低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)

.34/37中工信商2013-JX16-本科畢業(yè)論文〔設(shè)計(jì)低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)系〔部信息工程系專業(yè)自動(dòng)化學(xué)號(hào)201207022141學(xué)生姓名崔民正指導(dǎo)教師賀煥林提交日期20XX月日.TOC\o"1-3"\h\u目錄18820第一章1317891．1研究背景1220711．2無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展?fàn)顩r112101．3本課題主要研究的內(nèi)容419260第二章無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?106912．1無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?162532．2低壓電網(wǎng)中的幾種無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?215222．3確定補(bǔ)償容量的幾種方法961352．3．1從提高功率因數(shù)需要確定補(bǔ)償容量9323972．3．2從降低線路有功損耗需要來(lái)確定補(bǔ)償容量9200792．3．3從提高運(yùn)行電壓需要來(lái)確定補(bǔ)償容量10175462．4本章小結(jié)107906第三章硬件設(shè)計(jì)11204983．1無(wú)功補(bǔ)償裝置的技術(shù)要求11228563．1．1補(bǔ)償控制應(yīng)符合技術(shù)條件1138453.1.2測(cè)量精度11170613.1.3控制器原理1136953．2硬件介紹1219233．2．2A/D轉(zhuǎn)換器選型1455333．2．3看門狗1649303．2．4LCD顯示1798963．3模擬信號(hào)調(diào)理電路19314613．3．1互感器信號(hào)轉(zhuǎn)換及電流—電壓轉(zhuǎn)換電路19308693．3．2電壓、電流采樣及信號(hào)處理電路20243843．4輸出控制電路21243803．5本章小結(jié)222493第四章軟件設(shè)計(jì)23306064．1投切原則23245864．2功率因數(shù)計(jì)算24253404．3本章小結(jié)2628267第五章總結(jié)與展望2729438參考文獻(xiàn)281426致謝2928188附錄1：硬件結(jié)構(gòu)圖 304127附錄2：軟件程序 30摘要本課題研究以低壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償改造為背景,研制了一種低壓無(wú)功功率補(bǔ)償控制器。作為一種非實(shí)時(shí)的無(wú)功補(bǔ)償裝置,該裝置以定時(shí)的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),以城鎮(zhèn)低壓網(wǎng)<220V>的無(wú)功補(bǔ)償為對(duì)象。本文主要研究了無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)性能的改善,以及控制器的軟硬件的配置。 系統(tǒng)采用單片機(jī),該單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能的CMOS8位單片機(jī),具有運(yùn)算速度高,實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)；軟件則使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編譯；人機(jī)操作界面采用LCD顯示,顯示效果較好；A/D轉(zhuǎn)換采用,是一款比較實(shí)用的A/D轉(zhuǎn)換裝置。該裝置可跟蹤電網(wǎng)無(wú)功功率的變化并自動(dòng)補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)化運(yùn)行,具有體積小、原理簡(jiǎn)單、智能投切等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：無(wú)功補(bǔ)償,單片機(jī),低電壓DesignoflowvoltagereactivepowercompensationcontrollerAbstractWhatthisarticlestudiesisbasedonthealterationofreactivepowercompensationoflowvoltage,thendesignanequipmentforreactivepowercompensationoflowvoltage.Asakindofreactivepowercompensation,thisequipmentisbasisontheelectricalnetworkmonitordata,andprovidesreactivepowerforcity’slowvoltagepowergrids.Thisthesishasdiscussedtheimportanceofthereactivepowercompensationforthepowergrids,andintrodudedthehardwareandsoftwareofthecontroller.Thisdevice'shardwarecoreisAT89C51SCM,whichhasmanymeritssuchashighoperatingspeed.ThismonolithicintegratedcircuitisthelowvoltagewhichAmericanATMELCorporationproduces,ahighperformanceCMOS8monolithicintegratedcircuits;Onthesoftware,Usingassemblylanguagetocompile,Followtheprincipleofmodular,Toimprovethedegreeofversatilityandeasymaintenanceofthesystemdesign;Theman-machineoperationcontactsurfaceusestheLCDdemonstration,thedemonstrationeffectisquitegood;A/DtransformationusesADC0809,itisasectionofquitepracticalA/Dswitchingdevice.Thisequipmentmaytracktheelectricalnetworkreactivepowerthechangeandtheautomaticcompensation,andthisinstallmenthasthevolumetobesmall,theprecisionishigh,thepricecomparedtothehighermerit.KeyWords:ReactivepowercompensationSCM<SingleChipMicyoco>Lowvoltage.第一章1．1研究背景目前,我國(guó)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(jì)落后,功率因數(shù)較低。比如我國(guó)的電動(dòng)機(jī)消耗的電能占全部發(fā)電量的70%,而由于設(shè)計(jì)和使用等方面的原因我國(guó)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)往往較低,一般約為。在這種情況下,采用無(wú)功補(bǔ)償節(jié)能技術(shù),對(duì)提高電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)潛力是十分必要的,世界各國(guó)都把無(wú)功補(bǔ)償作為電網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。從我國(guó)電網(wǎng)功率因數(shù)和補(bǔ)償深度來(lái)看,我國(guó)與世界發(fā)達(dá)國(guó)家有不小差距。因此大力推廣無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)是非常必要的,并且從以下數(shù)據(jù),我們也能看出發(fā)展無(wú)功補(bǔ)償所能帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)效益。20XX,我國(guó)年總發(fā)電量為32559億千瓦時(shí),統(tǒng)計(jì)線損率為8.77%,但是這個(gè)數(shù)字沒(méi)有包含相當(dāng)大的110千伏、35千伏、10千伏的輸電線損及0.38千伏的低壓電網(wǎng)線損。據(jù)報(bào)道,估計(jì)實(shí)際的統(tǒng)計(jì)線損率約為15%,即20XX全國(guó)年線損量約為4800億千瓦時(shí)。設(shè)全國(guó)的理論線損與統(tǒng)計(jì)線損相一致,其中可變線損約占理論總線損的80%,則年可變線損電量約為3900億千瓦時(shí)。設(shè)當(dāng)前全國(guó)電力網(wǎng)總負(fù)荷的當(dāng)前功率因數(shù),采用無(wú)功功率補(bǔ)償后,把電力網(wǎng)總負(fù)荷的功率因數(shù)提高到,則每年可以降低線損約為390億千瓦時(shí),按0.5元每千瓦時(shí)計(jì),價(jià)值約為185億元。設(shè)20XX全國(guó)電網(wǎng)的最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為5000小時(shí),則電網(wǎng)的最大負(fù)荷約為2億千瓦,當(dāng)用無(wú)功功率補(bǔ)償法把功率因數(shù),提高到,全國(guó)電網(wǎng)需總補(bǔ)償容量約為0.58億千瓦。當(dāng)前無(wú)功功率補(bǔ)償裝置設(shè)備主要為電力電容器,設(shè)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備每千瓦的平均綜合造價(jià)為50元,則全國(guó)無(wú)功補(bǔ)償裝置的總投資約為29億元。應(yīng)當(dāng)指出,節(jié)省240億千瓦時(shí)約相當(dāng)于一座400萬(wàn)千瓦火電廠的年發(fā)電量,而建一座400萬(wàn)千瓦的火電廠需綜合費(fèi)用約為300億元,同時(shí)每年需燃燒煤約為1200萬(wàn)噸,每年產(chǎn)生,等有害物質(zhì)約為600萬(wàn)噸。由此可見(jiàn),產(chǎn)生相同的電力,無(wú)功補(bǔ)償?shù)馁M(fèi)用約為新建電廠費(fèi)用10%,而且無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的費(fèi)用僅需兩個(gè)月的無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膶p節(jié)電費(fèi)用即可全部收回。綜上所述,無(wú)功補(bǔ)償不僅具有如上所述的節(jié)省投資、節(jié)省電力、節(jié)省燃煤及污染等作用,同時(shí)還可以提高電力系統(tǒng)設(shè)備的供電能力,改善電壓質(zhì)量,減少用戶電費(fèi)開(kāi)支,延緩用戶的增容改造等作用。1．2無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展?fàn)顩r近20年來(lái),世界各地〔包括美國(guó)、法國(guó)、意大利、英國(guó)、俄羅斯、日本等國(guó)發(fā)生的由電壓穩(wěn)定和電壓崩潰引發(fā)的大面積停電事故引起了各國(guó)的高度重視。持續(xù)了短短72小時(shí)的8.14美加大停電給美國(guó)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響,這次事故提醒人們,電網(wǎng)運(yùn)行要有足夠的無(wú)功備用容量,無(wú)功不能靠遠(yuǎn)距離傳輸,在電力市場(chǎng)環(huán)境下,必須制定統(tǒng)一的法規(guī)以激勵(lì)獨(dú)立發(fā)電商和運(yùn)營(yíng)商從維護(hù)整個(gè)系統(tǒng)安全性的角度提供充足的無(wú)功備用。在我國(guó)也曾多次發(fā)生電壓崩潰事故,如1993年和1996年南方電網(wǎng)的幾次事故,這些事故都促使人們采取各種措施以維持電網(wǎng)穩(wěn)定。早期的無(wú)功補(bǔ)償裝置為并聯(lián)電容器和同步補(bǔ)償器,多用在系統(tǒng)的高壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。至今并聯(lián)電容器仍是一種主要補(bǔ)償方式,應(yīng)用范圍廣泛,只是控制器在不斷的更新發(fā)展。同步補(bǔ)償器的實(shí)質(zhì)是同步電機(jī),當(dāng)勵(lì)磁電流發(fā)生改變時(shí),電動(dòng)機(jī)可隨之平滑的改變輸出無(wú)功電流的大小和方向,對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有好處。但同步補(bǔ)償器成本高,安裝復(fù)雜,維護(hù)困難,使其推廣使用受到限制。隨著近代電力電子技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也隨之發(fā)展。在第一個(gè)工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之前,電子半導(dǎo)體由于功率過(guò)小,在直流傳動(dòng),交流傳動(dòng),電磁合閘,交流不間斷電源和無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域內(nèi)一直沒(méi)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)的誕生,并以此為起點(diǎn),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(wèn)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(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也帶來(lái)了新的發(fā)展鍥機(jī)。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)和電力電子技術(shù)的結(jié)合主要有以下三方面：1．是作為投切電容器的開(kāi)關(guān)。因?yàn)殡娏Π雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間短<PS級(jí)>,所以能夠選擇電容的投切角度,實(shí)現(xiàn)零電壓投切,避免了涌流的產(chǎn)生,提高了電容器使用的可靠性和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。現(xiàn)代并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置中的輸出回路就引進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)。2．是作為無(wú)功輸出的調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)。由于電力電子器件的高開(kāi)關(guān)頻率,使其能夠方便地控制電容器電流的導(dǎo)通角,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功的連續(xù)調(diào)節(jié),快速跟蹤負(fù)載無(wú)功的變化。靜止型無(wú)功補(bǔ)償器是其中的代表。3．是引入電力電子變流技術(shù),將變流器作為無(wú)功電源來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功的輸入和輸出,起到補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功的作用。經(jīng)常用的是靜止調(diào)相機(jī)和有源濾波器。由無(wú)功補(bǔ)償源在主電路回路中連接方式的不同,無(wú)功補(bǔ)償器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。依據(jù)電力電子技術(shù)在無(wú)功補(bǔ)償中應(yīng)用的方式不同,現(xiàn)代無(wú)功補(bǔ)償裝置大致可分為以下幾種類型：1．TSC<ThyristorSwitchedCpacitor>型無(wú)功補(bǔ)償裝置,它屬于并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償裝置。主回路如圖1-1所示,是由多臺(tái)電力電容器并聯(lián)以及由可控硅構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。裝置根據(jù)無(wú)功電流的大小來(lái)決定投入電容組數(shù)。由此可見(jiàn)TSC的無(wú)功調(diào)節(jié)是有級(jí)的,它無(wú)法連續(xù)的輸出無(wú)功,這使其在使用中存在合理選擇電容,適當(dāng)分級(jí)的問(wèn)題。但它的優(yōu)點(diǎn)也明顯,即結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便,電容器利用率高,使用中不存在諧波污染等。圖1-1TSC型無(wú)功補(bǔ)償裝置主回路2．FC-TCR<Fixedcapacitor-ThyristorControlledReactor>型無(wú)功補(bǔ)償裝置,它屬于并聯(lián)型無(wú)功補(bǔ)償裝置。其主回路如圖1-2所示。FC-TCR方式是用雙相可控硅的相位控制,調(diào)整電抗器的電流,從而調(diào)整無(wú)功功率的方式。當(dāng)以電壓零相位為基準(zhǔn)時(shí),調(diào)節(jié)TCR中的可控硅的延遲角。可以從到范圍內(nèi)變化。補(bǔ)償器的電流,此電流可隨角的變化而變化為感性或容性,這樣就改變了FC-TCR的無(wú)功功率,并可連續(xù)均勻的調(diào)節(jié)。由于TCR中除可控硅全導(dǎo)通或關(guān)斷之外器電流都是非正弦的,所以它是一個(gè)電流諧波源,對(duì)電網(wǎng)有一定的危害。該裝置在電容和電感之間形成無(wú)功損耗,電容利用率低并且電抗器體積較大,成本高。圖1-2FC-TCR型無(wú)功補(bǔ)償器的主回路3．靜止調(diào)相機(jī)ASVC<AdvantageStaticVarCompensator>,屬于串聯(lián)型補(bǔ)償器。它由于輸出電壓可超前或滯后系統(tǒng)電壓,因此可以和系統(tǒng)進(jìn)行有功、無(wú)功之間的交換。它可以連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功,并且能夠抑制諧波,補(bǔ)償特性較好。但該系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制難度大,制造和維護(hù)都不便,成本高等問(wèn)題,不便在全國(guó)推廣使用。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(wú)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(duì)無(wú)功補(bǔ)償中一般問(wèn)題進(jìn)行分析,其次是對(duì)無(wú)功補(bǔ)償計(jì)算方案的分析。二是在傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上,對(duì)其控制器和動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),從而開(kāi)發(fā)出一種智能無(wú)功補(bǔ)償器。文中對(duì)這種補(bǔ)償器的控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)作了較詳盡的分析。第二章無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑黼娏W(wǎng)中的變壓器和電動(dòng)機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工做的。磁場(chǎng)所具有的磁場(chǎng)能是由電源供給的。電動(dòng)機(jī)和變壓器在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中建立交變磁場(chǎng),在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等,這種功率稱為感性無(wú)功功率。接在交流電網(wǎng)中的電容器,在一個(gè)周期內(nèi)上半周的充電功率與下半周的放電功率相等,這種充電功率叫做容性無(wú)功功率。所以無(wú)功功率被使用于建立磁場(chǎng)和靜電場(chǎng),它存儲(chǔ)于電感和電容中,通過(guò)電力網(wǎng)往返于電源和電感、電容之間。無(wú)功功率在電力網(wǎng)元件中流動(dòng),將會(huì)在電力網(wǎng)元件中引起電壓損耗和功率損耗,降低電網(wǎng)的電壓質(zhì)量,增加電網(wǎng)的線損率。圖2.1由局部電力網(wǎng)的等值電路圖由局部電力網(wǎng)的等效電路圖2．1可知,電力網(wǎng)中由于無(wú)功負(fù)荷而帶來(lái)的電壓損耗的計(jì)算公式為：式中：——電網(wǎng)的額定電壓——元件的末端電壓——電網(wǎng)中的電壓和電流的差角RX——電網(wǎng)中元件的等效電阻和電抗——元件末端的有功負(fù)載和無(wú)功負(fù)載由上式可知由負(fù)荷的無(wú)功功率在元件引起的損耗的計(jì)算公式為：而由負(fù)荷的有功功率在元件中引起的電壓損耗的計(jì)算公式為：?？梢?jiàn)的元件電阻小于電抗的電網(wǎng)中,無(wú)功引起的電壓損耗占主要部分。 電網(wǎng)中的線損公式如下：式中：,其中有功線損的計(jì)算公式為： R這其中由于無(wú)功功率在電網(wǎng)中流動(dòng)而引起的有功線損的計(jì)算公式為： 由上述分析可見(jiàn),要減少電力網(wǎng)中的電壓損耗和電網(wǎng)的線損率,提高用戶端的電壓質(zhì)量的重要措施之一,是減少電力網(wǎng)元件中的無(wú)功傳輸,可以從提高負(fù)荷的自然功率因數(shù)和進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償兩方面來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。2．1無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑韺㈦娙萜骱碗姼胁⑦B在同一電路中,電感吸收能量時(shí),正好電容器釋放能量,而電感放出能量時(shí),電容器卻在吸收能量。能量就在它們之間交換,即感性負(fù)荷<電動(dòng)機(jī)、變壓器等>所吸收的無(wú)功功率,可由電容器所輸出的無(wú)功功率中得到補(bǔ)償。因此,把由電容器組成的裝置稱為無(wú)功補(bǔ)償裝置。此外,同步電動(dòng)機(jī)等也可以作為無(wú)功補(bǔ)償裝置。無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔煤驮砜捎蓤D2．2來(lái)解釋：設(shè)電感性負(fù)荷需要從電源吸取的無(wú)功功率為,裝設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置后,補(bǔ)償無(wú)功功率為,使電源輸出的無(wú)功功率減少為,功率因數(shù)由提高到,視在功率減少到。圖2.2無(wú)功補(bǔ)償補(bǔ)償原理示意圖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。例如一臺(tái)1000千伏安的變壓器,當(dāng)負(fù)荷的功率因數(shù)為0.7時(shí),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(shí),可供900千瓦的有功功率。同一臺(tái)變壓器,因?yàn)樨?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?？梢?jiàn),因采用無(wú)功補(bǔ)償措施后,電源輸送的無(wú)功功率減少了,相應(yīng)的也使電網(wǎng)和變壓器中的功率損耗的下降,從而提高了供電效率。由電壓損耗計(jì)算公式可知,采用無(wú)功補(bǔ)償措施后,因通過(guò)電力網(wǎng)無(wú)功功率的減少,降低了電力網(wǎng)中的電壓損耗,提高了用戶處的電壓質(zhì)量。并聯(lián)電容器的無(wú)功補(bǔ)償作用和原理,也可以用圖2.3加以說(shuō)明。圖2.3并聯(lián)電容器的補(bǔ)償電流向量圖圖中的用電負(fù)荷總電流可以分解為有功電流分量,和無(wú)功電流分量<電感性的>。當(dāng)并聯(lián)電容器投入運(yùn)行時(shí),流入電容器的容性電流與方向相反,故可抵消一部分使電感性電流分量降低為,總電流由降為,功率因數(shù)也由提高到。這時(shí),負(fù)荷所需的無(wú)功功率全部由補(bǔ)償電容供給,電網(wǎng)只需供給有功功率。根據(jù)第一章的有功電流與無(wú)功電流的定義,還可以用圖2.4理解電力系統(tǒng)中無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔门c原理。圖2.4電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償原理圖設(shè)負(fù)荷實(shí)際吸收的電流為,為了使輸電線路上流過(guò)純有功電流,則需要在負(fù)荷端接入一個(gè)無(wú)功補(bǔ)償器,補(bǔ)償器提供的電流為,則這里的就是無(wú)功電流,這就是電力系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊c(diǎn)。這是完全的補(bǔ)償,線路上的電流是為產(chǎn)生負(fù)載實(shí)際功率<平均功率>而攜帶能量最小的電流,因而在線路上造成的損失是最小的。此時(shí),的波形和相同,即電壓和電流的相位相同。2．2低壓電網(wǎng)中的幾種無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞?廣大市電低壓電網(wǎng)處于電網(wǎng)的最末端,因此補(bǔ)償?shù)蛪簾o(wú)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(jí)電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫?而且可以提高用戶配電變壓器的利用率,改善用戶功率因數(shù)和電壓質(zhì)量,并有效降低電能損失。低壓補(bǔ)償對(duì)用戶及供電部門都有利。 低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)功的就地平衡,通常采用地方式有三種：隨機(jī)補(bǔ)償、隨器補(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(dòng)機(jī)并聯(lián),通過(guò)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(diǎn)是：用電設(shè)備運(yùn)行時(shí),無(wú)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。為防止電機(jī)推出時(shí)產(chǎn)生自激過(guò)電壓,補(bǔ)償容量一般不大于電機(jī)的空載無(wú)功。隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過(guò)低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè),以補(bǔ)償配電變壓器空載無(wú)功的補(bǔ)償方式。有很多的低壓配電網(wǎng)中的變壓器,尤其是農(nóng)網(wǎng)配電變壓器,普遍存在負(fù)荷輕的現(xiàn)象。在負(fù)荷時(shí)接近空載,此時(shí)配電變壓器的空載無(wú)功是電網(wǎng)無(wú)功負(fù)荷的主要部分。隨器補(bǔ)償由于補(bǔ)在低壓側(cè),可有效地補(bǔ)償配變空載無(wú)功,且連線簡(jiǎn)單,做到無(wú)功地就地補(bǔ)償。跟蹤補(bǔ)償是指以無(wú)功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置,將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4kV母線上的補(bǔ)償方式。補(bǔ)償電容器組的固定連接可起到相當(dāng)于隨器補(bǔ)償?shù)淖饔?補(bǔ)償用戶的固定無(wú)功基荷；可投電容器組用于補(bǔ)償無(wú)功峰荷部分。由于用戶負(fù)荷有一定的波動(dòng)性,故推薦選用自動(dòng)投切方式。此法對(duì)電容器的保護(hù)比前二種要更可靠。上述三種補(bǔ)償方式均可對(duì)特定種類無(wú)功負(fù)荷實(shí)現(xiàn)"就地平衡"的無(wú)功補(bǔ)償,降損節(jié)能效果好。2．3確定補(bǔ)償容量的幾種方法2．3．1從提高功率因數(shù)需要確定補(bǔ)償容量設(shè)電網(wǎng)的最大負(fù)荷月的平均有功功率為,補(bǔ)償前的功率因數(shù)為,補(bǔ)償后的功率因數(shù)為,則所需要的補(bǔ)償容量的計(jì)算公式為若要求將功率因數(shù)由提高的而小于,則補(bǔ)償容量計(jì)算為2．3．2從降低線路有功損耗需要來(lái)確定補(bǔ)償容量設(shè)補(bǔ)償前線路中的電流為,相應(yīng)的有功電流為,無(wú)功電流為,補(bǔ)償無(wú)功后線路中的電流為,相應(yīng)的有功電流為,無(wú)功電流為,則 補(bǔ)償前的線路損耗為： 補(bǔ)償后的線路損耗為： 則補(bǔ)償后線損降低的百分值為： 若根據(jù)要求已經(jīng)確定,則可求得： 則補(bǔ)償容量可以按來(lái)計(jì)算2．3．3從提高運(yùn)行電壓需要來(lái)確定補(bǔ)償容量 配電線路末端電壓較低,通常是通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償來(lái)提高供電電壓的,因此,有時(shí)要從提高線路電壓來(lái)確定補(bǔ)償容量。 設(shè)補(bǔ)償前線路電源電壓為,線路末端電壓為,線路輸送的有功功率為,無(wú)功功率為,電阻為,電抗為,則 補(bǔ)償無(wú)功后,線路末端電壓升為則 所以投入無(wú)功補(bǔ)償后末端電壓增量為 故補(bǔ)償容量 若為三相線路,則所需的補(bǔ)償容量為 式中——三相線路的線電壓增量,KV——三相線路的線電壓,KV2．4本章小結(jié)本章主要介紹了無(wú)功補(bǔ)償?shù)幕驹?本次設(shè)計(jì)的裝置主要是面向低壓電網(wǎng)的,可以采用從提高功率因數(shù)需要來(lái)確定無(wú)功補(bǔ)償,同時(shí)又可取標(biāo)準(zhǔn)電壓作為電容器切除標(biāo)準(zhǔn),這樣既考慮到功率因數(shù)的需要,又考慮到穩(wěn)定電網(wǎng)電壓質(zhì)量的要求。第三章硬件設(shè)計(jì)在一系列的理論分析之后,本次設(shè)計(jì)將采用根據(jù)功率因數(shù)來(lái)確定補(bǔ)償容量的方法,再根據(jù)當(dāng)前無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r,我們采用TSC并聯(lián)電容器型的無(wú)功補(bǔ)償裝置。它具有連線和控制方式簡(jiǎn)單,電容使用效率高及不產(chǎn)生諧波污染等優(yōu)點(diǎn)。3．1無(wú)功補(bǔ)償裝置的技術(shù)要求3．1．1補(bǔ)償控制應(yīng)符合技術(shù)條件 1、控制方式：可控硅與接觸器聯(lián)合控制,即在投切時(shí)采用可控硅,正常運(yùn)行時(shí)采用接觸器的方式。 2、工作方式：動(dòng)態(tài)跟蹤,邏輯判斷,自動(dòng)及時(shí)補(bǔ)償容量。 3、控制物理量：以無(wú)功功率電容器的投切。 4、補(bǔ)償方式：采用三相共補(bǔ) 5、自動(dòng)延時(shí)功能：電容器投切延時(shí)至少10秒,同組電容器的投切間隔時(shí)間大于5分鐘。 6、保護(hù)功能： 過(guò)電壓快速切斷功能：當(dāng)電網(wǎng)電壓大于高壓保護(hù)值時(shí),自動(dòng)切除全部電容器。. 7、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)顯示：可現(xiàn)場(chǎng)顯示電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù),比如電壓、電流、功率因數(shù)。3.1.2測(cè)量精度 1、電壓、電流：1.0級(jí) 2、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)：1.0級(jí)3.1.3控制器原理由以上功能,可得到控制器的機(jī)構(gòu)圖如下圖3.1控制器結(jié)構(gòu)原理圖3．2硬件介紹 AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS8位單片機(jī),片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)〔PEROM和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔RAM,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS—51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器〔CPU和Flash存儲(chǔ)單元。 主要性能參數(shù)：與MCS—51產(chǎn)品指令系統(tǒng)兼容4K字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz—24MHz三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器1288字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器6個(gè)中斷源可編程竄行UART低功耗空閑和掉電模式 管腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流,當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí),被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí),P0口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),P0輸出原碼,此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時(shí),將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí),P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個(gè)TTL門電流,當(dāng)P2口被寫"1"時(shí),其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時(shí),P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí),P2口輸出地址的高八位。在給出地址"1"時(shí),它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì),當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí),P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入"1"后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流〔ILL這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示： 口管腳備選功能 P3.0RXD〔串行輸入口 P3.1TXD〔串行輸出口 P3.2/INT0〔外部中斷0 P3.3/INT1〔外部中斷1 P3.4T0〔記時(shí)器0外部輸入 P3.5T1〔記時(shí)器1外部輸入 P3.6/WR〔外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 P3.7/RD〔外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí),要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí),地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí),ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào),此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí),ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間,每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí),則在此期間外部程序存儲(chǔ)器〔0000H-FFFFH,不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí),/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí),此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。

振蕩器特性: XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件,XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器,因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3．2．2A/D轉(zhuǎn)換器選型ADC0809是一種8路模擬輸入逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,由于價(jià)格適中,與單片機(jī)的接口、軟件操作均比較簡(jiǎn)單,目前在8位單片機(jī)系統(tǒng)中有著廣泛的使用。ADC0809由8路模擬開(kāi)頭、地址鎖存與譯碼器、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。表3.18路模擬開(kāi)關(guān)與輸入通道的關(guān)系表同入通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7A010101O1B00110011C00001111ADC0809芯片可以分時(shí)處理8路模擬量輸入信號(hào),使用模擬開(kāi)關(guān)切換。在某一時(shí)刻,模擬開(kāi)關(guān)只能與一路模擬量通道接通,對(duì)該通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。表1中C、B、A是三條通道的地址線。當(dāng)?shù)刂匪嫘盘?hào)ALE為高電平時(shí),C、B、A三條線上的數(shù)據(jù)送入ADC0809內(nèi)部的地址鎖存器中,經(jīng)過(guò)譯碼器譯碼后選中某一通道。當(dāng)ALE=0時(shí),地址鎖存器處于鎖存狀態(tài),模擬開(kāi)關(guān)始終與剛才選中的輸入通道接通。選中通道的模擬量到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器時(shí),A/D轉(zhuǎn)換器并未對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。只有當(dāng)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)端START出現(xiàn)下降沿并延遲后,才啟動(dòng)芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,START的上升沿復(fù)位ADC0809。ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程是在時(shí)鐘信號(hào)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的,ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)由CLOCK端送入,其最高頻率為640MHz,在這個(gè)最高頻率下ADC0809的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為100uS左右。當(dāng)ADC0809用于AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)時(shí),若AT89C51采用6MHz的晶振,則ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)可以由AT89C51的ALE經(jīng)過(guò)一個(gè)二分頻電路獲取。這時(shí)ADC0809的時(shí)鐘頻率為500KHz,A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為130uS。ADC0809常用的時(shí)鐘電路如圖：圖3.2ADC0809常用的時(shí)鐘電路圖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(shí)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果還沒(méi)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(kāi)三態(tài)輸了鎖存器,A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在DB0-DB7上。 單片機(jī)讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的方法有三種： <1>延遲法單片機(jī)啟動(dòng)ADC0809后,延時(shí)130uS以上,可以讀到正確的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。 <2>查詢法EOC必須接到AT89C51的一條I/O線上。單片機(jī)啟動(dòng)ADC0809后,延遲10uS,檢測(cè)EOC,若EOC=0則A/D轉(zhuǎn)換沒(méi)有結(jié)束,繼續(xù)檢測(cè)EOC直到EOC=1。當(dāng)EOC=1時(shí),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(guò)非門接到AT89C51的中斷請(qǐng)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(dòng)A/D轉(zhuǎn)換后可以做其它工作,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),EOC由0—1經(jīng)過(guò)非門傳到INT端,AT89C51收到中斷請(qǐng)求信號(hào),若AT89C51開(kāi)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。3．2．3看門狗本系統(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[7],與AT89C51的接口電路如圖3．3所示。MR與WDO經(jīng)過(guò)一個(gè)二極管連接起來(lái),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(guò)一個(gè)復(fù)位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能如下：〔1系統(tǒng)正常上電復(fù)位：電源上電時(shí),當(dāng)電源電壓超過(guò)復(fù)位門限電壓4.65V,RESET端輸出200ms的復(fù)位信號(hào),使系統(tǒng)復(fù)位。〔2對(duì)+5V電源進(jìn)行監(jiān)視：當(dāng)+5V電源正常時(shí),RESET為低電平,單片機(jī)正常工作；當(dāng)+5V電源電壓降至+4.65V以下時(shí),RESET輸出高電平,對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。〔3看門狗定時(shí)器被清零,WDO維持高電平；當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí),CPU不能在1.6s內(nèi)給出"喂狗"信號(hào),WDO跳變?yōu)榈碗娖?由于MR端有一個(gè)內(nèi)部250mA的上拉電流,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(shí)器清零,WDO又恢復(fù)成高電平?！?手動(dòng)復(fù)位：如果需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位,只要按下手動(dòng)復(fù)位按鈕,就能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的復(fù)位。圖3.3MAX813L與89c51接口圖3．2．4LCD顯示本次設(shè)計(jì)采用1602型LCD顯示,現(xiàn)在的字符型液晶模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。1602型LCD顯示模塊具有體積小,功耗低,顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)。1602型LCD可以顯示2行16個(gè)字符,有8位數(shù)據(jù)總線D0~D7和RS,R/W,EN三個(gè)控制端口,工作電壓為5V,并且具有字符對(duì)比度調(diào)節(jié)和背光功能。 1．外型尺寸：80X36X13〔LXWXH 2．接口信號(hào)說(shuō)明 1602型LCD的接口信號(hào)說(shuō)明如表3.2所示：表3.21602型LCD接口信號(hào)說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2DataI/O2VDD電源正極10D3DataI/O3VL液晶顯示偏壓信號(hào)11D4DataI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端〔H/L12D5DataI/O5R/W讀寫選擇端〔H/L13D6DataI/O6E使能信號(hào)14D7DataI/O7D0DataI/O15BLA背光源正極8D1DataI/O16BLK背光源負(fù)極 3．主要技術(shù)參數(shù)表3.31602型LCD的主要技術(shù)參數(shù)顯示容量16X2個(gè)字符芯片工作電壓4.5~5.5V工作電流2.0mA〔5.0V模塊最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95X4.35<WXH>mm 4．與8051接口電路M-162液晶顯示模塊可以和單片機(jī)AT89C51直接接口,電路如圖3．4所示。圖3.4AT89C51與DM-162接口電路3．3模擬信號(hào)調(diào)理電路3．3．1互感器信號(hào)轉(zhuǎn)換及電流—電壓轉(zhuǎn)換電路在此用到的是北京星格公是司研制的精密電壓互感器SPT204A和電流互感器SCT254AK。其特性分別如下：SPT204實(shí)際上一款毫安級(jí)精密電流互感器,輸入額定電流為2mA,額定輸出電流為2mA。使用時(shí)需要將電壓信號(hào)變換成電流信號(hào),推薦使用電路如圖3.5所示。圖中,R1是限流電阻,不論額定輸入電壓多大,調(diào)整R1的值,使額定輸入電流接近為2mA,就滿足使用條件。副邊電路是電流/電壓變換電路,當(dāng)需要電壓輸出時(shí)采用。調(diào)整圖中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C2是400至1000pF的小電容,用來(lái)濾波。圖3.5電壓互感器的I—U轉(zhuǎn)換運(yùn)算放大器視精度要求使用,使用性能較好的運(yùn)算放大器較容易達(dá)到較高的精度和較好的穩(wěn)定性。此處選用的是BB公司的高精度運(yùn)放OPA2277。它具有以下特點(diǎn): 超低失調(diào)電壓: 超低溫漂: 超低失調(diào)電流: 高開(kāi)環(huán)增益:134dB 寬供電范圍:OPA2277具有連續(xù)的供電范圍,這使它不像大多數(shù)的OP系列運(yùn)放局限于固定的工作電壓。而且軌至軌的特性使其輸出電壓的范圍能跟隨電源工作范圍,這就能在保證輸出電壓的大小的前提下,盡可能的減少工作電壓,達(dá)到節(jié)能的目的。由于OPA2277具有內(nèi)部補(bǔ)償失調(diào)電流的電路,故在使用中不需要在輸入腳上接上補(bǔ)償失調(diào)電流的電阻,如上圖所示,這同樣減少了PCB布板和使用的復(fù)雜度。 互感器的次級(jí)連接是電流轉(zhuǎn)電壓電路,該電路是將互感器的電流輸出信號(hào)變換成電壓信號(hào),以符合CPU采樣信號(hào)是電壓信號(hào)的特性。以電流互感器SCT254AK為例,若互感器的副邊電流為,要求的輸出電壓為,則特性為:—輸入和輸出腳間的跨接電阻。 選擇合適的電阻R,通常采用電阻串接電位器的結(jié)構(gòu),可以使輸出電壓在之間變化。SCT254AK是一款精密電流互感器,輸入額定電流為5A,額定輸出電流為2.5mA。當(dāng)需要將電流輸出信號(hào)變換成電壓信號(hào)時(shí),推薦使用電路和電壓互感器使用電路類似。調(diào)整圖中反饋電阻R和r的值可得到所需要的電壓輸出。電容C2是400至1000pF的小電容,用來(lái)去A和濾波。該電流互感器是接在主回路上的電流互感器之后。主回路的電流互感器的變比視實(shí)際使用中變壓器輸出的電流而定。當(dāng)電流較大時(shí),可選用較大變比的電流互感器,一般有100:1或1000:5等系列可供選用。3．3．2電壓、電流采樣及信號(hào)處理電路用電流互感采樣得到交變的電流信號(hào),在通過(guò)以下電路把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榘氩妷盒盘?hào)：圖3.6電流采樣調(diào)理電路電容主要起抗干擾和濾波的作用,前個(gè)運(yùn)放可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換,根據(jù)： ,—輸入和輸出腳間的跨接電阻, 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器,使在變化； 第二個(gè)運(yùn)放對(duì)電壓進(jìn)行取反,得到輸出電壓,從而使采樣得到的電壓于實(shí)際電流同向。圖3.7電壓采樣和調(diào)理電路 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片同樣可以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓大小的效果。3．4輸出控制電路 控制電路采用光電隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路,控制繼電器,再控制電容器組投切的形式。以下是其中一路光電隔離和驅(qū)動(dòng)電路。圖3.8光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路 這部分電路的設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的I/O口灌電流的方法控制可控硅實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)與繼電器控制,用光電耦合器MOC3021作為可控硅的驅(qū)動(dòng)器,同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電的隔離。光電偶合器通過(guò)一個(gè)非門與89C51的一個(gè)輸出口連接,當(dāng)此腳輸出高電平時(shí),使MOC3021打開(kāi)驅(qū)動(dòng)雙向可控硅,使晶體管導(dǎo)通和繼電器吸合,驅(qū)動(dòng)電容器組投入運(yùn)行,發(fā)光二級(jí)管發(fā)光指示。當(dāng)管腳輸出為低電平時(shí),將會(huì)封鎖住MOC3021,則繼電器釋放,發(fā)光二級(jí)管熄滅,電容器組退出電路。3．5本章小結(jié)本章主要介紹了本次設(shè)計(jì)的要求和采用的硬件裝置的基本功能,完成了各硬件之間的接口連線問(wèn)題,硬件主要包括的功能有數(shù)據(jù)采樣和條理、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可讀的數(shù)字信號(hào)、單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、單片機(jī)進(jìn)行對(duì)顯示和控制電路的控制、看門狗主要起對(duì)單片機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行檢測(cè),在單片機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題是及時(shí)對(duì)其復(fù)位。第四章軟件設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)上我們采用匯編語(yǔ)言,用匯編語(yǔ)言用來(lái)編制系統(tǒng)軟件和過(guò)程控制軟件,其目標(biāo)程序占用內(nèi)存空間少,運(yùn)行速度快,有著高級(jí)語(yǔ)言不可替代的用途。4．1投切原則本次設(shè)計(jì)的裝置主要的投切標(biāo)準(zhǔn)是功率因數(shù)和測(cè)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?yàn)檫@大約相當(dāng)于配電變壓器空載時(shí)的無(wú)功功率,又電容器補(bǔ)償容量可近似,則本次設(shè)計(jì)一共設(shè)了3組容量為25FP電容器組,方便控制和調(diào)節(jié)補(bǔ)償容量,采用三相共同補(bǔ)償。當(dāng)檢測(cè)到到的功率因數(shù)小于0.95時(shí),投入第一組電容器組；再進(jìn)行第二次檢測(cè),計(jì)算得到功率因數(shù)再于默認(rèn)值進(jìn)行比較,若實(shí)際功率因數(shù)仍然小于0.95的話,繼續(xù)投入第二組電容器組,以次類推,直到實(shí)際功率因數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)檢測(cè)到的三相電壓大于標(biāo)準(zhǔn)電壓時(shí)〔通常取400V,即電網(wǎng)處于容性狀態(tài),無(wú)功補(bǔ)償過(guò)量,則立即切除第三組電容；繼續(xù)檢測(cè)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,以次類推,直到實(shí)際電壓小于標(biāo)準(zhǔn)。主要的程序流程如下圖圖4.1單片機(jī)程序流程圖4．2功率因數(shù)計(jì)算在進(jìn)行控制之前,首先要測(cè)量電路的各相參數(shù),比如電壓、電流、無(wú)功功率、有功功率、功率因數(shù)等。在此采用的是有效值算法,該算法比平均值算法更具真實(shí)性,其原理如下所述。 根據(jù)定義,電壓的有效值U是加在電阻R上單位時(shí)間內(nèi)所做的功,其U數(shù)學(xué)表達(dá)式[2]是：即： 將上式在時(shí)間上進(jìn)行離散,就得到U的離散表達(dá)式： 式中：——電壓采樣周期中的第個(gè)采樣點(diǎn)的值 對(duì)電流有效值有相似的離散表達(dá)式： 式中：——電流采樣周期中的第個(gè)采樣點(diǎn)的值 由上兩式可得視在功率 有功功率P的定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi),電壓和電流所作的不可逆的功,其數(shù)學(xué)表達(dá)式是：對(duì)其作離散處理,即每隔一定的時(shí)間間隔測(cè)得一個(gè)電壓值和一個(gè)電流值,將其相乘,最后把一個(gè)采樣周期內(nèi)的所有乘積值相加并求平均值,其數(shù)學(xué)表達(dá)式是:式中：——采樣周期內(nèi)的第個(gè)電壓采樣值——采樣周期內(nèi)的第個(gè)電壓采樣值 電網(wǎng)的功率因數(shù)受電壓和電流相位差,波形畸變以及三相不對(duì)稱等因素的影響。三相不對(duì)稱路的功率因數(shù)和含諧波的非正弦電路的無(wú)功功率情況較為復(fù)雜且沒(méi)有科學(xué)而統(tǒng)一的定義,故在此只考慮三相對(duì)稱電路的功率因數(shù)和無(wú)功計(jì)算,測(cè)量時(shí)僅對(duì)兩相間線電壓和另一相電流進(jìn)行采樣,采樣的電壓為,采樣電流為,每個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)為,則計(jì)算公式如下： AC相間的線電壓為：B相的線電流： 三相有功功率：視在功率： 無(wú)功功率： 功率因數(shù)：4．3本章小結(jié)本章主要討論的單片機(jī)控制和處理數(shù)據(jù)的基本原則,本次設(shè)計(jì)采用三相共同補(bǔ)償,所以在此只考慮三相對(duì)稱電路的功率因數(shù)和無(wú)功計(jì)算。但由于實(shí)際的電網(wǎng)情況并不是理想狀態(tài)的,所以本次采用的計(jì)算存在一定的誤差。第五章總結(jié)與展望無(wú)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(dòng)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)償方式。本文在對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的缺點(diǎn)提出了一種新型的智能無(wú)功補(bǔ)償控制器,該裝置適合對(duì)大用戶進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,也就是隨器補(bǔ)償,其優(yōu)點(diǎn)如下: 1、裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,通過(guò)硬件軟件配合,穩(wěn)定性高,用單片機(jī)控制,可實(shí)現(xiàn)真正的智能控制,具有很高的性價(jià)比。 2、采用LCD顯示,可實(shí)時(shí)顯示電壓、電流和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。 3、控制策略比較合理。該策略既考慮到無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電容容量需求,又考慮到穩(wěn)定電壓質(zhì)量的要求,比如在高電壓區(qū)間的只切不投原則和在低壓區(qū)間的只投不切原則。 今后本控制器在以下幾方面還有待提高: 1、優(yōu)化采樣電路,使采樣數(shù)據(jù)更為精確。 2、采用較高檔的CPU系統(tǒng),升級(jí)A/D位數(shù),使控制器的電網(wǎng)監(jiān)測(cè)功能到進(jìn)一步的完善,也可使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)時(shí)控制。 3、采用更簡(jiǎn)便準(zhǔn)確的無(wú)功計(jì)算方案和更多組數(shù)的電容器組,使軟件更為簡(jiǎn)便,控制更加精確。 4、可外接存儲(chǔ)裝置,用于存儲(chǔ)電壓、電流等數(shù)據(jù),這樣有助于對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。 總之,無(wú)功補(bǔ)償目前在我國(guó)還是很有發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè),其技術(shù)還有待于進(jìn)一步的深究和提高。參考文獻(xiàn)[1]方向暉．中低壓配電網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社, 2004：56~89．[2]劉黎明,劉滌塵,史進(jìn)．智能式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究[J]．電力情報(bào), 1998,22<3>：45～89.[3]南余榮,李剛,魯聰達(dá)．基于單片機(jī)的復(fù)合開(kāi)關(guān)及其在低壓無(wú)功補(bǔ)償中的應(yīng)用 [J]．現(xiàn)代電子技術(shù)2004,28<15>：15～67.[4]吳啟富,王主?。潆娋W(wǎng)無(wú)功綜合優(yōu)化的補(bǔ)償模型及其應(yīng)用[J]．XX電力技術(shù),1994：106~110．[5]劉鳳君．市電電能質(zhì)量補(bǔ)償技術(shù)［M］．北京：科學(xué)出版社,2005：69~111．[6]胡秀娟．淺議低壓電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膸追N方法[J]．電力與能源．20XX35期．[7]梅麗鳳,王艷秋．單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2004： 55~102．[8]劉煥平,韓樹(shù)新．ADC0809和AT89C51的一種接口方法[J]．XX師范專 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MOVA,P0 ;EOC=1時(shí),讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOVR7,A ;IN0的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存于R7 SETBP2.0 ;欲選IN1通道 SETBP2.1 NOP NOP NOP NOP NOP JNB P2.3,$ MOVA,P0 MOVR6,A ;IN1的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存與R6CJNER7,#04H,LR ;大于04H,則LR JMP NEXT1LR: MOVCOL1,#0B MOVCOL2,#0B MOVCOL3,#0B JMPMAIN ;跳轉(zhuǎn)到開(kāi)始指令/*運(yùn)算主程序*/NEXT1: MOVA,R7 ;電壓擴(kuò)大10倍 MOVB,#10H MULAB 相乘 MOV08H,A ;電壓存入08H中 MOVA,08H MOVB,A MULAB ;相乘得到積BA MOV10H,#00H ADDB,10H ;相加并存入B MOV10H,B MOV11H,#00H ADDA,11H ;相加并存入A INCNEXT2 ;無(wú)進(jìn)位則NEXT2 INCA ;A加1 MOV11H,A ;電壓平方放到10H11H中NEXT2: MOVA,R6 MOV09H,A ;電流存09H MOVB,A MULAB ;得到積BA MOV12H,#00H ADDB,12H ;相加并存入B MOV12H,B MOV13H,#00H ;13H清0 ADDA,13H ;相加并存入A INCNEXT3 ;無(wú)進(jìn)位則NEXT3 INCA ;A加1 MOV13H,A ;電流平方放到12H13H中NEXT3: MOVA,08H MOVB,09H MULAB ;相乘 MOV14H,#00H ADDB,14H ;相加存入B MOV15H,#00H ADDA,15H ;相加存入A INCNEXT4 INCA MOV15H,A ;有功功率放到14H15H中NEXT4: MOVA,00H INCA MOV18H,#00H ADDA,18H ;相加存入A MOV18H,A/*延時(shí)子程序*/DELAY: MOVR5,#1H ;延遲1ms子程序Y3: MOVR5,0FFHY4: NOP DJNER5,Y4 DJNZR4,Y3 RETCHECK: CJNE18H,#63H,START ;采樣小于100次,則繼續(xù)采樣/*除法子程序*/CF1: MOVA,10H ;電壓平方/100 MOVB,11H MOVR5,B MOVR4,A MOVR7,#64H D457: CLRC MOVA,R4 SUBBA,R7 JCDV50 SETBOV ;商溢出 RET DV50:MOVR6,#08H ;求平均值〔R4R5／R7－→R3 DV51:MOVA,R5 RLCA MOVR5,A MOVA,R4 RLCA MOVR4,A MOVF0,C CLRC SUBBA,R7 ANLC,/F0 JCDV52 MOVR4,A DV52: CPLC MOVA,R3 RLCA MOVR3,A DJNZR6,DV51 MOVA,R4 ;四舍五入 ADDA,R4 JCDV53 SUBBA,R7 JCDV54 DV53:INCR3 DV54:CLROV RET MOVR2,#00HPF1: MOVA,R2 ;對(duì)商開(kāi)平方 ORLA,R3 JNZSH20 RET ;被開(kāi)方數(shù)為零,不必運(yùn)算 SH20:MOVR7,#00H ;左規(guī)次數(shù)初始化 MOVA,R2 SH22:ANLA,#0C0H ;被開(kāi)方數(shù)高字節(jié)小于４０Ｈ否？ JNZSQRH ;不小于４０Ｈ,左規(guī)格化完成,轉(zhuǎn)開(kāi)方過(guò)程 CLRC ;每左規(guī)一次,被開(kāi)方數(shù)左移兩位 MOVA,R3 RLCA OVF0,C CLRC RLCA MOVR3,A MOVA,R2 MOVACC.7,C MOVC,F0 RLCA RLCA MOVR2,A INCR7 ;左規(guī)次數(shù)加一 SJMPSH22 ;繼續(xù)左規(guī)ZY1: MOV10H,#00H ;電壓有效值存入10H11H中 MOV11H,#00H MOVA,R2 MOV10H,A MOVB,R3 MOV11H,BCF2: MOVA;12H ;電流平方/100 MOVB;13H MOVR5,B MOVR4,A MOVR7,#64H D457:CLRC MOVA,R4 SUBBA,R7 JCDV50 SETBOV ;商溢出 RET DV50:MOVR6,#8 ;求平均值〔R4R5／R7－→R3 DV51:MOVA,R5 RLCA MOVR5,A MOVA,R4 RLCA MOVR4,A MOVF0,C CLRC SUBBA,R7 ANLC,/F0 JCDV52 MOVR4,A DV52: CPLC MOVA,R3 RLCA MOVR3,A DJNZR6,DV51 MOVA,R4 ;四舍五入 ADDA,R4 JCDV53 SUBBA,R7 JCDV54 DV53:INCR3 DV54:CLROV RET MOVR2,#00H/*開(kāi)平方子程序*/PF2: MOVA,R2 ;對(duì)商開(kāi)平方 ORLA,R3 JNZSH20 RET ;被開(kāi)方數(shù)為零,不必運(yùn)算 SH20:MOVR7,#00H;左規(guī)次數(shù)初始化 MOVA,R2 SH22:ANLA,#0C0H;被開(kāi)方數(shù)高字節(jié)小于４０Ｈ否？ JNZSQRH ;不小于４０Ｈ,左規(guī)格化完成,轉(zhuǎn)開(kāi)方過(guò)程 CLRC ;每左規(guī)一次,被開(kāi)方數(shù)左移兩位 MOVA,R3 RLCA OVF0,C CLRC RLCA MOVR3,A MOVA,R2 MOVACC.7,C MOVC,F0 RLCA RLCA MOVR2,A INCR7 ;左規(guī)次數(shù)加一 SJMPSH22 ;繼續(xù)左規(guī)ZY2: MOV12H,#00H MOV13H,#00H MOVA,R2 MOV12H,A MOVB,R3 MOV13H,B ;電流有效值存入12H13H中 MOVA,12H ;取電流整數(shù)部分 MOVB,10H ;取電壓整數(shù)部分 MULAB MOVR6,B MOVR7,7 MOVR2,#00H MOVR3,#00H MOVA,14H MOVR4,A MOVA,15H MOVR5,A DIVD:CLRC;比較被除數(shù)和除數(shù)CF3: MOVA,R3 SUBBA,R7 MOVA,R2 SUBBA,R6 JCDVD1 SETBOV ;溢出 RET DVD1:MOVB,#10H;計(jì)算雙字節(jié)商 DVD2:CLRC;部分商和余數(shù)同時(shí)左移一位 MOVA,R5 RLCA MOVR5,A MOVA,R4 RLCA