同步发电机励磁自动调节系统设计Word文档下载推荐.docx
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1绪论
1.1同步发电机励磁系统介绍
向同步发电机的转子励磁绕组供给励磁电流的整套装置叫做励磁系统。
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它的可靠性对于发电机的安全运行和电网的稳定有很大影响。
发电机事故统计表明发电机事故中约1/3为励磁系统事故，这不但影响发电机组的正常运行而且也影响了电力系统的稳定，因此必须要提高励磁系统的可靠性，而根据实际情况选择正确的励磁方式是保证励磁系统可靠性的前提和关键。
电力系统同步发电机的励磁系统主要有两大类，一类是直流励磁机励磁系统，另一类是半导体励磁系统。
1.2直流励磁机励磁系统
直流励磁机励磁系统是采用直流发电机作为励磁电源，供给发电机转子回路的励磁电流。
其中直流发电机称为直流励磁机。
直流励磁机一般与发电机同轴，励磁电流通过换向器和电刷供给发电机转子励磁电流，形成有碳刷励磁。
直流励磁机励磁系统又可分为自励式和它励式。
自励与他励的区别是对主励磁机的励磁方式而言的，他励直流励磁机励磁系统比自励励磁机励磁系统多用了一台副励磁机，因此所用设备增多，占用空间大，投资大，但是提高了励磁机的电压增长速度，因而减小了励磁机的时间常数，他励直流励磁机励磁系统一般只用在水轮发电机组上。
图1自励直流励磁机励磁系统原理接线图
上图中LH——电流互感器
YH——电压互感器
F——同步发电机
FLQ——同步发电机的励磁线圈
L——直流励磁机
LLQ——直流励磁机的励磁线圈
Rc——可调电阻
采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是同步发电机的主要励磁系统。
目前大多数中小型同步发电机仍采用这种励磁系统。
长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点是：
具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便，设备投资及运行费用也比较少。
缺点是：
运行时整流子与电刷之间火花严重，事故多，性能差，运行维护困难，换向器和电刷的维护工作量大且检修励磁机时必须停主机，很不方便。
近年来，随着电力生产的发展，同步发电机的容量愈来愈大，要求励磁功率也相应增大，而大容量的直流励磁机无论在换向问题或电机的结构上都受到限制。
因此，直流励磁机励磁系统愈来愈不能满足要求。
目前，在100MW及以上发电机上很少采用。
1.3半导体励磁系统
半导体励磁系统是把交流电经过硅元件或可控硅整流后，作为供给同步发电机励磁电流的直流电源。
半导体励磁系统分为静止式和旋转式两种。
1.3.1静止式半导体励磁系统
静止式半导体励磁系统又分为自励式和它励式两种。
1自励式半导体励磁系统
自励式半导体励磁系统中发电机的励磁电源直接由发电机端电压获得，经过控制整流后，送至发电机转子回路，作为发电机的励磁电流，以维持发电机端电压恒定的励磁系统，是无励磁机的发电机自励系统。
最简单的发电机自励系统是直接使用发电机的端电压作励磁电流的电源，由自动励磁调节器控制励磁电流的大小，称为自并励可控硅励磁系统，简称自并励系统。
自并励系统中，除去转子本体极其滑环这些属于发电机的部件外，没有因供应励磁电流而采用的机械转动或机械接触类元件，所以又称为全静止式励磁系统。
下图为无励磁机发电机自并励系统框图，其中发电机转子励磁电流电源由接于发电机机端的整流变压器ZB提供，经可控硅整流向发电机转子提供励磁电流，可控硅元件SCR由自动励磁调节器控制。
系统起励时需要另加一个起励电源。
图2无励磁机发电机自并励系统原理接线图
无励磁机发电机自并励系统的优点是：
不需要同轴励磁机，系统简单，运行可靠性高；
缩短了机组的长度，减少了基建投资及有利于主机的检修维护；
由可控硅元件直接控制转子电压，可以获得较快的励磁电压响应速度；
由发电机机端获取励磁能量，与同轴励磁机励磁系统相比，发电机组甩负荷时，机组的过电压也低一些。
其缺点是：
发电机出口近端短路而故障切除时间较长时，缺乏足够的强行励磁能力对电力系统稳定的影响不如其它励磁方式有利。
由于以上特点，使得无励磁机发电机自并励系统在国内外电力系统大型发电机组的励磁系统中受到相当重视。
2它励式半导体励磁系统
它励式半导体励磁系统包括一台交流主励磁机JL和一台交流副励磁机FL，三套整流装置。
两台交流励磁机都和同步发电机同轴，主励磁机为100HZ中频三相交流发电机，它的输出电压经过硅整流装置向同步发电机供给励磁电流。
副励磁机为500HZ中频三相交流发电机，它的输出一方面经可控硅整流后作为主励磁机的励磁电流，另一方面又经过硅整流装置供给它自己所需要的励磁电流。
自动调励的装置也是根据发电机的电压和电流来改变可控硅的控制角，以改变励磁机的励磁电流进行自动调压。
图3它励式半导体励磁系统原理接线图
它励式半导体励磁系统的优点是：
系统容量可以做得很大，励磁机是交流发电机没有换向问题而且不受电网运行状态的影响。
接线复杂，有旋转的主励磁机和副励磁机，启动时还需要另外的直流电源向副励磁机供给励磁电流。
这种励磁系统多用于10万千瓦左右的大容量同步发电机。
1.3.2旋转式半导体励磁系统
在它励和自励半导体励磁系统中，发电机的励磁电流全部由可控硅（或二极管）供给，而可控硅（或二极管）是静止的故称为静止励磁。
在静止励磁系统中要经过滑环才能向旋转的发电机转子提供励磁电流。
滑环是一种转动接触元件。
随着发电机容量的快速增大，巨型机组的出现，转子电流大大增加，转子滑环中通过如此大的电流，滑环的数量就要增加很多。
为了防止机组运行当中个别滑环过热，每个滑环必须分担同样大小的电流。
为了提高励磁系统的可靠性取消滑环这一薄弱环节，使整个励磁系统都无转动接触的元件，就产生了无刷励磁系统，如图4所示。
图4无刷励磁系统原理接线图
副励磁机FL是一个永磁式中频发电机，其永磁部分画在旋转部分的虚线框内。
为实现无刷励磁，主励磁机与一般的同步发电机的工作原理基本相同，只是电枢是旋转的。
其发出的三相交流电经过二极管整流后，直接送到发电机的转子回路作励磁电源，因为励磁机的电枢与发电机的转子同轴旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等转动接触元件，这就实现了无刷励磁。
主励磁机的励磁绕组JLLQ是静止的，即主励磁机是一个磁极静止，电枢旋转的同步发电机。
静止的励磁机励磁绕组便于自动励磁调节器实现对励磁机输出电流的控制，以维持发电机端电压保持恒定。
无刷励磁系统的优点是：
取消了滑环和碳刷等转动接触部分。
在监视与维修上有其不方便之处。
由于与转子回路直接连接的元件都是旋转的，因而转子回路的电压电流都不能用普通的直流电压表、直流电流表直接进行监视，转子绕组的绝缘情况也不便监视，二极管与可控硅的运行状况，接线是否开脱，熔丝是否熔断等等都不便监视，因而在运行维护上不太方便。
1.4研究目的和意义
近年来，随着电力系统的发展，大机组的出现，要求励磁调节器具有更高的技术经济指标、更加完善的控制功能。
早期的机电型调节器、电磁型调节器、半导体调节器都越来越不能适应当今同步发电机励磁自动调节系统的发展。
目前，由于大规模集成电路和微机技术的迅猛发展，由硬件和软件组成的微机调节器己成为今后的发展方向。
优良的励磁调节系统有能提高系统的静稳定储备，防止励磁过分降低，提高继电保护灵敏度，快速灭磁等功能，能较好地使电力系统在稳定状态下运行并有较强的抗干扰能力。
本系统采用MSP4300F149单片机为主控芯片，设计的微机励磁调节器将会作为励磁自动调节系统发展的一个新的方向。
1.5国内外现状和发展趋势
1.5.1励磁功率系统的发展
50年代初期，汽轮发电机的励磁主要是采用直流励磁机系统。
直流励磁机的容量受机械强度和换向电压等电气参数的影响，其最大功率取决于
nP=1.8X106（1-1）
式中P——直流励磁机的最大功率，kW；
n——直流励磁机的转速，r/min。
由于直流励磁机与汽轮发电机同轴旋转，即n=3000r/min，则励磁机的最大功率P为600kW。
对于励磁功率大于600kW的汽轮发电机，无法采用同步直流励磁机系统。
后来，交流励磁系统逐渐发展起来。
在交流励磁系统的发展过程中，先后出现了他励交流励磁机系统，自励和自复励静止励磁系统。
图1-1他励旋转硅整流励磁系统
图1-1所示为交流励磁机系统，其励磁功率电源可靠，不受电力系统或发电机端短路故障的影响，即励磁功率电源取自发电机以外的独立的并与其同轴旋转的交流励磁机，故称为他励。
他励交流励磁机系统比起直流机励磁系统，容量增大了，能提供较大功率。
在直流励磁系统之后很长一段时间内，他励交流励磁机系统占有很重要的地位。
由于他励交流励磁机系统仍有转动部分，维护不方便，且与发电机同轴，增大了发电机和厂房体积，使投资大大增加，不利于今后的发展，于是自励和自复励静止励磁系统便发展起来。
图1-2自励可控硅静止励磁系统
图1-2中所示的自励可控硅励静止励磁系统，其励磁功率电源采用发电机静止变压器作为电压源，或采用发电机系统静止的变流器作为电流源。
由电压源或电流源构成的励磁系统，统称为自励静止励磁系统;
由电压源和电流源复合构成的励磁系统，称为自复励静止励磁系统。
自复励静止励磁系统的优点是:
具有相复励作用，减轻了调节器的负担，增加了快速性;
取消了励磁机，加快了调节速度，对提高电力系统稳定性有利;
整个系统没有旋转设备，维护简单。
1.5.2励磁调节器的发展
励磁调节器是励磁控制系统的智能部件，它是根据发电机端电压和电流的变化对机组励磁产生校正作用的装置，用来在正常情况和故障情况下励磁的自动调节。
早期的调节器为振动型和变阻器型，都具有机械部件，称为机电型调节器。
由于它不能连续调节，响应速度慢，并有死区，早己被淘汰。
上世纪50年代以来，磁放大器出现后，电力系统广泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型调节器。
由于磁放大器具有时滞性，调节速度慢，但可靠性高，通常用于直流励磁机系统。
上世纪60年代初期，随着半导体技术的发展，电力系统开始采用由半导体元件组成的半导体调节器。
由于半导体元件几乎没有时滞，功率放大倍数也较高，因此半导体调节器调节速度较快。
近年来，随着电力系统的发展，大机组的出现，要求调节器具有更高的技术经济指标、更完善的控制功能。
1.6本课题研究的内容及技术可行性
励磁调节系统的主要任务可归为:
（1）保持发电机在运行中电压恒定;
（2）在并列运行中，调节无功功率的分配;
（3）提高同步发电机并列运行的稳定性。
当发电机运行时，保持端电压恒定是励磁调节中最基本的动作，影响电压变化的干扰主要来自三个方面，即:
1.负荷的变化;
2.转速的变化;
3.发电机励磁系统的温度变化。
在发电机正常运行时，励磁系统应维持发电机端电压在给定水平。
为保证发电机端电压恒定，必须随发电机负荷电流的大小相应调整发电机励磁电流。
另外，在电力系统暂态过程中，维持发电机的端电压恒定有利于维持电力系统的电压水平，使电力系统的运行特性得到改善。
当电力系统发生甩负荷、短路切除、重负荷线路合闸等现象时，可能造成电压升高加快或大量无功缺额等现象，自动励磁调节能减小这种现象，使电力系统的运行特性得到改善。
因此励磁调节系统应具备强行励磁、强行减励等功能。
本文将通过设计制作来揭示本励磁调节器的强大功能及准确、快速的控制特性。
在以后章节中主要通过两个个方面来介绍:
1、硬件设计:
主要介绍芯片的选择及其特点以及电路中各个功能模的构造;
2、系统实现:
从整体结构、硬件特性、软件编程等各个方面来综合叙述本装置是如何进行工作的。
由于现代电力系统对稳定性、可靠性的要求越来越高，对励磁调节器性能的要求也相应的提高了。
因此在设计励磁调节器时应注意到以下几点:
1）励磁调节器应具有高度的可靠性及稳定性。
2）励磁调节器应具有良好的静态特性和动态特性。
3）励磁调节器的时间常数应尽可能小，响应速度快。
4）励磁调节器应结构简单、检修方便，并应尽量做到系列化、标准化、通用化。
微型计算机以及体积小、功能强、运算速度快、可靠性高而逐渐受到人们的重视。
但现有的51及%系列的单片机由于功能较少，使用起来不方便。
本文是以一种新型16位单片机---MSP430149为基础，研究开发其外围电子电路，制作一种新型的微机励磁调节系统。
它具有体积小、结构简单、功能强大、可靠性高、能方便地实现Pm算法等优点，应用在发电机励磁调节器上能取得较好的效果。
可以预见，在今后很长一段时间内，以MSP单片机为基础的发电机微机励磁调节系统将得到更完善的发展。
2系统硬件设计
2.1微机励磁调节器的硬件结构
发电机微机励磁系统主要由励磁变压器、微机励磁调节装置、可控硅整流桥、转子过压保护与灭磁装置等构成。
图2-1为发电机微机励磁系统整体结构示意图。
图2-1发电机微机励磁系统整体结构
励磁变压器（ZB）是为发电机励磁系统提供能源的装置。
根据电站的实际情况，它的一次侧电源可取自电站厂用母线或发电机的出口端，可以采用Y/Y12组别，但对于副方电流较大的情况，通常采用Y/△组别。
另外，采用Y/△接线还可以起到对零序电流的隔离作用。
当励磁变原边系统发生不对称故障时，零序电流不能流过副边，能对副边设备起一定的保护作用。
励磁变可配有差动保护和过负荷保护，可动作于停机;
瓦斯保护可动发出报警信号或跳闸信号。
电压互感器（PD是为测量部分提供合适测量电压的设备。
由于发电机出口端的电压很高，无法直接用测量装置来测量。
电压互感器通过电感线圈原、副边的电压转换，将高电压降低为一定范围的低电压，以供测量装置能适用的电压。
电流互感器（CT）的工作原理与电压互感器相似，是将大电流量转换为小电流量的装置。
励磁调节器中所需要的电压、电流、波形等信号就是由电压互感器和电流互感器提供的。
微机励磁调节器硬件部分结构如图2-2所示。
它主要包括CPU部分，测量部分，同步单元，（移相）触发单元，开关量输入输出接口，以及人机接口与通讯接口等部分。
图2-1微机励磁调节器硬件框图示例
CPU及外围设备部分主要是为CPU的运行提供支持，包括晶振、E2PROM、电源转换、JTAG接口等部件。
测量部分主要是将输入的电压、电流等模拟量经过电平转换、滤波、整形等处理之后送入CPU，使之能进行运算。
微机励磁调节器为了实现调节控制、运行限制、运行参量显示等功能，测量单元必须对有关的参数进行采集。
微机励磁调节器需要采集的基本参量有：
1、发电机频率f；
2、发电机机端电压Uf；
3、发电机主开关电网侧电压；
4、发电机励磁电流IL或励磁电压UL；
5.发电机有功功率P和无功功率Q等。
发电机频率f是电力系统稳定器（PSS）及最优励磁控制器（EOC）的重要状态之一，并且与机端电压Uf一起构成V/HZ限制，在机组的起励控制、灭磁控制及频率补尝或频率校正中起着重要作用。
发电机机端电压用于机端电压恒定调节，采集电网电压的作用主要有两个:
1.在发电机起励时为发电机电压跟踪系统提供跟踪目标值，以简化操作和快速并网;
2.在机组并网后，与励磁PT电压和仪表PT电压一起构成冗余容错结构。
发电机励磁电流几用于励磁电流恒定调节和过励限制。
发电机有功功率P是电力系统稳定器（PSS）及最优励磁控制器（EOC）的主要状态量之一。
无功功率Q是无功功率稳定调节和实现无功电流补尝所必须的参量。
此外，有功功率P和无功功率Q还一起在最小励磁限制中决定低励磁限制线。
电压、电流、功率信号是进行励磁调节的依据和基准，可以根据需要来进行发电机的衡压、衡功率因数等方式的调节。
各个参数的测量方法将在第五章里详细介绍。
同步单元是为励磁调节器提供同步电压的部分，它将正弦波转换为方波后经光电隔离后与其它开关量信号一样送入CPU的1/O接口。
人机接口主要包括数码管和按键，可以显示励磁系统工作状态或显示输入的参数，如输入Pm参数，增加/减小励磁命令，显示发电机电压、电流信号等。
触发单元是控制可控硅输出的关键部分，包括脉冲产生和脉冲放大部分。
CPU经过对采集来的信号进行运算处理，发出控制脉冲，可以调节可控硅的输出电压。
通讯部分是微机励磁系统和外界其它微机装置交流的桥梁。
它可以把本机的工作状态、参数传送出去，同时也可以接收其它微机装置送入的信号。
对于现在日益发展的无人值班、少人值守的工作模式，通讯部分的作用显得尤为重要。
可控硅整流桥为发电机励磁绕组提供了工作电流，是励磁装置中的功率部分。
通过输入的触发脉冲的触发角的不同，可以使可控硅输出电压变化，从而控制发电机励磁绕组的电流大小。
转子过压保护与灭磁装置是发电机的保护装置。
当发电机出现异常或故障时转子过压保护与灭磁装置发出跳闸信号或灭磁信号，使发电机免受损害。
2.2MSP430系列单片机简介
MSP430系列单片机是TI公司生产的超低功耗类型的16位单片机，它将大量外围模块整合到片内，使得外围电路的设计简单、高效。
本微机励磁调节装置所选用的型号是MSP430F149，现将其主要特点介绍如下。
在超低功耗方面，MSP430F149单片机能够实现在1.8-3.6V电压、1MHz的时钟条件下，耗电电流在0.1-400p.A之间，使芯片的发热量尽可能小，保证了芯片的正常工作。
在运算速度方面，MSP430F149单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。
16位的数据宽度，125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能简化程序，大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算，使得处理速度大大加强。
在整合方面，MSP430F149单片机将大量的CPU外围模块集成在了片内，有如下一些模块:
看门狗（WDT）定时器A（Timer_A）定时器B（Timer_B）
串口0、1（USART0、1）硬件乘法器12位ADC
端口P1-P6PWM
其中，定时器A,B均带有多个捕获/比较寄存器，同时实现多路PWM输出;
模拟比较器与定时器配合，可方便地实现D/A转换;
硬件ADC模块能在小于lops的速率下实现12位的高速、高精度的A/D转换，同时提供采栩保持与参考电压;
端口PI,P2能够接收外部是升沿或下降沿的中断输入。
在存储器方面，MSP430F149单片机兼有2KRAM及60KROM，程序通过JTAG接口写入单片机，简单快捷。
另外，MSP430F149单片机片内还有16个16位通用工作寄存器，多达24个的中断向量，兼有汇编语言/C语言等开发语言，在很大程度上方便了用户。
2.3各部分硬件连接图
2.3.1开关量信号处理电路
2.3.1.1输入量
由于MSP芯片的工作电压为3.3V，因此CPU芯片与一般5V工作电压的芯片不能进行直接接口，需要将输入电压信号转换为3.3V后才能与CPU进行接口。
输入的信号为了将5V信号转换为3.6V，同时为了提高抗干扰能力，将每路信号经过光祸隔离后送入74HC541的输入端。
电路图如图2-2所示。
图2-2电平转换电路图
输入信号“in”为5V。
当没有输入信号时，发光二极管不亮，三极管截止，输出信号“out”为3.3V;
当输入信号到来时，光藕导通，输出信号变为OV。
这样就成功地将5V信号转换为3.3V信号，实现了CPU与外围输入电路的接口。
按键输入是开关量信号的一种，它也是通过光祸隔离后送入CPU。
这里设置了4个按键，分别定义为:
增加励磁、减少励磁、开始、停止。
当按键按下后，信号由高电平变为低电平，即低电平为按键的有效电平。
此时按键信号通过74HC541送入CPU，由软件进行按键信号识别处理。
74HC541是三态输出8进制总线缓冲器，其内部结构图及真值表如图3-6所示。
片选信号取自经GA.L16V8译码后信号。
当片选信号为高电平时输出为高阻抗，片选信号为低电平时芯片被选中。
在74HC541的输入端上接了一个排电阻PR301o它是一排上拉电阻，即将每一路输入信号都接上一个上拉电阻，公共端是电源。
因为74HC541的输入信号来自光藕的输出端，在光祸导通时排电阻起限制电流的作用。
输入的开关量信号经74HC541缓冲后送入CPU，电路图如图2-3所示。
图2-374HC541的结构图及真值表
图2-4I/O扩展芯片74HC541接线
2.3.1.2输出量
输出开关量主要是用来驱动发光二极管和继电器，以显示微机装置的运行状态。
由于单片机芯片本身带负载能力有限，不能直接驱动二极管，因此要用带负载能力强的芯片，这里选用了74LS574，片选信号为OUT0-OUT2，其中OUT0与OUTl选中的芯片驱动发光二极管，OUT2选中的芯片驱动继电器。
由于二极管功率小，可以直接用74LS574驱动。
将74LS574的输出脚接二极管的阳极，当74LS574输出高电平时发光二极管截止，当74LS574输出低电平时
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