1、綜合控制系統工程設計 題目：2Kw同步發電機勵磁控制系統勵磁控制器設計 院、 系： 電信院 學科專業： 電氣工程及其自動化學 生： 梅松毅 學 號： 120419111 指導教師： 曹 凱 2015年 12月2Kw同步發電機勵磁控制系統勵磁控制器設計摘要同步發電機勵磁控制系統，是同步發電機控制系統的重要組成部分，它不僅控制發電機出口端電壓，而且還控制發電機無功功率，功率因數和電流等參數。同步發電機的勵磁系統一般由兩個部分組成。一部分用以向發電機的磁場繞組提供直流電流，以建立直流磁場，通常稱之為勵磁功率輸出部分（功率單元）。另一部分用于在正常運行或事故時調節勵磁電流，以滿足運行的需要，它包括勵磁

2、調節器、強行勵磁、強行減磁、和自動滅磁等，一般稱之為勵磁控制單元（控制單元，或通稱為勵磁控制器）。課程設計任務中所需設計的勵磁控制器主要是針對主勵磁系統為自勵交流勵磁機靜止可控整流器勵磁系統而設立。 關鍵詞：直流電流 調節勵磁電流 勵磁控制單元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 同步發電機勵磁控制系統發展第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 勵磁

7、控制器的總體結構及工作原理第3頁2.2 勵磁控制器設計任務分析第4頁2.3 勵磁控制器的硬件總體設計第5頁2.4勵磁控制器的軟件總體設計第6頁3 結論第8頁4致謝第9頁5參考文獻第9頁1 緒論1.1 前言同步發電機勵磁控制系統，是同步發電機控制系統的重要組成部分，其主要任務是通過調節發電機勵磁繞組的直流電流，控制發電機機端電壓恒定，滿足發電機正常發電的需要，同時控制發電機組間無功功率的合理分配。1. 2 同步發電機勵磁控制系統勵磁發展史 勵磁控制器是同步發電機的一個重要部分，對于發電機的正常運行，對電力系統的安全穩定運行具有非常重要的作用。隨著發電機容量增加與電網規模的不斷擴大，對于勵磁控制器

8、的控制性能與速度，保護功能的完善都提出了更高的要求。控制理論、電力電子技術與芯片技術的發展，促進了勵磁控制裝置的不斷創新，數字化技術成為勵磁控制系統發展的趨勢。1.3 課題背景 本文闡述了勵磁系統在電力系統中發揮的重要作用，介紹了勵磁控制系統的概念、分類及發展狀況，并詳細說明了勵磁控制器的工作原理，分析了各種勵磁控制理論的實現方法及實際應用情況：PID勵磁控制、PSS(電力系統穩定器)原理、線性最優勵磁控制、非線性最優勵磁控制并最終根據實際需要確定了本設計的控制方式。1.4 本文主要研究工作 選擇適當的芯片作為同步發電機勵磁控制器的控制核心，利用其數據處理能力和高速的實時控制能力，結合其片內外

9、設，設計出相應的硬件電路和軟件。用單片系統結構實現交流采樣、頻率測量、移相觸發和勵磁控制等功能。使同步發電機勵磁控制器的性能指標基本達到國標GB10585-89中小型同步電機勵磁系統基本技術要求的規定。2正文2.1 勵磁控制器的總體結構及工作原理本文設計的勵磁控制器應用最成熟的PID控制算法實現對恒機端電壓的控制勵磁控制系統的總體結構。 在自并勵勵磁控制系統中，勵磁電源取自發電機機端電壓，發電機正常運轉之前，不能提供勵磁電流，所以發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

10、電壓時此值可在線修改，自動發出一個控制信號，斷開接觸器，切斷起勵電源，進入正常調節升壓。在發電機正常工作時，勵磁電源由接在發電機機端的勵磁變壓器提供，經三相全控橋整流后供給發電機勵磁電流&控制部分負責將電量采集送入 DSP芯片，經過實時計算后送入控制器，經過控制算法處理后輸出控制量，即三相全控橋的觸發角，通過觸發角的改變來控制發電機勵磁電流的大小。裝置采集的模擬量包括發電機機端電壓，系統電壓(電網電壓) ，定子電流，勵磁電壓，勵磁電流，各電壓互感器，電流互感器所得交流信號，勵磁電壓，勵磁電流經隔離后，進入模擬量輸入通道轉換成數字量，由主控系統濾波處理后，經過均方根算法，計算出機端電壓，

11、系統電壓，定子電流的有效值，有功功率，無功功率，功率因數以及勵磁電流，勵磁電壓的平均值，這些狀態反饋信號數據供控制器進行計算和分析使用，同時將啊相電壓經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使用，為了保證控制調節的實時性，程序在計算模塊中首先對采集到的最新模擬量進行計算，按照控制算法推算出三相全控橋的移相觸發角，然后將此觸發角換算為定時器的計數值，到達定時值時利用電視片芯片上的電機控制拋物面模塊( 后續章節簡稱拋物面模塊) 產生控制脈沖，此脈沖經隔離和功率放大后去觸發三相全控橋，來控制勵磁電流的大小，當發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

12、小勵磁電流，從而達到控制和調節發電機機端電壓和無功功率的目的。控制器還將根據現場輸入的操作和狀態信號進行邏輯判斷，實現各種運行方式所需的勵磁調節和限制，保護，檢測，故障判斷等功能。2.2 勵磁控制器設計任務分析數字式勵磁調節器可以實現模擬式勵磁調節器較難實現的控制策略，且便于修改，靈活性強。數字式勵磁調節器原理框圖如下：勵磁控制器作為同步發電機控制的一個重要輔助控制設備，由勵磁功率單元和勵磁控制器單元兩部分構成。本課題的研究基于勵磁控制器的需求和發展趨勢，充分利用所選單片機芯片豐富的外設資源，完成勵磁控制器各模塊的軟硬件設計，使勵磁控制器的多個功能數字化地整合為一體，功能較為齊備，結構簡單，提

13、高勵磁控制系統的可靠性&在對現有的國內外勵磁控制裝置功能和結構研究的基礎上，確定該勵磁控制器的主要設計任務包括:（1） 信號量采集單元: 要想對發電機進行控制，首先應該得到發電機及電力系統當時的狀態，這些狀態量由一系列信號所表征。信號采集部分的任務就是Y要快速，準確的采集外部信號，為控制算法提供參數。模擬信號的采集需要保證數據采樣的精度和速度，并降低諧波等干擾因素的影響。開關信號的檢測需要注意強電電路部分與控制電路部分間的強，弱電隔離，并注意增強抗干擾能力，防信號誤動作。模擬量采集框圖(2) 同步信號捕捉單元: 電力系統的頻率是時刻變化的，勵磁控制器需要通過同步捕捉單元來跟蹤電力系統的

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脈沖的產生提供時基和定時的起點。(3) 主控制單元: 利用DSP豐富的片上資源和強大的控制處理能力，構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硬件擴展，編寫控制程序完成調壓,模擬量的采集計算，測頻,勵磁限制等功能.PID算法控制框圖如下： PID算法控制框圖(4) 脈沖觸發單元: PID控制算法計算所得的結果需要轉換為控制脈沖以驅動功率器件加以執行，實現所需的控制功能.這部分需要完成移相脈沖的形成,整形調制和功率放大部分的軟硬件設計.2.3 勵磁控制器的硬件總體設計為實現上述的功能，勵磁控制器需具備

15、有: 電量測量,調節運算,同步信號檢測,脈沖移相放大等基本單元.根據前文所述的勵磁控制器的基本要求，勵磁控制器也由以下幾個基本單元組成: 主控制單元,模擬量輸入通道%開關量輸入輸出通道,同步測頻單元和脈沖放大單元等，勵磁控制器的硬件總體結構框圖。本文所設計的勵磁控制器首先利用DSP芯片的捕捉單元捕捉的電壓信號計算出發電機頻率，確定AD轉換的采樣周期: 對發電機的機端電壓,系統電壓,定子電流等模擬量進行高速交流采樣，對勵磁電流,勵磁電壓進行直流采樣，采樣完成后，經過均方根算法，計算出機端電壓,系統電壓,定子電流,有功功率,無功功率,功率因數，這些狀態反饋數據供PID調節裝置進行計算和分析使用;

16、當同步信號到來后，利用DSP芯片的定時器及PWM模塊產生移相觸發脈沖，此脈沖經過功率放大單元觸發三相整流橋，達到通過控制發電機轉子勵磁電流來控制和調節發電機電壓或無功功率的目的,同時，勵磁控制器還將根據現場輸入的操作和狀態信號進行邏輯判斷，實現各種運行方式所需的勵磁調節,限制等功能.2.4勵磁控制器的軟件總體設計硬件部分設計是勵磁控制的基礎，而軟件部分則是勵磁控制的靈魂，在硬件的基礎上，勵磁控制器的主要功能均由軟件來完成。勵磁系統的軟件設計遵循結構化，模塊化，自頂向下，逐步細化的編程思想。勵磁控制應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算，數據交流采樣計算和移相觸發等勵磁控制的主要功能，主程序完成主控制器及外圍擴展電路的初始化等功能，為響應中斷做好準備。 主程序流程圖DSP芯片增強的擴展中斷處理能力為程序的設計帶來了極大的方便和好處，靈活地應用中斷可以方便地解決許多其它方法難以解決的問題,為了完成勵磁控制器的控制功能需要進行機端頻率捕捉程序,數據交流采樣程序,脈沖移相觸發程序,恒機端電壓控制程序和各種勵磁限制程序的設計.3總結勵磁系統是同步發電機的一個重要組成部分，它直接影響發電機的運行特性，對電力系統的安全穩定運行有重要的