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第一章绪论
1.1概述
为了实现自动励磁调节需借助自动励磁调节器。按其调节的原理可分为补偿型和反馈型两类。补偿型调节器是补偿某些引起被调量产生偏差的因素。由于是开环补偿，只能使电压维持在一定水平。常用的有电流复式励磁及相位复式励磁柜装置。反馈型调节器是以被调量与给定值的偏差作为控制信号对系统进行闭环控制，常用的为负反馈比例式调节器。因为是闭环调节，所以调节性能优于补偿型。为改善比例式调节器中存在的稳态指标与动态性能的矛盾,发展了PID（比例－积分－微分）型调节器。用积分环节来提高稳态电压水平，用微分环节来改善动态特性。一些大型机组的励磁调节器还引入发电机的电压、电流、功率、转速等的微分信号，构成镇定环节及强力调节器，用以提高远距输电机组的稳定性和传输容量。
随着调节器功能和构成元件不同，调节器的组成有简有繁，但基本上可划分为：①量测环节。感受各类信息偏差量。②综合放大环节。放大及综合各类信息。③执行环节。实现移相和可控触发。自动励磁调节系统是同步发电机的一个
重要组成部分，它由两部分组成:第一部分是励磁功率单元，第二部分是励磁调节器。起初的励磁系统，其励磁功率单元是直流发电机，称为直流励磁机励磁方式。随着大功率半导体元件的广泛应用，以半导体整流器为励磁功率单元的励磁方式得到了广泛的应用，出现了由副励磁机—交流励磁机—旋转整流器和发电机转子绕组构成的三机励磁方式，和励磁变压器从机端取得电功率，经可控整流后供给转子绕组直流电的自并励静态励磁方式。
目前，大量使用的还是常规模拟式调节器。随着发电机单机容量和电网容量的不断增大，电力系统及发电机组对励磁控制在快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的要求，如更优的励磁调节性能、更多和更灵活的控制、限制、报警等附加功能，等等。显然，常规模拟式的
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励磁调节器难以满足如此高的性能要求，即使暂时满足了，也需要增加功能组件或重新设计系统，大量的硬件电路不仅使得励磁调节器装置十分复杂.增加了维护工作量，降低了装置可靠性，而且其潜力也是有限的。在这种情况下，随着数字控制技术、计算机技术及微电子技术的飞速发展和日益成熟，同步发电机组采用数字式励磁调节器已成为发展趋势。
与模拟励磁调节器相比，数字式励磁调节器具有以下优点: (1)由于计算机具有计算和逻辑判断功能，使得复杂的控制策略可以在励磁控制中得到实现。它除了可以实现模拟式调节器的PID调节、PSS附加控制和线性最优控制外，还可以实现模拟式调节器难以实现的自校正调节、非线性控制、自适应控制及模糊控制等。
(2)调节准确、精度高，在线改变参数方便。在数字式励磁调节器中，信号处理、调节控制规律都由软件来完成，不仅简化了控制装置，而且信号处理和控制精度高。
(3)利用计算机强有力的判断和逻辑运算能力及软件的灵活性，可以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实验手段。
(4)可靠性高，无故障时间长。
(5)通信方便，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。
(6)山于引入了微处理器，使得控制策略的改变和控制功能的增加，通常只需要在软件上加以改进，便于产品更新换代。
同步发电机的运行特性与它的气隙电势Eq值的大小有关，而Eq的值是发电机励磁电流It的函数，改变励磁电流就可影响同步发电机在电力系统中的运行特性。因此对同步发电机的励磁进行控制，是对发电机的运行实行控制的重要内容之一。电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，以维持电网的电压水平及稳定性。可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量，无功功率的合理分配和提高电力系统运行的稳定性及可靠性的方面都起着重要的作用。同步发电机的励磁系统一般由励磁功率单元和励磁调节器两个部分组成。如图1-1所示。励磁功率单元向同步发电机转子提供直流电流，即励磁电流;励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器，励磁功率单元和发电机构成的一个反馈控制系统。
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图1—1同步发电机励磁控制系统构成示意图
1.2励磁控制系统的任务及作用
同步发电机无论运行在稳态还是暂态过程中，其运行状态在很大程度上和励磁有关。对发电机的励磁进行调节和控制，不仅可以保证发电机及电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性，而且可以提高发电机及电力系统的经济技术指标，励磁调节装置的主要作用简述如下。
(1)维持同步发电机端电压为一稳定水平
因为发电机在正常工作情况下，负载总在不断地变化着。而不同容量的负载，以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的反应作用是不同的，对同步发电机的内部阻抗压降也是不一样的。要维持同步发电机端电压为一稳定水平，就必须根据负载的大小及负载的性质随时调节同步发电机的励磁电流。显然，这一调节过程只有通过电压的自动调节装置才能实现。
有或无自动调节装置的同步发电机外特性曲线如图1-2e图中曲线1为无自动励磁调节装置的外特性，曲线2为有自动励磁调节装置的外特性。
(2)提高电力系统的静态稳定性
当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行的特性称为电力系统的静态稳定性。现代电力系统的发展趋势是增大输送距离和提高输送功率。这题题而其中最重要的和最基本的困难之一是同步发
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电机只具有较小的静态稳定性。但由于自动励磁的调节装置的出现，使这一问题得到了圆满的解决。
图1-2同步发电机的外特性
(3)提高电力系统动态稳定性
当电力系统的负荷发生突变、线路结构参数改变，以及电力系统遭受突然短路等故障时，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性，这也是同步发电机的重要性能之一。增加励磁自动调节系统强励能力，降低励磁调节系统的时间常数，是提高电力系统动态稳定性的有效措施。
(4)提高继电保护装置动作的准确性
当电力系统发生短路时，由于励磁自动调节系统的作用，短路电流大大增加，从而提高了继电保护装置动作的准确性。
(5)保证并联运行系统的正常工作
系统的无功分配单元可保证参加并联运行的各发电机的输出无功功率获得均衡分配，增加了稳定环节的无功分配单元是保证强励能力大的并联运行系统能正常稳定工作的重要条件之一。
1.3研究的目的和意义
本文将通过实物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三个方面来介绍:
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；
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2.控制算法:主要介绍P1D控制算法的特性；
3.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。单片机具有体积小、结构简单、功能强大、可靠性高、能方便地实现PID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。
1.4国内外研究动态和趋势
励磁调节器的发展经历了几个阶段：30～40年代电力系统规模较小，励磁调节器主要起调压作用，故称调压器，多数为机电型调节器，目前已趋淘汰；50年代发展了电磁型调节器；60年代后发展为晶闸管励磁调节器，其调节功能也由单纯的调节电压发展为提高电力系统的稳定性。随着控制理论和计算技术的发展，自动励磁调节器也在不断改进：在功能上，向着综合控制方向发展，在原有基础上加入镇定器、欠励磁、过励磁等环节；在控制原理上，向着自适应调节方向发展，即调节器能自动适应系统
工况的变动而择优整定其参数；在构成元件上，正向着微机化方向发展。
目前在国外对CD-AVR紧凑式数字自动电压调节器)，PSS(电力系统稳定器)和PSVR〔电力系统电压调节器)的研究很多，由于它们的低成本、高
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