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毕业设计(论文)开题报告

题 目： 同步发电机励磁系统自动调节研究

学 院： 电气信息学院
专 业： 电气工程及其自动化
学生姓名： 曹剑平 学 号： 200801010518
指导老师： 陈小明老师

2012年 3 月 11 日
开题报告填写要求

1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。
2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。
3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。
4．统一用A4纸，并装订单独成册，随《毕业设计（论文）说明书》等资料装入文件袋中。

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。
文献综述
---同步发电机励磁系统自动调节研究
湖南工程学院 曹剑平

引言：
励磁系统可以保证发电机可靠和稳定的运行，而且可以有效的提高发电机以及电力系统的技术经济指标。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。
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。近年来通过与国外知名励磁设备制造公司的广泛技术交流、合作，我国发电站励磁系统的设计、开发和制造等已取得非常明显的进步。无论是从励磁方式的选择、设备的选型，还是励磁控制调节手段与10年前相比均发生了重大的变化。可控硅自并励励磁方式、干式历次变压器得到了普遍的采用、数字式励磁调节和控制已逐渐取代模拟式励磁调节和控制方式。
一、 同步发电机励磁系统的基本构成
同步发电机（synchronization dynamo）的励磁系统主要由功率单元和调节器（装置）两大部分组成。　其中励磁功率单元是指向同步发电机转子绕组提供直流励磁电流的励磁电源部分，而励磁调节器则是根据控制要求的输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元输出的装置。由励磁调节器、励磁功率单元和发电机本身一起组成的整个系统称为励磁系统控制系统。励磁系统是发电机的重要组成部份，它对电力系统及发电机本身的安全稳定运行有很大的影响。
二、 发电机励磁系统的作用
励磁系统的主要作有：1）根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值；2）控制并列运行各发电机间无功功率分配；3）提高发电机并列运行的静态稳定性；4）提高发电机并列运行的暂态稳定性；5）在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；6）根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。
三、 同步发电机励磁系统的形式
1、直流发电机供电的励磁方式
　　这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。
2、交流励磁机供电的励磁方式
　　现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100——200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。
3、无励磁机的励磁方式
在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除没有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。
四、 同步电机励磁自动调节装置的组成单元及作用
自动调节励磁装置通常由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。 　　
1. 测量单元 　　被测量信号（如电压、电流等），经测量单元变换后与给定值相比较，然后将比较结果（偏差）经前置放大单元和功率放大单元放大，并用于控制可控硅的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。 　　
2.同步单元 　　同步单元的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步，以保证控硅的正确触发。 　　
3.调差单元 　　调差单元的作用是为了使并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷。 　　
4.稳定单元 　　稳定单元是为了改善电力系统的稳定而引进的单元 。励磁系统稳定单元 用于改善励磁系统的稳定性。 　　
5.限制单元 　　限制单元是为了使发电机不致在过励磁或欠励磁的条件下运行而设置的。 　　
必须指出并不是每一种自动调节励磁装置都具有上述各种单元，一种调节器装置所具有的单元与其担负的具体任务有关。
五、 国内外同步发电机励磁系统发展情况
在国外20世纪50年代，电力系统广泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型的励磁控制器。20世纪60年代，电力系统开始采用由半导体元件组成的半导体励磁控制器。电磁型、半导体型励磁控制器均属于模拟式的控制器，其所有功能均由硬件完成。应该说，经过多年的发展和完善，半导体励磁控制器功能是齐全的，基本上能满足电力系统的要求；性能是稳定的，随着元件质量和生产工艺的提高，半导体励磁控制器的故障率已经比较低。但由于半导体励磁控制器的各项功能均由硬件实现，增加一项功能就得增肌一套硬件，扩展性差。
而在国内近年来，随着数字控制技术、计算机技术以及微电子技术的飞速发展和日益成熟，数字式励磁控制器已成为发展趋势。数字式励磁调节器具有以下优点：增加励磁控制功能，改善电机运行工况；调节准确、精度高，在线修改参数方便；利用计算机判断和逻辑运算功能及软件的灵活性，可以很容易的在励磁控制中实现完备的限制及保护功能、通用而灵活的系统功能、简单的操作以
及智能化的维修和试验手段；硬件结构简单，可靠性高，无故障工作时间长；通信方便、易于实现自动化；便于产品更新换代；人机界面友好，运行维护方便。这些优点使得微机励磁控制器从其诞生之日就显示强大生命力和良好的发展前景，并取得广泛应用，微机励磁控制系统也广泛应用于同步发电机的励磁控制。
目前，在国内市场己经投入实际使用的数字式励磁控制装置的控制核心使用的多为传统的单片机(如51系列、96系列)，由于运算精度和速度有限，再加上部分装置采集数据所用变送器的时间延迟，影响了励磁控制响应速度和准确性的进一步提高，限制了一部分先进控制理论和方法的推广应用。随着芯片制造技术的发展，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好，价格却大幅度下滑，从而使得DSP器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户接受，越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能。随着DSP技术的不断完善，各种DSP器件的不断推出，为实时数字信号处理的应用创造了前所未有的广阔空间。原来普遍认为的DSP具有强大的数据处理能力适用于计算密集型领域，而通用处理能力不足，对外接口资源少，不适于做核心控制处理器用于控制密集型领域的问题已经随着一系列新型控制专用DSP的推出而大大改观。
六、 参考资料
[1]. 辜承林、陈乔夫等. 电机学. 华中科技大学出版社　
[2]. 徐爱均. 单片机原理使用教程. 电子工业出版社
[3]. 杨延双、张晓东、魏坚华. 微机原理及汇编语言教程. 北京航空航天大学出版社
[4]. 李基成. 现代同步发电机励磁系统设计及应用. 中国电力出版社
[5]. 朱振青. 励磁控制与电力系统稳定. 中国水利水电出版社
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[7]. 程远楚. 同步发电机静止励磁系统. 武汉水利电力大学出版社
[8]. 刘忠源. 同步电机可控硅励磁系统. 水利电力出版社
[9]. 李基成. 现代同步发电机整流器励磁系统.水利电力出版社
[10]. 王修才，刘祖望. 单片机接口技. 复旦大学出版社
[11]. 何立民. 单片机应用文集. 北京航空航天大学出版社
[12]. 薛青等. 单片机原理及接口技术. 哈尔滨工业大学出版社
[13]. 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机. 北京航空航天大学出版社

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
２．开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施
开 题 报 告
---同步发电机励磁系统自动调节研究
一、 课题的目的与意义
当前我国电力供应十分紧张，在世界能源严重不足的今天，节约能源势在必行，电机系统的节能在这种情况下很有意义。
同步电动机广泛应用在工农业生产恒速系统，具有自由调节功率因数、转速恒定，负载特性硬等特点。现在电力系统中，大部分负荷为感性负荷，如感应电机、并联电抗器、输电线路的感抗和变压器等，感性负载都需要从电网上吸收感性无功功率，降低了电网的功率因数，使发电、供电设备容量不能充分利用，线路损耗和压降增大，造成系统电压下降。而同步电动机的励磁调节系统可以通过调整本身的励磁电流使其在较高的功率因数下运行。当系统中感性负荷较重而功率因数较低时，可让同步电动机在过激状态下运行，以提供容性无功，来提高整个系统的功率因数，这样使所有电气设备如发电机、变压器和输电线路的容量得到充分的利用，以达到提高运行效率目的。为节能降耗，电励磁的同步电动机引起人们的重视，其原因在于：在拖动周期性波动负载的工况下，电励磁同步电动机的节能效果比永磁同步电动机更为显著。因为理想的机械特性应是软机械特性，即当负载增大时转速下降，当负载减小时转速升高，这样方能保证在负载变化的整个周期内，功率变化始终较为平缓。由于永磁同步电动机的磁场不能改变，故其转速无法随负载变化而作相应调整。而电励磁同步电动机则可通过调节励磁电流来改变磁场和功率因数，使输出的机械特性与负载特性相匹配，因而较永磁同步电动机具有更好的节能效果。
励磁系统是同步电动机的重要组成部分，由于人们对同步发电机和同步电动机的重视程度不同，致使同步电动机励磁装置的发展远远落后于同步发电机，国内更是如此。而同步电动机的励磁控制有两个问题需要解决，一是在同步电动机的起动过程中如何控制励磁；另一个是在牵入同步以后在同步电动机的运行过程中励磁电流的调节。
二、 课题发展现状和前景展望
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。
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。
三、课题的主要内容和要求
发电机的励磁系统是指为发电机提供可调励磁电流的装置的全部组合，是同步发电机的重要配套装备。
该研究包括：
1.产生可调节励磁电流的功率单元；
2.产生控制功率单元的励磁调节器
3.相关的测量仪表、辅助设备等。
励磁系数必须是一个可调节系统、以满足发电机运行需要。为能及时并准确响应发电机运行变化的要求，该调节系统应该是自动的。励磁调节器根据给定调节规律控制功率单元的，达到规定的调节目的。
四、研究方法、步骤和措施
知识背景：学习并熟悉电力系统的专业课程，包括电力系统稳态分析电机学，自动装置原理，单片机原理及应用，微机原理等等
研究方法：查阅相关资料书籍，自学同步电动机励磁系统方面知识，结合课题要求对课题进行分析，进而拟定方案，最终达到设计目的。
励磁调节系统的研究主要任务可归为:(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。
本次设计主要从一下两个方面进行设计研究：
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系列的单片机由于功能较少，使用起来不方便。本次尝试以一种新型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。

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导教师：
年 月 日
所在专业审查意见：

负责人：
年 月 日