《发电机自动并网控制系统.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发电机自动并网控制系统.doc（42页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、本科毕业设计论文题 目 发电机自动并网控制系统设计专业名称 电气工程及其自动化学生姓名 范瑞宇指导教师 范蟠果毕业时间 2012年6月摘 要随着经济和高科技产业的发展，社会对供电可靠性和电能质量有了更高要求。如今的电力行业依托科研，不断提高自动化水平，对从业人员素质能力要求更加严格。高校为培养高素质电气工程专业人才，就必须加强实验室建设，研制出一些反映当前行业特点的实验装置。在国家电网数字化管理的背景下，微机型电气设备将占据核心位置。采用AT89C51单片机作为实验装置的核心控制，充分发挥了单片机在实时控制方面的优势，反应了当前电气监控设备的发展趋势，可实现发电机快速准确的并入电网。实验装置简
2、单灵活，可有效的应用于教学实践，进一步加强电气工程专业实验室建设。本文介绍AT89C51的性能指标和工作原理并将以AT89C51为核心设计一个并网控制系统，使其能够对电网电压就行检测与监控。系统主要由工作电源模块、单片机控制模块、电压信号调理模块、AD采样模块和MOSFET驱动模块等组成。其中电源部分把220V电压转换成+5V和-5V给系统供电，单片机控制模块根据检测电网发出控制指令，电压信号调理模块、AD采样模块和MOSFET驱动模块就电网电压实行实时监测。文中阐述了构成该系统的原理、硬件的实现方法和软件的实现方法，还给出部分的原理图、电路图。 关键词：AD采样，AT89C51单片机，电网监
3、测ABSTRACTAlongwiththedevelopmentofeconomyandthedevelopmentofhigh-techindustry,socialpowersupplyreliabilityandpowerqualityhavehigherrequirements.Nowthepowerindustryrelyingonscientificresearch,andconstantlyimprovethelevelofautomation,thepersonnelqualityrequirementsmorestringent.Collegeforthetrainingof
4、high-qualityelectricalengineeringprofessionals,wemuststrengthentheconstructionoflaboratory,developedsomereflectcurrentindustrycharacteristicsoftheexperimentaldevice.Inthenationalgriddigitalmanagementbackground,microcomputerelectricalequipmentwilloccupythecoreposition.UsingAT89C51single-chipmicrocomp
5、uterasthecorecontrolexperimentaldevice,givefullplaytotheadvantagesofsinglechipcomputerinrealtimecontrol,inresponsetothecurrentdevelopmenttrendofelectricalcontrolequipment,canrealizefastandaccuratepowergenerator.Theexperimentaldeviceissimpleandflexible,andcanbeeffectivelyappliedtoteachingpractice,tof
6、urtherstrengthentheelectricalengineeringprofessionallaboratoryconstruction.This paper introduces the performance indexes and operation principles of AT89C51, and will use AT89C51 as a core to design a grid-connected control system which could detect and monitor the grid voltage. This system is compo
7、sed by working power supply module, single-chip device control module, voltage signal conditioning module, AD sampling module and MOSFET drive module.Among which, power supply component turns 220V voltage into +5V and -5V to system supply, single-chip device control module will implement real-time m
8、onitoring on grid voltage based on control commands sent out by detected grid, voltage signal conditioning module, AD sampling module and MOSFET drive module. This paper illustrates the principles of compositing the system, the implementation methods of the hardware, the implementation methods of so
9、ftware, and shows some of the schematic diagrams and circuit diagrams. KEY WORDS：A/Dsampling ，AT89C51 Microcontroller ，grid detection目录第一章 绪论51.1研究背景：51.2国内外发展状况：51.3自动并网技术的优势与危害：81.4自动并车控制器的研究意义:9第二章 总体结构102.1系统方案概述102.2 系统总体设计102.2.1系统的硬件设计方案102.2.2 系统的软件设计方案102.3发电机自动并网装置：112.3.1发电机自动并网原理：112.3.2
10、注意事项：122.4发电机：132.4.1发电机简介：132.4.2同步发电机：14第三章 硬件电路173.1单片机173.1.1单片机技术简介：173.1.2 单片机的开发与应用：183.1.3单片机工作的主要功能：203.2系统硬件设计213.2.1工作电压模块213.2.2电压信号调理模块253.2.3单片机控制模块273.2.4 MOSFET驱动模块333.2.5电压基准元343.2.6系统pcb图36第四章 软件设计36参考文献39致谢40毕业设计小结41附录42第一章 绪论 发电机自动并网技术与我们的生活紧密相关，生活中的发电系统不管是风力发电、火力发电还是光伏发电都运用了并车控制
11、系统。以下以风力发电机柴油发电机并网为例，介绍自动并网系统的研究背景及国内外的发展情况。1.1研究背景：随着世界上石油和煤炭等资源的大量消耗和环境保护问题的日益突出，风力发电正逐步成为21实际全球能源利用的热点，并迅速成为一个新兴产业。人们对电力的需求也主要由依赖火力发电渐渐地向清洁的可再生能源转移。风能作为可再生绿色资源，凭借其巨大的商业潜力和环保效应，在全球的新能源和可再生能源行业中创造了最快的增速。目前，风力发电在全国已经发展为年产值超过50亿美元的庞大产业。当前开发利用风力发电是改善我国能源结构的重要途径，也是我国社会主义市场经济迅速发展对能源供应的需求更是人类保护地球环境的需要。 风
12、力机/柴油机并网发电系统，既能获得稳定的电力供应，又能充分利用风能，还具有明显的节油效果，拥有相当高的可靠性。风力机加上容量相当的“整流/蓄电池储能/逆变”装置与柴油机组相联，以实现连续供电。风力机工作在变速工况下，工作风速范围大，可以最大限度地利用风能，达到更高的节油率。在风况允许的情况下，使风力机并入电网，在风况不允许的情况下，使风力机给蓄电池充电。风力机/柴油机并网发电系统的控制系统由单片微型机来完成，根据各种运行工况的要求实现自动控制各部件的起停，真正实现无人值守高效运行。1.2国内外发展状况：目前，随着世界经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越大，使石油、煤炭等常规能源日趋紧张。因此
13、，世界范围内对风能等可再生能源的开发利用产生了极大兴趣，并取得了长足的进展。特别是进入 80 年代以来，风能发电作为新能源利用的重要组成部分，已形成一个新兴产业。 但是风能有着很大的随机性，很不稳定，所以要采取适当的控制方式和运行方法来弥补上述缺陷，提高风力发电的质量。从 80 年代起，一些发达国家着重开展了风力发电机组与柴油机发电机组联合运行的研究试验工作，试点运行的机组已获得了初步成功。国际能源界普遍认为这种运行方式可以对用电量不大和以柴油发电机为供电电源的地区实行局部独立供电，既能获得稳定的电力供应，又能充分利用风能，是利用风力发电的重要方向之一。特别是对发展中国家，如果在风力资源比较丰
14、富的地区实行风力机/柴油机联合供电，将是很有实用价值的。国外风电并网特点：(1)国外风电发达国家都制定了严格的并网导则且强制执行。并网导则明确规定了风电场应具备的有功/无功功率调节能力、低电压穿越能力等性能指标。德国针对大规模风电并网制定了一系列的技术标准和规范，其要求高于国际电工委员会(IEC)的标准，对各种并网技术指标做出了明确规定，并通过可再生能源法等法律法规保障执行。国际上趋于通过技术进步和制定强制性标准，使风电达到或接近常规电源性能。(2)风电收购政策根据风电发展的不同阶段不断调整。德国1991年颁布的电力入网法强制要求公用电力公司收购可再生能源电力，促进了风电产业的发展。但1998
15、年后德国电力行业市场化，销售电价整体下降，为了缓解发电企业和输配电企业面临的压力，2000年4月德国出台了可再生能源法(EEG2000)，核心政策调整为可再生能源强制入网，采用固定电价优先购买，并建立了可再生能源电力成本全网分摊制度。2009年1月，针对风电在电源结构中的比例不断提高、对电网安全稳定运行影响日渐突出等问题，又颁布了可再生能源法修正案(EEG2009)，对部分情况下风电可不优先收购进行了规定，收购政策从全额无条件收购变为优先但有条件收购。(3)国外风电运行管理水平较高。一是广泛开展了风电功率预测工作，如德国、丹麦、西班牙等国都实现了风电输出功率的日前预测，为电网的安全稳定和电力市
16、场运营创造了条件。西班牙规定风电出力预测误差超过20%时将被罚款，2006年，西班牙绝大多数风电场发电量都销售给了电网企业，只有不到5%的风电由于预测误差超过20%，发电企业不愿交罚金而采取了弃风措施。二是对风电场进行有效调控，如西班牙成立可再生能源电力控制中心(CECRE)，对风电场进行有效监控和有序调控，以提高风电机组接入后电网的安全稳定水平。我国风电发展存在的主要问题，截至2010年底，我国风电并网容量达到2956104kW，“十一五”期间年均增速接近100%。风电在持续快速发展中已逐步暴露出一些问题，主要表现在：(1)风电开发缺乏统一规划，配套电网建设难度较大。一方面，各地方政府在编制
17、风电开发规划时，主要依照当地风能资源情况确定风电的开发规模和建设时序，导致地方规划风电装机规模普遍大于国家规划。另一方面，风电投资者热情很高，风电开发存在无序现象，风电项目拆批现象比较普遍，建设布局和规模随意性较大，加上电网项目核准和建设周期远长于风电场的建设周期，难以实现风电与电网统筹规划和协调发展，风电项目的建设速度超前于电网建设项目的问题较为突出。(2)随着风电的大规模发展，系统面临的调峰能力不足问题日益严重。我国电源结构以火电为主，至2009年底，煤电装机占全国发电总装机的74%，而在煤电装机中，供热机组又占了20%以上。在我国风能资源丰富的“三北”地区，供热机组占火电装机的比重更大(
18、如2009年吉林达74%、蒙西达57%)。受电源结构的制约，长期以来我国电力系统调峰能力不足，夏季丰水期弃水、供热期采用机组启停调峰等现象一直存在。随着风电的大规模发展，尤其是风电的反调峰特性明显增加了电网调峰的难度。由于调峰容量不足，2009年吉林、蒙西、蒙东等电网都出现了负荷低谷时段弃风的情况。中国风电材料设备网。(3)电网建设滞后于电源建设，尤其是跨大区电网的互联规模不足，不利于风电在更大范围内消纳。长期以来，我国电力发展以分省分区的区内平衡为主，省区间的电网互联规模有限，互相调节的能力不足。由于我国风能资源的分布特点，风电开发主要集中在“三北”偏远地区，受当地电力负荷水平和系统规模的约
19、束，风电消纳能力不足。同时，受跨大区电网互联规模有限和交换能力不足的约束，当地无法消纳的风电难以送到更大范围内消纳，不利于风电的大规模开发利用。中国风电材料设备网。(4)风电技术和运行水平较低，风电发展相关政策有待完善。我国目前已经并网的风电机组多数不具备功率调节、低电压穿越等功能，风电场没有建立支持调度运行的风电集中监控平台、风功率预测系统。另一方面，国家制定了可再生能源发电全额保障性收购政策，在实际运行过程中，调峰手段受限的电网在低谷时段必须采取特别措施(如火电机组深度压出力或部分火电机组停机等)，方能保证风电电量的收购，所付出的代价很大，并且存在一定的系统安全运行风险。此外，风电送出工程
20、、调峰调频等辅助服务相关政策也有待完善。 就我国而言，自 80 年代开始在开发利用风能方面做了大量的工作，取得了很大成就，产生了显著的经济与社会效益，特别是百瓦级小型风力机组的开发与生产已达 1到相当成熟的地步，并大量投入生产和销售，为无电地区散居的近 10 万农牧民家庭提供了日常生活用电，受到普遍欢迎和认可。 但是，随着经济的发展和社会的进步，仅仅满足生活用电是远远不够的 。特别是那些无电的村庄、农牧场、边防哨所、沿海岛屿等居民集中点，百瓦级小风力机组是不适宜的，而且这些集中点在全国就有几万个。一方面他们迫切需要生活用电以提高科技文化水平和改善文化娱乐生活，同时，为发展经济，他们更迫切需要解
21、决生产用电，从而对农副渔业产品进行再加工，来提高经济效益、改变经济落后面貌。从我国经济实力而言，在今后一个相当长的时期内还不可能为边远无电地区建设电网提供常规用电，必须由各级地方政府及用户分别解决各自的用电问题，最常见的办法是采用柴油发电。根据我国能源部统计，至“八五”末期，全国县以下单位的柴油发电机组总容量达 520 万千瓦，每年消耗柴油在 450 万吨左右，占全国柴油总销售量的 1/8 以上，这个数字是相当惊人的。另一方面，这些地区，特别是“三北”地区的边疆地带和沿海岛屿，又有着相当多的风能资源，设法利用这些无代价的风能资源发电来补充柴油发电是一个非常有经济实效的途径。这既可以充分利用风能
22、，有可最大限度地节省柴油，还可以减少环境污染，可谓“一举多得”。 正是基于对以上问题的共识，我国政府在制定“八五”科技规划时，将“风力发电/柴油发电联合系统研究开发”列为“八五”科技攻关项目的一个重要专题。投入大量的人力财力来研究开发这类产品，目的是尽快使之达到商品化产业化，以满足市场需求。1.3自动并网技术的优势与危害：并网运行的优势电网供电比单机供电有许多优点：（1）提高了供电的可靠性，一台电机发生故障或定期检修不会引起停电事故；（2）提高了供电的经济性和灵活性，例如水电厂与火电厂并联时，在枯水期和旺水期，两种电厂可以调配发电，使得水资源得到合理使用。在用电高峰期和低谷期，可以灵活地决定投
23、入电网的发电机数量，提高了发电效率和供电灵活性；（3）提高了供电质量，电网的容量巨大(相对于单台发电机或者个别负载可视为无穷大)，单台发电机的投入与停机，个别负载的变化，对电网的影响甚微，衡量供电质量的电压和频率可视为恒定不变的常数。 电网对单台发电机来说可视为无穷大电网或无穷大汇流排。同步发电机并联到电网后，它的运行情况要受到电网的制约，也就是说它的电压、频率要和电网一致而不能单独变化。发电机非同期并网的原因及其带来的危害。根据以往实际经验总结出，发电机非同期并网的原因：(1)电压不等。(2)电压相位不一致。(3)频率不等。(4)自动准同期并列时同期装置故障。(5)自动准同期并列时操作人员未
24、按操作票操作。(6)手动并网时操作人员未按操作票操作。(7)手动准同期并网时同步表故障。发电机非同期并网的危害：非同期并列时，将会对发电机造成巨大影响，具体如下，(1)电压不等的情况：并列瞬间发电机内产生冲击电流。如果电压差很大，则冲击电流过大，将会使发电机定子绕组发热，或定子绕组端部在电动力的作用下受损。(2)T电压相位不一致的情况：相位不一致比电压不一致的情况更为严重，此时从系统吸收有功功率。如果6很大(在l80度范围内)，则冲击电流很大，其有功分量在发电机轴上产生冲击力矩，使设备烧毁，或使发电机大轴扭屈。特别是6=l80。时，近似等于机端三相短路电流的两倍，损坏最严重。(3)频率不等的情
25、况：发电机在频率差较大的情况下并入系统，立即带上较多正的(或负的)有功功率，对发电机转子产生制动(或加速)的力矩，将使发电机产生机械振动，严重时导致失步，造成并列不成功。1.4自动并车控制器的研究意义:1军用机动电源:军用机动电源在战备条件下显得尤其重要，它可以保证重点部位的连续不问断供电，也可保证我军重要负荷连续不断地工作，如临战状态下的作战指挥室、机场、雷达、通信等。随着用电区域的扩大，用电设备的推广和普及，电能的缺口将越来越大，将并车操作自动化，既可以缩短反应时间，又可以减轻人员负担，提高整体作战能力。2船舶电力系统:船舶电站是由原动机、发电机、测量仪表、控制设备、开关电器及保护装置组合
26、而成，是整个船舶的电力核心。船舶电力负荷随船舶工作情况的变动而经常变动，如航行工况与停泊无装卸工况的负荷差别很大。对发电机而言一般都设计在接近满负荷使用时具有最高的效率。因此，船舶电站总是由2台以上的发电机组成。在小负荷时，适宜于单机运行，而负荷大时，则需将备用发电机起动后并人电网并联发电，即采用二台或二台以上的发电机并联运行，通过公共母线向全船用电设备供电，从而保证船舶电力系统在不同工况下连续可靠地、高效率地工作。在船舶电力系统运行中，同步发电机的并车操作是一项基本操作，极为频繁。随着船舶电力系统容量的不断增大，船舶发电机的单机容量也越来越大，不恰当的并车操作将导致严重后果。因此，研究船舶发
27、电机自动并车方法，提高其自动化水平有重要的现实意义。3工业备用电源:国防重点单位、重要科研单位、电信行业、医疗单位、工业计算机控制系统、网络服务器等特殊行业领域常要求恒压恒频不间断供电。随着国际互联网时代的到来，对网络设备和数据传输过程必需给予全面保护，电源质量直接关系到计算机软硬件能否安全运行，稳定可靠的备用电源迅速成为互联网的关键设备及电子商务的保卫者。这些相关单位往往自备有柴油发电机以及UPS储能装置。UPS可短时间为负载供电，但储存能量非常有限。当市电停电时，必需及时起动发电机并投入电网运行，才能做到供电完全连续。只有研制出高度智能化的自动并车控制装置，才能使电网电压无波动，输出频率稳
28、定，输出电压稳定，对用电设备电磁干扰小。而自动并车控制器本身则要求体积重量小，结构简单，维修容易，可靠性高。第二章 总体结构2.1系统方案概述以达到对发电机进行并网运行为目的，设计出实验电路，首先要对发电机的几项相关的的电气参数进行测量，与电路信号就行对比，若满足并网的条件，即可完成并网运行。此系统主要对发电机的电压进行测量，之后再运用c语言编写的程序进行推算，算出频率与相位。之后，将数据送入单片机中进行比较，若误差在允许的范围内，则从单片机的一个引脚输出控制信号驱动MOSFET，使其开通，完成并网工作，否则MOSFET关断，退出并网工作。2.2 系统总体设计 2.2.1系统的硬件设计方案根据
29、测试系统的功能，系统硬件可以分为工作电源模块、信号调理模块、单片机控制模块、MOSFET驱动模块。被测信号在经过霍尔传感器进行电气隔离以及信号调理电路差分放大，被引入到A/D芯片把被测的模拟信号变成数字信号，送入AT89S51单片机中进行数据采集，由单片机中的CPU对该数字信号进行处理和分析。最后，经过比较输出控制信号，传入MOSFET控制其开通或者关断。通过检测被测信号的频率（被测信号频率远大于电路信号），在检测出过零点，得倒精确的波形，由此推算出周期、频率、峰值。 图2-1 系统硬件设计流程图2.2.2 系统的软件设计方案 本次设计的电气参数自动测试系统软件的功能主要是控制单片机AT89C
30、51对被测模拟信号采集，并对采集的信号进行分析和计算等功能。本系统采用C语言编制数据采集程序和数据分析计算程序。在整个软件的开发中，采集到的被测信号的数据分析计算是其中的重点。在选择计算机算法时，要充分利用电气参数测试理论的研究成果，不仅要考虑到精度的要求，而且考虑到单片机控制系统的实际运算能力。下图本测试系统软件的总体结构图。图2-2 系统软件总体结2.3发电机自动并网装置：2.3.1发电机自动并网原理：把同步发电机并联至电网的过程称为投入并联，或称为并列、并车、整步。在并车时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步发电机受到损坏、电网遭受干扰。并车前必须检查发电机和电网是否适合以下条件：（1
31、）双方应有一致的相序；（2）双方应有相近的电压；（3）双方应有同样或者十分接近的频率和相位。若以上条件中的任何一个不满足则在开关K的两端，会出现差额电压 ，如果闭合K，在发电机和电网组成的回路中必然会出现瞬态冲击电流。上述条件中，除相序一致是绝对条件外，其它条件都是相对的，因为通常电机可以承受一些小的冲击电流。 并车的准备工作是检查并车条件和确定合闸时刻。通常用电压表测量电网电压 ，并调节发电机的励磁电流使得发电机的输出电压U=U1。再借助同步指示器检查并调整频率和相位以确定合闸时刻。以上条件是发电机并网所要满足的理想条件，实际当中，待并发电机的电压和频率与电网的不可能严格相同。而且在实际并网
32、过程中，以船舰电力系统为例，由于船舰的电力系统的调度部门对发电机从启动到最后并网的时间有非常严格的限制，另外考虑到发电机的调速和调压控制器的性能，电网的波动等因素，实际的发电机并网条件要比上述条件宽松，我们称之为准同期条件。发电机实际并网是多需满足的准同期条件是：（1）待并发电机组的电压与电网电压的差必须在允许范围之内；（2）待并发电机组的频率与电网的频率相接近（即频率差在允许范围之内）；（3）相位差等于零的瞬时控制合闸开关闭合，这样发电机将会被平滑的并入电网。由于在发电机组安装时已经对发电机的相序与电网的相序进行测定，保证一致的条件。因此并车操作就是检测和调整待并发电机组的电压、频率和相位，
33、使之在满足上述三个条件的瞬间通过发电机主开关的合闸投入电网。这样就可以保证在并车合闸时没有冲击电流，并且并车后能保持稳定的同步运行。实际并车时，除相序外，其他条件不可能做到完全一致，而且必须有一定的频差才能快速投入并联运行。 发电机自动并网装置不但使并网合闸瞬间的各项要求能最大限度地得到满足、电磁冲击和机械冲击最小、杜绝了手工操作的种种不足，而且可对电网故障作出最快速、最恰当的反应，提高了电力系统的综合自动化和运行可靠性。2.3.2注意事项：(1)电机并网:发电机并网可以直接联入电网，也可以通过晶闸管调压装置与电网联接。感应发电机的并网条件是：a.转子转向应与定子旋转磁场转向一致，即感应发电机
34、的相序应和电网相序相同；b.发电机转速应尽可能接近同步速时并网。当风速达到起动条件时风力机起动，感应发电机被带到同步速附近(一般为98%-100%) 同步转速- 时合闸并网。由于发电机并网时本身无电压，故并网时必将伴随一个过渡过程，流过5-6倍额定电流的冲击电流，一般零点几秒后即可转入稳态，发电机并网时的转速虽然对过渡过程的时间有一定影响，但一般来说问题不大，所以对风力发电机并网合闸时的转速要求不是非常严格，并网比较简单。风力发电机组与大电网并联时，合闸瞬间的冲击电流对发电机及大电网系统的安行不会有太大的影响。但对小容量的电网系统，并联瞬间会引起电网电压大幅度下跌，从而影响接在同一电网上的其他
35、电气设备的正常运行，甚至会影响到小电网系统的稳定与安全，为了抑制并网时的冲击电流，可以在感应发电机与三相电网之间串接电抗器，使系统电压不致下跌过大，待并网过渡过程结束后，再将其短接。 (2)并网运行时的功率输出:感应发电机并网运行时，它向电网送出的电流的大小及功率因数，取决于转差率s及电机的参数，前者与感应发电机负载的大小有关，后者对设计好的电机是给定的数值，因此这些量都不能加以控制或调节。 (3)无功功率及其补偿:发电机并网需要落后的无功功率主要是为了励磁的需要，另外也为了供应定子和转子漏磁所消耗的无功功率，单就前一项来说，一般中、大型感应电机，励磁电流约为额定电流的20%-25% ，因而励
36、磁所需的无功功率就达到发电机容量的20%-25%，再加上第二项，这样感应发电机总共所需的无功功率约为发电机容量的25%-30%。接在电网上的负载，一般来说，其功率因数都是落后的，亦即需要落后的无功功率，而接在电网上的感应发电机也需从电网吸取落后的无功功率，这无疑加重了电网上其他同步发电机提供无功功率的负担，造成不利的影响，所以对配置感应电机的风力发电机，发电机并网通常要采用电容器进行适当的无功补偿。2.4发电机：2.4.1发电机简介：电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其它形式的能源转换成电能的机械设备，最早产生于第二次工业革命时期，由德国工程师西门子于1866年制成，它由水轮机、汽轮机
37、、柴油机或其它动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。发电机英文名称：Generators。它的形式有很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。发电机的工作原理：发电机主要由定子、转子、端盖.电刷.机座及轴承等部件构成。定子由机座.定子铁芯、线包绕组、以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯、转子磁极（有磁扼.磁极绕组)、滑环、(又称铜环.集电
38、环)、风扇及转轴等部件组成。通过轴承、机座及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，通过滑环通入一定励磁电流，使转子成为一个旋转磁场，定子线圈做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。由于电刷与转子相连处有断路处，使转子按一定方向转动，产生交变电流所以家庭电路等电路中是交变电流，简称交流电。我国电网输出电流的频率是50赫兹。发电机可分为以下4类：直流发电机、交流发电机、同步发电机、异步发电机。直流发电机：它是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电机。虽然在需要直流电
39、的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。直流电机的结构，必须有满足电磁和机械两方面要求的结构，因此具备具备静止和转动两大部分：1.直流电机静止部分称作定子，作用是产生磁场，由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成；2.直流电机转动部分称作转子(通常称作电枢)，作用是产生电磁转矩和感应电动势；由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成。交流发电机：在日常生活中我们用交流发电机来供用电设备使用时,常发生用电设备不能正常工作的情况,其原因是发电机输出的交流电不够稳定,这时候需要电力稳压器来稳定电压,也就是我们日
40、常生活中常用到的交流稳压电源，交流稳压电源能使发电机的输出电压精度稳定到我们用电设备正常工作所允许的范围。交流发电机的构造稍显复杂。但是不论它是单相还是三相，都是由下列几个主要部分组成：(1)激磁部分，包括激磁机和磁场部分；(2)电枢部分；(3)机壳部分，包括装置备部分的铁架和机座。异步发电机：异步发电机又称“感应发电机”。利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机。其转子的转向和旋转磁场的转向相同，但转速略高于旋转磁场的同步转速。常用作小功率水轮发电机。交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机.交流励磁发电机由于转子方采用交流电压励磁,使其具有灵活的运行方式,在解
41、决电站持续工频过电压、变速恒频发电、抽水蓄能电站电动-发电机组的调速等问题方面有着传统同步发电机无法比拟的优越性。交流励磁发电机主要的运行方式有以下三种:1) 运行于变速恒频方式;2) 运行于无功大范围调节的方式;3) 运行于发电-电动方式。同步发电机：转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流发电机，称为同步发电机。当它的磁极对数为p、转子转速为n时，输出电流频率满足f=np/60。同步电机多被用作发电机，当今作为动力用的强大电力几乎全是由三相同步发电机发出的，因此它是各类发电厂的核心设备之一。同步电机也可以作电动机使用，例如空气压缩机、鼓风机、电力推进装置和电动发电机组等。 同步电机的定子，就
42、其基本结构来看，与异步电机的定子没有多大区别，也是由定子铁心、定子绕组以及机座、端盖等附件组成。同步电机的转子有两种结构形式：一种有明显的磁极，称为凸极式；另一种转子为一个圆柱体，表面上开有槽，无明显的磁极，称为隐极式。同步电机的励磁电源有两种：一种是由励磁机供电，另一种是由交流电源经过整流而得到。每台同步电机应配备一台励磁机或整流励磁装置，以便调节励磁电流。2.4.2同步发电机：同步发电机的基本构造和工作原理：同步发电机是利用电磁感应原理将机械能转换成电能的设备，其工作原理如图所示。由图可见，同步发电机可分为定子和转子两大部分，定子部分主要由定子铁芯和绕组组成，分为A、B、C三相，均匀的分布
43、在定于槽中；转子部分由转子铁芯和绕组组成，绕组通以直流电，建立发电机的磁场。当转子由原动机（如汽轮机）带动旋转时，产生一旋转磁场，定子绕组（导线）切割了转子磁场的磁力线，就在定子绕组上感应出电动势，当定于绕组接通用电设备时，定于绕组中即产生三相电流，发出电能。图2-3同步发电机的工作原理同步发电视的分类：同步发电机因用途不同，结构也相差甚大，一般可按其原动机的类别、本体特点、安装方式等进行分类：（1）按原动机的类别不同，同步发电机可分为汽轮发电机、水轮发电机、燃汽轮发电机及柴油发电机等。（2）按冷却介质的不同，可分为空气冷却、氢气冷却和水冷却等。（3）按主轴安装方式不同，可分为卧式安装和立式安
44、装等。（4）按本体结构不同，可分为隐极式和凸板式、旋转电枢式和旋转磁极式等。同步发电机的结构，主要是由原动机的特性决定的。如汽轮发电机，由于转速高达3000rmin，故极对数少，转子采用隐极式，卧式安装；水轮发电机由于转速低（一般在500rmin以下）故其极对数多，转子采用凸极式，立式安装。同步发电机的主要技术数据:为使发电机按设计技术条件运行，一般在发电机出厂时都在铭牌上标注出额定参数，并在说明书中加以说明。这些额定参数主要有：（1）额定容量（或额定功率）是指发电机在设计技术条件下运行输出的视在功率，用kVA或MVA表示；额定功率是指发电机输出的有功功率，用kw或MW表示。（2）额定定子电压
45、是指发电机在设计技术条件下运行时，定子绕组出线端的线电压，用kV表示。我国生产的300MW和600MW发电机组额定定子电压均为20kV。（3）额定定子电流是指发电机定子绕组出线的额定线电流，单位为A。（4）额定功率因数（COS）是指发电机在额定功率下运行时，定于电压和定子电流之间允许的相角差的余弦值。300MW机组的额定功率因数为0.85，600MW机组的额定功率因数为0.9。（5）额定转速是指正常运行时发电机的转速，用 rmin（每分钟转数）表示。我国生产的汽轮发电机转速均为3O00rmin。（6）额定频率，指我国电网的额定频率为50HZ（即每秒50周）。（7）额定励磁电流是指发电机在额定出
46、力时，转子绕组通过的励磁电流，用A或kA表示。（8）额定励磁电压是指发电机励磁电流达到额定值时，额定出力运行在稳定温度时的励磁电压。（9）额定温度是指发电机在额定功率运转时的最高允许温度（）。（10）效率是指发电机输出与输入能量之百分比，一般额定效率在9398之间，300MW和600MW大型机组在98以上。同步发电机运行特性:工作特性：表征同步发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。空载特性：发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流If感生出的空载电动势E0（三相对称），其大小随If的增大而增加。但是，由于电机磁路铁
47、心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势E0与励磁电流If关系的曲线称为同步发电机的空载特性。电枢反应：当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。负载运行特性:主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时，发电机端电压U与负载电流I之间的关系。调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因数为常数时,励磁电流If与负载电流I之间的关系。同步发电机的电压变化率约为2040%,一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此，随着负载电流的增大,必须相应地调整励磁电流。第三章 硬件电路3.1单片机3.1.1单片机技术简介：单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)
