(wěn)定，持久，可靠運行。因此它是勵磁系統(tǒng)的一戶重要環(huán)節(jié)。再設計時要求勵磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、穩(wěn)定運行；方便檢修維護，具有良好的特性。3.2測量比較單元測量比較單元是調(diào)節(jié)器的敏感單元，它的基本作用是將測量發(fā)電機電壓并按比例變換為直流電壓信號，然后與相應的直流基準電壓進行比較，最后得到兩者的偏差信號送到綜合放大單元。測量比較單元的組成，如圖3-2圖3-2測量比較單元組成框圖3.2.1測量整定環(huán)節(jié)測量整流電路是由測量變壓器和整流橋組成的，發(fā)電機輸出的三相電壓經(jīng)過測量變壓器降壓，在經(jīng)過整流橋整流及濾波電路后，變換成與發(fā)電機成比例的平穩(wěn)的直流電壓，然后輸出到比較整定環(huán)節(jié)與相應的基準電壓進行比較。本設計采用六相橋式整流電路，如圖3-3，測量變壓器CB由三個單相的三繞組變壓器組成，副方有兩組三相繞組分別接到兩組三相整流橋，接線組別為△/△-12，△/Y-11，兩組相移30°兩橋在直流側(cè)并聯(lián)。圖3-3六相橋式整流電路原理圖六相橋式整流輸出的直流分量是1.4倍交流線電壓有效值，當電源頻率為50HZ時，最低次諧波頻率為600HZ，其它高次諧波，隨著頻率的增大，它的幅值也將減小。所以經(jīng)過六相整流后直流電壓已經(jīng)是比較平穩(wěn)的了。測量變壓器和六相橋式整流電路構(gòu)成了電壓測量單元，是將機端電壓的一個改變，這里把電壓測量單元看成一個比例環(huán)節(jié)3.2.2濾波電路測量整流電路輸出的是脈動的直流電壓，除直流分量外還含有其它高次諧波分量。將脈動的直流電壓通過濾波電路將高次諧波分量濾掉，從而得到平滑的直流電壓，以保證整定電路良好的工作，所以濾波電路是不可或缺的，本次設計濾波電路選擇濾波器，如圖3-4所示，濾波器是無源四端網(wǎng)絡，利用電容和電感的頻率特性。先由電容濾去一部分交流成分，再由電感和電容并聯(lián)的濾波器濾去一部分交流成分，使輸出的電壓脈動盡可能的小。圖3-4濾波電路3.2.3比較整定電路比較整定電路的任務是進行電壓比較和電壓整定，從而得到一個電壓偏差作為電壓偏差信號輸入到綜合放大單元。通過測量電壓和基準電壓相比較而得到電壓偏差，此外，為了使發(fā)動機對無功功率有一定的調(diào)節(jié)能力，還需進行電壓整定，就是通過調(diào)整整定電位器滑動觸頭的位置來改變發(fā)電機電壓的給定值。比較整定電路有對稱比較橋、不對稱比較橋和集成元件比較整定電路。本次設計采用集成元件比較整定電路，它是一種按比例加法器原理構(gòu)成的比較整定電路，如圖3-5所示，其基本原理是將測量電壓與給定的基準電壓在放大器的輸入端直接進行比較，來得到電壓偏差信號。這種比較整定電路基準電壓穩(wěn)定，通過改變電位器可以改變放電器的放大倍數(shù)，也就是改變了比較電路的靈敏度。在不同的整定電壓下具有相同的靈敏度，且輸入電壓的線性度好，電壓整定范圍非常大，機組能夠很好的從零起升壓到最高工作電壓。圖3-5集成元件比較整定電路3.3綜合放大單元綜合放大單元是將測量比較單元輸出幅值較小、變化緩慢、靈敏度低的電壓偏差信號放大，從而提高調(diào)節(jié)器的靈敏度，而且為了能更好的實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的多功能，還需要線性地綜合測量、反饋及限制等直流信號，并加以放大。由此可知，綜合放大單元有兩個作用，一個是綜合信號另一個是放大信號。由于它放大的是緩慢變化的信號，故宜采用的是直流放大器。對綜合放大單元的基本要求是：1）具有線性地綜合和多個輸入控制信號的能力；2）具有較高的運算精度且工作穩(wěn)定；3）反應速度快，時間常數(shù)?。怀Ｓ玫木C合放大器有簡單晶體管直流放大器、磁放大器、直流運算放大器和集成元件直流放大器。磁放大器是在調(diào)節(jié)器中早期采用的一種放大器，已經(jīng)逐漸淘汰。簡單的晶體管直流放大器適用于中、小型機組的調(diào)節(jié)器上。集成元件運算放大器有快速靈敏、運算精度高、綜合信號容易、工作穩(wěn)定和便于調(diào)試等優(yōu)點。所以本次設計采用集成元件直流放大器。如圖3-6所示，是低增益線性組件。圖3-6集成元件放大器原理圖3.4移相觸發(fā)單元在半導體勵磁調(diào)節(jié)裝置中，移相觸發(fā)單元的任務是將綜合放大單元輸出控制信號的變化，轉(zhuǎn)變成可以改變相位的脈沖，并用這個脈沖來觸發(fā)勵磁系統(tǒng)的功率輸出部分的可控硅，使其控制角隨綜合放大單元的控制電壓的變化而變化，從而產(chǎn)生自動勵磁的作用。如圖3-7所示，移相觸發(fā)單元一般由同步、相控、脈沖形成和脈沖放大等環(huán)節(jié)組成。圖3-7移相觸發(fā)單元組成框圖3.4.1對移相觸發(fā)單元的要求（1）可控硅的觸發(fā)脈沖必須與整流橋電路的電源同步。（2）觸發(fā)脈沖的移相范圍要滿足可控硅整流電路的要求。（3）為滿足可控硅導通的要求，觸發(fā)脈沖應具有足夠的功率。（4）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，有足夠的幅值和寬度。（5）各相可控硅元件的控制角應保持一致。（6）觸發(fā)電路應與主電路互相隔離，以確保安全。3.4.2移相觸發(fā)電路的種類及選擇應用在勵磁調(diào)節(jié)器中的觸發(fā)電路有很多，例如：單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路；晶體管單穩(wěn)態(tài)移相觸發(fā)電路；晶體管鋸齒波移相觸發(fā)電路；正弦波移相觸發(fā)電路；同步電壓信號需要通過同步變壓器獲得，對于三相全控橋來說，同步變壓器應采用六相雙星形接法，從而保證觸發(fā)單元與主電路有一點的聯(lián)系。本次設計采用晶體管鋸齒波移相觸發(fā)電路，鋸齒波的線性度和對稱度好，移相范圍大，鋸齒波不受交流電壓波動的影響，如圖3-8所示。（a）原理圖（b）電壓波形圖圖3-8鋸齒波發(fā)生電路移相觸發(fā)電路包括移相角確定電路、三穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、脈沖放大電路和移向角限制電路。4勵磁系統(tǒng)控制算法研究4.1勵磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型建立同步電機是勵磁控制系統(tǒng)的控制對象，其電磁暫態(tài)和機電互動現(xiàn)象十分豐富，如何使用有效的控制策略，使勵磁系統(tǒng)能夠正確、高效運行，保證發(fā)電機組運行效果，一直以來都是極為活躍的研究領域。勵磁控制系統(tǒng)由勵磁控制器、功率單元、勵磁變壓器等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)可以如圖4-1所示：圖2-1勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對于電網(wǎng)，由于整個電力系統(tǒng)是一個十分龐大的系統(tǒng)，本文采用單機‐無窮大的抽象方法簡化分析。單機無窮大系統(tǒng)是指一臺同步發(fā)電機經(jīng)過升壓變壓器和一段傳輸線接到了無窮大電網(wǎng)上，由于電網(wǎng)系統(tǒng)無窮大，則其能夠提供或吸收的能量是無窮大的，電壓能夠保持恒定。在同步發(fā)電機正常運行區(qū)域內(nèi)，不考慮發(fā)電機的飽和特性，在恒定的轉(zhuǎn)速下，可以認為發(fā)電機端電壓穩(wěn)定幅值和勵磁電壓成正比。但是兩者之間的比例關系是有一定的滯后的，因此可以用一階慣性環(huán)節(jié)來近似代表發(fā)電機的傳遞函數(shù)。GGs=KF1+Tdc其中,KF表示勵磁電壓和機端電壓的比例，Tdc為發(fā)電機的慣性常數(shù)，單位為秒級。對于勵磁控制器的測量環(huán)節(jié)，輸出值和采樣得到的數(shù)字量之間也是成正比關系，但是信號調(diào)理環(huán)節(jié)和采樣環(huán)節(jié)會有一定的濾波和延時，因此也可以認為是一個一階慣性環(huán)節(jié)。設其傳遞函數(shù)為：G1s=KCF1+其中,KCF表示電壓采樣得到的數(shù)字量和實際值的比例，Td為測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，單位是毫秒級。另外系統(tǒng)中還包括勵磁控制器脈沖信號的功率放大環(huán)節(jié)和可控硅整流環(huán)節(jié)，其中功率放大環(huán)節(jié)是其輸出電壓和輸入電壓的比值，而可控硅整流環(huán)節(jié)可以表示為：GEs=Ka1+其中,Ka表示整流環(huán)節(jié)的電壓比，而Ts為其時間常數(shù)，一般Ts=3.3ms。由以上分析可以得出，在發(fā)電機穩(wěn)定運行區(qū)域內(nèi)，可以將勵磁控制器的被控對象近似為一個三階模型，通過勵磁控制器組成一個三階閉環(huán)控制回路。對于一個三階閉環(huán)參考模型，其特性可以由阻尼比ξ和固有振蕩頻率ωn分別唯一確定。本文提出如何設計針對特定ξ和ωn的勵磁PID控制器。4.2勵磁PID控制器的設計對于一個三階閉環(huán)系統(tǒng)，設其傳遞函數(shù)為:RBs=1a式(4.4)中，a1、a2、a3為待定正實數(shù)。設對于這個系統(tǒng)，設其實數(shù)根為k1，其兩個共軛虛根為-k2±jk3。則RB(s)根的表達式為:RBs=k1k取共軛虛根-k2±jk3為系統(tǒng)的主導極點，在工程上，一般要求k1比k2至少大5倍以上。若取k1=10k2，則主導極點模型和原系統(tǒng)模型的性能十分近似。該系統(tǒng)主導極點的二階系統(tǒng)為：RB2s=k22對于二階系統(tǒng)，有k2=ξωnk對于二階系統(tǒng)，其阻尼比決定二階系統(tǒng)的超調(diào)，固有振蕩頻率與系統(tǒng)的上升時間，峰值時間和調(diào)整時間成反比，和系統(tǒng)的動態(tài)響應快速性有關。由于二階系統(tǒng)的性能完全由阻尼比和固有振蕩頻率決定，只要能使勵磁三階系統(tǒng)的性能盡量逼近(4.7)所表示的二階系統(tǒng)，則勵磁系統(tǒng)的性能也能由阻尼比和固有振蕩頻率決定。將式(4.7)代入式(4.5)，并且取k1=10k2，則可以得到勵磁系統(tǒng)的三階模型為：RBs=10ξω令Tn=1RB