低壓無功補償系統(tǒng)設計.doc

I 摘 要 本設計是針對低壓無功補償方面的問題 設計了適用于低壓電網(wǎng)進行集中 無功補償?shù)木чl管投切電容器裝置 首先 設計了單片機最小系統(tǒng) 本設計采用 AT89S52 單片機作為控制系 統(tǒng)控制芯片 由于 AT89S52 單片機最小系統(tǒng)簡單而且有很好的實用性 具有 很好的發(fā)展前景 其次 設計了信號采集電路 投切電路 信號采集電路采用十二位并行口 A D 轉(zhuǎn)換芯片可有效快速的進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 提高轉(zhuǎn)換效率 投切電路采用單相 晶閘管進行觸發(fā)投切電容 成本較低運行可靠 最后 設計了鍵盤電路 串行通信電路 鍵盤電路采用 4 4 矩陣鍵盤 簡單實用 方便對無功補償進行手動控制監(jiān)測數(shù)據(jù) 串行通信電路可時時對系 統(tǒng)數(shù)據(jù)進行顯示并通過與上位機相連實現(xiàn)人機接口對話 關(guān)鍵詞 無功補償 單片機 晶閘管 II ABSTRACT This topic is to aim at low pressure to have no achievement compensate of problem designed to be applicable to low pressure charged barbed wire net to carry on concentration to have no achievement compensate of hyristor hurl slice capacitor device Designed a list slice first machine s minimum system This design adoption AT89S52 list slice the machine is to control system control chip because AT89 S52 list slice the machine s minimum system is simple and have good function have good development prospect Secondly designed signal to collect electric circuit hurl to slice electric circuit The signal collects electric circuit to adopt 12 proceed together A D conversion the chip can effectively and quickly carry on a data conversion and raise a conversion efficiency The hurl slices an electric circuit adoption list the mutually thyristor carry on triggering hurl to slice electric capacity the cost is lower to circulate credibility Finally designed a keyboard electric circuit string to go to correspond by letter electric circuit The keyboard electric circuit adopts 4 4 matrix keyboards in brief practical convenient rightness of Be without the achievement repair carry on moving control to monitor a data The string goes to correspond by letter electric circuit to always carry on showing to the system data and pass to connect with place of honor machine to carry out person s machine to connect a people s dialogue Key words reactive power compensation Single Chip Microcompute Thyristor III 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 緒 論 1 1 1 課題研究的目的和意義 1 1 2 無功功率補償?shù)臍v史與現(xiàn)狀 2 1 2 1 無功功率補償?shù)姆诸?2 1 2 2 無功功率補償裝置的發(fā)展概況 2 1 2 3 無功功率補償技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4 1 3 本文主要內(nèi)容 5 第 2 章 低壓無功補償系統(tǒng)的總體設計方案 6 2 1 無功補償總體結(jié)構(gòu) 6 2 2 TSC 型無功功率補償基本原理 7 2 3 無功功率補償方式及容量確定 8 第 3 章 無功補償裝置硬件設計與實現(xiàn) 10 3 1 無功補償控制器硬件總體結(jié)構(gòu)設計 10 3 2 主控芯片選型 11 3 3 采集及轉(zhuǎn)換電路設計 12 3 4 功率因數(shù)測量電路設計 16 3 5 I O 擴展電路設計 19 3 6 晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路設計 20 3 7 顯示電路設計 21 3 8 鍵盤電路設計 24 3 9 通信接口電路設計 25 3 10 掉電儲存電路 26 3 11 外部存儲器擴展電路設計 27 3 12 電源電路設計 29 第 4 章 無功補償裝置控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn) 30 IV 4 1 主程序設計 30 4 2 功率因數(shù)模塊設計 31 4 3 投切控制程序設計 33 結(jié) 論 37 致 謝 38 參考文獻 39 附錄 1 41 V CONTENTS ABSTRACT Chinese I ABSTRACT II Chapter1 Introduction 1 1 1 Purpose and significance of the research 1 1 2 Reactive power compensation of past and present 2 1 2 1 Have no achievement power compensate of classification 2 1 2 2 Reactive power compensation device development overview 2 1 2 3 Reactive power compensation status and development trend 4 1 3 This study includes 5 Chapter 2 Low voltage reactive power compensation system design program 6 2 1 Complement the overall structure of reactive 6 2 2 TSC type basic principle of reactive power compensation 7 2 3 Reactive power compensation and capacity to determine 8 Chapter 3 Reactive Compensation Device hardware design and implementation 10 3 1 Reactive power compensation controller design of the overall structure of the hardware 10 3 2 Master Chip 11 3 3 Acquisition channel and conversion circuit 12 3 4 Power factor measurement circuit 16 3 5 I Oexpansion circuit design 19 3 6 Thyristor trigger drive circuit design 20 3 7 Display circuit 21 3 8 Keyboard circuit 24 3 9 Communication Interface Circuit Design 25 3 10 Power down storage circuit 26 3 11 External memory expansion circuit design 27 VI 3 12 Power circuit design 29 Chapter 4 Reactive power compensation equipment control system software design and implementation 30 4 1 The main program structure 30 4 2 Power Factor Design of sampling and data processing module 31 4 3 Switching Module Control Program 33 Conclusions 37 Acknowledgements 38 References 39 Appendix 1 41 1 第 1 章 緒論 1 1 設計研究的目的和意義 在低壓電網(wǎng)中 隨著居民生活水平的不斷提高和大量家用電器的普及 以 及小工業(yè)用戶的增多 導致電網(wǎng)中無功功率的消耗日益增大 功率因數(shù)大都比 較低 尤其是電力電子裝置的應用日益廣泛 而大多數(shù)電力電子裝置的功率因 數(shù)很低 造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降 也給電網(wǎng)帶來額外負擔并影響供電效益 因 此 利用無功補償技術(shù)正成為當前世界各國電力設計及決策人員的共識 無功 補償裝置的投資已被列入電力投資的整體規(guī)劃中 成為一個不可缺少的環(huán)節(jié) 有功功率與視在功率的比值稱為功率因數(shù) 無功功率的存在使功率因數(shù)降低 造成如下影響 1 當有功功率不變時 功率因數(shù)低 使發(fā)電機和變壓器的容量增大 不 能充分發(fā)揮原有供電設備的效率 2 在線路輸送有功功率相同的情況下 功率因數(shù)低 使線路中的電流增 加 電壓損失增加 給感應電動機的啟動 運行造成困難 導致供電質(zhì)量下降 若增大導線截面積 相應的增加了有色金屬的消耗量 3 當電網(wǎng)電壓及有功功率不變時 功率因數(shù)低 使輸電線路中的無功電 流增大 功率損耗增加 引起發(fā)電機端電壓的下降 無功功率對供電系統(tǒng)和負載的運行都是十分重要的 在電力系統(tǒng)中 大多 數(shù)電網(wǎng)中元件和負載都要消耗無功功率 而電網(wǎng)中元件和負載所需要的無功功 率必須從網(wǎng)絡中某個地方獲得 顯然 這些所需的無功功率如果都要由發(fā)電機 提供并經(jīng)過長距離輸送是不合理的 通常也是不可能的 合理的方法應該是在 需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率 即對無功功率進行補償 對電網(wǎng)進行無功補償有以下幾個方面的作用 1 1 提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù) 降低設備容量 減少功率損耗 2 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓 提高供電質(zhì)量 在長距離輸電線中合適的 地點設置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性 提高輸電能力 3 在電氣化鐵道等三相負載不對稱的場合 通過適當?shù)臒o功補償可以平 衡三相的有功及無功負載 無功補償就其補償方式來說可分為高壓補償和低壓 補償 高壓補償通常是在變電所高壓側(cè)進行 僅能補償補償點前端的無功功率 2 對補償點后的輸電線路和負載起不到補償作用 低壓補償可直接補償輸電線路 和負載的無功功率 補償效果最為理想 但在低壓補償時 負載具有分散性大 數(shù)量多的特點 要求無功補償裝置成本低 操作方便 易于維護和安裝 而且 必須能進行動態(tài)補償 目前解決電網(wǎng)中有功功率損耗大 壓降大的最切實可行的辦法就是采用高 性能的無功功率補償裝置 就地補償負載的感性無功功率 因此 尋求一種能 綜合電系統(tǒng)需要補償?shù)臒o功功率 對系統(tǒng)進行跟蹤補償 是低壓電網(wǎng)改造和建 設中迫切需要解決的問題 本課題就是在此基礎上提出的 1 2 無功功率補償?shù)臍v史與現(xiàn)狀 1 2 1 無功功率補償?shù)姆诸?無功補償可以分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償 串聯(lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的 阻抗參數(shù) 歐美一些國家普遍采用串聯(lián)補償來提高輸電線的傳輸能力 而我國 大多采取并聯(lián)補償?shù)姆绞絹硌a償系統(tǒng)無功 并聯(lián)補償?shù)哪康脑谟诳刂凭€路的電 壓參數(shù) 并聯(lián)補償按補償對象不同可分為系統(tǒng)補償和負荷補償兩大類 2 系統(tǒng)補償通常指對交流輸配電系統(tǒng)進行補償 目的是維持電網(wǎng)樞紐點處的 電壓穩(wěn)定 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 增大線路的輸送能力以及優(yōu)化無功潮流 降低 線損等 負荷補償通常是指在靠近負荷處對單個或一組負荷的無功功率進行補償 目的是提高負荷的功率因數(shù) 改善電壓質(zhì)量 減少或消除由沖擊性負荷 不對 稱負荷 非線性負荷等引起的電壓波動 電壓閃變 三相電壓不平衡及電壓和 電流波形畸變等危害 1 2 2 無功功率補償裝置的發(fā)展概況 現(xiàn)今所指的無功補償裝置一般專指使用晶閘管的無功補償設備 主要有以 下三大類型 3 4 一類是具有飽和電抗器的無功補償裝置 Saturated Reactor SR 第二類是晶閘管控制電抗器 Thyristor ControlReactor TCR 第三類是晶閘管投 切電容器 Thyristor Switch Capacitor TSC 下面依次介紹此三類無功補償裝置 的情況 1 具有飽和電抗器的無功補償裝置 Saturated Reactor SR 這種裝置是最早的一種靜止無功補償裝置 早在 1967 年 這種裝置就在 3 英國制成 飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種 相應的無功 補償裝置也就分為兩種 具有自飽和電抗器的無功補償裝置是依靠電抗器自身 固有的能力來穩(wěn)定電壓 它利用鐵心的飽和特性來控制發(fā)出或吸收無功功率的 大小 2 晶閘管控制電抗器 Thyristor Control Reactor TCR 這種裝置是利用晶閘管的相位控制來調(diào)整電抗器的電流 從而達到調(diào)整無 功功率的目的 其單相原理圖如圖 1 1 所示 其三相多接成三角形 這樣的電 路并入到電網(wǎng)中相當于交流調(diào)壓器電路接電感性負載 此電路的有效移相范圍 為 當觸發(fā)角時 晶閘管全導通 導通角 此時90 180 90 180 電抗器吸收的無功電流最大 根據(jù)觸發(fā)角與補償其等效導納之間的關(guān)系式 1 1 max sin LLBB max 1 LLBX 可知 增大觸發(fā)角即可增大補償器的等效導納 這樣就會減小補償電流中的基 波分量 所以通過調(diào)整觸發(fā)角的大小就可以改變補償器所吸收的無功分量 達 到調(diào)整無功功率的效果 L SCR U t 圖 1 1 TCR 型補償器原理 TCR 型動態(tài)補償方式具有以下優(yōu)點 從 0 到最大功率連續(xù)可調(diào) 可以根 據(jù)電網(wǎng)負荷情況分相調(diào)節(jié) 電路簡單 便于操作維護 不可避免的也具有一些 缺點 在運行中會產(chǎn)生諧波 占地面積大 電容 電抗器和晶閘管容量都是按 系統(tǒng)最大沖擊無功功率來配備 設備投資大 從實際情況看 跟蹤補償裝置大 部分時間處于零或低無功功率補償狀態(tài) 最大功率運行能耗大 這種具有 TCR 型的補償器反應速度快 靈活性大 目前在輸電系統(tǒng)和工業(yè)企業(yè)中應用 最為廣泛 3 晶閘管投切電容器 Thyristor Switch Capacitor TSC 5 這種裝置是將并聯(lián)補償電容器分成若干組 根據(jù)負荷無功的變化情況對補 4 償電容器進行分組投切 達到調(diào)整無功補償量的目的 其單相原理如圖 1 2 所 示 U t SCR L C 圖 1 2 TSC 型補償器原理 TSC 型動態(tài)補償方式具有以下特點 結(jié)構(gòu)緊湊 可設計成柜體形式 占 地面積小 設備投資小 大約比 TCR 降低 25 運行能耗小 電容器是無過 渡過程投切 本身不產(chǎn)生諧波 合理的參數(shù)還可吸收諧波 接入系統(tǒng)靈活 可 設計成高壓型 缺點是不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率 隨著電力電子技術(shù)的進一步發(fā)展 一種更先進的靜止型無功補償裝置出現(xiàn) 了 即采用自換相變流電路的靜止無功發(fā)生器 Static Var Generator SVG 也 稱之為高級靜止無功補償器 Advanced Static VarCompensator ASVC 靜止無 功發(fā)生器的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上 適當?shù)卣{(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值 或者直接控制其交流側(cè)電 流 與傳統(tǒng)的以 TCR 為代表的 SVC 裝置相比 SVG 的調(diào)節(jié)速度更快 運行 范圍寬 而就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流 實現(xiàn)動態(tài)無功 補償?shù)哪康?且在采取多重化 多電平或 PWM 技術(shù)等措施后可大大減少補償 電流中諧波的含量 1 2 3 無功功率補償技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 現(xiàn)在 在世界范圍內(nèi) 以 TCR 和 TSC 為代表的靜止無功補償裝置 SVC 已經(jīng)占據(jù)了動態(tài)無功補償?shù)闹匾匚?是動態(tài)無功補償技術(shù)研究的發(fā)展趨勢 6 截止到 2000 年 全世界已有超過 400 套 總?cè)萘考s為 60Gvar 的 SVC 在輸配 電系統(tǒng)中運行 全世界已有超過 600 套 總?cè)萘考s為 40Gvar 的 SVC 在工業(yè)部 門使用 我國的輸電系統(tǒng)中有 6 套容量為 105 170Mvar 的 SVC 安裝在 5 個 500kV 變電站 均為進口 工業(yè)用戶安裝了 100 多套 SVC 約有 1 5 是進口的 從 2001 年起中國電力科學研究院已為工業(yè)用戶提供了 26 套 10 35kV TCR 5 型 SVC 新平臺 l0kV TSC 型 SVC 裝置于 2001 年 2003 年在變電站分別投入 運行 填補了 SVC 國內(nèi)工程化應用的空白 從無功功率補償裝置的應用來看 SVC 裝置控制簡單 價格低 能滿足 大多數(shù)用戶對于無功功率補償?shù)男枰?應用最為普遍 在電力系統(tǒng)和工礦企業(yè) 用戶中擁有廣大市場 是并聯(lián)無功補償?shù)闹饕b置 1 3 本文主要內(nèi)容 本文介紹了無功補償?shù)哪康暮鸵饬x 闡述了國內(nèi)外無功補償?shù)默F(xiàn)狀與發(fā)展 趨勢 針對低壓電網(wǎng) 本文分析了無功補償原理及補償接線方式 討論了幾種 不同負荷情況下電網(wǎng)最佳補償點的位置及容量配置的問題 第 1 章中 首先介紹了無功補償研究的目的和意義 接著闡述了無功功率 補償?shù)臍v史 現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢 并對各種不同類型的無功補償裝置進行了 比較 第 2 章中 闡述了無功功率補償?shù)南到y(tǒng)框圖 中包含的電開關(guān)元件針對低 壓電網(wǎng) 重點分析了 TSC 型無功補償原理 補償容量和補償位置的優(yōu)化方法 及其無功補償自動投切控制方式 第 3 章中 根據(jù)要求設計了用于低壓電網(wǎng)的無功補償裝置 介紹了裝置的 主電路原理及其主要元件的選取方法 完成了無功功率補償控制器的有關(guān)硬件 設計 第 4 章中 軟件設計 計算無功補償?shù)耐肚腥萘?結(jié)論 對全文進行了總結(jié) 6 第 2 章 低壓無功補償系統(tǒng)的總體設計方案 2 1 無功補償總體結(jié)構(gòu) 本課題設計的無功補償裝置主體結(jié)構(gòu)由柜體 控制器 空氣開關(guān) 避雷器 三相電容器 熔斷器 可控開關(guān) 觸發(fā)板和串聯(lián)電抗器等部分組成 主電路接 線示意圖如圖 2 1 所示 三相負載 電壓檢測電流檢測 低通濾波低通濾波 邏輯比較電路A D轉(zhuǎn)換電路 單片機中央處理單元 RAM存儲投切信號 狀態(tài)顯示 脈 沖 驅(qū) 動 裝 置 脈 沖 驅(qū) 動 裝 置 A B C 空氣開關(guān) 過壓吸收 控 制 器 圖 2 1 無功補償主電路圖 如圖 2 1 所示 為無功補償裝置主電路接線圖 由圖可以看出 電網(wǎng)中 A B C 三相電源線經(jīng)空氣開關(guān)進入無功補償裝置的柜體內(nèi) 再經(jīng)熔斷器與 復合開關(guān)模塊連接 電容器經(jīng)復合開關(guān)模塊與熔斷器和空氣開關(guān)連接 避雷器 經(jīng)空氣開關(guān)與三相電源線相連后接地 工作過程為 將從線路采集電壓 電流等采樣信號送入控制器內(nèi)進行數(shù)據(jù) 分析處理 計算線路所缺的無功功率 控制器再根據(jù)此無功功率 按照預先設 定的控制策略 來判定是否需要投入或切除電容器 控制器通過晶閘管與二極 管反并聯(lián)組成的復合開關(guān)模塊來控制投切電容器 主要元件功能及其選擇原則介紹如下 1 柜體 即無功補償柜的箱體 頂部有防塵蓋 在防塵蓋和箱體之間留 有一定的空隙 同時在底部和側(cè)面都有空氣流通孔 以保證充分散熱 2 控制器 控制器具有無功投切判斷 電量參數(shù)計算等功能 通過控制 7 二極管和晶閘管反并聯(lián)組成的復合開關(guān)進行補償電容器的投切 3 空氣開關(guān) 空氣開關(guān)是整個無功補償裝置的總開關(guān) 它控制著整個無 功補償柜的電源及過流保護 空氣開關(guān)又稱空氣斷路器 其選取根據(jù)裝置中電 容器容量的大小不同和通過的電流不同來選取 主要用來分配電能和保護線路 及電源設備的過載 欠電壓和短路 4 避雷器 避雷器起保護作用 防止裝置因雷擊過電壓而受到損壞 避 雷器的選取應以保證電力系統(tǒng)安全的前提下選擇 一般情況選取避雷器額定電 壓為系統(tǒng)標稱電壓的 1 2 1 3 倍 5 電容器 電容器采用 0 4kV 三相自愈式并聯(lián)電容器 采用三相角形接 法 三相共補的補償方式實施動態(tài)補償系統(tǒng)無功功率 6 熔斷器 熔斷器起保護作用 防止補償裝置由于過電流的原因而損壞 熔斷器的選取要和空氣斷路器配合 一般其跌落電流選為通過電流的兩倍 7 可控開關(guān) 可控開關(guān)采用晶閘管和二極管反并聯(lián)的組合形式 通過二 極管的反向自然關(guān)斷和可控硅的可控關(guān)斷來控制電容器組的投切 復合開關(guān)模 塊主要控制 A C 兩相 對于三相電路而言 若 A C 兩相斷開 則 B 相即使 連接 三相并聯(lián)電容器也不能投入 因此此接法具有更大的經(jīng)濟效益 8 觸發(fā)板 觸發(fā)板是晶閘管的控制驅(qū)動電路 它將來自控制器的投切信 號轉(zhuǎn)化為高頻脈沖信號 控制可控硅復合開關(guān)的通斷 9 串聯(lián)電抗器 串聯(lián)電抗器抑制電容器的投切涌流 保護電容器的正常 運行 2 2 TSC 型無功功率補償基本原理 無功功率補償?shù)幕驹硎?把具有容性負荷的裝置與感性負荷并聯(lián)接在 同一電路中 當容性負荷釋放能量時 感性負荷吸收能量 感性負荷釋放能量 時 容性負荷吸收能量 能量在兩種負荷之間相互交換 無功功率補償?shù)脑?可用圖 2 2 來解釋 8 s s Q Q Qc P 圖 2 2 無功功率補償原理圖 圖2 2中 Q為感性負荷從電源吸收的無功功率 Qc為無功功率補償裝置 的補償無功功率 電源輸出的無功功率減少為Q Q Qc 功率因數(shù)由 必提高到 視在功率S減少到S 由電工學可知 cos cos 222 SPQ cosPS sinQS cos P S 其中 為公率因數(shù) 即有功功率和視在功率的比值 其大小代表著電源cos 被利用的程度 它的最大值為 1 這時 電源利用率最高 最小值為PS 0 這時 表示負荷和電源之間只有往返的無功功率交換 同時 0P 為電網(wǎng)相電壓 因此 如果電氣設備發(fā)送的功率一定 cos IPU U 功率因數(shù)越小 線路中的電流越大 功耗和發(fā)熱溫升越嚴重 相同電壓條件下 發(fā)送一定的功率 功率因數(shù)越大 線路中的電流越小 線路中的損耗也越小 因此 在電力系統(tǒng)中力求功率因數(shù)接近于 1 2 3 無功功率補償方式及容量確定 合理無功補償方式的選擇應該遵循以下幾個原則 減少無功功率的流動 實行就地補償?shù)脑瓌t 分級補償原則 集中裝設與分散裝設相結(jié)合 以分散補 償為主的全面規(guī)劃 防止在低負荷情況下過補償 即向電網(wǎng)倒送無功功率 無功補償最好的方式是哪里需要無功就在哪里補償 整個系統(tǒng)將沒有無功 電流的流動 在實際電網(wǎng)當中這是不可能做到的 因為無論是變壓器 輸電線 路還是各種負載 都需要無功 所以在實際低壓配電網(wǎng)中就補償電容器安裝的 位置不同 無功補償?shù)姆绞娇梢苑譃槿N 集中補償 分散補償 分組補償 和 9 就地補償 單機補償 低壓無功補償?shù)娜N方式如圖 2 3 所示 C2 C3 M T C1 圖 2 3 低壓無功補償裝設方式 集中補償方式是將電容器裝設在用戶專用變電所或配電室的低壓母線上 如圖 2 3 中所示 低壓集中補償方式適用于線路末端負荷波動幅度不大 1 C 基荷所占比重較大 負荷容量較大 地點集中的場合 就地補償方式是指將電容器組直接裝設在用電設備旁邊 就地補償用電設 備 主要是電動機 所消耗的無功功率 如圖 2 3 中所示 電容器組隨電動機 3 C 同時投入或退出運行 使電動機消耗的無功功率部分得到就地補償 從而使裝 設點以上輸配電線路輸送的無功功率減少 能獲得明顯的降損效益 就地補償方式是最佳的 對于長距離大用電設備更為適宜 由于負載末端 功率因數(shù)的提高 可使其前面的配變電設備 配電線路等的損耗減少 這種方 式的缺陷是投資高 利用率低同時 由于安裝地點在生產(chǎn)現(xiàn)場 運行條件較差 維護極為不便 而分散補償這種方式的優(yōu)點是對于負荷比較分散的用戶 有利 于實行無功分區(qū)平衡 體現(xiàn)了無功 就地平衡 的原則 可增加設備的承載能 力 10 第 3 章 無功補償硬件設計與實現(xiàn) 3 1 無功補償硬件總體結(jié)構(gòu)設計 無功補償控制系統(tǒng)如系統(tǒng)框圖 電網(wǎng)的三相電壓 電流信號大電壓和大電 流通過電壓互感器和電流互感器變換成小電壓和小電流通過模擬信號采集電路 采經(jīng) A D 轉(zhuǎn)換芯片送入單片機 再從互感器端采集一路線電壓和一路相電流 信號 通過功率因數(shù)采集電路送入單片機 單片機將送入信號進行處理 計算 出電網(wǎng)中所需無功 發(fā)出信號 晶閘管觸發(fā)電路觸發(fā)投切電容 無功補償裝置 控制系統(tǒng)的硬件原理結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 1 所示 單片機 電流測量變換電路 功率因數(shù)測量電路 通訊接口電路 電壓測量變換電路 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 鍵盤接口電路 LCD顯示電路 脈沖觸發(fā)電路 圖 3 1 無功補償硬件原理結(jié)構(gòu)框圖 由于控制系統(tǒng)以無功功率作為主要的檢測及控制目標 而無功功率的計算 公式如下 3 1 3sin l QU I 其中 為無功功率 為電網(wǎng)線電壓 為負載相電流 為功率因數(shù)角 Q l UI 據(jù)此 本文在控制系統(tǒng)中設計了電壓 電流信號采集電路及功率因數(shù)測量電路 無功功率可以由所測得的電壓值 電流值以及功率因數(shù)值根據(jù)公式 3 1 計算得 到 同時系統(tǒng)還設計了 LCD 的顯示電路以顯示電壓值 電流值以及功率因數(shù) 值 控制系統(tǒng)根據(jù)計算得到的無功缺額控制相應電容器組的投切 投切指令由 單片機的 I O 口輸出到脈沖觸發(fā)裝置控制晶閘管投切開關(guān)的開通與關(guān)斷 第三 11 章將對控制系統(tǒng)的各個組成部分電路分別進行介紹 3 2 主控芯片選型 本設計采用AT89S52 24 作為主控芯片 AT89S52是一種低功耗 高性能 CMOS 8位微控制器 具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器 使用Atmel公司高 密度非易失性存儲器技術(shù)制造 與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程 亦適于常規(guī)編程器 在單芯片上 擁有 靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash 使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用 系統(tǒng)提供高靈活 超有效的解決方案 主控芯片最小系統(tǒng)如圖3 2所示 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U1 89S52 Y1 12M S0 5 C23 30pF C24 30pF C26 22uF C25 22uF R34 1k R33 1k 圖 3 2 主控芯片最小系統(tǒng) 12 AT89S52具有以下標準功能 8k字節(jié)Flash 256字節(jié)RAM 32位I O口線 看門狗定時器 2個數(shù)據(jù)指針 三個16位定時器 計數(shù)器 一個6向量2級中斷結(jié) 構(gòu) 全雙工串行口 片內(nèi)晶振及時鐘電路 另外 AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏 輯操作 支持2種軟件可選擇節(jié)電模式 空閑模式下 CPU停止工作 允許 RAM 定時器 計數(shù)器 串口 中斷繼續(xù)工作 掉電保護方式下 RAM內(nèi)容被 保存 振蕩器被凍結(jié) 單片機一切工作停止 直到下一個中斷或硬件復位為止 所用管腳如表3 1所示 表3 1AT89S52管腳及作用 管腳號管腳名管腳作用 32 39P0 7 P0 08 位雙向 I O 口 1 8P1 0 P1 78 位雙向 I O 口 21 28P2 0 P2 78 位雙向 I O 口 10RXD串行輸入 11TXD串行輸出 12INT0外部中斷 0 13INT1外部中斷 1 14T0定時器 0 外部輸入 15T1定時器 1 外部輸入 16WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 17RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 18XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端 19XTAL1振蕩器反相放大器的輸出端 3 3 采集及轉(zhuǎn)換電路設計 數(shù)字控制器采集的電流和電壓信號來自于無功調(diào)節(jié)器的互感器 目前的工 藝做到互感器初級和次級的電流或電壓信號的相位差很小 一般相位誤差只有 正負幾分到幾十分 取決于互感器的精度等級 完全能夠滿足無功補償?shù)男枰?因此 采集電流和電壓信號時可以不需要額外的校正或補償電路 無功補償裝 置所需測量的電網(wǎng)電壓和各支路電流通過兩級互感器耦合提供給控制器 電壓互感器采用西安橫山微型互感器研究所生產(chǎn)的 HPT304A 型精密互感 器 HPT304A 是一種電流型的微型電壓互感器 一次輸入電壓為 0 1000V 13 隔離耐壓為 2500V 二次輸出電壓為 0 10V 額定電流比是 2mA 2mA 精度 為 0 1 非線性度 0 1 因為有三路交流電信號 但這里只列舉一路交流電信號 電壓量經(jīng)電壓互 感器變成小電壓 再經(jīng) 1N4007 組成的整流橋和濾波電路把交流量變換成為直 流量以便進行 A D 轉(zhuǎn)換電阻 R2 滑動變阻器可調(diào)節(jié)輸入電壓 1N5993 將電壓 穩(wěn)定在 5V 最終信號輸入 TLC2543 的 AIN 0 口 電壓模擬量采集電路如圖 3 3 所示 D7 1N5993 C5 10uF C4 10uF 1 2 3 4 D1 BRIDGE1 T1 HPT 304A UA UC R1 4k C6 0 1uF R2 1k A IN 0 圖 3 3 電壓模擬量采集電路 電流互感器的原邊電流 Ia 為 0 10A 電流互感器采用西安銥星的 CTL205 微型精密電流互感器 其額定變比為 10A 5mA 精度為 0 05 非線 性度 0 02 線性工作范圍為 0 25A 主要應用于電力系統(tǒng)監(jiān)控 測量及儀 表等方面 電流量經(jīng)電流互感器變成小電壓 再經(jīng) 1N4007 組成的整流橋和濾波電路 把交流量變換成為直流量以便進行 A D 轉(zhuǎn)換電阻 R2 滑動變阻器可調(diào)節(jié)輸入電 壓 1N5993 將電壓穩(wěn)定在 5V 最終信號輸入 TLC2543 的 AIN1 口 如圖 3 4 所示 D8 1N5993 C8 10uF C7 10uF 1 2 3 4 D2 BRIDGE1 T2 CTL 205 UA UC R3 2k C9 0 1uF R4 2 5k A IN 1 圖 3 4 電流模擬量采集電路 本系統(tǒng)中的 A D 轉(zhuǎn)換器采用 TLC2543 芯片 25 它是 TI 公司生產(chǎn)的 12 位 開關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器 具有三個控制輸入端 片選端 串行數(shù)cs 據(jù)輸入端 DATA INPUT 以及輸入 輸出時鐘端 I O CLOCK 其簡單的 3 線 SPI 串行接口可以非常容易地與微處理器進行通信 11 路輸入通道可采集 11 14 路模擬信號 是 12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的低成本方案 芯片所用管腳及作用如表 3 2 所示 表 3 2 TLC2543 管腳及作用 管腳號管腳名稱管腳作用 1 6AIN 0 AIN 5模擬量輸入端 13REF 負基準電壓端 14REF 正基準電壓端 15CS片選端 16DATA OUTA D 轉(zhuǎn)換結(jié)果的三態(tài)串行輸出端 17DATAINPUT串行數(shù)據(jù)輸入端 18I O CLOCK輸入 輸出時鐘端 19EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束端 交流電壓量 電流量分別經(jīng)電壓互感器 電流互感器變換成適用于微機處 理的弱信號后 再經(jīng)整流濾波電路把交流量變換為直流量以便進行 A D 轉(zhuǎn)換 A D 轉(zhuǎn)換電路再把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送入 CPU 由于 TLC2543 是電壓輸入 的 因此在兩路輸入中 電壓可以直接輸入 而電流要在輸入處接一個適當阻 值電阻 使其轉(zhuǎn)換成電壓再輸入 當 A D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓有超過它的最高 輸入電壓時 就會損壞 A D 轉(zhuǎn)換芯片 因此我們在它的輸入端接上對地 5 1 V 的穩(wěn)壓管 這樣 當有高于基準電壓的輸入電壓出現(xiàn)時 利用穩(wěn)壓管可以把它 穩(wěn)定在正常范圍之內(nèi) 模擬量采集電路以及 A D 轉(zhuǎn)換電路如圖 3 5 所示 D7 1N5993 C5 10uF C4 10uF 1 2 3 4 D1 BRIDGE1 T1 HPT 304A UA UC R1 4k C6 0 1uF R2 1k D8 1N5993 C8 10uF C7 10uF 1 2 3 4 D2 BRIDGE1 T2 CTL 205 UA UC R3 2k C9 0 1uF R4 2 5k AIN 0 1 AIN 1 2 AIN 2 3 AIN 3 4 AIN 4 5 AIN 5 6 AIN 6 7 AIN7 8 AIN8 9 AIN 9GND 10 AIN 10 12 REF 13 REF 14 CS 15 OUT 16 INPUT 17 CLOCK 18 EOC 19 VCC 20 U5 TL C2543 圖 3 5 模擬量采集轉(zhuǎn)換電路 15 TLC2543 的 I O 時鐘 數(shù)據(jù)輸入 片選 由引腳 P1 0 P1 1 P1 2 提供 cs TLC2543 的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)通過 P1 3 腳接收 在最后的 I O CLOCK 下降沿之后 EOC 從高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成和數(shù)據(jù)準備傳輸為止 每根線均 采用光耦隔離 這種采樣電路精度高 硬件電路簡單 并使模擬部分與數(shù)字部 分實現(xiàn)了完全隔離 數(shù)據(jù)輸出電路如圖 3 6 所示 U9 PC817 U10 PC817 U11 PC817 U12 PC817 5 R23 4 7k R25 4 7k R27 4 7k R29 4 7k R30 4 7k R28 4 7k R26 4 7k R24 4 7k P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 5 5 5 5 5 5 5 5 INT1 89S52 AIN 0 1 AIN 1 2 AIN 2 3 AIN 3 4 AIN 4 5 AIN 5 6 AIN 6 7 AIN7 8 AIN8 9 AIN 9GND 10 AIN 10 12 REF 13 REF 14 CS 15 OUT 16 INPUT 17 CLOCK 18 EOC 19 VCC 20 U5 TL C2543 圖 3 6 數(shù)據(jù)輸出電路 3 4 功率因數(shù)測量電路設計 由于電力系統(tǒng)中三相負載的不平衡 為了能真實反映三相功率因數(shù)值 故 從一相取相電流信號 從另外兩相取線電壓信號 相電流和線電壓之間的夾角 為線電壓滯后相電流的角度 隨功率因數(shù)角 的變化而變化 二者之間 有著對應關(guān)系 因此 本文采用通過采樣三相中任意一相的電流以及另外兩相 的線電壓之間的相位差 的方法設計了三相系統(tǒng)的功率因數(shù)采樣檢測電路 26 如圖 3 7 所示 16 U13 PC817 U14 PC817 AR7 LM339 AR8 LM339 D13 1N4148 D14 1N4148 D15 1N4148 D16 1N4148 5 5 5 5 5 5 U8 74LS136 UA UB iC iC R22 4 7k R21 4 7k R20 4 7k R17 4 7k R16 4 7k R15 4 7k GND GND INT0 圖 3 7 功率因數(shù)測量電路 電路的輸入是 A B 相之間的線電壓以及 C 相電流 輸出是包含功 AB u C i 率因數(shù)信息的方波信號 工作過程為 由電壓互感器取得的線電壓信號 3 u 輸入到比較器 LM339 的同相輸入端 由電流互感器取得的相電流信號 AB u 首先轉(zhuǎn)化成電壓 然后輸入到 LM339 的另一個同相輸入端 再分別轉(zhuǎn)化成 C i 相應的方波信號和 由于比較器接成零比較器而且是同相輸入 因此方波信號 和的上升沿均決定于輸入信號由負變正這一過零時刻 兩個方波信號和 1 u 經(jīng)異或門后得到一新的方波信號 將方波信號送入到單片機的外中斷 2 u 3 u 3 u INT0 引腳 把單片機的外中斷 INT0 和定時器 T0 聯(lián)合使用 就可以檢測出經(jīng) 異或門之后的方波信號的脈沖寬度 該方波信號的脈沖寬度隨功率因數(shù) 3 u 17 角 的變化而變化 二者之間有著對應關(guān)系 測量出脈沖寬度后 就可以根據(jù) 三者之間的對應關(guān)系換算出 功率因數(shù)角 但由于利用該方法測量功率因數(shù)的接線方式有 12 種 每種接 線方式的相位關(guān)系又不一樣 因此功率因數(shù)的計算以及超前滯后的判斷方法是 有差別的 14 針對圖 3 7 的電路中 組合的接線方式來討論的計算及 AB u C i 超前或滯后的判斷方法 具體分析如下 設三相的電壓分別為 電流分別為 假設電網(wǎng)三相平 A u B u C u A i B i C i 衡 則它們的表達式如下 3sin 210 ABBAm uuuUt 3 2 sin 120 Cm iIt 其中 表示每相電壓幅值 表示每相電流幅值 表示角頻率 相電 m U m I 流滯后相電壓角 即功率因數(shù)角 設為滯后的相角 由于滯后的相角為 而滯后的相角 AB u C i B i B u AB u C u 為 所以有 針對三種負載情況 表達式如下 90 90 當負載為純阻性時 即 時 90 0 當負載為感性時 即 0 90 0 90 當負載為容性時 即 時90 180 90 0 在圖 3 7 中 線電壓和 C 相相電流的采樣信號經(jīng) LM339 進行上升 AB u C i 18 沿過零觸發(fā)后 得到反映相位的方波信號和 和異或后得到方波信 1 u 2 u 1 u 2 u 號 假定的脈沖寬為 當負載分別為純阻性負載 容性負載和感性負載 3 u 3 u 時 感性負載時取 容性負載時取 45 45 設 T 為正弦波的周期 則 和 T 滿足下面的表達式 當負載為純阻性時 4T 0 當負載為感性時 4T 當負載為容性時 4T 2T 設所對應的角度為 顯然 還可以得到 由與之 360T 間的關(guān)系 可以得到 90 90 90 最終得到所測量的脈沖寬度與功率因數(shù)角之間的關(guān)系 針對三種負載情況 時的關(guān)系表達式如下 當負載為純阻性時 0 當負載為感性時0 90 36090T 當負載為容性時 90 90 360 0T 本設計中采集的信號為線電壓和相電流 因此檢測相電流線電壓的 AB u C i 時間差 即可得到時間 根據(jù)落在周期的范圍可確定功率因數(shù)的超前滯后 T 情況 然后根據(jù)公式計算出功率因數(shù)角 利用單片機的中斷和定時器定時功 能可完成對的檢測 本系統(tǒng)中設計采用外中斷 INT0 和定時器 T0 的聯(lián)合使 19 用 當方波信號由負變正時 啟動定時器 T0 T0 開始計數(shù) 當由正變負 3 u 3 u 時 T0 停止計數(shù) 由此得到與時間差成正比的計數(shù)值 N0 假設電網(wǎng)周期 T 所對應的計數(shù)值為 N 則功率因數(shù)的超前滯后情況只需通過和00 4NN 來判斷 相電流線電壓的相位差和功率因數(shù)角可通過下 40 2NNN 式計算 0 360N N 3 4 0 360 9090 N N 從而得到電網(wǎng)的功率因數(shù) cos 3 5 I O 擴展電路設計 AT89S52 單片機理論上有 4 個 8 位并行 I O 口 但在本設計中需要連接鍵 盤 LCD 觸發(fā)電路 由于系統(tǒng)外擴有存儲器或其它接口芯片 P0 口常復用 作地址 數(shù)據(jù)總線 P2 口用于提供高 8 位地址 P3 口常工作在第二功能 真正 用作 I O 口的只有 P1 大部分的單片機應用系統(tǒng)設計中都不可避免地要進行 I O 口的擴展 單片機應用系統(tǒng)中 I O 口擴展主要有兩種方法 第一種是使用簡單的邏 輯門電路和帶三態(tài)控制的緩沖器組成 用于擴展單個 8 位輸出或輸入口 另一 種方法是用專門的可編程并行接口芯片如 8155 8255 等擴展 I O 口 而本設 計主要介紹一下使用 8255 擴展 I O 口的方法 8255 是通用可編程并行接口芯片 為四十腳雙列直插式封裝型 片內(nèi)有 三個 8 位并列 I O 口 分別稱為 PA 口 PA0 PA7 PB 口 PB0 PB7 PC 口 PC0 PC7 其中 PC 口又分高 4 位口 PC4 PC7 和低 4 位口 PC0 PC3 通過編程可設三種工作模式 應用管腳及作用如表 3 3 接口 電路如圖 3 8 所示 20 表 3 3 8255 管腳及作用 管腳號管腳名稱管腳作用 8 9A0 A1端口選擇信號 5RD讀信號 低電平有效 36WR寫信號 低電平有效 6CS片選信號 低電平有效 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA0 4 PA1 3 PA2 2 PA3 1 PA4 40 PA5 39 PA6 38 PA7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RESET 35 CS 6 U3 8255 RESET 1D 3 2D 4 3D 7 4D 8 5D 13 6D 14 7D 17 8D 18 1Q 2 2Q 5 3Q 6 4Q 9 5Q 12 6Q 15 7Q 16 8Q 19 OE 20 LE 1 U11 74LS373 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 T 1 P11 T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U1 8052 RESET WR RD 5 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 圖 3 8 I O 口擴展電路 3 6 晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路設計 控制器是無功補償裝置的核心處理單元 但控制器將采樣信號換算后 發(fā) 出相應的投切控制信號時 必須有高頻觸發(fā)脈沖去觸發(fā)晶閘管 如何選擇適當 的時刻觸發(fā)晶閘管導通以對電容器進行無沖擊投切動作 是 TSC 設計的關(guān)鍵 技術(shù) 總的原則是電源電壓與電容器預先充電電壓相等的時刻 而通常的做法 都不可避免地有各種缺點 因此本文采用設計獨立的 TSC 脈沖觸發(fā)裝置 利 用 ULN2003AN 其輸出達到 500mA 來驅(qū)動脈沖觸發(fā)裝置工作 從而控制晶閘 管的導