無功功率補(bǔ)償控制器論文的-畢業(yè)論文課件

1、無功功率補(bǔ)償控制器設(shè)計學(xué) 院（系） ： xxxxxxxxxx 專 業(yè) ： xxxxxxx 學(xué) 生 姓 名 ： xxxxxxxxxx 學(xué) 號 ： xxxxxxxxxx 指 導(dǎo) 教 師 ： xxxxxxxxxx 論文框架緒論 芯片資料硬件設(shè)計軟件設(shè)計12341.1課題的應(yīng)用背景目前，我國的電網(wǎng)，特別是廣大的低壓電網(wǎng)，普遍存在功率因數(shù)較低、電網(wǎng)線損較大的情況。導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因是眾多的感性負(fù)載用電設(shè)備設(shè)計落后，功率因數(shù)較低。比如我國的電動機(jī)消耗的電能占全部發(fā)電量的70%，而由于設(shè)計和使用等方面的原因我國電動機(jī)的功率因數(shù)往往較低，一般約為0.7。無功補(bǔ)償不僅應(yīng)具有如上所述的節(jié)省投資、節(jié)省電力、節(jié)省燃

2、煤及污染等作用，同時還應(yīng)該提高電力系統(tǒng)設(shè)備的供電能力，改善電壓質(zhì)量，減少用戶電費開支，延緩用戶的增容改造等作用。 1緒論 1.2 國內(nèi)研究動態(tài)在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是衡量電能質(zhì)量的兩個最基本、最重要的指標(biāo)。為確保電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。頻率的控制與有功功率的控制密切相關(guān)，而電壓控制的重要方法之一是對電力系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行控制。隨著近代電力電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，無功補(bǔ)償技術(shù)也隨之發(fā)展。在第一個工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之前，電子半導(dǎo)體由于功率過小，在直流傳動，交流傳動，電磁合閘，交流不間斷電源和無功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)一直沒有得到應(yīng)有的推廣使用。晶閘管的出現(xiàn)標(biāo)志著電力電子技術(shù)的

3、誕生，并以此為起點，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)和變流技術(shù)的發(fā)展。新型的電力電子器件不斷問世，由此引發(fā)了眾多行業(yè)的變革，如交流變頻調(diào)速技術(shù)的蓬勃發(fā)展。同樣電力電子技術(shù)對無功補(bǔ)償技術(shù)也帶來了新的發(fā)展契機(jī)。1.3本課題主要研究的內(nèi)容 本文研究的主要有兩方面：一是無功補(bǔ)償?shù)幕纠碚摵碗娋W(wǎng)中最佳補(bǔ)償方式的探討。首先是對無功補(bǔ)償中一般問題進(jìn)行分析，其次是對無功補(bǔ)償計算方案的分析。二是在傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，對其控制器和動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，從而開發(fā)出一種智能無功補(bǔ)償器。文中對補(bǔ)償器的控制器的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計作了較詳盡的分析。 視在功率的減少可相應(yīng)減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設(shè)備的投資。例如

4、一臺1000千伏安的變壓器，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)為0.7 時，可供700千瓦的有功負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)提高到0.9時，可供900千瓦的有功功率。同一臺變壓器，因為負(fù)荷的功率因數(shù)的提高而可多供200千瓦負(fù)荷，是相當(dāng)可觀的。 圖1.1無功補(bǔ)償補(bǔ)償原理示意圖1.5低壓電網(wǎng)中的幾種無功補(bǔ)償?shù)姆绞綇V大市電低壓電網(wǎng)處于電網(wǎng)的最末端，因此補(bǔ)償?shù)蛪簾o功負(fù)荷是電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。搞好低壓補(bǔ)償，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫Γ铱梢蕴岣哂脩襞潆娮儔浩鞯睦寐?，改善用戶功率因?shù)和電壓質(zhì)量，并有效降低電能損失。低壓補(bǔ)償對用戶及供電部門都有利。低壓無功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實現(xiàn)無功的就地平衡，通常采用地方式有三種： 隨機(jī)補(bǔ)償、隨器

5、補(bǔ)償、跟蹤補(bǔ)償。隨機(jī)補(bǔ)償就是將低壓電容器組與電動機(jī)并聯(lián)，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)共同投切。隨機(jī)補(bǔ)償?shù)貎?yōu)點是：用電設(shè)備運(yùn)行時，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停止運(yùn)補(bǔ)償裝置也退出，不需要頻繁調(diào)整補(bǔ)償容量。且具有投資少，配置靈活，維修簡單等優(yōu)點。為防止電機(jī)推出時產(chǎn)生自激過電壓，補(bǔ)償容量一般不大于電機(jī)的空載無功。 2.1 51系列單片機(jī)簡介51單片機(jī)是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)

6、用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是51系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。 2 芯片簡介 2.2 51系列單片機(jī)的特點（1）51片內(nèi)存儲容量較小： 原因是受集成度的限制。ROM一般小于8KB，RAM 一般小于256B，但可以在外部擴(kuò)展。通常ROM，RAM可分別擴(kuò)展至64KB。（2）可靠性高： 因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC 機(jī)。 系統(tǒng)軟件(如:程序指令，常數(shù)，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破壞。 許多信號的通道均在一個芯

7、片內(nèi)，故運(yùn)作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 （3）便于擴(kuò)展： 片內(nèi)具有計算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件，片外有很多供擴(kuò)展用的(總線，并行和串行的輸入/輸 出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 （4）控制功能強(qiáng)：具有豐富的控制指令：如條件分支轉(zhuǎn)移指令，I/O 口的邏輯操作指令，位處理指令。 （5）實用性好：體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化。 2.3 AT89C51單片機(jī)AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技

8、術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。2.3.1 AT89C51特性 2.5 LCD1602芯片所謂1602是指顯示的內(nèi)容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個字符。目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的。因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。 3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 在一系列的理論分析之后，本次設(shè)計

9、將采用根據(jù)功率因數(shù)來確定補(bǔ)償容量的方法，再根據(jù)當(dāng)前無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，我們采用并聯(lián)電容器型的無功補(bǔ)償裝置。它具有連線和控制方式簡單，電容使用效率高及不產(chǎn)生諧波污染等優(yōu)點。電壓互感器和電流互感器將信號轉(zhuǎn)成小電流，經(jīng)過電路處理后發(fā)給ADC0809。ACD0809再將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。再將此信號傳給單片機(jī)。單片機(jī)控制電容投入或切除。并將結(jié)果送入顯示器顯示。圖3.1為無功功率補(bǔ)償控制器系統(tǒng)的框圖。3.1 電源電路系統(tǒng)需要+5V直流電源。從外部引進(jìn)的一路220V交流電壓經(jīng)過變壓器TF3變換成AC9V電壓，橋整BRIDGE1整流成+12V的直流電壓，穩(wěn)壓塊7805將+12V穩(wěn)壓到+5V輸出，供需要

10、的器件使用14。系統(tǒng)的供電電源原理如圖3.2所示。+5V在原理圖中標(biāo)注為VCC。 圖3.2 AT89C51接腳說明3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路選中通道的模擬量到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器時，A/D轉(zhuǎn)換器并未對其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。只有當(dāng)轉(zhuǎn)換啟動信號端START出現(xiàn)下降沿并延遲后，才啟動芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，START的上升沿復(fù)位ADC0809。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果(8位數(shù)字量)送到三態(tài)鎖存輸出緩沖器，此時A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果還沒有現(xiàn)在DB0-DB7八條數(shù)字量輸出線上，單片機(jī)不能獲取之。單片機(jī)要想讀到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須使ADC0809的允許輸出控制端OE為高電平，打開三態(tài)輸了鎖存器，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在DB0

11、-DB7上。ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換過程是在時鐘信號的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的，ADC0809的時鐘信號由CLOCK端送入，其最高頻率為640MHz，在這個最高頻率下ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換時間為100uS左右18。當(dāng)ADC0809用于AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)時，若AT89C51用12MHz的晶振，ALE輸出為1/6，即2MHz。則ADC0809的時鐘信號可以由AT89C51的ALE經(jīng)過一個四分頻電路獲取。這時ADC0809的時鐘頻率為500KHz，A/D轉(zhuǎn)換時間為130uS。ADC0809常用的時鐘電路如圖3.3 ，A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3.4。 圖3.3 ADC0809常用的時鐘電路圖（4分頻）單片機(jī)

12、讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的方法有三種(1)延遲法單片機(jī)啟動ADC0809后，延時130uS以上，可以讀到正確的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。本設(shè)計中即采用這種方法。(2)查詢法EOC必須接到AT89C51的一條I/O線上。單片機(jī)啟動ADC0809后，延遲10uS，檢測EOC，若EOC=0則A/D轉(zhuǎn)換沒有結(jié)束，繼續(xù)檢測EOC直到EOC=1。當(dāng)EOC=1時，A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。(3)中斷法EOC必須經(jīng)過非門接到AT89C51的中斷請求輸入線INT0或INT1上，AT89C51的中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。單片機(jī)啟動A/D轉(zhuǎn)換后可以做其它工作，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC由01經(jīng)過非門傳到INT端，

13、AT89C51收到中斷請求信號，若AT89C51開著中斷，則進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。圖3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路3.3 看門狗電路本系統(tǒng)采用MAXIM公司的低成本微處理器監(jiān)控芯片MAX813L構(gòu)成硬件狗與AT89C51的接口電路如圖3.5所示。MR與WDO經(jīng)過一個二極管連接起來，WDI接單片機(jī)的P2.7口，RESET接單片機(jī)的復(fù)位輸入腳RESET，MR經(jīng)過一個復(fù)位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能如下：（1）看門狗定時器被清零，WDO維持高電平；當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時，CPU不能在1.6s內(nèi)給出“喂狗”信號，WDO跳變?yōu)榈碗娖剑捎贛R端有一個內(nèi)部250mA的上拉電流

14、，D導(dǎo)通MR獲得有效低電平，RESET端輸出復(fù)位脈沖，單片機(jī)復(fù)位，看門狗定時器清零，WDO又恢復(fù)成高電平。（2）手動復(fù)位：MR保持140ms以上低電平，MAX813L輸出復(fù)位信號。如果需要對系統(tǒng)進(jìn)行手動復(fù)位，只要按下手動復(fù)位按鈕，就能對系統(tǒng)進(jìn)行有效的復(fù)位。圖3.5 MAX813L與89c51接口圖3.5 模擬信號處理電路當(dāng)電流和電壓波形一致，即電流和電壓的相位差為零時，此時的功率因數(shù)最高，無功功率為零。當(dāng)電流和電壓的波形不一致時，存在兩種情況：一種是電流的波形在電壓的波形之前到達(dá)，這種情況稱為電流超前于電壓；另一種是電流的波形在電壓波形之后到達(dá)，這種情況稱為電流滯后于電壓。電壓與電流的相位差的

15、余弦稱為功率因數(shù)。相位檢測電路就是要檢測到電流和電壓的相位差，并且要檢測電流是超前還是滯后。只要檢測到這兩個數(shù)據(jù)即可控制電力電容的投入或者切除。根據(jù)檢測的相位差余弦查表來求得當(dāng)前的功率因數(shù)，再根據(jù)當(dāng)前功率因數(shù)與設(shè)定的功率因數(shù)比較，如果當(dāng)?shù)墓β室驍?shù)大于設(shè)定的功率因數(shù)，并且為滯后或者功率因數(shù)等于1.00，則不進(jìn)行投入，如果為超前，則切除電力電容；如果當(dāng)前的功率因數(shù)小于設(shè)定的功率因數(shù)，則進(jìn)行電容補(bǔ)償容量的判斷是否投入電容來提高功率因數(shù)，減少無功功率。 3.5.1電流和電壓相位檢測電路 功率因數(shù)是否等于1.00由單片機(jī)計算而得。如果為1.00則不進(jìn)行任何操作。如果不為1.00且大于設(shè)定功率因數(shù)，則將電

16、壓電流得出的信號輸入D觸發(fā)器，再將觸發(fā)得出的結(jié)果送入單片機(jī)。由單片機(jī)處理是否投入或者切除電容。從圖3.7可以看到，電壓波形的采樣是采用一個變壓器TF1，TF1把交流220V電壓變換成12V的交流電壓，經(jīng)過R27限流以及D4和D5的箝位送到LM393的第6腳負(fù)輸入端。LM393的第5腳正輸入端接地。需要注意的是，此時LM393是一個電壓比較器。因為LM393的第5腳正輸入端接地，所以它是一個過零比較器，當(dāng)電壓波形過零時，LM393的第7腳輸出端電平反轉(zhuǎn)。LM393的第7腳輸出端接到ADC0809的IN1端口和D觸發(fā)器CLK端。如流波形的采樣如圖3.8所示，通過一個電流互感器把0到5A的交流信號變

17、換成0到50mA的交流小信號，再經(jīng)過R19限流以及D2和D3的箝位送到LM393的第2腳負(fù)輸入端。LM393的第3腳正輸入端接地。LM393在這里是一個電壓比較器。因為LM393的第3腳正輸入端接地，所以它是一個過零比較器，當(dāng)電流波形過零時，LM393的第1腳輸出端電平反轉(zhuǎn)。LM393的第1腳輸出端接到ADC0809的IN0口和D觸發(fā)器D端。3.5.2 D觸發(fā)器控制電路 D觸發(fā)器如圖3.9所示，控制切斷或者投入電容。電流信號接入D觸發(fā)的CLK端。當(dāng)電流滯后電壓時，D觸發(fā)時鐘為上升沿。D端為“0”。Q端輸出為“0”。將Q端輸出送入單片機(jī)的I/O口。單片機(jī)根據(jù)功率因數(shù)情況決定是否切斷電容。若電流超

18、前電壓，D端置“1”，當(dāng)電壓信號來到時，CLK為上升沿，Q輸出高電平“1”。并送入單片機(jī)處理。單片機(jī)根據(jù)功率因數(shù)情況決定是否切斷電容。圖3.9 D觸發(fā)器控制電路3.5.2電流和電壓信號采集電路 電流互感器把0到5A的交流信號變換成0到50mA的小信號，此處100R是假負(fù)載，0.05AX100R=5V。經(jīng)過二極管整流和C20和C21電容濾波，R20和R22分壓后，再傳給0809的IN0端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電路圖如圖3.10所示。 圖3.10 電流采集電路電壓變壓器把交流220V變成交流9V的小信號電壓，經(jīng)過橋整，C23的濾波，以及R25和R24的分壓后，再送到0809的IN1進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電路圖

19、如圖3.11所示。圖3.11 電壓采集電路3.6電容補(bǔ)償控制電路本電路主要功能是投入或者切除電容。為了讓電路用較小的電流去控制較大電流，繼電器起一種“自動開關(guān)”的作用。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。而啟動繼電器則使動ULN芯片，它內(nèi)部集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動繼電器。電容補(bǔ)償分為兩組，每一組由單片機(jī)一個I/O口控制。每一個I/O口又控制8組電容。單片機(jī)發(fā)串行數(shù)據(jù)給74HC595的串行輸入端口，由74HC595實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換。由QA到QH輸出給發(fā)光二極管。二極管燈亮，表示此路電容投入工作。再由發(fā)光二極管傳入TLP521_4芯片。TLP521光耦導(dǎo)通，并將信號再

20、傳至ULN2003的輸入端。再由ULN2003輸出端發(fā)信號啟動繼電器IN4007。繼電器通電導(dǎo)通，電容連入電路進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后的功率因數(shù)經(jīng)單片機(jī)計算后判斷是否投入更多電容，或者切除部分電容。硬件連接如圖3.12所示。圖3.12電容補(bǔ)償控制電路4.1主程序設(shè)計本次設(shè)計的裝置主要的投切標(biāo)準(zhǔn)是功率因數(shù)和測量電壓，本裝置采用默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)為。隨器補(bǔ)償應(yīng)以配變?nèi)萘康?%8%選擇電容器容量效果較好，因為這大約相當(dāng)于配電變壓器空載時的無功功率，又電容器補(bǔ)償容量可近似為，則本次設(shè)計一共設(shè)了2組容量為100nj400電容器組，方便控制和調(diào)節(jié)補(bǔ)償容量，采用2相共同補(bǔ)償。首先檢測電壓電流數(shù)值。經(jīng)計算后，若功率因

21、數(shù)為1，則無需補(bǔ)償。再次檢測，直至功率因數(shù)不為1。當(dāng)檢測到到的功率因數(shù)小于0.90時，投入第一組電容器組；再進(jìn)行第二次檢測，計算得到功率因數(shù)再于默認(rèn)值進(jìn)行比較，若實際功率因數(shù)仍然小于0.90的話，繼續(xù)投入第二組電容器組。當(dāng)檢測到功率因數(shù)大于0.90時，若電流滯后電壓，即電網(wǎng)處于容性狀態(tài)，無功補(bǔ)償過量，則立即切除第一組電容；繼續(xù)檢測電壓，若電壓仍然高于標(biāo)準(zhǔn)的話，則切除第二組電容器組。補(bǔ)償完畢后，將功率因數(shù)、電壓、電流送入顯示電路顯示。主要的程序流程如圖4.1所示。4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 4.2中A/D轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換分為兩部分：電壓與電流轉(zhuǎn)換。電壓與電流轉(zhuǎn)換相似。如圖4.2以電壓轉(zhuǎn)換為例。首先

22、運(yùn)行主程序，單片機(jī)P2.1口向ALE發(fā)送“1”，允許地址輸入。P2.0口向ADDA發(fā)送“1”，選中電壓口IN1。單片機(jī)P2.1口向ALE發(fā)送“0”，開啟0809的地址鎖存。檢測后的電壓數(shù)據(jù)送入0809。P2.2口向0809START發(fā)送下降沿信號，開啟A/D轉(zhuǎn)換。若轉(zhuǎn)換結(jié)束，即EOC=1，EOC由一個非門向單片機(jī)的中斷INTO，則進(jìn)入延時程序，在中斷服務(wù)程序中單片機(jī)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。讀取后，由P2.2向START發(fā)上升沿復(fù)位0809。圖4.1主程序流程圖 圖4.2 電壓轉(zhuǎn)換流程圖4.3電容補(bǔ)償控制電路軟件設(shè)計電容補(bǔ)償是在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)由采到的數(shù)據(jù)控制投入或切除電容。如圖4.3所示。若計算結(jié)果，說明電壓與電流相位差為0，功率因數(shù)最高，不需要補(bǔ)償，系統(tǒng)跳回檢測狀態(tài)。若不為1，則需要判斷是否大于0.9。若小于0.9，則按計算結(jié)果再次計算，應(yīng)該投入多少電容，將2組電容投入電路。若大于0.9，則跟據(jù)D觸發(fā)器控制電路的Q輸出結(jié)果，若為“0”，說明電路程感性，不需要操作。若為“1”，說明電路呈容性。再由單片機(jī)計算切除多少電容。最后啟動顯示電路，顯示結(jié)果。程序跳回檢測狀態(tài)。圖4.3電容補(bǔ)償電路軟件設(shè)計流程圖結(jié) 論無功補(bǔ)償技術(shù)在邊沿科學(xué)如電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)發(fā)展的推動下，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域取得了很大的發(fā)展，形成了多種補(bǔ)償