2Kw同步发电机励磁控制系统励磁控制器设计

综合控制系统工程设计题目：2Kw同步发电机励磁控制系统励磁控制器设计
院、系：电信院
学科专业：电气工程及其自动化
学生：梅松毅
学号： *********
指导教师：**
2015年 12月
2Kw同步发电机励磁控制系统励磁控制器设计
摘要
同步发电机励磁控制系统，是同步发电机控制系统的重要组成部分，它不仅控制发电机出口端电压，而且还控制发电机无功功率，功率因数和电流等参数。

同步发电机的励磁系统一般由两个部分组成。

一部分用以向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称之为励磁功率输出部分（功率单元）。

另一部分用于在正常运行或事故时调节励磁电流，以满足运行的需要，它包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁、和自动灭磁等，一般称之为励磁控制单元（控制单元，或通称为励磁控制器）。

课程设计任务中所需设计的励磁控制器主要是针对主励磁系统为自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统而设立。

关键词：直流电流调节励磁电流励磁控制单元
Design of excitation controller of 2Kw synchronous generator
excitation control system
Abstract
Synchronous generator excitation control system is an important part of the synchronous 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 winding 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 excitation 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 the 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
目录
中文摘要
英文摘要
1 绪论 (1)
1.1 前言 (1)
1. 2 同步发电机励磁控制系统发展 (1)
1.3课题背景 (1)
1.4本文主要研究工作 (1)
2 正文 (3)
2.1 励磁控制器的总体结构及工作原理 (3)
2.2 励磁控制器设计任务分析 (4)
2.3 励磁控制器的硬件总体设计 (5)
2.4励磁控制器的软件总体设计 (6)
3 结论 (8)
4致谢 (9)
5参考文献 (9)
1 绪论
1.1 前言
同步发电机励磁控制系统，是同步发电机控制系统的重要组成部分，其主要任务是通过调节发电机励磁绕组的直流电流，控制发电机机端电压恒定，满足发电机正常发电的需要，同时控制发电机组间无功功率的合理分配。

1. 2 同步发电机励磁控制系统励磁发展史
励磁控制器是同步发电机的一个重要部分，对于发电机的正常运行，对电力系统的安全稳定运行具有非常重要的作用。

随着发电机容量增加与电网规模的不断扩大，对于励磁控制器的控制性能与速度，保护功能的完善都提出了更高的要求。

控制理论、电力电子技术与芯片技术的发展，促进了励磁控制装置的不断创新，数字化技术成为励磁控制系统发展的趋势。

1.3 课题背景
本文阐述了励磁系统在电力系统中发挥的重要作用，介绍了励磁控制系统的概念、分类及发展状况，并详细说明了励磁控制器的工作原理，分析了各种励磁控制理论的实现方法及实际应用情况：PID励磁控制、PSS(电力系统稳定器)原理、线性最优励磁控制、非线性最优励磁控制并最终根据实际需要确定了本设计的控制方式。

1.4 本文主要研究工作
选择适当的芯片作为同步发电机励磁控制器的控制核心，利用其数据处理能
力和高速的实时控制能力，结合其片内外设，设计出相应的硬件电路和软件。

用单片系统结构实现交流采样、频率测量、移相触发和励磁控制等功能。

使同步发电机励磁控制器的性能指标基本达到国标GB10585-89中小型同步电机励磁系统基本技术要求的规定。

2正文
2.1 励磁控制器的总体结构及工作原理
本文设计的励磁控制器应用最成熟的PID控制算法实现对恒机端电压的控制励磁控制系统的总体结构。

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。

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 DSP芯片，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。

装置采集的模拟量包括发电机机端电压，系统电压(电网电压) ，定子电流，励磁电压，励磁电流，各电压互感器，电流互感器所得交流信号，励磁电压，励磁电流经隔离后，进入模拟量输入通道转换成数字量，由主控系统滤波处理后，经过均方根算法，计算出机端电压，系统电压，定子电流的有效值，有功功率，无功功率，功率因数以及励磁电流，励磁电压的平均值，这些状态反馈信号数据供控制器进行计算和分析使用，同时将啊相电压经同步方波变换电路得到同步信号，供频率检测和同步脉冲触发使用，为了保证控制调节的实时性，程序在计算模块中首先对采集到的最新模拟量进行计算，按照控制算法推算出三相全控桥的移相触发角，然后将此触发角换算为定时器的计数值，到达定时值时利用电视片芯片上的电机控制抛物面模块( 后续章节简称抛物面模块) 产生控制脉冲，此脉冲经隔离和功率放大后去触发三相全控桥，来控制励磁电流的大小，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和限制，保护，检测，故障判断等功能。

2.2 励磁控制器设计任务分析
数字式励磁调节器可以实现模拟式励磁调节器较难实现的控制策略，且便于修改，灵活性强。

数字式励磁调节器原理框图如下：
励磁控制器作为同步发电机控制的一个重要辅助控制设备，由励磁功率单元和励磁控制器单元两部分构成。

本课题的研究基于励磁控制器的需求和发展趋势，充分利用所选单片机芯片丰富的外设资源，完成励磁控制器各模块的软硬件设计，使励磁控制器的多个功能数字化地整合为一体，功能较为齐备，结构简单，提高励磁控制系统的可靠性&在对现有的国内外励磁控制装置功能和结构研究的基础上，确定该励磁控制器的主要设计任务包括:
（1）信号量采集单元: 要想对发电机进行控制，首先应该得到发电机及电力系统当时的状态，这些状态量由一系列信号所表征。

信号采集部分的任务就是Y要快速，准确的采集外部信号，为控制算法提供参数。

模拟信号的采集需要保证数据采样的精度和速度，并降低谐波等干扰因素的影响。

开关信号的检测需要注意强电电路部分与控制电路部分间的强，弱电隔离，并注意增强抗干扰能力，防信号误动作。

模拟量采集框图
(2) 同步信号捕捉单元: 电力系统的频率是时刻变化的，励磁控制器需要通过同步捕捉单元来跟踪电力系统的频率变化，这一方面有利于提高信号交流采样的精度，另一方面为控制触发脉冲的产生提供时基和定时的起点。

(3)主控制单元: 利用DSP丰富的片上资源和强大的控制处理能力，构造控制单元的核心部分，配置I/O空间，提供较好的外围接口电路以便于系统硬件扩展，编写控制程序完成调压,模拟量的采集计算，测频,励磁限制等功能.
PID算法控制框图如下：
PID算法控制框图
(4) 脉冲触发单元: PID控制算法计算所得的结果需要转换为控制脉冲以驱动功率器件加以执行，实现所需的控制功能.这部分需要完成移相脉冲的形成,整形调制和功率放大部分的软硬件设计.
2.3 励磁控制器的硬件总体设计
为实现上述的功能，励磁控制器需具备有: 电量测量,调节运算,同步信号检测,脉冲移相放大等基本单元.根据前文所述的励磁控制器的基本要求，励磁控制器也由以下几个基本单元组成: 主控制单元,模拟量输入通道%开关量输入输出通道,同步测频单元和脉冲放大单元等，励磁控制器的硬件总体结构框图。

本文所设计的励磁控制器首先利用DSP芯片的捕捉单元捕捉的电压信号计算出发电机频率，确定AD转换的采样周期: 对发电机的机端电压,系统电压,定子电流等模拟量进行高速交流采样，对励磁电流,励磁电压进行直流采样，采样完成后，经过均方根算法，计算出机端电压,系统电压,定子电流,有功功率,无功功率,功率因数，这些状态反馈数据供PID调节装置进行计算和分析使用; 当同步信号到来后，利用DSP芯片的定时器及PWM模块产生移相触发脉冲，此脉冲经过功率放大单元触发三相整流桥，达到通过控制发电机转子励磁电流来控制和调节发电机电压或无功功率的目的,同时，励磁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,限制等功能.
2.4励磁控制器的软件总体设计
硬件部分设计是励磁控制的基础，而软件部分则是励磁控制的灵魂，在硬件的基础上，励磁控制器的主要功能均由软件来完成。

励磁系统的软件设计遵循结构化，模块化，自顶向下，逐步细化的编程思想。

励磁控制应用程序由主程序和中断程序两部分组成，其中中断程序完成频率检测计算，数据交流采样计算和移相触发等励磁控制的主要功能，主程序完成主控制器及外围扩展电路的初始化等功能，为响应中断做好准备。

主程序流程图
DSP芯片增强的扩展中断处理能力为程序的设计带来了极大的方便和好处，灵活地应用中断可以方便地解决许多其它方法难以解决的问题,为了完成励磁控制器的控制功能需要进行机端频率捕捉程序,数据交流采样程序,脉冲移相触发程序,恒机端电压控制程序和各种励磁限制程序的设计.
3总结
励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，它直接影响发电机的运行特性，对电力系统的安全稳定运行有重要的影响.一台同步发电机除电机本身特质外，其优良品质很大程度决定于其励磁系统，一个性能优良的数字式自动励磁系统可极大地提高同步发电机的性能，同时也能提高其在市场中的竞争能力。

4致谢
通过这次课程设计，以及对一些相关的优秀文献的阅读与理解，使我对同步发电机励磁控制系统励磁控制器有了一定的了解与认识。

感谢指导老师与同学的一些建议与帮助，使我受益匪浅。

5参考文献
[1]吴君晓、白敬彩.同步发电机励磁控制器设计[J].工矿自动化.2013
[2]李丽华.同步发电机励磁控制系统设计与分析[A].2006
[3]刘军华.同步发电机数字式励磁控制系统的设计.2011。