电气工程毕业设计——同步发电机PWM励磁电源设计_机械毕业设计专卖

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在现代电力系统中，同步发电机运行稳定性一直是世界各国所普遍xx的课题，在诸多改善发电机稳定性的措施中，提高励磁系统的控制性能，被认为是最为有效和经济的措施之一。

目前采用的励磁方式主要分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系统，此种励磁方式由于运动部件多，控制复杂费时，功能少，不易维修等缺点，逐步将会被淘汰；另一类是用可控硅整流装置将交流转化成直流后供给励磁的整流器励磁系统，这种励磁方式取消了全部的运动部件，运行可靠，经济性好，技术已经相当的成熟，正在得到越来越广泛的应用。

本论文主要论述一个基于PIC16F877单片机实现的同步发电机PWM励磁电源的设计。首先，就同步发电机励磁电源研究的背景和意义以及励磁控制方式的演绎做了简要论述；其次针对PWM控制技术和数字PID及其改进方法等基本原理做了详细介绍；然后阐述了同步发电机PWM励磁电源的主电路设计、控制电路设计以及IGBT的驱动与保护电路的设计，其中包括元器件的参数整定计算和选型、各部分方案论证。{zh1}介绍了控制算法的实现和软件设计，并分析了设计中存在的问题。

关键词：励磁电源；PWM斩波；数字PID；PIC16F877；IGBT驱动与保护；

在电力系统的运行中，同步发电机的励磁电源是一个十分重要的组成部分。其主要任务是向同步发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流或电压, 从而控制机端电压的恒定, 满足发电机正常发电的要求, 同时还控制发电机机组间无功功率的合理分配, 以提高同步发电机并列运行的稳定性, 确保电力系统安全运行。

励磁调节对电力系统的暂态和静态都有一定的影响,在正常运行情况下,同步发电机的机械输入功率与电磁输出功率是保持平衡的。同步发电机以同步转速运行，其特性是一条正弦曲线；如果发电机在运行中可自动调节励磁，则此时发电机内电动势为定值，相应的传输功率可得到显著的提高。假如自动励磁调节是无惯性的，并假定在负载变化时可保证发电机的暂态电动势近似为常数,由于随负载变化时,内电势亦随励磁调节而变化,此时的功率特性已不是一条正弦曲线,而是一组内电势等于不同恒定值的正弦曲线族上相应工作点组成。这就是对静特性的影响。同时对于暂态特性来说，提高励磁系统励磁电压响应比的同时，提高强行励磁电压倍数，使故障切除后发电机内电势迅速上升，增加功率输出，以达到增加减速面积的目的，从而提高暂态稳定性。

同步发电机的励磁调节和原动机的调速系统是保证电力系统正常运行的最基本的调节手段。电能质量的基本指标是系统的频率和电压，频率作为影响电能质量主要指标之一，它的偏差将严重影响电力用户的正常工作，原动机的调速系统是保证系统频率稳定的基本手段；电压质量作为另一影响电能质量主要指标，它对各类用电设备的安全经济运行有直接影响，励磁调节系统则是维持电压稳定的主要手段。

在五十年代初期，随着电力及电子技术的进展,电力系统对发电机励磁系统的控制功能也不断提出了新的要求,主要体现在对自动励磁调节器的功能要求上。自动电压调节器的主要功能是维持发电机电压为恒定值。当时应用的电压调节器多为机械型的，其后又发展为电子型或者电磁型。在这一历史时期中,发电机多采用直流励磁机励磁方式,励磁的调节多作用于直流励磁机励磁绕组侧,须经过具有相当惯性的励磁机功率环节实现对发电机励磁的调节.为此它属于慢速励磁调节系统。

在五十年代后期，随着电力系统的大型化和发电机单机容量的增长，出于提高电力系统稳定性的考虑，自动电压调节器的功能已不再局限于维持发电机电压恒定这一要求上，而更多地体现在提高发电机静态及动态稳定性方面。这标志着对励磁调节的功能要求已有了根本改变。

在五十年代期间，有一点须说明的是关于强行励磁的作用问题。当时有一观点认为，在系统事故时，应当限制励磁的作用，以防止发电机定子电流过载。但是，前苏联的学者经过实验和实践证明：采用强行励磁可加速切除事故后电压的恢复，并缩短定子电流过负载的时间，这对于缩短事故后系统电压的恢复时间及系统稳定都是极为有利的。

自五十年代至今，励磁控制技术也有了极大的发展。概括地说，励磁控制方式的演绎大致经历了单变量输入及输出的比例控制方式、线性多变量输入及输出的多变量反馈控制方式以及伴随控制理论发展起来的非线性多变量控制方式等几种主要的演绎阶段。

同步发电机的励磁系统一般由两部分组成。一部分是用于向发电机的磁场绕组提供直流电流以建立直流磁场，通常称为励磁功率输出部分（或称功率单元）。另一方部分用于在正常运行或发生事故时调节励磁电流，以满足运行的需要。这一部分包括励磁调节器、强行励磁、强行减磁和自动灭磁等，一般称为励磁控制部分（或称控制单元，或统称为励磁调节器）。励磁系统总体框图如图 1－1 所示。

近年来由于调速系统的数字化，其惯性时间常数已经大大减少，由此为通过调速系统直接抑制有功功率的振荡提供了可能。对于多机系统亦有良好的控制性能。同时具有自检能力，在硬件故障时可进行自动切换。