功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)器設(shè)計

1、引言隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國際化能源緊局勢的加劇， 加強(qiáng)電能質(zhì)量和節(jié)能降耗的影響十分重要，這其中采取無功補(bǔ)償方式提高功率因數(shù)降等都是行之有效的措施。在電力供電系統(tǒng)中，功率因數(shù)的提高是一項重要的技術(shù)工作，直接關(guān)系到輸電線路的電能損耗及供電的經(jīng)濟(jì)性，供電質(zhì)量。功率因數(shù)的補(bǔ)償措施一直為人們所重視。研制高性能的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置具有實際的社會，經(jīng)濟(jì)效益。而且在電力系統(tǒng)中，無功功率要保持平衡，否則，將會使系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時，會導(dǎo)致設(shè)備損壞，系統(tǒng)瓦解。此外，網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)和電壓降低， 使電氣設(shè)備得不到充分利用， 促使網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降， 損耗增加。因此，解決好網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償問題，對網(wǎng)絡(luò)降損節(jié)能有著極為重要的意義。按電

2、網(wǎng)無功功率補(bǔ)償方式可分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。 并聯(lián)補(bǔ)償方式又可分為電容器組補(bǔ)償，調(diào)電感補(bǔ)償，調(diào)相機(jī)補(bǔ)償?shù)囊葡嘌a(bǔ)償?shù)取?本設(shè)計我們將采用并連電容器補(bǔ)償，主要應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，實現(xiàn)對低壓電力系統(tǒng)的監(jiān)控，完成功率因數(shù)的測量，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行電容組的投切，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的功率因數(shù)的補(bǔ)償。無功補(bǔ)償控制器是無功補(bǔ)償?shù)暮诵模湫阅苤苯佑绊懷a(bǔ)償?shù)男Ч?。它是根?jù)檢測的功率因數(shù)或無功功率，按照一定的控制規(guī)則投入/ 切除電容器，實現(xiàn)對線路進(jìn)行無功補(bǔ)償。在低壓配電網(wǎng)中有相當(dāng)一部分是感性負(fù)荷，它不僅要消耗大量的有功功率，也要吸收很多的無功功率，從而使功率因數(shù)下降，導(dǎo)致無功電源不足，系統(tǒng)電壓降低，電能損耗增大，這大大影

3、響了電網(wǎng)的供電能力。 因此電力部門千方百計要提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，除本身采取相應(yīng)的措施外，更要求每個用戶在其母線上進(jìn)行功率因數(shù)的補(bǔ)償。即借助于相關(guān)的無功功率補(bǔ)償設(shè)備，及時、正確、必要的提供無功功率補(bǔ)償。由于這個課題涉及面廣，且有較高的經(jīng)濟(jì)含量和技術(shù)附加量，因此無功功率補(bǔ)償設(shè)備的研究一直是國外相關(guān)企業(yè)激烈競爭的項目之一。無功功率補(bǔ)償技術(shù)近年來己越來越引起人們的關(guān)注，它是涉及電力、電子技術(shù)、電氣自動化技術(shù)和理論電子等領(lǐng)域的重大課題。本設(shè)計著重論述了單片機(jī)和計算機(jī)控制組成控制系統(tǒng)進(jìn)行功率因數(shù)自動補(bǔ)償裝置。根據(jù)部分學(xué)者對電網(wǎng)運行狀態(tài)的調(diào)查研究得知， 我國電網(wǎng)曾在 20 世紀(jì) 70 年代由于缺乏無功功率補(bǔ)

4、償設(shè)備而長期處于低電壓運行狀態(tài)。 有些地方想用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的辦法來解決本地區(qū)電壓低的問題。開始，這種辦法也有一些效果，某些供電點電壓升高了，但這是以降低別處電壓為代價的，因為總的無功電源不足，局部地區(qū)電壓升高無功負(fù)荷增大，必然使別處無功功率更少、電壓更低。各處普遍采用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的結(jié)果，不僅沒能提高負(fù)荷的供電電壓，而是使得無功損耗加大，整個系統(tǒng)低電壓問題更加嚴(yán)重。在這種情況下，首要的問題應(yīng)該是增加無功功率補(bǔ)償設(shè)備。低壓運行同時對電網(wǎng)安全帶來巨大危害，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，十分脆弱，經(jīng)受不起事故異常及負(fù)荷強(qiáng)烈變化對系統(tǒng)的沖擊、十分容易造成大面積的停電和系統(tǒng)瓦解的后果， 國外均有此先例。 由此可見

5、，合理配置無功電源，進(jìn)行無功補(bǔ)償是非常重要的，我們進(jìn)行無功補(bǔ)償研究是一個重要的課題。由于人工投切電容不能及時跟蹤無功負(fù)荷的變化，不能始終保持功率因數(shù)和電壓質(zhì)量在規(guī)定的圍，所以無功的自動控制是一個值得研究的課題。無功功率問題，根據(jù)世界各個地區(qū)電力系統(tǒng)近數(shù)十年來的經(jīng)驗，積累了大量資料，我國電力系統(tǒng)亦同樣積累了很多寶貴的經(jīng)驗， 廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中去是有一定重要價值的。有效的無功補(bǔ)償有非常大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，主要表現(xiàn)在:A. 減少線路損耗。就全國講，線路損耗約占據(jù) 12%，其中主要是無功分量引起的損耗，若無功線損降低 50-60%，一年便可節(jié)電 500 億度左右，相當(dāng)于半個三峽工程的發(fā)電量。這種

6、不消耗一次能源，便可增大發(fā)電量的工程是絕好的綠色工程。且投資極小，見效快。B. 避免罰款。我國電力部及物價局“關(guān)于頒發(fā)功率因數(shù)調(diào)整電費辦法通知”中規(guī)定，功率因數(shù) 0.94 時，減少電費 1 .1%，功率因數(shù) 0.6 時增加電費 15%。例如一個 315KVA的變壓器，功率因數(shù)從0.6 提高到 0.94 以上，年獎罰差3-4 萬元。C.不需額外投資，便可以實現(xiàn)擴(kuò)容。進(jìn)行無功補(bǔ)償后，便可提高用電承載率，變壓器可滿負(fù)荷運行。例如一臺 315KVA的變壓器， cos=0 .6 負(fù)荷的變壓器只能提供優(yōu)質(zhì)服務(wù) 189KW的有功功率，不能承受 300KW左右的容量，需要購買一臺 500KVA的變壓器替換。將

7、功率因數(shù)由 0.6 提高到 0.98 ，相當(dāng)于擴(kuò)大了 63%，即有功由 189KW提高到 309KW 可基本滿足需要的容量，便節(jié)省了一臺 500KVA的變壓器，經(jīng)費約三四十萬元。D.改善電能質(zhì)量，延長了電器壽命，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。電能質(zhì)量用電壓和頻率二個指標(biāo)來進(jìn)行衡量，電壓的穩(wěn)定性取決于無功功率的平衡。頻率的穩(wěn)定性取決于有功功率的平衡，而電壓的穩(wěn)定與否又直接影響電器壽命，影響機(jī)械加工精度。如果電壓穩(wěn)定性提高 5%，則僅照明燈 ( 壽命延長 50%)全國一年既可節(jié)約數(shù)億元。至于因電壓不穩(wěn)、供電不足而造成廢品、次品、設(shè)備減壽、停產(chǎn)、停電等各種損失更是難以統(tǒng)計的。在電網(wǎng)運行中，因大量非線性負(fù)載的運行，

8、除了要消耗有功功率外，還要消耗一定的無功功率。負(fù)荷電流在通過線路、變壓器時將會產(chǎn)生功率與電能的損耗，由電能損耗公式可知，當(dāng)線路或變壓器輸送的有功功率和電壓不變時，線路損耗與線路功率因數(shù)的平方成反比。功率因數(shù)越低，電網(wǎng)所需要的無功功率就越多，線路損耗就越大。因此，在受電端安裝無功補(bǔ)償裝置，可以減少負(fù)荷的無功功率損耗，提高功率因數(shù)，降低線路損耗。在電力系統(tǒng)中要設(shè)法減小相位差 ，提高 cos 的值，稱為提高功率因數(shù)； 提高功率因數(shù)，以降低無功功率，減少電能損失。由下式可以看出：=arcosR22R（ X1 - Xc）若能使 X1-Xc 為零，則 值為最小，功率因數(shù)最高，就是說如能使感抗和容抗最大限度

9、地相互抵消， 則線路中功率因數(shù)為最高。 由容抗抵消感抗 ( 反之亦然 ) 從而減小 的方法稱為功率因數(shù)補(bǔ)償。進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償可以：A. 降低無功電流，減小線路及變電設(shè)備的損耗。線路損耗的功率與負(fù)載電流平方成正比，功率因數(shù)提高了，無功電流大大減小，則線路上的損耗也大大減小了。B. 可以改善供電電壓質(zhì)量。當(dāng)功率因數(shù)提高后由于容性負(fù)載的加入，使線路末端的電壓比較平滑，起到了穩(wěn)定電壓的作用。C.提高系統(tǒng)的裕度。當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)備容量不變時，提高功率因數(shù)，相當(dāng)于增加負(fù)載的容量。D.提高電路的功率因數(shù)不是負(fù)載本身的功率因數(shù)有什么改變而是負(fù)載本身的性能及指標(biāo)將不受任何影響。由此可見，提高功率因數(shù)，不但是當(dāng)今能源形

10、勢的緩解之策，也是關(guān)系到國計民生的長遠(yuǎn)政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我們唯一能做的就是減少浪費，高效合理的利用它們，這才是明智之舉，是我們除了尋找代替能源以外的最有價值的事情。因此我們必須重視電能的高效利用，不光在傳輸過程中，在使用過程中也是一樣。這不僅符合經(jīng)濟(jì)效率的規(guī)律，還是能源科學(xué)使用的具體表現(xiàn)。既然我們不能給后代生產(chǎn)出不可再生資源，但我們可以高效使用它們，減少無謂的消耗，這跟我們?yōu)楹笕藙?chuàng)造能源是同出一轍的，具有相同的深遠(yuǎn)意義。1 功率因數(shù)調(diào)控及意義本章首先介紹無功功率及功率因數(shù)的相關(guān)知識， 利用理論指導(dǎo)簡單說明了功率因數(shù)的意義，引出了無功補(bǔ)償?shù)母拍?。接著闡述了無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展概

11、況及無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢。1.1無功功率在交流電路中，由電源供給負(fù)載的電功率有兩種：一種是有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設(shè)備正常運行所需的電功率， 也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（機(jī)械能、光能、熱能）的電功率 , 。比如， 5.5KW的電動機(jī)就是把 5.5KW的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動水泵抽水或脫粒機(jī)脫粒；各種照明設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為光能，供人們生活和工作照明。有功功率的符號用P 表示，單位有瓦（ W）、千瓦（ KW）、兆瓦（ MW）。無功功率比較抽象，它是用于電路電場與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對外做功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊７彩怯须姶啪€圈的電氣

12、設(shè)備，要建立磁場， 就要消耗無功功率。 比如 40W的日光燈， 除需 40多瓦有功功率 （鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率）來發(fā)光外，還需 80Var 左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外做功，才稱之為“無功”。無功功率的符號用 Q表示，單位為乏（ Var）或者千乏（ kVar）。無功功率決不是無用功率，對于主要靠電磁轉(zhuǎn)換工作的電器設(shè)備，它的用處很大。電動機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而帶動機(jī)械運動，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場， 在二次線圈感應(yīng)出電壓。 因此，若沒有無功功率， 則電動機(jī)就不能

13、轉(zhuǎn)動，變壓器也不能變壓，交流接觸器也不能吸合。在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運行。無功功率對供、用電產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在：A當(dāng)視在功率一定時，降低了發(fā)電機(jī)有功功率的輸出；B. 降低了輸、變電設(shè)備的供電能力；C.造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加；D.造成低功率因數(shù)運行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。從發(fā)電機(jī)和高壓輸電線供給的無功功率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了負(fù)荷的需要

14、，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補(bǔ)償裝置來補(bǔ)充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這就是電網(wǎng)需要裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置的道理。1.2功率因數(shù)電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動機(jī)、 變壓器等，屬于既有電阻又有電感的電感性負(fù)載，電感性負(fù)載的電壓和電流的相量間存在著一個相位差，通常用相位角來表示。 cos則稱為功率因數(shù)。功率因數(shù)是反映電力用戶用電設(shè)備合理使用狀況、電能利用程度和用電管理水平的一項重要指標(biāo)，三相交流電路功率因數(shù)的計算公式如式（1-1 ）所示：cos = P =P=P（1-1 ）S223UIPQ式中 cos為功率因數(shù)；P-有功功率， KW；Q-無功功率， kVar；S-視在功率， kVA；U-用電設(shè)備的額定

15、電壓， V；I- 用電設(shè)備的運行電流， A。功率因數(shù)分為自然功率因數(shù)、瞬時功率因數(shù)和加權(quán)平均功率因數(shù)。A. 自然功率因數(shù)是指用電設(shè)備沒有安裝無功補(bǔ)償設(shè)備時的功率因數(shù)，或者說用電設(shè)備本身所具有的功率因數(shù)。自然功率因數(shù)的高低主要取決于用電設(shè)備的負(fù)荷性質(zhì)，電阻性負(fù)荷（白熾燈、電阻爐）的功率因數(shù)較高，等于1，而電感性負(fù)荷（電動機(jī)、電焊機(jī)）的功率因數(shù)比較低，都小于1。B. 瞬時功率因數(shù)是指在某一瞬間由功率因數(shù)表讀出的功率因數(shù)。瞬時功率因數(shù)是隨著用電設(shè)備的類型、負(fù)荷的大小和電壓的高低而時刻在變化。C.加權(quán)平均功率因數(shù)是指在一定時間段功率因數(shù)的平均值，其計算公式如式（1-2 ）所示：cos =有功功率（1-

16、2）22有功電能無功電能1.3提高功率因數(shù)及其意義提高功率因數(shù)的方法有兩種：一種是改善自然功率因數(shù)；另一種是安裝人工補(bǔ)償裝置。要改變自然功率因數(shù)，需要從改進(jìn)電氣設(shè)備和結(jié)構(gòu)、性能等方面入手，這是生產(chǎn)廠家要做的事。安裝人工補(bǔ)償裝置，這是可以辦到的，比如一臺發(fā)電機(jī)，其容量 Se一定，當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓和電流達(dá)到額定值時， 假如電路的功率因數(shù)為 cos1，則發(fā)電機(jī)輸出的有功功率為下式（ 1-3 ）所示：P=Se cos 1=0.5 S e（1-3 ）由式（1-3 ）可以看出，輸出功率僅占發(fā)電機(jī)容量的50%，發(fā)電機(jī)未能得到充分利用。但若為了增大功率的輸出，再在電路中接入一些純電阻或電感性的負(fù)載，則又將導(dǎo)致發(fā)

17、電機(jī)的輸出電流超過額定值，這是不能容許的，但如在負(fù)載的兩端并聯(lián)一個適當(dāng)?shù)碾娙萜?C（如圖 1.1 ），則總電流 I1 將減小到 I （如圖 1.2 ），電路的功率因數(shù)就可以提高到 cos（因為 cos1），如果并聯(lián)一個合適的電容，則功率因數(shù)可達(dá)到 0.9 ，其輸出的有功功率可提高到電機(jī)容量的 90%，這樣發(fā)電機(jī)的利用程度就大大增高了。圖 1.1 并聯(lián)電容連接圖圖 1.2 電壓、電流相位關(guān)系在電力系統(tǒng)中要設(shè)法減小相位差 ，提高 cos 值，稱為提高功率因數(shù)， 以降低無功功率，減少電能損失。進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償可以：A. 降低無功電流，減小線路及變電設(shè)備的損耗。線路損耗的功率與負(fù)載電流平方成正比，功率

18、因數(shù)提高了，無功電流大大減小，則線路上的損耗也大大減小了。B. 可以改善供電電壓質(zhì)量。當(dāng)功率因數(shù)提高后由于容性負(fù)載的加入，使線路末端的電壓平滑，起到了穩(wěn)定電壓的作用。C.提高系統(tǒng)的裕度。當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)備容量不變時，提高功率因數(shù)，相當(dāng)于增加負(fù)載的容量。D.提高電路的功率因數(shù)不是負(fù)載本身的功率因數(shù)有什么改變而是負(fù)載本身的性能及指標(biāo)將不受任何影響。由此可見，提高功率因數(shù)，不但是當(dāng)今能源形勢的緩解之策，也是關(guān)系到國計民生的長遠(yuǎn)政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我們唯一能做的就是減少浪費，高效合理的利用它們，這才是明智之舉，是我們除了尋找代替能源以外的最有價值的事情。因此我們必須重視電能的高效利用，不光

19、在傳輸過程中，在使用過程中也是一樣。這不僅符合經(jīng)濟(jì)效率的規(guī)律，還是能源科學(xué)使用的具體表現(xiàn)。既然我們不能給后代生產(chǎn)出不可再生資源，但我們可以高效使用它們，減少無謂的消耗，這跟我們?yōu)楹笕藙?chuàng)造能源是同出一轍的，具有相同的深遠(yuǎn)意義。1.4無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展概況1.4.1 同步調(diào)相機(jī)傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償裝置是同步調(diào)相機(jī) (Synchronous Condenser-SC)。它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，在過勵磁或欠勵磁的不同情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。自20 世紀(jì) 30 年代以來的幾十年中，同步調(diào)相機(jī)在電力系統(tǒng)無功功率控制中一度發(fā)揮著主要作用。 然而，由于它是旋轉(zhuǎn)電機(jī)， 因此損

20、耗和噪聲都較大，運行、維護(hù)復(fù)雜，而且響應(yīng)速度慢， 在很多情況下已無法適應(yīng)快速無功功率控制的要求。所以，現(xiàn)在同步調(diào)相的容量所占容性補(bǔ)償容量的比例日益減少。1.4.2 并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償電容器也是傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置，但它具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、投切方便、靈活等優(yōu)點，在國外得到了廣泛應(yīng)用。如今，電力企業(yè)安裝的并聯(lián)電容器比例逐年有所增加。由于電力電容器的容量是固定的，它并不隨負(fù)載要求的變化而變化，所以就要將電容器按一定的容量分組( 目前有等容量分組和非等容量分組兩種情況) ，有了電容器分組之后，就必須引入分組投切的策略，使電容器按照無功功率或功率因數(shù)的大小進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐肚小?.4.3 靜止無功補(bǔ)償裝置早期的

21、靜止無功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator-SVC)是飽和電抗器 (SaturatedReactor-SR) 型的。從 60 年代開始，我國已有許多電力科技工作者從事低壓配電網(wǎng)無功補(bǔ)償這一課題的研究，并設(shè)計了早期的無功補(bǔ)償控制器。自80 年代中期以來，頒布實施按功率因數(shù)調(diào)整電費的政策后， 我國電力用戶在 380 伏配電室廣泛采用了以交流接觸器投切電容器的成套裝置。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 80 年代后期出現(xiàn)了以微處理器為核心的智能化產(chǎn)品，晶閘管投切電容器無功補(bǔ)償裝置在國陸續(xù)出現(xiàn)?，F(xiàn)在國低壓配電網(wǎng)無功補(bǔ)償仍然以并聯(lián)電容器為主，晶閘管投切電容器也得到了較多的應(yīng)用，而采用自換相的

22、電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置 DSTATCOM引起了越來越多國研究者的關(guān)注，但因其控制復(fù)雜、成本高昂等諸多因素，其實際應(yīng)用還有待時日。1.5 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢隨著電力電子技術(shù)的日新月異以及各門學(xué)科的交叉影響， 無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有以下幾點：A. 在城網(wǎng)改造中， 運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同時加裝無功補(bǔ)償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補(bǔ)償控制器和配電綜合測試儀的一體化的問題。B. 快速準(zhǔn)確地檢測系統(tǒng)的無功參數(shù)，提高動態(tài)響應(yīng)時間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況 ( 如大的沖擊負(fù)荷或負(fù)荷波動較頻繁的場合 ) 。隨著計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和智能控

23、制理論的發(fā)展，可以在無功補(bǔ)償中引入一些先進(jìn)的控制方一法，如模糊控制等。C.目前無功補(bǔ)償技術(shù)還主要用于低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)由于受到晶閘管耐壓水平的限制，無功補(bǔ)償裝置不能得到廣泛的應(yīng)用。因此，研制高壓動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置則具有重要的意義，關(guān)鍵是解決補(bǔ)償裝置晶閘管和二極管的耐壓問題。D.由單一的無功功率補(bǔ)償?shù)骄哂袨V波以及抑制諧波的功能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，供電系統(tǒng)或負(fù)荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功補(bǔ)償與電力濾波器雙重優(yōu)點的晶閘管開關(guān)濾波器，將成為改善系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。2 本課題任務(wù)及整體設(shè)計方案2.1本課題的主要任務(wù)本課題的任務(wù)

24、書如下：低壓電力網(wǎng)中合理控制無功功率對降低線路損耗、維持電壓水平、提高線路輸送容量有重要的作用，廣泛了解目前進(jìn)行無功調(diào)節(jié)的主要技術(shù)手段及當(dāng)前的應(yīng)用情況，分析和設(shè)計無功功率調(diào)節(jié)的原理和實現(xiàn)，在設(shè)計中深入了解無功功率與電壓調(diào)節(jié)的制約關(guān)系。根據(jù)配電系統(tǒng)的基本運行要求， 設(shè)計一套無功功率控制裝置： 以單片機(jī)作為核心，設(shè)計無功功率控制器，用于對配電系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、具有無功功率調(diào)節(jié)功能，當(dāng)無功功率不足時，采取并聯(lián)靜電電容補(bǔ)償； 設(shè)計電容器通過自動開關(guān)控制投切的系統(tǒng)圖，設(shè)計電容器投切控制電路原理圖； 設(shè)計實現(xiàn)靜止無功自動調(diào)控的控制流程，使系統(tǒng)功率因數(shù)維持 0.90-0.95 之間。制作演示裝置，選擇

25、實現(xiàn)控制器的某項典型功能，例如功率因數(shù)測量或電壓檢測，設(shè)計相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出的人機(jī)接口等，自行完成裝置的制作調(diào)試，提供較詳細(xì)的軟件流程圖和硬件設(shè)計圖紙。2.2整體設(shè)計方案根據(jù)要求，本設(shè)計以10KV配電系統(tǒng)為對象，其簡單的系統(tǒng)模型如下圖2.1 所示：圖 2.1 10KV 配電系統(tǒng)圖課題任務(wù)中主要任務(wù)為設(shè)計一套無功功率控制裝置，此裝置以單片機(jī)為核心，具有對配電系統(tǒng)功率因數(shù)進(jìn)行測量， 功率因數(shù)顯示和投切電力電容器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償?shù)墓δ?。?jù)此要求，可以設(shè)想該方案的整體框架為下圖 2.2 所示。圖 2.2 無功補(bǔ)償控制裝置整體設(shè)計框圖圖 2.2 所示該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖中，單片機(jī) AT89C51是本系統(tǒng)的核心，

26、實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、輸入、輸出控制等功能。通過 8051 計算出系統(tǒng)功率因數(shù)，并通過 LCD顯示電路顯示出來。把計算出的功率因數(shù)與規(guī)定的因數(shù)比較看看是否符合要求，當(dāng)功率因數(shù)低于要求時，通過控制補(bǔ)償電路實現(xiàn)對檢測電路的補(bǔ)償。功率補(bǔ)償器的外圍電路還包括電壓、電流相位差檢測電路，此部分電路主要用來檢測電路現(xiàn)在的功率因數(shù)，通過比較器和由D觸發(fā)電路鑒相電路把電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；三相功率因數(shù)顯示電路， 主要用到 LCD液晶顯示器。投切電容電路中用晶閘管來作為控制開關(guān)實現(xiàn)柔性投切；還接上 RS-232C 接口，向上位機(jī)傳遞系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，以適應(yīng)將來配電網(wǎng)控制發(fā)展趨勢。為了減少外圍芯片的數(shù)量，本系統(tǒng)也可采用一

27、塊 CPLD芯片 ispLS1048E，把 74LS373、D觸發(fā)器、與門、非門等外圍器件寫入其中本設(shè)計框圖主要包括四大組成部分：相位差檢測電路、三相功率因數(shù)顯示電路、電容器組及其投切控制電路、 RS-232C串行通信接口電路。其中相位差檢測電路的作用是檢測配電線路電壓和電流之間的相位差值，結(jié)果送入單片機(jī)中進(jìn)行功率因數(shù)的計算，得出當(dāng)前配電線路的功率因數(shù)值。 三相功率因數(shù)顯示電路的作用是通過 LCD來顯示各相功率因數(shù)的值。電容器組及其投切控制電路的作用是電容器按照不同的容量進(jìn)行分組，通過電容器組投切控制電路控制其適當(dāng)容量的電容器組的投切。 RS-232C串行通信接口電路的作用是留出的一個擴(kuò)展接口

28、，方便日后可能進(jìn)行的與上位機(jī)進(jìn)行串行通信。根據(jù)此設(shè)計框架，在下面的設(shè)計中將分章節(jié)來分別介紹相位差檢測電路、三相功率因數(shù)顯示電路、 電容器組及其投切控制電路、 RS-232C串行通信接口電路四大組成部分。2.3單片機(jī)介紹本設(shè)計中各電路的核心器件是 8051 單片機(jī)，下面就單片機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及功能作一個簡要的說明。A. 單片機(jī) AT89C51的硬件結(jié)構(gòu)下圖 2.3 為 AT89C51的硬件結(jié)構(gòu)圖。AT89C51單片機(jī)的部結(jié)構(gòu)與 MCS-51系列單片機(jī)的構(gòu)成基本相同。 CPU是由運算器和控制器所構(gòu)成的。運算器主要用來對操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運算和位操作的。控制器是單片機(jī)的指揮控制部件，主要任務(wù)的識別指令

29、，并根據(jù)指令的性質(zhì)控制單片機(jī)各功能部件，從而保證單片機(jī)各部分能自動而協(xié)調(diào)地工作。它的程序存儲器為8K字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器，閃爍存儲器允許在線 +5V電擦除、電寫入或使用編程器對其重復(fù)編程。 數(shù)據(jù)存儲器比 51 系列的單片機(jī)相比大了許多為256字節(jié) RAM。AT89C51單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳功能與MCS-51的完全兼容。圖 2.3單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)主要性能參數(shù)如下：8K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器1000 次可擦寫周期傘靜態(tài)操作:0Hz-24MHz三級加密程序存儲器2568 字節(jié)部 RAM32 個可編程 I/0 口線3 個 16 位定時 / 計數(shù)器8 個中斷源可編程

30、串行 DART通道低功耗空閑和掉電模式B. 單片機(jī) AT89C51的外部引腳圖如下圖2.4 所示：圖 2.4 AT89C51 外部引腳圖AT89C51部分管腳的說明 :P0口 :P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向I/0口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8 個 TTL邏輯電平。對 P0 口端口寫“ 1”時，引腳作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0口也被作為低 8 位地址 / 數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 具有部上拉電阻。在 flash 編程時， P0 口也用來接受指令字節(jié) : 在程序效驗時，輸出指令字節(jié)。程序效驗時，需要外部上拉電阻。P1口 :Pl 口是一個具有部上拉電阻的 8 位是雙

31、向 I/0 口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動 ( 吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 口寫“ 1”時，部上拉電阻的原因，將輸出電流I LL。此外，與 AT89C51不同之處是， Pl.0 和 Pl.1 還可分別作為定時 / 計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入 (Pl.0/T2) 和輸出 (Pl.1/T2EX) ，具體如下表 2-1 所示。表 2-1 P1.0 和 P1.1 的第二功能引腳號功能特性P1.0T2（定時 / 計數(shù)器 2 外部技術(shù)脈沖輸入），時鐘輸出P1.1T2EX定時 / 計數(shù) 2 捕獲 / 重裝載觸發(fā)和方向控制在 Flash 編程和校驗時， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。P

32、2口 :P2 口是一個具有部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 口，P2輸出緩沖級可驅(qū)動吸收或輸出電流 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2口寫“ 1”時，通過部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流 ILL。在訪問外部存儲器或用16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口送出高 8 位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的部上拉電阻發(fā)送 1。在使用 8 位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的容。在 Flash 編程和校驗時， P2口接收低 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。P3 口:P3 口是一個具有部上拉電阻的8

33、位雙向 I/0口， P3 輸出緩沖級可驅(qū)動 ( 吸收或輸出電流 )4 個 TTL邏輯電平。對 P3 口寫“ 1”時，部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入端口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于部電阻的原因，將輸出電流 I LL。P3 口除了作為一般的 I/0 口線外，更重要的是它的第二功能， 如下表 2-2 所示。表 2-2 P3 口引腳第二功能引腳號第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2INT0（外部中斷 0）P3.3INT1（外部中斷 1）P3.4T0（定時器 0 外部輸入）P3.5T1（定時器 1 外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.

34、7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）在 Flash 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。C.定時器. 定時器 0 和定時器 1在 AT89C51中，定時器 0 和定時器 1 都是 16 位加法計數(shù)結(jié)構(gòu)，分別由 TH0(地址 8CH)和 TL0( 地址 8AH)及 THI( 地址 8DH)和 TLI( 地址 8BH)兩個 8 位計數(shù)器組成。這 4 個計數(shù)器均屬于專用寄存器之列。每個定時器 / 計數(shù)器都有定時和計數(shù)兩種功能。. 計數(shù)功能所謂的計數(shù)功能是指對外部事件進(jìn)行計數(shù)。外部事件的發(fā)生以輸入脈沖表示，因此計數(shù)功能的實質(zhì)就是對外脈沖進(jìn)行計數(shù)。MCS-51系列的芯片有T0(P3.4) 和 T1(P

35、3 .5)兩個信號引腳，分別就是這兩個計數(shù)器的計數(shù)輸入端。外部輸入的脈沖在負(fù)跳變時有效，進(jìn)行計數(shù)器加 1。計數(shù)方式下，單片機(jī)在每個機(jī)器周期的 S5P2 拍節(jié)對外部計數(shù)脈沖進(jìn)行采樣。如果前一個機(jī)器周期采樣為高電平， 后一個機(jī)器周期采樣為低電平， 即為一個有效計數(shù)脈沖。在下一個機(jī)器周期的 S3P1進(jìn)行計數(shù)。可見采樣計數(shù)脈沖是在 2 個機(jī)器周期進(jìn)行的。鑒于此，計數(shù)脈沖的頻率不能高于振蕩脈沖的頻率不能高于振蕩脈沖頻率的1/24 。 . 定時功能定時器也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，不過此時的計數(shù)脈沖來自單片機(jī)的部，即每個機(jī)器周期產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖。也就是每個機(jī)器周期計數(shù)加1。由于一個機(jī)器周期等于 12 個

36、振蕩脈沖周期， 因此計數(shù)頻率為振蕩頻率的 1/12 。如果單片機(jī)采用 12MHZ晶體，則計數(shù)頻率為 1MHZ。即每微秒計數(shù)器加 1。這樣不但可以根據(jù)計數(shù)值計算出定時時間，也可以反過來按定時時間的要求計算出計數(shù)器的預(yù)置值。. 定時器 2定時器 2 是一個 16 位定時器 / 計數(shù)器，它既可以作定時器，又可以做事件計數(shù)器。其工作方式由特殊寄存器 T2CON中的 C/T2 位選擇 ( 如表 2-3 所示 ) 。定時器 2 有三種工作模式 : 捕捉方式、自動重載 ( 向上或向下計數(shù) ) 和波特率發(fā)生器。如表 2-4 所示，工作模式由 T2CON中的相關(guān)為選擇。定時器 2 有 2 個 8 位寄存器 :T

37、H2 和 TL2。在定時工作方式中，每個機(jī)器周期， TL2 寄存器都會加 1。由于一個機(jī)器周期由 12 個晶振周期構(gòu)成，因此，計數(shù)頻率就是晶振頻率的 1/12 。表 2-3定時器 2 工作模式RCLK+TCLKCP/RL2TR2MODE00116位自動重載01116位捕捉11波特率發(fā)生器0不用在計數(shù)工作方式下， 寄存器在相關(guān)外部輸入角 T2 發(fā)生 1 至 0 的下降沿時增加 1。在這種方式下，每個機(jī)器周期的 S5P2 期間采樣外部輸入。一個周期采樣到高電平，而下一個周期采樣到低電平， 計數(shù)器加 1。在檢測到跳變的這個周期的 S3P1期間，新的計數(shù)值出現(xiàn)在寄存器中。因為識別 1 0 的跳變需要

38、2 個機(jī)器周期 (24 個晶振周期 ) ，所以，最大的計數(shù)頻率不高于晶振頻率的 1/24 。為了確保給定的電平在采樣前采樣到一次， 電平應(yīng)該至少在一個完整的機(jī)器周期保持不變。表 2-4 T2MOD-定時器 2 控制寄存器T2MOD地址： 0C9H復(fù)位值：00B-T20EDCEN76543210符號功能無定義，預(yù)留擴(kuò)展T20E定時器 2 輸出允許位DCEN置 1 后，定時器 2 可配置向上或向下計數(shù)(4). 中斷AT89C51有 6 個中斷源 : 兩個外部中斷 (INT0 和 INT1) ，三個定時中斷定時器0、1、2 和一個串行中斷。每個中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器IE 中的相關(guān)中斷允

39、許控制位分別使得中斷源有效或無效。IE 還包括一個中斷總控制位EA，它能禁止所有中斷。如表 2-5 所示， IE.6 位是不可用的。對于AT89C51，IE.5 位也是不能用的。用戶軟件不應(yīng)給這些位寫1。它們?yōu)?AT89系列新產(chǎn)品預(yù)留。定時器 2 可以被寄存器 T2CON中的 TF2 和 EXF2的或邏輯觸發(fā)。程序進(jìn)入中斷服務(wù)后，這些標(biāo)志位都可以由硬件清0。實際上，中斷服務(wù)程序必須判定是否是TF2 或 EXF2激活中斷。標(biāo)志位也必須由軟件清0。定時器 0 和定時器 1 標(biāo)志位 TF0 和 TF1 在計數(shù)溢出的那個周期的S5P2被置位。它們的值一直到下一個周期被電路捕捉下來。然而，定時器2 的標(biāo)

40、志位 TF2在計數(shù)溢出的那個周期被置位，在同一個周期被電路捕捉下來。表 2-5 中斷允許控制位符號位地址功能EAIE.7中斷允許控制位， EA=0，中斷總禁止；EA=1，各中斷由各自的控制位設(shè)定-IE.6預(yù)留ET2IE.5定時器 2 中斷允許控制位ESIE.4串行口中斷允許控制位ET1IE.3定時器 1 中斷允許控制位EX1IE.2外部中斷 1 允許控制位ET0IE.1定時器 0 中斷允許控制位EX0IE.0外部中斷 0 允許控制位3 相位差檢測電路3.1功率因數(shù)測量原理分析為了測量電網(wǎng)功率因數(shù)值，首先進(jìn)行測量原理分析。在三線電路中，我們所檢測的輸入信號為線電壓和線電流，如UCA 和 I B，

41、或 UBC和I A，或UAB和I C，這是它們之間的夾角 和待測量角 之間具有線性對用關(guān)系。現(xiàn)在已 UCA和 I B 為例表明其夾角 和相角 之間對應(yīng)關(guān)系的矢量圖如下面的圖3.1 、圖3.2和圖3.3所示。圖 3.1相角與關(guān)系為 R性圖 3.2相角與關(guān)系為 L性圖 3.3 相角 與 關(guān)系為 C性從圖 3.1-3.3 中很容易看出：純阻性時： =0， =90；感性時： =090，=90180 純感性時： =90，=180；容性時： =0-90 ，=900 純?nèi)菪詴r： =-90 ，=0。從圖 3.4 所示中可以看出， 角的大小又和 UCA和 I B 同時為負(fù)的時間長短 又具有線性對應(yīng)關(guān)系，并且可以

42、得出：純阻性時： =90，=T/4 （T 為電網(wǎng)周期時間）；感性時：=90180，=T/40純感性時：=180，=0；容性時：=900，=T/4 T/2純?nèi)菪詴r：=0，=T/2。從以上分析可以知道：只要測量出時間，便可以間接測量出相角。圖 3.4 R 、L、C性波形圖3.2接口電路由以上分析可以知道，只要測出時間，便可以間接測量出相角。為了測量時間 ，而又保證測量的 角有一定的精度，設(shè)計的電路圖如下圖3.5 所示。圖 3.5 相位差檢測接口電路由變壓器 TR取得 UCA線電壓信號和由電流互感器取得線電流I B信號均由檢查器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的方波信號，電壓方波信號經(jīng) G1門反相后作為測量 T/2 脈沖

43、的門控脈沖加至 G3 門輸入端，由或非門 G2得到 UCA與 I B 同時為負(fù)的正極性方波脈沖作為測量時間的門控脈沖加至 G4門輸入端。計數(shù)脈沖是用 8051 的 ALE脈沖四分頻后獲得。因 ALE脈沖頻率在 8051 執(zhí)行非 MOVX類指令時是穩(wěn)定的， 且為 1/6 晶振頻率，用 8051 部定時器 / 計數(shù)器 T0 和 T1 對 G3與 G4門輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)。 上述各點的波形及對應(yīng)關(guān)系已經(jīng)表示于圖8 中。圖 9 中 8051 的 P3.0 位用來檢測 UCA電壓過零點。當(dāng) UCA從正到負(fù)過零點時，對應(yīng)圖 8 中 UC（即 P3.0）由 0 變 1，兩個計數(shù)器 T0、 T1 同時開始計數(shù)；

44、當(dāng) UCA到了由負(fù)到正過零點時， UC則由 1 變 0，計數(shù)器 T0 與 T1 同時停止計數(shù)，設(shè) T0 計數(shù)器計數(shù)值為 N，T1 計數(shù)器計數(shù)值為 n，不難得出所測的相角 可按下式（ 3-1 ）計算出：（ N - n）- nN - 2n（3-1 ）=90=90NN由 8051 很容易完成上述計算， 若進(jìn)一步再完成查表程序， 按 角查正弦或余弦表，即可得功率因數(shù) cos。圖 9 中 a，b，c，d，e，f 各點處的波形可用雙線示波器觀看到。用兩線同時觀測c和 d 點波形時，應(yīng)與圖 8 中 UC和 Ud 的相對應(yīng)關(guān)系一致， 即 UC和 Ud的后沿是對齊的， 當(dāng) 角改變時，它們的后沿始終對齊，僅 Ud

45、 的前沿隨角大小改變，表明線電壓、線電流間信號極性配合正確。若發(fā)現(xiàn) UC和 Ud 是前沿對齊， UC 后沿隨 角而變化，則表示極性配合不正確，只要將變壓器或者電流互感器中之一反相即可糾正。3.3測量電路程序流程圖測量電路程序流程圖見下圖 3.6 所示。程序設(shè)計時，設(shè)計成了子程序的形式，執(zhí)行完成后 角的二進(jìn)制整數(shù)在 31H中，小數(shù)部分在 30H中，符號在 33H 中；00H表示阻性或感性； 80H表示容性，角的十進(jìn)制結(jié)果則在 32H中。 cos 在 34H、35H中。開始執(zhí)行程序時，不論 UCA 處于正半周、負(fù)半周、是否過零點，均可確保是從 UCA 由正變負(fù)過零點時開始計數(shù)，由負(fù)變正過零點時停止

46、計數(shù)。圖 3.6 測量電路程序流程圖4 三相功率因數(shù)顯示電路4.1 LCD 液晶顯示器在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。 在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中， 一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、 LED數(shù)碼管、液晶顯示器。由于LCD顯示器在單片機(jī)系統(tǒng)中作為輸出器件有良好的優(yōu)點，因此本設(shè)計中的顯示電路部分采用LCD進(jìn)行顯示。其優(yōu)點主要有以下幾點：A. 顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器的每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（ CRT）

47、那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器的畫質(zhì)高且不會閃爍。B數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。C體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比具有相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。D功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其部的電極和驅(qū)動IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。4.2 LCD 顯示器原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點。液晶顯示器中各種圖形的顯示原理：線段的顯示：點陣圖形式液晶由MN 個顯示單元組成