2Kw同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)綜述綜述

1、綜合控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì) 題目：2Kw同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì) 院、 系： 電信院 學(xué)科專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化學(xué) 生： 梅松毅 學(xué) 號： 120419111 指導(dǎo)教師： 曹 凱 2015年 12月2Kw同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)摘要同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，是同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅控制發(fā)電機(jī)出口端電壓，而且還控制發(fā)電機(jī)無功功率，功率因數(shù)和電流等參數(shù)。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成。一部分用以向發(fā)電機(jī)的磁場繞組提供直流電流，以建立直流磁場，通常稱之為勵(lì)磁功率輸出部分（功率單元）。另一部分用于在正常運(yùn)行或事故時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以滿足運(yùn)行的需要，它包括勵(lì)磁

2、調(diào)節(jié)器、強(qiáng)行勵(lì)磁、強(qiáng)行減磁、和自動(dòng)滅磁等，一般稱之為勵(lì)磁控制單元（控制單元，或通稱為勵(lì)磁控制器）。課程設(shè)計(jì)任務(wù)中所需設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器主要是針對主勵(lì)磁系統(tǒng)為自勵(lì)交流勵(lì)磁機(jī)靜止可控整流器勵(lì)磁系統(tǒng)而設(shè)立。 關(guān)鍵詞：直流電流 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流 勵(lì)磁控制單元Design of excitation controller of 2Kw synchronous generator excitation control systemAbstract Synchronous generator excitation control system is an important part of the synchro

3、nous generator control system. It not only controls outlet of generator terminal voltage, but also to control the generator reactive power, power factor and current and other parameters. The excitation system of the synchronous generator is generally composed of two parts. A portion of the field win

4、ding of the generator is provided with a DC current to establish a DC magnetic field, which is commonly referred to as the excitation power output section (power unit). Another part for normal operation or accident in the regulation of excitation current to meet the operational needs, including exci

5、tation regulator, forced excitation, the forced reduction of magnetic and automatic demagnetization etc., commonly known for excitation control unit, control unit, or commonly known as the excitation controller). Task of curriculum design in the required excitation controller design is mainly for th

6、e main excitation system for self-excited AC excitation machine static controllable rectifier excitation system and the establishment of.Key word：Direct current Adjust the excitation current Excitation control unit目錄中文摘要英文摘要1 緒論第1頁1.1 前言第1頁1. 2 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)發(fā)展第1頁1.3 課題背景第1頁1.4本文主要研究工作第1頁2 正文 第3頁2.1 勵(lì)磁

7、控制器的總體結(jié)構(gòu)及工作原理第3頁2.2 勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)任務(wù)分析第4頁2.3 勵(lì)磁控制器的硬件總體設(shè)計(jì)第5頁2.4勵(lì)磁控制器的軟件總體設(shè)計(jì)第6頁3 結(jié)論第8頁4致謝第9頁5參考文獻(xiàn)第9頁1 緒論1.1 前言同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)，是同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要任務(wù)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的直流電流，控制發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓恒定，滿足發(fā)電機(jī)正常發(fā)電的需要，同時(shí)控制發(fā)電機(jī)組間無功功率的合理分配。1. 2 同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)勵(lì)磁發(fā)展史 勵(lì)磁控制器是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要部分，對于發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有非常重要的作用。隨著發(fā)電機(jī)容量增加與電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對于勵(lì)磁控制器

8、的控制性能與速度，保護(hù)功能的完善都提出了更高的要求?？刂评碚摗㈦娏﹄娮蛹夹g(shù)與芯片技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了勵(lì)磁控制裝置的不斷創(chuàng)新，數(shù)字化技術(shù)成為勵(lì)磁控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。1.3 課題背景 本文闡述了勵(lì)磁系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮的重要作用，介紹了勵(lì)磁控制系統(tǒng)的概念、分類及發(fā)展?fàn)顩r，并詳細(xì)說明了勵(lì)磁控制器的工作原理，分析了各種勵(lì)磁控制理論的實(shí)現(xiàn)方法及實(shí)際應(yīng)用情況：PID勵(lì)磁控制、PSS(電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)原理、線性最優(yōu)勵(lì)磁控制、非線性最優(yōu)勵(lì)磁控制并最終根據(jù)實(shí)際需要確定了本設(shè)計(jì)的控制方式。1.4 本文主要研究工作 選擇適當(dāng)?shù)男酒鳛橥桨l(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的控制核心，利用其數(shù)據(jù)處理能力和高速的實(shí)時(shí)控制能力，結(jié)合其片內(nèi)外

9、設(shè)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的硬件電路和軟件。用單片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)交流采樣、頻率測量、移相觸發(fā)和勵(lì)磁控制等功能。使同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器的性能指標(biāo)基本達(dá)到國標(biāo)GB10585-89中小型同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)基本技術(shù)要求的規(guī)定。2正文2.1 勵(lì)磁控制器的總體結(jié)構(gòu)及工作原理本文設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器應(yīng)用最成熟的PID控制算法實(shí)現(xiàn)對恒機(jī)端電壓的控制勵(lì)磁控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。 在自并勵(lì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)中，勵(lì)磁電源取自發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前，不能提供勵(lì)磁電流，所以發(fā)電機(jī)起勵(lì)時(shí)要外加起勵(lì)電源，一般為提高勵(lì)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(lì)磁繞組進(jìn)行起勵(lì)。當(dāng)程序判斷出機(jī)端電壓達(dá)到額定

10、電壓時(shí)此值可在線修改，自動(dòng)發(fā)出一個(gè)控制信號，斷開接觸器，切斷起勵(lì)電源，進(jìn)入正常調(diào)節(jié)升壓。在發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，勵(lì)磁電源由接在發(fā)電機(jī)機(jī)端的勵(lì)磁變壓器提供，經(jīng)三相全控橋整流后供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流&控制部分負(fù)責(zé)將電量采集送入 DSP芯片，經(jīng)過實(shí)時(shí)計(jì)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(jī)勵(lì)磁電流的大小。裝置采集的模擬量包括發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，系統(tǒng)電壓(電網(wǎng)電壓) ，定子電流，勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電流，各電壓互感器，電流互感器所得交流信號，勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電流經(jīng)隔離后，進(jìn)入模擬量輸入通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由主控系統(tǒng)濾波處理后，經(jīng)過均方根算法，計(jì)算出機(jī)端電壓，

11、系統(tǒng)電壓，定子電流的有效值，有功功率，無功功率，功率因數(shù)以及勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電壓的平均值，這些狀態(tài)反饋信號數(shù)據(jù)供控制器進(jìn)行計(jì)算和分析使用，同時(shí)將啊相電壓經(jīng)同步方波變換電路得到同步信號，供頻率檢測和同步脈沖觸發(fā)使用，為了保證控制調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性，程序在計(jì)算模塊中首先對采集到的最新模擬量進(jìn)行計(jì)算，按照控制算法推算出三相全控橋的移相觸發(fā)角，然后將此觸發(fā)角換算為定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，到達(dá)定時(shí)值時(shí)利用電視片芯片上的電機(jī)控制拋物面模塊( 后續(xù)章節(jié)簡稱拋物面模塊) 產(chǎn)生控制脈沖，此脈沖經(jīng)隔離和功率放大后去觸發(fā)三相全控橋，來控制勵(lì)磁電流的大小，當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的測量值低于給定值時(shí)，增大勵(lì)磁電流，使機(jī)端電壓上升; 反之，減

12、小勵(lì)磁電流，從而達(dá)到控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和無功功率的目的?？刂破鬟€將根據(jù)現(xiàn)場輸入的操作和狀態(tài)信號進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行方式所需的勵(lì)磁調(diào)節(jié)和限制，保護(hù)，檢測，故障判斷等功能。2.2 勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)任務(wù)分析數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)模擬式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器較難實(shí)現(xiàn)的控制策略，且便于修改，靈活性強(qiáng)。數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器原理框圖如下：勵(lì)磁控制器作為同步發(fā)電機(jī)控制的一個(gè)重要輔助控制設(shè)備，由勵(lì)磁功率單元和勵(lì)磁控制器單元兩部分構(gòu)成。本課題的研究基于勵(lì)磁控制器的需求和發(fā)展趨勢，充分利用所選單片機(jī)芯片豐富的外設(shè)資源，完成勵(lì)磁控制器各模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，使勵(lì)磁控制器的多個(gè)功能數(shù)字化地整合為一體，功能較為齊備，結(jié)構(gòu)簡單，提

13、高勵(lì)磁控制系統(tǒng)的可靠性&在對現(xiàn)有的國內(nèi)外勵(lì)磁控制裝置功能和結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，確定該勵(lì)磁控制器的主要設(shè)計(jì)任務(wù)包括:（1） 信號量采集單元: 要想對發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制，首先應(yīng)該得到發(fā)電機(jī)及電力系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)，這些狀態(tài)量由一系列信號所表征。信號采集部分的任務(wù)就是Y要快速，準(zhǔn)確的采集外部信號，為控制算法提供參數(shù)。模擬信號的采集需要保證數(shù)據(jù)采樣的精度和速度，并降低諧波等干擾因素的影響。開關(guān)信號的檢測需要注意強(qiáng)電電路部分與控制電路部分間的強(qiáng)，弱電隔離，并注意增強(qiáng)抗干擾能力，防信號誤動(dòng)作。模擬量采集框圖(2) 同步信號捕捉單元: 電力系統(tǒng)的頻率是時(shí)刻變化的，勵(lì)磁控制器需要通過同步捕捉單元來跟蹤電力系統(tǒng)的

14、頻率變化，這一方面有利于提高信號交流采樣的精度，另一方面為控制觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生提供時(shí)基和定時(shí)的起點(diǎn)。(3) 主控制單元: 利用DSP豐富的片上資源和強(qiáng)大的控制處理能力，構(gòu)造控制單元的核心部分，配置I/O空間，提供較好的外圍接口電路以便于系統(tǒng)硬件擴(kuò)展，編寫控制程序完成調(diào)壓,模擬量的采集計(jì)算，測頻,勵(lì)磁限制等功能.PID算法控制框圖如下： PID算法控制框圖(4) 脈沖觸發(fā)單元: PID控制算法計(jì)算所得的結(jié)果需要轉(zhuǎn)換為控制脈沖以驅(qū)動(dòng)功率器件加以執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)所需的控制功能.這部分需要完成移相脈沖的形成,整形調(diào)制和功率放大部分的軟硬件設(shè)計(jì).2.3 勵(lì)磁控制器的硬件總體設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)上述的功能，勵(lì)磁控制器需具備

15、有: 電量測量,調(diào)節(jié)運(yùn)算,同步信號檢測,脈沖移相放大等基本單元.根據(jù)前文所述的勵(lì)磁控制器的基本要求，勵(lì)磁控制器也由以下幾個(gè)基本單元組成: 主控制單元,模擬量輸入通道%開關(guān)量輸入輸出通道,同步測頻單元和脈沖放大單元等，勵(lì)磁控制器的硬件總體結(jié)構(gòu)框圖。本文所設(shè)計(jì)的勵(lì)磁控制器首先利用DSP芯片的捕捉單元捕捉的電壓信號計(jì)算出發(fā)電機(jī)頻率，確定AD轉(zhuǎn)換的采樣周期: 對發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓,系統(tǒng)電壓,定子電流等模擬量進(jìn)行高速交流采樣，對勵(lì)磁電流,勵(lì)磁電壓進(jìn)行直流采樣，采樣完成后，經(jīng)過均方根算法，計(jì)算出機(jī)端電壓,系統(tǒng)電壓,定子電流,有功功率,無功功率,功率因數(shù)，這些狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)供PID調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行計(jì)算和分析使用;

16、當(dāng)同步信號到來后，利用DSP芯片的定時(shí)器及PWM模塊產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)過功率放大單元觸發(fā)三相整流橋，達(dá)到通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流來控制和調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓或無功功率的目的,同時(shí)，勵(lì)磁控制器還將根據(jù)現(xiàn)場輸入的操作和狀態(tài)信號進(jìn)行邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行方式所需的勵(lì)磁調(diào)節(jié),限制等功能.2.4勵(lì)磁控制器的軟件總體設(shè)計(jì)硬件部分設(shè)計(jì)是勵(lì)磁控制的基礎(chǔ)，而軟件部分則是勵(lì)磁控制的靈魂，在硬件的基礎(chǔ)上，勵(lì)磁控制器的主要功能均由軟件來完成。勵(lì)磁系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)化，模塊化，自頂向下，逐步細(xì)化的編程思想。勵(lì)磁控制應(yīng)用程序由主程序和中斷程序兩部分組成，其中中斷程序完成頻率檢測計(jì)算，數(shù)據(jù)交流采樣計(jì)算和移相觸發(fā)等勵(lì)磁控制的主要功能，主程序完成主控制器及外圍擴(kuò)展電路的初始化等功能，為響應(yīng)中斷做好準(zhǔn)備。 主程序流程圖DSP芯片增強(qiáng)的擴(kuò)展中斷處理能力為程序的設(shè)計(jì)帶來了極大的方便和好處，靈活地應(yīng)用中斷可以方便地解決許多其它方法難以解決的問題,為了完成勵(lì)磁控制器的控制功能需要進(jìn)行機(jī)端頻率捕捉程序,數(shù)據(jù)交流采樣程序,脈沖移相觸發(fā)程序,恒機(jī)端電壓控制程序和各種勵(lì)磁限制程序的設(shè)計(jì).3總結(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要的