高功率因數(shù)智能調(diào)壓器的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

高功率因數(shù)智能調(diào)壓器的設(shè)計(jì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)：學(xué)生姓名：導(dǎo)師姓名：PAGEIV摘要在現(xiàn)代電氣系統(tǒng)中，功率因數(shù)和諧波含量在交流電路中的意義十分重要。功率因數(shù)的高低以及諧波含量的大小，對(duì)提高電網(wǎng)中電器設(shè)備利用率、研究電能消耗等問(wèn)題有著重要意義。本文的主要研究對(duì)象為晶閘管調(diào)壓器，調(diào)壓器的工作方式直接影響著功率因數(shù)的高低以及諧波電流的大小。論文以閱覽國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，研究高功率因數(shù)調(diào)壓器的工作機(jī)理及特性，根據(jù)現(xiàn)代電氣系統(tǒng)的需要加入部分自動(dòng)控制功能，以提高調(diào)壓器的智能性，使其更適應(yīng)用戶對(duì)調(diào)壓的需求。本文將從功率因數(shù)和諧波兩種數(shù)據(jù)切入，對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明，論證其可行性，即高功率因數(shù)智能調(diào)壓器。此外，本文對(duì)調(diào)壓器的重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了理論分析，介紹調(diào)壓器的應(yīng)用實(shí)例，以及通過(guò)運(yùn)用DSP原理加入數(shù)字控制部分以實(shí)現(xiàn)其智能化。關(guān)鍵詞高功率因數(shù)DSP調(diào)壓器晶閘管AbstractInmodernelectricalsystems,powerfactorandharmoniccontentaretwoimportantparametersintheACcircuit.ThequalityofpowerfactorandthecontentofharmonichaveagreatsignificancetotheutilizationofelectricalequipmentinthegridandthestudyofElectricPowerConsumption.ThemainobjectofmystudyisThyristorvoltageregulator.Theworkingmodeofvoltageregulatorhasadirectimpactonpowerfactorandharmoniccurrent.Myobjectisbaseonthelearningdomesticandinternationalreferences.Themainstudyistheoperationalmechanismandcharacteristicsofthehighpowerfactor.Inordertoimprovetheintelligenceoftheregulator,accordingtotheneedsofamodernelectricalsystem,weneedaintelligentregulator.Thisarticlediscussthefeasibilityoftheintelligentregulatordependsonpowerfactorandharmonic.ThisarticleisfocusonthetheoreticalanalysisofregulatoranduseofDSPprinciplestoachievethedigitalcontrolsection.KeywordsHighpowerfactorDSPRegulatorThyristor 目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1研究的目的和意義 11.2功率因數(shù) 11.3抑制諧波的意義 31.4調(diào)壓器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì) 41.5本文的主要內(nèi)容 5第2章調(diào)壓器原理 72.1一般調(diào)壓器的原理分析 72.2高功率因數(shù)調(diào)壓器原理 82.2.1高功率因數(shù)調(diào)壓器原理 82.2.2三相高功率因數(shù)調(diào)壓器原理 112.3智能調(diào)壓器工作原理 132.3.1智能調(diào)壓器的特點(diǎn) 132.3.2智能調(diào)壓器工作方式 132.4諧波方案設(shè)計(jì) 152.5環(huán)流效應(yīng) 182.5.1環(huán)流效應(yīng)簡(jiǎn)述 182.5.2晶閘管環(huán)流的特點(diǎn) 182.5.3零電壓檢測(cè) 192.5.4安全角 20第3章調(diào)壓器的設(shè)計(jì) 243.1調(diào)壓器的電氣設(shè)計(jì) 243.1.1調(diào)壓器電氣原理 243.1.2調(diào)壓器主電路選型 253.2電流閉環(huán)控制 263.3調(diào)壓器的控制功能 283.3.1智能調(diào)壓器功能 283.3.2控制電路 293.3.3DSP控制 293.3.4端口設(shè)計(jì) 323.4零電位檢測(cè) 343.5驅(qū)動(dòng)電路 343.5輔助電源 36第4章調(diào)壓器的智能控制設(shè)計(jì) 374.1控制功能設(shè)計(jì) 374.2程序編程 39總結(jié) 42致謝 43參考文獻(xiàn) 44經(jīng)濟(jì)效益分析 46PAGE46CONTENTSAbstract IIChapter1INTRODUCTION 11.1Thepurposeandsignificanceofthestudy 11.2Powerfactor 11.3Harmoniccontent 31.4Developmenttrends 41.5Maincontent 5Chapter2Principleoftheregulator 72.1Generalregulator 72.2Highpowerfactorregulator 82.2.1Highpowerfactorregulator 82.2.2Three-phasehighpowerfactorregulator 112.3Workingprinciple 132.3.1Characteristicsofregulato 132.3.2Workingmode 132.4Harmonicdesign 152.5Around-flowEffect 182.5.1BriefofAround-flowEffect 182.5.2Thyristorcirculationcharacteristics 182.5.3Zero-voltagedetection 192.5.4Safeangle 20Chapter3Thedesignoftheregulator 243.1Electricaldesign 243.1.1Electricalprinciple 243.1.2Maincircuitdesign 253.2Currentclosedcontrol 263.3Controlfunction 283.3.1Mainfunction 283.3.2Controlcircuit 293.3.3DSP 293.3.4Portdesign 323.4Zero-voltagedetection 343.5Drivingcircuit 343.5Auxiliarypower 36Chapter4Controldesign 374.1Controlfunction 374.2Softwareprogramming 39Conclusion 42Acknowledgements 43Reference 44HYPERLINKEconomicBenefitAnalysis 46第1章緒論隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人名生活水平的提高，電力電子產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，其中最為突出的是無(wú)功補(bǔ)償和諧波的問(wèn)題。諧波含量和功率因數(shù)是交流電路的重要技術(shù)數(shù)據(jù)。諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償是涉及電力電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)等方面的重大課題。治理諧波可以減少電力污染。提高功率因數(shù)，可以充分發(fā)揮電力設(shè)備的潛力。所以諧波問(wèn)題和無(wú)功功率問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)和電力用戶都是十分重要問(wèn)題也是近年來(lái)關(guān)注的熱點(diǎn)之一[3]。1.1研究的目的和意義功率因數(shù)和諧波含量都是交流電路的重要技術(shù)數(shù)據(jù)之一。提高功率因數(shù)，可以提高電網(wǎng)中電氣設(shè)備的利用率。隨著用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，諧波的問(wèn)題尤為突出，諧波的抑制的研究還有助于電能消耗等等問(wèn)題的解決。治理諧波可以減少電力污染。功率因數(shù)的高低以及諧波含量的大小，對(duì)于是否能夠提高電網(wǎng)和電氣設(shè)備的利用率、分析和研究電能消耗等問(wèn)題都有十分重要的意義。因此，為了可持續(xù)的良性發(fā)展，在調(diào)壓器中加入無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制的技術(shù)，推動(dòng)電力的良好發(fā)展，提供優(yōu)質(zhì)電能。在這種形式下，利用DSP及組態(tài)軟件對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行控制，無(wú)疑是具有巨大的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。1.2功率因數(shù)功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。無(wú)功功率（Q）、有功功率（P）和視在功率（S）之間是直角三角形關(guān)系，稱(chēng)為功率三角形，如圖1-1所示。Φ是通過(guò)負(fù)載的電流與加載負(fù)載上電壓之間的相位角度，也是視在電流與有功電流之間的相位角度。在有功功率確定的情況下，Φ反應(yīng)了無(wú)功功率的大小，通常用cosφ稱(chēng)為功率因數(shù)，其數(shù)值為有功功率與視在功率的比值。無(wú)功功率越大，功率因數(shù)越低，有功功率與電源支出的視在功率相差越大[5]。圖1-1功率三角形電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器、日光燈及電弧爐等，大多屬于電感性負(fù)荷，這些電感性的設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不僅需要向電力系統(tǒng)吸收有功功率，還同時(shí)吸收無(wú)功功率。因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，將可以提供補(bǔ)償感性負(fù)荷所消耗的無(wú)功功率，減少了電網(wǎng)電源側(cè)向感性負(fù)荷提供及由線路輸送的無(wú)功功率。由于減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，這就是無(wú)功補(bǔ)償?shù)男б?。無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕康木褪翘嵘a(bǔ)償系統(tǒng)的功率因數(shù)。因?yàn)楣╇娋职l(fā)出來(lái)的電是以KVA或者M(jìn)VA來(lái)計(jì)算的，但是收費(fèi)卻是以KW，也就是實(shí)際所做的有用功來(lái)收費(fèi)，兩者之間有一個(gè)無(wú)效功率的差值，一般而言就是以KVAR為單位的無(wú)功功率。大部分的無(wú)效功都是電感性，也就是一般所謂的電動(dòng)機(jī)、變壓器、日光燈……，幾乎所有的無(wú)效功都是電感性，電容性的非常少見(jiàn)，例如：變頻器就是容性的，在變頻器電源端加入電抗器可提高功率因數(shù)。提高功率因數(shù)有以下好處：1.通過(guò)改善功率因數(shù)，減少了線路中總電流和供電系統(tǒng)中的電氣元件，如變壓器、電器設(shè)備、導(dǎo)線等的容量，因此不但減少了投資費(fèi)用，而且降低了本身電能的損耗。2.藉由良好功因值的確保，從而減少供電系統(tǒng)中的電壓損失，可以使負(fù)載電壓更穩(wěn)定，改善電能的質(zhì)量。3.可以增加系統(tǒng)的裕度，挖掘出了發(fā)供電設(shè)備的潛力。如果系統(tǒng)的功率因數(shù)低，那么在既有設(shè)備容量不變的情況下，裝設(shè)電容器后，可以提高功率因數(shù)，增加負(fù)載的容量[19]。1.3抑制諧波的意義在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡(jiǎn)單電路里，流過(guò)的電流與施加的電壓成正比，流過(guò)的電流是正弦波。用傅立葉分析原理，能夠把非正弦曲線信號(hào)分解成基本部分和它的倍數(shù)[13]。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。由于半導(dǎo)體晶閘管的開(kāi)關(guān)操作和二極管、半導(dǎo)體晶閘管的非線性特性，電力系統(tǒng)的某些設(shè)備如功率轉(zhuǎn)換器比較大的背離正弦曲線波形。諧波電流的產(chǎn)生是與功率轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)相關(guān)的。脈沖設(shè)備僅有5、7、11、13、17、19…。n倍于電網(wǎng)頻率。功率變換器的脈沖數(shù)越高，最低次的諧波分量的頻率的次數(shù)就越高。隨著人們對(duì)電網(wǎng)理解、認(rèn)識(shí)、研究的深入，對(duì)諧波及無(wú)功功率也有了更全面的研究，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究發(fā)現(xiàn)諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個(gè)方面：1.諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、配電及電力電子設(shè)備的效率，同時(shí)，當(dāng)3次諧波流過(guò)電網(wǎng)的零線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱、老化，容易發(fā)生火災(zāi)，或者發(fā)生磁感應(yīng)障礙。2.諧波影響各種電力電子設(shè)備的正常運(yùn)行。諧波對(duì)電機(jī)的危害包括，引起附加損耗，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲、過(guò)電流和過(guò)電壓，最終使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。3.諧波可以是公用電網(wǎng)中局部器件發(fā)生聯(lián)諧振，從而使諧波逐漸放大，引起嚴(yán)重事故。4.諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)檢測(cè)裝置的失誤，同樣各種電氣測(cè)量?jī)x表測(cè)量產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。5.諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，降低通信信號(hào)質(zhì)量，使整個(gè)通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此，諧波的抑制不僅成為近年來(lái)人們關(guān)注的熱點(diǎn)，也成為我們不得不面對(duì)的問(wèn)題。1.4調(diào)壓器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)在國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的晶閘管調(diào)壓器仍然占有很大的使用率，因此，運(yùn)用這種調(diào)壓器必然需要進(jìn)行補(bǔ)償無(wú)功、抑制諧波。加裝無(wú)功補(bǔ)償電容器是補(bǔ)償無(wú)功功率的傳統(tǒng)方法，目前在國(guó)內(nèi)均得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)在補(bǔ)償無(wú)功功率的眾多方法中，設(shè)置并聯(lián)電容器補(bǔ)償無(wú)功功率具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。與此相似，設(shè)置LC濾波器是抑制諧波的傳統(tǒng)方法。但是，這兩類(lèi)裝置均存在較難克服的缺點(diǎn)，包括：1.諧波對(duì)并聯(lián)電容器的影響。諧波電流疊加使電容器的電壓有效值增大，并使電壓峰值增大，溫升增高，引起過(guò)熱而降低電容器的使用壽命或是電容器損壞。2.并聯(lián)電容器對(duì)諧波的放大。電容器可以將諧波電流放大，不僅危害電容器本身，而且會(huì)危及電網(wǎng)中的電器設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成損壞，甚至破壞電網(wǎng)的正常運(yùn)行[1]。隨著用戶要求的不斷提高，傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)置的阻抗式固定的，對(duì)調(diào)壓的跟蹤性、實(shí)時(shí)性的要求尤為顯著。電力系統(tǒng)的發(fā)展也要求對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹?lái)越大。無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑淼某霈F(xiàn)就是響應(yīng)了這些要求?？梢詫?shí)現(xiàn)以下功能：1.對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功負(fù)荷的功率因數(shù)校正。2.改善電壓調(diào)整。3.提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩。4.降低過(guò)電壓。5.減少電壓閃爍。6.阻尼次同步振蕩。7.減少電壓和電流的不平衡。但是不論采用上述哪種方法，其原理都是在電網(wǎng)中加入補(bǔ)償無(wú)功和濾除諧波的裝置，并未從根源上治理諧波，從本質(zhì)上提高功率因數(shù)。國(guó)外多采用高功率因數(shù)調(diào)壓器，這種調(diào)壓器使用兩個(gè)同步不同幅值的一般調(diào)壓器合成，在同一周期輪換開(kāi)通進(jìn)行調(diào)壓，使得電壓波形由傳統(tǒng)的零電壓線和部分正弦波的組合改善為由大、小兩部分正弦波組合而成，通過(guò)理論及實(shí)踐證明該調(diào)壓器能夠使得電網(wǎng)的諧波電流大大減小，功率因數(shù)大大提高。比起國(guó)內(nèi)普遍運(yùn)用的傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理方式來(lái)說(shuō)，運(yùn)用高功率因數(shù)調(diào)壓器諧波含量遠(yuǎn)小于一般調(diào)壓器的諧波含量，功率因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般調(diào)壓器。由于該調(diào)壓器大幅地抑制了諧波含量，提高了功率因數(shù)，甚至一定條件下不需要另行安裝補(bǔ)償裝置，從而減少了原材料的使用，降低了企業(yè)經(jīng)濟(jì)成本。所以，調(diào)壓器的研究還需要不斷的進(jìn)行，高功率因數(shù)調(diào)壓器的研究水平仍需要不斷提高。[12]1.5本文的主要內(nèi)容本論文主要是以設(shè)計(jì)具有提高功率因數(shù)和抑制諧波功能的智能調(diào)壓器，重點(diǎn)分析了高功率飲食調(diào)壓器的原理，以及實(shí)現(xiàn)其智能化，為達(dá)到此目的，本文加入dsPIC30f控制芯片，完成其主電路的硬件設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)功能的軟件的設(shè)計(jì)。主要由以下內(nèi)容組成：1.介紹了調(diào)壓器的基本原理，包括了一般調(diào)壓器原理及高功率因數(shù)調(diào)壓器的原理。2.調(diào)壓器諧波達(dá)標(biāo)方案，使得高功率因數(shù)調(diào)壓器在運(yùn)行時(shí)，其功率因數(shù)和諧波含量均能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。3.加入零電位檢測(cè)環(huán)節(jié)，防止環(huán)流的發(fā)生。4.設(shè)計(jì)調(diào)壓器控制的硬件系統(tǒng)。5.調(diào)壓器DSP控制功能的實(shí)現(xiàn)。第2章調(diào)壓器原理2.1一般調(diào)壓器的原理分析兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)可組成一個(gè)單相調(diào)壓器，通過(guò)改變控制角可以調(diào)整輸出電壓。電阻負(fù)載的單相一般傳統(tǒng)調(diào)壓電路圖及其波形如圖2-1所示α為觸發(fā)角，且設(shè)變壓器副邊電壓如下式所示：（2-1）圖2-1電阻負(fù)載的單相交流調(diào)壓器電路及負(fù)載波形本文假設(shè)變壓器原、副邊變比為1，且負(fù)載為純阻性。因此分析調(diào)壓器對(duì)電網(wǎng)電流的影響只需對(duì)負(fù)載電流分析即可。將其進(jìn)行傅里葉分解，可將負(fù)載電流表示為如下形式：（2-2）利用傅里葉分解定理可得傅里葉系數(shù)：（2-3）（2-4）（2-5）（2-6）進(jìn)一步可得負(fù)載電流基波的有效值和初相角分別為：（2-7）（2-8）由此可得，變壓器原邊電流諧波含量及功率因數(shù)分別為：（2-9）（2-10）2.2高功率因數(shù)調(diào)壓器原理2.2.1高功率因數(shù)調(diào)壓器原理純阻性負(fù)載的單相高功率因數(shù)交流調(diào)壓電路如圖2-2所示。式中，QUOTEα為大正弦波的觸發(fā)延遲角，兩電壓源e1,e2分別為同一變壓器的副邊的不同抽頭。圖2-2電阻負(fù)載的單相交流調(diào)壓器電路及負(fù)載波形該調(diào)壓器工作機(jī)理：在一個(gè)周期內(nèi)，VT3先導(dǎo)通產(chǎn)生電流正極性小正弦波，VT1再導(dǎo)通產(chǎn)生電流正極性大正弦波，VT4再導(dǎo)通產(chǎn)生電流負(fù)極性小正弦波，VT2最后導(dǎo)通產(chǎn)生電流負(fù)極性大正弦波[12]。設(shè)變壓器兩副邊電壓分別為：（2-11）（2-12）負(fù)載工作電壓公式如下：（2-13）設(shè)變壓器原邊電壓如下：（2-14）另：假設(shè)變壓器副邊兩抽頭e1,e2電壓分別為1000V和707V，負(fù)載電流波形大正弦波與小正弦波的峰值比例則為1.414，但是折算到變壓器原邊繞組的電流波形大正弦波與小正弦波的峰值比例則為220。本文將變壓器副邊兩抽頭e1,e2電壓有效值之比稱(chēng)作比例因子，設(shè)為φ。仍設(shè)變壓器原邊與副邊第一抽頭變比為1，則有，（2-15）由于負(fù)載為純阻性，變壓器原邊電流表達(dá)式如下：（2-16）考慮到波形為半波對(duì)稱(chēng)，而且沒(méi)有直流分量，可將變壓器原邊電流表示為如下形式：（2-17）由傅里葉分解可得傅里葉系數(shù)為（2-18）（2-19）進(jìn)一步可得變壓器原邊電流基波的有效值和初相角、各次諧波有效值和電源電流總有效值分別為（2-20）（2-21）（2-22）（2-23）從而得到變壓器原邊的功率因數(shù)及諧波含量分別為：（2-24）（2-25）2.2.2三相高功率因數(shù)調(diào)壓器原理以上介紹的均為單相調(diào)壓器，在實(shí)際工程中通常將三個(gè)單相調(diào)壓器進(jìn)行三角形組合，構(gòu)成類(lèi)似支路控制三角形聯(lián)結(jié)的三相調(diào)壓電路。電阻負(fù)載時(shí)，其觸發(fā)延遲角α移相范圍為0°~180°，這里的觸發(fā)角相位是相對(duì)于線電壓零點(diǎn)而言的。該電路中每相負(fù)載的電壓波形及電流波形與移相控制的單相調(diào)壓電路相同，而輸入線電流是與該線相連的兩個(gè)負(fù)載相電流之和。這種調(diào)壓電路可看作由三個(gè)單相移相控制調(diào)壓電路組成，在注意到負(fù)載相電流中的3倍次諧波在輸入線電流中將互相抵消，而基波和其它諧波將同頻率相互迭加使輸入線電流中相應(yīng)成分增至倍[17]。因此，這種電路輸入電流中基波和諧波分量的計(jì)算公式為：（2-26）（2-27）電路輸入電流中的諧波次數(shù)也是（k為正整數(shù)）。輸入電流總有效值的計(jì)算仍需根據(jù)定義進(jìn)行運(yùn)算得到。（2-28）若三相三線制調(diào)壓電路完全對(duì)稱(chēng)電路，則公共端不能流通3倍次諧波，但是一般工程中由于三相不能完全對(duì)稱(chēng)所以不能將三倍次諧波完全抵消。因此，在計(jì)算諧波含量時(shí)3倍次諧波應(yīng)考慮抵消因子（=1-抵消率）。由于電路中電流波形半波對(duì)稱(chēng)，所以電流中不含偶次諧波。因此，對(duì)于三相三線制電路而言，其只含有奇數(shù)次諧波，即次數(shù)（k為正整數(shù)）的諧波和3倍次諧波。假定高功率因數(shù)調(diào)壓電路中變壓器原邊電壓有效值E與負(fù)載電阻R為常數(shù)值（比如1），則由公式可以求得各次諧波電流，通過(guò)編程計(jì)算尋求比例因子ρ一定時(shí)各次諧波電流最大值、、、……表2.1中列出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)諧波電流最大允許值，由表2.1可知國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的最大諧波電流允許值之間的比值為:表2-1注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值標(biāo)準(zhǔn)電壓KV基準(zhǔn)短路容量MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值A(chǔ)571113171923250.38106244282418161412610034241613109.07.46.81010020352502.5665002.61107502.11.9由上可知：若分析三線三相制聯(lián)結(jié)的高功率因數(shù)調(diào)壓器諧波含量的時(shí)候只要分析變壓器原邊的3、5、7次諧波電流及功率因數(shù)即可[9]。2.3智能調(diào)壓器工作原理2.3.1智能調(diào)壓器的特點(diǎn)智能調(diào)壓器以耦合變壓器的工作結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，電流波形由小正弦波和大正弦波組成。雙波疊加的電流無(wú)需進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制，工作原理圖如圖2-3所示。智能調(diào)壓器的工作狀態(tài)分為三種：開(kāi)路狀態(tài)，即晶閘管Q1、Q2、Q3、Q4都不導(dǎo)通。變壓器T2一次側(cè)串有大阻抗Z，其中R=Rm+R2’，X=Xm+X2’。其電阻值為變壓器T1的勵(lì)磁阻抗和二次側(cè)的漏阻抗和。在生產(chǎn)中，要避免這種工作方式的發(fā)生。因?yàn)楫?dāng)T1從別的工作方式轉(zhuǎn)到開(kāi)路工作方式的瞬間，由于電路中勵(lì)磁電感Xm的存在，在開(kāi)路瞬間，dU/dt和dI/dt會(huì)很大，電網(wǎng)上的電壓可能會(huì)完全加在變壓器T1上，超過(guò)晶閘管的最大承受電壓，從而導(dǎo)致晶閘管Q1和Q短路狀態(tài)，即晶閘管Q1或Q3導(dǎo)通，晶閘管Q2和Q4都不導(dǎo)通。變壓器T2的一次側(cè)串有一個(gè)小阻抗，其電阻值為變壓器T1的勵(lì)磁阻抗與一次側(cè)漏阻抗的并聯(lián)，再和二次側(cè)漏阻抗串聯(lián)。這種工作方式變壓器T1的一次側(cè)串有小阻抗，消耗小部分功率，阻抗壓降很小，電網(wǎng)電壓都加在變壓器T2上。電源狀態(tài)，即晶閘管Q2或Q4導(dǎo)通，晶閘管Q1和Q3都不導(dǎo)通。電網(wǎng)電壓和T1二次側(cè)電壓的疊加，即雙電源共同作用在T2的一次側(cè)，對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。2.3.2智能調(diào)壓器工作方式當(dāng)變壓器T1的線圈繞組為同名端時(shí)，原理圖如圖2-3所示。圖2-3智能調(diào)壓器工作原理及波形智能調(diào)壓器在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)，分為四種工作方式：方式1：當(dāng)0≤ωt≤α，在Q1的正半周電壓下，Q1加脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，Q2、Q3、Q4關(guān)斷，電壓U2工作負(fù)載電壓UL=U2。方式2：當(dāng)α＜ωt≤π，在U3的正半周電壓下，Q2加脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，Q1受反壓關(guān)斷，Q3、Q4關(guān)斷，電壓U2、U3工作，負(fù)載電壓UL=U2+U3=U1。方式3：當(dāng)π＜ωt≤π+α，在U2的負(fù)半周電壓下，Q3加脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，Q2受反壓關(guān)斷，Q1、Q4關(guān)斷，電壓U2工作，負(fù)載電壓UL=U2。方式4：當(dāng)π+α＜ωt≤2π，在U3的負(fù)半周電壓下，Q4加脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，Q3受反壓關(guān)斷，Q1、Q2關(guān)斷，電壓U2、U3工作，負(fù)載電壓UL=U2+U3=U1。同理，當(dāng)變壓器T1的線圈繞組為異名端時(shí)，負(fù)載的電流波形仍為大、小雙波的疊加。通過(guò)分析變壓器同名端的兩種聯(lián)結(jié)方式，分析出了各晶閘管的開(kāi)通次序和方式，最后得出負(fù)載電壓電流的波形為，兩個(gè)電壓幅值不同的同步單相調(diào)壓器疊加連續(xù)工作，為了消除直流分量，正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)。正半周由與控制角α相等的小正弦波（U2）和（1800-α）的大正弦波（U1）兩條曲線組成，如圖2-3。2.4諧波方案設(shè)計(jì)假設(shè)調(diào)壓器有16個(gè)用戶，每個(gè)用戶最大工作容量為S（MV），電網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓為10KV，最小短路容量為4*16S。由第2.2.2節(jié)可知只要分析系統(tǒng)的3、5、7次諧波即可1.由表2.1及公式計(jì)算出用戶公共結(jié)點(diǎn)處的3、5、7次電流允許值：（2-29）（2-30）（2-31）2.諧波合成由公式計(jì)算：（2-32）（2-33）（2-34）3.由于本設(shè)計(jì)是單相合成三相，由第二章分析可知只要分析系統(tǒng)的3、5、7次諧波即可。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工作3的倍數(shù)次諧波抵消率為85%，即3的倍數(shù)次諧波相當(dāng)于只含有其本身的15%。由于采用單向合成三相思路，所以折算到每一相，相當(dāng)于基波有效值增加到了1.732倍，而諧波合成后有效值不變，相當(dāng)于其含量又減小到原來(lái)的1/1.732=58%，從而可得每個(gè)用戶各次諧波電流如下（2-35）（2-36）（2-37）4.一般標(biāo)準(zhǔn)電壓為10KV時(shí)，單用戶最大工作電流為（2-38）由于諧波電流含量是隨觸發(fā)角α的不同而變化的，而且各爐的觸發(fā)角不一定相同，所以我們這里考慮平均諧波含量。由第二章一般調(diào)壓器諧波計(jì)算結(jié)果可知一般調(diào)壓器的各次諧波的平均含量分別為：（2-39）（2-40）（2-41）因此由各次諧波含量乘以最大工作電流可得到：3次平均諧波電流為18.35S,5次平均諧波電流為11.60S,7次平均諧波電流為8.54S。從而可以得到各次諧波的濾除率（2-42）（2-43）（2-44）單用戶不一定都同時(shí)工作在最大電流工作狀態(tài)，所以考慮平均工作率，即，要求高功率因數(shù)調(diào)壓器的各次諧波的平均含量小于或等于：（2-45）（2-46）可以求得當(dāng)比例因子為0.7時(shí)，高功率因數(shù)調(diào)壓器的各次諧波的平均含量為：（2-47）（2-48）（2-49）可知該系統(tǒng)中當(dāng)比例因子等于0.7時(shí)高功率調(diào)壓器諧波含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高功率調(diào)壓器比例因子大于等于0.25時(shí)，平均功率因數(shù)大于0.9；所有3次諧波含量均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)比例因子大于等于0.7時(shí)5次諧波含量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)比例因子大于等于0.62時(shí)7次諧波含量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。綜上，當(dāng)調(diào)壓器比例因子大于等于0.7時(shí)，該系統(tǒng)運(yùn)用高功率調(diào)壓器調(diào)壓，其功率因數(shù)和諧波均能夠達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。2.5環(huán)流效應(yīng)2.5.1環(huán)流效應(yīng)簡(jiǎn)述在工業(yè)生產(chǎn)中,調(diào)壓器設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)兩組晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的情況,此時(shí),電壓源被短路,線路上會(huì)產(chǎn)生很大的電流,及環(huán)流效應(yīng).耦合變壓器式的調(diào)壓器產(chǎn)生環(huán)流效應(yīng)的原因主要有以下3點(diǎn):1.非工作組晶閘管承受較大的電壓尖峰和較大的dv/dt,使其誤導(dǎo)通產(chǎn)生環(huán)流效應(yīng)。2.非工作組晶閘管在外界電磁干擾作用下誤導(dǎo)通。3.非工作組晶閘管由于主回路中感性元件的存在,使電流滯后于電壓,當(dāng)工作組晶閘管開(kāi)通時(shí),易發(fā)生兩組晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的情況,形成環(huán)流[14]。對(duì)于產(chǎn)生環(huán)流效應(yīng)的第一種情況，主要應(yīng)對(duì)方法是在主回路中通過(guò)安裝阻容吸收裝置抑制吸收晶閘管兩端的電壓尖峰和減小dv/dt。產(chǎn)生環(huán)流效應(yīng)的第二種情況通常采取的主要應(yīng)對(duì)措施是在控制回路中加入抗干擾電路。產(chǎn)生環(huán)流效應(yīng)的第三種情況需要在第二組晶閘管工作之前設(shè)置一個(gè)安全角，避開(kāi)兩組晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的情況。2.5.2晶閘管環(huán)流的特點(diǎn)環(huán)流產(chǎn)生時(shí)第一組晶閘管所在電路電流仍然是遞減趨勢(shì)，但是其值比原來(lái)電流值有所增加；電壓的大小正向影響第一路電流減小到零的時(shí)間；比例因數(shù)的大小反向影響兩種情況下電流的差值[20]。智能調(diào)壓器實(shí)際的負(fù)載電壓和電流波形，以及晶閘管Q2、Q4兩端電壓如圖2-4所示。圖2-4智能調(diào)壓器的負(fù)載電流滯后于電壓為了避免環(huán)流的發(fā)生，必須要求，當(dāng)調(diào)壓器的電壓波形從U1向U2轉(zhuǎn)變的時(shí)候，流過(guò)晶閘管Q2或Q4的電流已經(jīng)為零后，才能觸發(fā)開(kāi)通Q1或者Q3。2.5.3零電壓檢測(cè)通過(guò)安裝接在U3支路上的電流互感器來(lái)檢測(cè)流過(guò)晶閘管Q2和Q4的電流是否為零，有以下缺點(diǎn)。在調(diào)壓器這種大電流檢測(cè)的電路中，由于電流大，同時(shí)存在各種強(qiáng)電磁干擾，若用電流互感器存在嚴(yán)重的磁滯現(xiàn)象，不能及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)電流，容易造成誤檢測(cè)，以及檢測(cè)的不及時(shí)，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用。所以，對(duì)于零電流的檢測(cè)，檢測(cè)電流電路的精度不能為0，為此必須選定一個(gè)精度，由于檢測(cè)的范圍為0.1Ie～I(xiàn)e，對(duì)于檢測(cè)的精度，大電流約為0.3%，小電流為20%，檢測(cè)的精度范圍跨度大，不適合通用的檢測(cè)，并且在工業(yè)設(shè)備中，網(wǎng)壓的波動(dòng)也會(huì)對(duì)電流檢測(cè)產(chǎn)生噪聲，導(dǎo)致誤檢測(cè)。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出零電壓檢測(cè)電路，當(dāng)流過(guò)晶閘管Q2或Q4的電流為零時(shí)，通過(guò)檢測(cè)晶閘管兩端的電壓是否達(dá)到，為電路中的阻抗角，來(lái)判斷電路中電流是否為零。當(dāng)在方式3時(shí)，Q4受到U3的負(fù)壓逐漸關(guān)斷，電流也為零時(shí)，就可以給Q1觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)電流為零時(shí)，由于電流滯后于電壓一個(gè)角度φ，此時(shí)晶閘管Q4兩端的電壓為（為負(fù)電壓）。當(dāng)電路檢測(cè)到這個(gè)值的時(shí)候，說(shuō)明晶閘管Q4已經(jīng)關(guān)斷，可以對(duì)Q1觸發(fā)。當(dāng)在方式1時(shí)，Q2受到U3的正壓逐漸關(guān)斷，電流也為零時(shí)，就可以給Q3觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)電流為零時(shí)，由于電流滯后與電壓一個(gè)角度φ，此時(shí)晶閘管Q1兩端的電壓為（為正電壓）。當(dāng)電路檢測(cè)到這個(gè)值的時(shí)候，說(shuō)明晶閘管Q2已經(jīng)關(guān)斷，可以對(duì)Q3觸發(fā)。當(dāng)晶閘管Q2、Q4導(dǎo)通時(shí)，電壓檢測(cè)電路所測(cè)量的為晶閘管兩端的壓降1V~3V，電路檢測(cè)無(wú)效[22]。2.5.4安全角為了避免環(huán)流的發(fā)生，對(duì)晶閘管Q1和Q3的觸發(fā)進(jìn)行安全角φ的設(shè)計(jì)，波形如圖2-5圖2-5安全角的設(shè)定負(fù)載電流如下所示：（2-50）對(duì)電流進(jìn)行傅立葉分解，假設(shè)，將兩個(gè)電流折算到變壓器原邊。則電網(wǎng)電源的電流公式變?yōu)椋?-51）考慮到電流波形是半波對(duì)稱(chēng)，沒(méi)有直流分量，將等效到變壓器T2原邊的負(fù)載電流表示為如下形式：（2-52）由傅立葉分解可得到傅立葉系數(shù)：（2-53）（2-54）（2-55）（2-56）進(jìn)一步可得變壓器原邊電流基波的有效值和初相角分別為：（2-57）（2-58）而變壓器原邊各次諧波電流的有效值如下：（）（2-59）此外，變壓器T2原邊的電流有效值也可求出：（2-60）則此時(shí)諧波含量及功率因數(shù)分別為：（2-61）（2-62）（2-63）負(fù)載電壓uL為電源電壓波形的一部分，而電源電流i（也就是負(fù)載電流iL）與負(fù)載電壓波形相同。因此負(fù)載電壓為：（2-64）求的負(fù)載電壓有效值為：（2-65）由計(jì)算可知當(dāng)φ=460時(shí)調(diào)壓器的平均功率因數(shù)為0.9，滿足要求。為了滿足諧波的要求，計(jì)算出，當(dāng)φ=790時(shí)，綠色調(diào)壓器的三次諧波的平均含量為I3i=37.6%×15%=5.64%，滿足三次諧波的要求。當(dāng)φ=280時(shí)，綠色調(diào)壓器的五次諧波的平均含量為6.12%，滿足五次諧波的要求。當(dāng)φ=290時(shí)，綠色調(diào)壓器的七次諧波的平均含量為5.49%，滿足七次諧波的要求。由此可知諧波次數(shù)越大，調(diào)壓器中諧波含量達(dá)到要求，因此我們只考慮3、5、7次諧波即可。因此，我們整理出安全角φ的范圍應(yīng)該00～280[24]。第3章調(diào)壓器的設(shè)計(jì)3.1調(diào)壓器的電氣設(shè)計(jì)3.1.如圖4個(gè)晶閘管調(diào)壓器同一周期有2個(gè)工作，構(gòu)成了高功率因數(shù)調(diào)壓器。選用高功率因數(shù)調(diào)壓器在電壓/電流工藝曲線固定的情況下，不需要無(wú)功功率補(bǔ)償和諧波抑制裝置，并實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)大于0.9，注入電網(wǎng)的諧波達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該調(diào)壓器的主回路電路圖相同，4個(gè)晶閘管調(diào)壓器任何時(shí)候有2個(gè)晶閘管調(diào)壓器在工作。變壓器原邊繞組的電壓、電流波形如圖3-1所示，電流波形由小正弦波和大正弦波組成。（3-1）圖3-1晶閘管調(diào)壓器及單個(gè)晶閘管調(diào)壓器的工作電流當(dāng)單相供電的負(fù)載較多，或者工藝電壓曲線最高電壓值比較大。未解決晶閘管耐壓?jiǎn)栴}，通常采用先獨(dú)立后串聯(lián)供電方案，如圖3-2所示工作方式為：首先K1電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，K2電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，調(diào)壓器T2為用戶一供電，調(diào)壓器T1為用戶二供電。隨負(fù)載加大，供電電壓下降，再進(jìn)入串聯(lián)狀態(tài)，K2電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，K1電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，調(diào)壓器T2、T3、T4為用戶一、用戶二供電。調(diào)壓器的調(diào)節(jié)器是自適應(yīng)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器參數(shù)隨負(fù)載電阻變化而自動(dòng)變化。圖3-2先獨(dú)立后串聯(lián)調(diào)壓方式3.1.2調(diào)壓器主電路選型晶閘管，根據(jù)調(diào)壓器中晶閘管的正向?qū)娏骱头聪蚍逯惦妷杭霸O(shè)計(jì)指標(biāo)選擇KP3000A（3000A，100～4000mA）。壓敏電阻，在主電路中聯(lián)入壓敏電阻與熔斷器的串聯(lián)電路，其作用在于能夠在異常瞬時(shí)高電壓出現(xiàn)時(shí)進(jìn)行分流或熔斷，從而達(dá)到保護(hù)電路的作用，本文選用MYL1-1（防雷用壓敏電阻），適用于調(diào)壓柜。刀熔開(kāi)關(guān)，益瑞公司生產(chǎn)的HR3系列熔斷器式刀開(kāi)關(guān)適用于交流50Hz、380V，額定電流至1000A的配電系統(tǒng)中作為短路保護(hù)和電纜、導(dǎo)線的過(guò)載保護(hù)之用。在正常情況下，可供不頻繁地手動(dòng)接通和分?jǐn)嗾ｋ娏髋c過(guò)載電流，在短路情況下，由熔體熔斷來(lái)切斷電流，本文根據(jù)調(diào)壓器的要求，選用益瑞公司生產(chǎn)的HR3-100/31型刀熔開(kāi)關(guān)。熔斷器，根據(jù)調(diào)壓器主電路要求，本文選用金暉電氣的KG8-K-2A/400VaM型熔斷器，額定電壓為400V額定電流為2A。F1、F2、F3選用KG8-K-25A/400VaM.3.2電流閉環(huán)控制圖3-3為控制方框圖，其中，Gc（s）為控制器環(huán)節(jié)，G1（s）=E3/180為晶閘管觸發(fā)與調(diào)節(jié)，G3（s）=1/R為負(fù)載電流輸出環(huán)節(jié)，G4（s）=1/(Ts+1)為檢測(cè)環(huán)節(jié)。圖3-3電流閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖通過(guò)調(diào)壓負(fù)載電壓U與晶閘管觸發(fā)角α關(guān)系，即電流有效值：（3-2）當(dāng)中ρ=0.7，觸發(fā)控制角α和輸出負(fù)載電壓之間的關(guān)系為U=m+E3cosαU，m為常數(shù)，E3為大小正弦波電壓有效值的差值，即(1-ρ)E3，因?yàn)镋3cosα是非線性關(guān)系，經(jīng)線性化可得：G1（s）=(1-ρ)E3/180由于負(fù)載電壓通過(guò)變壓器供電給負(fù)載。分析變壓器的等效電路，其中Rk=R1+k2R2，X1+k2X2為原邊、副邊匝數(shù)比，R為電阻負(fù)載。圖3-4變壓器等效電路變壓器簡(jiǎn)化成等效電路，得到U為輸入電壓，為輸出電壓，其中R’=Rk+R，為變壓器漏電感值。U’的傳遞函數(shù)為：（3-3）負(fù)載電壓轉(zhuǎn)變成負(fù)載電流，傳遞函數(shù)為：（3-4）由檢測(cè)電路環(huán)節(jié)進(jìn)行反饋，T為反饋檢測(cè)時(shí)間。（3-5）電流閉環(huán)控制的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：（3-6）為了使控制對(duì)象校正成典型型系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器必須為Gc(s)=k1/s積分的作用就是消除誤差，調(diào)壓器不要求較快的響應(yīng)速度，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：（3-7）由上式可以看出，其符合典型I系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)（3-8）開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為：（3-9）根據(jù)欠阻尼二階系統(tǒng)在零初始條件下的階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，列出關(guān)系（3-10）3.3調(diào)壓器的控制功能3.3.1智能調(diào)壓器功能起、?？刂?，調(diào)壓器的啟動(dòng)、停止控制可以由人工上位機(jī)來(lái)啟動(dòng)調(diào)壓器。2.電流閉環(huán)控制，調(diào)壓主控板采用脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)的控制來(lái)完成閉環(huán)控制，依拒給定電流調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)α角，從而改變負(fù)載上的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)隨給定電流調(diào)節(jié)。上位機(jī)設(shè)定給定電流傳給通訊顯示板，再傳給調(diào)壓主控板。3.負(fù)載電流檢測(cè)，檢測(cè)負(fù)載電流，用于電流閉環(huán)控制和故障監(jiān)測(cè)。4.故障設(shè)計(jì)，故障分析分為兩種：報(bào)警故障與封鎖故障。出現(xiàn)報(bào)警故障時(shí)，調(diào)壓柜報(bào)警故障指示燈亮起，通訊顯示板提示故障信號(hào)。報(bào)警故障只做提示而不封鎖脈沖。出現(xiàn)封鎖故障，調(diào)壓柜報(bào)警故障指示燈和封鎖故障指示燈同時(shí)亮起，調(diào)壓器通訊顯示板提示故障信號(hào)，并且調(diào)壓柜停止工作，封鎖脈沖。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流故障，調(diào)壓柜提示封鎖故障，并封鎖晶閘管，停止工作。3.3.2控制電路調(diào)壓控制由調(diào)壓主控板、通訊顯示板、晶閘管電壓檢測(cè)板、高壓檢測(cè)板、脈沖觸發(fā)板組成。主控板的作用是根據(jù)檢測(cè)到的負(fù)載電流，對(duì)晶閘管觸發(fā)角α進(jìn)行工作，使實(shí)際電流跟隨給定電流，同時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)以及處理，還包括了：1.負(fù)載電流檢測(cè)，通過(guò)積分調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)觸發(fā)角α，使得實(shí)際電流跟隨給定電流。2.電網(wǎng)電壓檢測(cè)，過(guò)壓保護(hù)。3.通過(guò)光纖與高壓檢測(cè)板通訊，得到負(fù)載電壓。通過(guò)光纖與晶閘管電壓檢測(cè)板，得到Q2、Q4兩端的電壓。4.把各種狀態(tài)值通過(guò)總線傳送到顯示板。同時(shí)讀取給定電流值以及啟停指令。高壓檢測(cè)板的作用是對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行檢測(cè)，并且把測(cè)量結(jié)果通過(guò)光纖傳給調(diào)壓主控板，最終通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面顯示調(diào)壓的進(jìn)程[7]。脈沖觸發(fā)板的作用是把調(diào)壓主控板發(fā)出的光纖觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換成晶閘管需要的實(shí)際觸發(fā)信號(hào)。有觸發(fā)和封鎖兩種工作狀態(tài)。通訊顯示板通過(guò)鍵盤(pán)和LED液晶顯示完成人機(jī)對(duì)話，設(shè)定顯示板、調(diào)壓主控板參數(shù)，查看調(diào)壓器的工作狀態(tài)和故障信息。通過(guò)光纖與上位機(jī)通訊，顯示板可以把所帶的調(diào)壓柜的工作狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī)，便于操作人員觀察，并且把操作指令發(fā)送到調(diào)壓柜。3.3.3DSP控制數(shù)字信號(hào)處理器（DigitalSignalProcessor）簡(jiǎn)稱(chēng)DSP自20世紀(jì)80年代誕生以來(lái)，在短短的幾十年得到了飛速的發(fā)展，廣泛的應(yīng)用于通信、航空航天、醫(yī)療、工業(yè)控制等方面，DSP利用CPU以數(shù)字形式對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識(shí)別等處理。以得到符合人們需要的信號(hào)形式。DSP采用了內(nèi)含乘法器和并行處理的結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的數(shù)字運(yùn)算能力。由于DSP發(fā)展的日漸成熟，其價(jià)格也不斷下降，大大提高了性?xún)r(jià)比。DSP較一般微處理器比主要優(yōu)勢(shì)有速度極快、指令功能精簡(jiǎn)強(qiáng)大，并且它具有體積小、功耗小、使用方便、實(shí)時(shí)處理快、處理數(shù)據(jù)量大、精度高、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)與DSP兩種處理各有特點(diǎn)，單片機(jī)的控制功能全面，DSP的數(shù)字信號(hào)處理能力優(yōu)越。應(yīng)運(yùn)而生的dsPIC芯片就是集兩種優(yōu)勢(shì)于一身的控制芯片。dsPIC是將高性能16單片機(jī)加上DSP功能而產(chǎn)生的。dsPIC是一種將單片機(jī)的特征同數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的能力結(jié)合在一起的控制芯片[2]。本設(shè)計(jì)應(yīng)用dsPIC30F芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓器的智能控制。dsPIC30F芯片采用16位（數(shù)據(jù)）改進(jìn)型（非流水線的哈佛RISC結(jié)果），芯片內(nèi)的程序計(jì)數(shù)器（PC）為24位寬，可以尋址4M*24位的程序儲(chǔ)存空間。隨著工業(yè)系統(tǒng)對(duì)精確控制實(shí)時(shí)響應(yīng)，以及更多功能的要求，dsPIC30F的優(yōu)勢(shì)日趨明顯。本設(shè)計(jì)選用dsPIC30F系列中的6011A作為主控板的控制芯片。圖3-6dsPIC30FdsPIC30F6011A是一款集單片機(jī)與DSP優(yōu)勢(shì)于一身的芯片。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：全面的外圍部件；完善的DSP引擎；良好的中斷能力；擁有Flash存儲(chǔ)器；靈活的編程及重編程能力，使用優(yōu)化的語(yǔ)言指令：方便用戶移植代碼；此外，該芯片還支持4M*24位的可尋址Flash程序存儲(chǔ)體，以及32K*16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。而且他的供電電壓也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，他的供電電壓在2.5～3.3.4端口設(shè)計(jì)調(diào)壓主控板的端口包括，電源端口、通訊端口、模擬量采集端口、開(kāi)關(guān)量采集端口、開(kāi)關(guān)量輸出端口和光纖端口。電源端口，X1為電源輸入端子1、2腳為DC+12V輸入，3、4為0V輸入。通訊端口，端子X(jué)4與通訊顯示板之間的通訊，通訊總線為RS485總線。1腳為RS485的A+，接通訊顯示板的TA，3腳為RS485的B－，接通訊板的TB。模擬量采集端口，端子X(jué)2-1～X2-16為四路模擬量采集端口，分別為以下八端口，1.X2-1和X2-4為拓展端口2.X2-5和X2-6為負(fù)載電流1檢測(cè)端口3.X2-7和X2-8為負(fù)載電流2檢測(cè)端口。4.X2-9和X2-10為負(fù)載電流3檢測(cè)端口。5.X2-11和X2-12為支路電流1檢測(cè)端口。6.X2-13和X2-14為支路電流2檢測(cè)端口。7.X2-15和X2-16為支路電流3檢測(cè)端口。開(kāi)關(guān)量輸入端口，端子X(jué)3-1～X3-6為開(kāi)關(guān)量采集端口，分別為以下三端口，1.X3-1和X3-2為快熔檢測(cè)端口，常閉節(jié)點(diǎn)輸入。2.X3-3和X3-4為封鎖/工作開(kāi)關(guān)檢測(cè)端口，常閉節(jié)點(diǎn)輸入。3.X3-5和X3-6為斷路器開(kāi)關(guān)檢測(cè)端口，常開(kāi)節(jié)點(diǎn)輸入（Q1、Q2用同一信號(hào)）。開(kāi)關(guān)量輸出端口，端子X(jué)3-7～X3-13為開(kāi)關(guān)量采集端口，分別為以下五端口，1．X3-7為封鎖繼電器信號(hào)輸出端口，與X3-11之間接12V繼電器線包。2．X3-8為報(bào)警繼電器信號(hào)輸出端口，與X3-11之間接12V繼電器的線包。3．X3-9為斷路器合閘信號(hào)輸出端口，與X3-11之間接12V繼電器的線包（Q1、Q2用同一信號(hào)）。4．X3-10為斷路器合閘信號(hào)輸出端口，與X3-11之間接12V繼電器的線包（Q1、Q2用同一信號(hào)）。5．X3-12～X3-13為備用端口，懸空。光纖端口，光纖傳輸具有傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，分別為以下端口，1．GR1光纖接收端口，與高壓1檢測(cè)板連接，獲取來(lái)自高壓1檢測(cè)板的負(fù)載電壓1。2．GR2光纖接收端口，與高壓2檢測(cè)板連接，獲取來(lái)自高壓2檢測(cè)板的負(fù)載電壓2。3．GR3光纖接收端口，與高壓3檢測(cè)板連接，獲取來(lái)自高壓3檢測(cè)板的負(fù)載電壓3。4．GR4為光纖接收端口，與晶閘管電壓1檢測(cè)板連接，獲取晶閘管V3、V4兩端的電壓，對(duì)零電流進(jìn)行判斷，防止環(huán)流發(fā)生。5．GR5為光纖接收端口，與晶閘管電壓2檢測(cè)板連接，獲取晶閘管V7、V8兩端的電壓，對(duì)零電流進(jìn)行判斷，防止環(huán)流發(fā)生。6．GR6為光纖接收端口，與晶閘管電壓3檢測(cè)板連接，獲取晶閘管V11、V12兩端的電壓，對(duì)零電流進(jìn)行判斷，防止環(huán)流發(fā)生。7．GR7為光纖接收端口，與同步電壓檢測(cè)板連接，獲取來(lái)自同步電壓檢測(cè)板的中斷信號(hào)。8．GR8為光纖接收端口（冗余），與同步電壓檢測(cè)板連接，獲取來(lái)自同步電壓檢測(cè)板的中斷信號(hào)。9．G1C和G1J、G2C和G2J、G3C和G3J、G4C和G4J、G5C和G5J、G6C和G6J、G7C和G7J、G8C和G8J、G9C和G9J、G10C和G10J、G11C和G11J、G12C和G12J，是光纖發(fā)送端口，分別控制晶閘管V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11、V12的門(mén)極控制端，包括觸發(fā)信號(hào)和解封鎖信號(hào)。3.4零電位檢測(cè)環(huán)流對(duì)設(shè)備的危害及其嚴(yán)重，為了保護(hù)設(shè)備，我們需要加入零電位檢測(cè)環(huán)節(jié)。零電位檢測(cè)的電路圖見(jiàn)附圖。電阻選型，R1的阻值為510Ω，R2～R10均為3K/10W，R11為1.5K/10W，R12為1.8K/10W,R13為1K/0.05W,R14為1.6K/0.05W,R15為1K/0.125W,R16為330/0.5W。電容選型：C1為0.1Uf/50V,C2為0.1Uf/25V，C3為0.1Uf/20V,C4為0.1uF、25V，C5為0.1uF/16V。E1為220uF/50V。HFBR-1414,為深圳毅創(chuàng)輝電子有限公司的光纖發(fā)射器。工作電壓為7VDC。LM6511為北京時(shí)陽(yáng)電子科技有限公司生產(chǎn)。3.5驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路按驅(qū)動(dòng)信號(hào)與被驅(qū)動(dòng)的器件的電氣關(guān)系來(lái)分，可分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)，隔離驅(qū)動(dòng)的隔離元件有光電耦合器和脈沖變壓器。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與功率器件不需要隔離時(shí)，采用直接驅(qū)動(dòng)比較簡(jiǎn)單，由于本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP產(chǎn)生，需要與主電路隔離，故直接驅(qū)動(dòng)不予以考慮。光耦隔離驅(qū)動(dòng)由于光耦速度限制，只適用于100MHz一下的電路中，也不予考慮?，F(xiàn)詳細(xì)介紹下使用脈沖變壓器的隔離驅(qū)動(dòng)器。一般分為三種方法：有源、無(wú)源、自給電源驅(qū)動(dòng)。無(wú)源方法比較簡(jiǎn)單，就是利用脈沖變壓器次級(jí)輸出信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)功率管，由于功率管柵源電容較大，會(huì)導(dǎo)致柵源間的波形有明顯變形。因此此種方法最好使用較大脈沖變壓器。有源隔離中變壓器只是提供一個(gè)信號(hào)，另有整形放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率器件，需要另外提供隔離的輔助電源給放大器。驅(qū)動(dòng)波形好，但是容易引進(jìn)更大的干擾。采用自給電源技術(shù)，只用一個(gè)變壓器，既省略了輔助電源，又得到較快速度。目前自給電源的產(chǎn)生有調(diào)制和分時(shí)兩種方法。調(diào)制技術(shù)是先對(duì)PWM波進(jìn)行高頻（大于1MHz）調(diào)制，并將調(diào)制信號(hào)加在隔離脈沖變壓器初級(jí)，在次級(jí)經(jīng)過(guò)整流得到自給電源。原PWM波需經(jīng)解調(diào)才能獲得。顯然這種方法不簡(jiǎn)單，而且PWM的解調(diào)要增加信號(hào)的延時(shí)，此方法只適用于低頻PWM信號(hào)。分時(shí)技術(shù)原理是將信號(hào)和能量的傳送采取分別進(jìn)行的方法，即在變壓器輸入PWM信號(hào)的上升與下降沿傳遞信號(hào)，在輸入信號(hào)平頂階段傳遞驅(qū)動(dòng)所需能量。由于在PWM的上升與下降沿只傳遞信號(hào)，基本沒(méi)有能量傳輸，因而輸出的PWM脈沖延時(shí)與畸變都很小，能獲得陡峭驅(qū)動(dòng)輸出脈沖[8]。本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由DSP產(chǎn)生的，是一個(gè)3V的PWM信號(hào)，采用分時(shí)技術(shù)自給電源的變壓器隔離驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)主電路開(kāi)關(guān)管。擬采用北京落木源公司的TX-KD107驅(qū)動(dòng)器，原理圖如圖3-7所示。圖3-7TX-KD103驅(qū)動(dòng)器原理圖3.5輔助電源圖3-8輔助電源輔助電源：經(jīng)過(guò)220V變壓器降壓，分別取15V與9V的抽頭，電流經(jīng)過(guò)整流橋整流，在經(jīng)過(guò)充電電容后，送入7812穩(wěn)壓到12V，在經(jīng)過(guò)一級(jí)濾波，輸出12V。同理得到5V、16V。第4章調(diào)壓器的智能控制設(shè)計(jì)4.1控制功能設(shè)計(jì)根據(jù)3.3.1分析的智能調(diào)壓器的功能，可以得到圖4-1所示的邏輯功能圖。圖4-1控制功能設(shè)計(jì)流程圖由上位機(jī)操作，發(fā)出啟動(dòng)或停止信號(hào)，傳輸給通訊顯示板，再由通訊顯示板傳輸?shù)街骺谻PU及DSPIC30F，主控CPU對(duì)調(diào)壓器發(fā)出啟動(dòng)或停止信號(hào)。主控CPU根據(jù)給定電流以及電流閉環(huán)控制，利用各監(jiān)測(cè)器獲得的檢測(cè)信息對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。主控CPU需要獲得檢測(cè)信息，才能對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行更優(yōu)化的控制。主控CPU需要獲得的信息如圖4-2所示，有電網(wǎng)電壓同步檢測(cè)、高壓檢測(cè)、零電壓檢測(cè)、負(fù)載電流檢測(cè)。圖4-2信息采集流程圖為了保護(hù)調(diào)壓器的正常工作，我們需要預(yù)設(shè)好故障檢測(cè)。故障檢測(cè)分為兩種：報(bào)警故障、封鎖故障。報(bào)警故障只做提示，不封鎖脈沖。封鎖故障提示報(bào)警的同時(shí)封鎖脈沖，調(diào)壓器停止工作。當(dāng)出現(xiàn)電流過(guò)流時(shí)，調(diào)壓器進(jìn)入封鎖故障。圖4-3故障功能流程圖DSPIC30F系列芯片的編譯器功能齊全，因此只能調(diào)壓器的程序編輯可以用C語(yǔ)言編寫(xiě)，其主程序的流程圖如圖4-4。圖4-4主程序流程圖4.2程序編程對(duì)于調(diào)壓主控板的程序編寫(xiě)，一般分宏定義編寫(xiě)、外設(shè)初始化和程序編寫(xiě)、主回路程序編寫(xiě)。If（Counter_Timer1000ms＜Timer_1000ms）Return;Counter_Timer1000ms=0;//counter_zt++;//Cal_Compare_R_DTJ();If(Flg_SysStatebits.ChangeModel==1){Flg_SysStatebits.ChangeModel=0;If(Flg_SwitchStatebits.RunStop==1)First_Find_DW();}If(Flg_SwitchStatebits.RunStop==0){DW_Current=0;DW_Pre=0;Flg_SysStatebits.ChangeDW=1;If(FLg_SysStatebits.RunStop_Pre==1)}Return;}If(Flg_SysStatebits.RunStop_Pre==0){If(Flg_SwitchStatebits.LoadBraker_On==0){DTJ_Current=Min_DTJ;DTJ_Manual=Min_DTJ;}Else{DTJ_Current=Max_DTJ;DTJ_Manual=Max_DTJ;}總結(jié)本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)變壓器耦合式的智能調(diào)壓器的原理分析及應(yīng)用設(shè)計(jì)，針對(duì)調(diào)壓器的無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制的問(wèn)題提出了相對(duì)的解決措施。本文分析了調(diào)壓器的環(huán)流效應(yīng)，電流閉環(huán)控制方法，設(shè)計(jì)了以DSP為基礎(chǔ)的控制策略，并設(shè)計(jì)了軟件的控制思路。本文的主要工作包括：1.介紹了調(diào)壓器的發(fā)展歷程，闡明了本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)與意義。設(shè)計(jì)了以提高功率因數(shù)、抑制諧波為目標(biāo)的調(diào)壓器。2.詳細(xì)介紹了調(diào)壓器及高功率因數(shù)調(diào)壓器的原理。分析了高功率因數(shù)調(diào)壓器提高功率因數(shù)的工作原理，設(shè)計(jì)了環(huán)流抑制的實(shí)現(xiàn)方法，并討論了環(huán)流效應(yīng)。3.本文硬件包括，通訊顯示板、主控制板、高壓檢測(cè)板、零電壓檢測(cè)板、電網(wǎng)電壓同步檢測(cè)板和輔助電源電路。4.應(yīng)用C語(yǔ)言編寫(xiě)本設(shè)計(jì)的軟件部分，包括主控制程序、故障程序、保護(hù)功能程序。采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序易于理解，便于調(diào)試。盡管本人在裝置的硬件、軟件設(shè)計(jì)方面做了很多的工作，但是因?yàn)闀r(shí)間有限及本人能力的局限性，本設(shè)計(jì)仍有很多不足需要改進(jìn)與完善。比如：1.本設(shè)計(jì)的功能不夠全面，具有一定的局限性：隨著工業(yè)自動(dòng)化的日益發(fā)展，多功能的電氣設(shè)備成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本設(shè)計(jì)只加入了簡(jiǎn)單的控制功能，可加入其它控制器使得設(shè)備更加智能。2.本設(shè)計(jì)的控制對(duì)象局限于晶閘管，隨著電源技術(shù)的發(fā)展，調(diào)壓設(shè)備必然多元化，晶閘管的單一性便不滿足調(diào)壓的需求。因此，可以考慮更具有兼容性的智能控制來(lái)滿足多元化的需求。致謝值此論文完稿之際，我由衷的感謝我的指導(dǎo)老師艾延寶老師對(duì)我的悉心指導(dǎo)。本論文從無(wú)到有、從始至終，每一個(gè)問(wèn)題、每一個(gè)設(shè)想艾老師都孜孜不倦的指導(dǎo)我。在整個(gè)過(guò)程中，艾老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度以及隨和的人格魅力深深地打動(dòng)了我，這將是我以后工作生活的寶貴財(cái)富。在論文的寫(xiě)作期間，還得到了教研室韓龍老師等人的熱心指導(dǎo)，感謝你們對(duì)我的包容與關(guān)懷，在此致上我深深的謝意！感謝我的家人給予我精神與物質(zhì)上的支持，感謝我的各位朋友的對(duì)我的幫助，謝謝你們！感謝幫助、關(guān)心、支持過(guò)我的所有人！并向評(píng)閱本論文及參加論文答辯的老師致以真誠(chéng)的謝意！參考文獻(xiàn)1王兆安.波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償（第2版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2006:33-402張東亮.DSP原理與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，2012：1-33趙新衛(wèi)，于秀云，劉斌.中低壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償實(shí)用技術(shù).電子工業(yè)出版社，2011:87-964毛承雄.電力電子變壓器.中國(guó)電力出版社，2010:1-35陸安定.功率因數(shù)與無(wú)功補(bǔ)償.上?？茖W(xué)普及出版社，2004:1-36PellyBR.Thyristorphase-controlledconvertersandcycloconverters:operation,controlandperformance.NewYork:Johnwiley＆Sons,19717謝運(yùn)祥.單相低諧波整流器的控制方法.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).1999.10(3):1-3李宏.常用晶閘管觸發(fā)器集成電路及應(yīng)用.科學(xué)出版社，2011:1-3莫景照.低壓配電網(wǎng)無(wú)功電容補(bǔ)償探討.科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng).2007.2(11):1-310何禮高.30F11程志光,郝瑞祥.基于全數(shù)字控制的有源電力濾波器研究.電工理論與新技術(shù).2004.7(3):4-512蔣榮華,肖順珍.國(guó)內(nèi)外多晶硅發(fā)展現(xiàn)狀.半導(dǎo)體技術(shù).2001.1