基于單片機(jī)的全自動無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

目錄HYPERLINK\l"_Toc170239643"摘要2HYPERLINK\l"_Toc170239647"Abstract2HYPERLINK\l"_Toc170239671"第一章緒論HYPERLINK\l"_Toc170239671"第二章全自動無功補(bǔ)償裝置的硬件構(gòu)成第三章各測量量的測量原理、算法及硬件電路HYPERLINK\l"_Toc170239672"3.1電壓和電流的采集4HYPERLINK\l"_Toc170239675"3.2電壓、電流及功率因素和有功功率的計(jì)算5第四章補(bǔ)償電容量的計(jì)算及電容器的選擇HYPERLINK\l"_Toc170239676"4.1總的補(bǔ)償電容量的確定6HYPERLINK\l"_Toc170239676"4.2電容容量的選擇7第五章LED顯示及鍵盤設(shè)計(jì)電路HYPERLINK\l"_Toc170239676"5.1LED顯示電路的設(shè)計(jì)8HYPERLINK\l"_Toc170239676"5.2鍵盤電路的設(shè)計(jì)8第六章電容投切裝置的實(shí)現(xiàn)HYPERLINK\l"_Toc170239676"6.1電容投切原理9HYPERLINK\l"_Toc170239676"6.2電容投切單元電路的實(shí)現(xiàn)9第七章全自動無功補(bǔ)償裝置的軟件實(shí)現(xiàn)第八章結(jié)語第九章致謝HYPERLINK\l"_Toc170239680"刷參考文獻(xiàn)屆..張11凝摘要荷：繁設(shè)計(jì)了一種全藥自動無功補(bǔ)償項(xiàng)裝置境。跡此裝置是在考教察先前的手動酷或電磁式無功掉補(bǔ)償裝置的基兔礎(chǔ)上由筆者自護(hù)行設(shè)計(jì)的，主窄要采用蒼AT閥8剝9C六5凳1辜單片機(jī)作為微殖處理器實(shí)現(xiàn)全餃自動控制。系言統(tǒng)對余電網(wǎng)警電壓和電流進(jìn)粒行采域樣丙、計(jì)算，從而河獲父得樣CO樹S才∮梁和有功功率。胞本裝置可葉實(shí)現(xiàn)功率因素梢從另CO丸S鞠∮狡=0.棚6鬧補(bǔ)償朗到皂CO世S獲∮照=0.9疤5產(chǎn)，且能保證功爆率因素坡變化時(shí)南電容妥的自動投切，煙能實(shí)時(shí)顯示出陜當(dāng)前功率因素丑、電流和有功島功率，并能實(shí)右現(xiàn)手動和自動輕控制?？P(guān)鍵字竄：無功補(bǔ)尋償某斯AT槽89C剪5顫1徹單片機(jī)慎功率因素釀自動控制給Abstra班ct油:帖Aful味lyaut蚊omatic越react遭ivepo切werco漿mpensa款tiond議evices紗.瘋Thisd木evice端isin圾thepr具evious更inspe菠ction方manual霜orel跨ectrom緩agneti阻creac艘tivep治owerc勝ompens赴ation偵device園sbase闊dons彎elf-de適signed榆byth西eauth連or,ma湊inlyu想singA脈T姜89C危51sin床gle-ch春ipmic雅roproc屬essor糖asthe知reali耕zation軌ofau瓜tomati靈ccont尖rol.爬System厲toth刷epowe桶rgrid烤volta瓜geand折curre永ntsam完pling,付compu紙ting,古togai嬌nCOS霉∮沒anda舅ctive.配Thed厲evice折canbe浩reali欣zedfr丙omthe耳power沿facto捎rCOS便∮廢=0.6產(chǎn)compe施nsatio跌ntot潔heCOS掏武∮爸=0.9皆5,pow辜erfac慚toran售dcan紡ensure聰that餅change鼠sint柴heaut君omatic探switc小hingt汪oreal盯-time件shows愈thatt呢hecur諒rentp葡owerf秧actor,叛curre隙ntand填activ雜e,and宜cana稻chieve仆them湊anual壤andau催tomati朋ccont嚷rol.式keywo證rds給:嫩reacti覺vepow己ercom影pensat計(jì)ion票；售AT火89C責(zé)51sin酬gle-ch惡ip刊microp沾rocess羊or廁；它power妖factor鐵；勝automa卵ticco渣ntrol第一章緒論下在電力系統(tǒng)中益，無功功率輸既吼有其有益的一皇面，也有其有黨害的一面。淚有益的是，當(dāng)電力網(wǎng)在運(yùn)行青時(shí)，電源供給旨的無功功率爬是電能轉(zhuǎn)換為拴其它形式能量別的前提，它為柳電能的輸送、凈轉(zhuǎn)換創(chuàng)造了條折件樹。閃而逮有害的嫂是披，端在電力系統(tǒng)輸跑送電能的過程蓋中，無功功率石不足，將使系脾統(tǒng)中輸送的總振電流增加、使災(zāi)變壓器的泰出力減少、供劈電線路及系統(tǒng)醫(yī)設(shè)備有功功率爐損耗增大、線遲路末端電壓下弊降羨；同時(shí)哄，承對于電力用戶綱來說，過多地政從電網(wǎng)中吸取翠無功，不僅使氧電網(wǎng)電能質(zhì)量稅下降，也影響獸自身的用電和美生產(chǎn)，使企業(yè)刺效益下降，甚乘至招致罰款。宵因此，為了減膽少無功的損失挖和避免其在電葛網(wǎng)中的不當(dāng)流嫁動，必須進(jìn)行及無功補(bǔ)償。而倍據(jù)統(tǒng)計(jì)勝，型10k拘V止以下電壓等級除的網(wǎng)損約占整資個網(wǎng)損蹄的裹5則0齡％以上，其中禽又以配電變壓擁器和用戶感性薄負(fù)荷所消耗的舅無功損耗為重建點(diǎn)，所以，將潤無功補(bǔ)償?shù)闹厥军c(diǎn)放木在鵲380調(diào)V委電壓等級的配滅電變壓器和低形壓用戶處是行瑞之有效的降損喪節(jié)能措施。池故筆者特定針維對單相電（電哪壓銳：脖0哭—津220V堅(jiān),愧電流腹：朝0灰—甘100A買）設(shè)計(jì)了此全麥自動無功補(bǔ)償具裝置。膠此裝置根據(jù)常鄙規(guī)要求及具體介情況設(shè)計(jì)許了瓜1謊0盾組補(bǔ)償電容，歸可把電網(wǎng)的功褲率因素從歷CO偵S宋∮泛=0.詞6獲補(bǔ)償戒到建CO價(jià)S驕∮堅(jiān)=0.95續(xù)。同時(shí)，利用因AT傾89C串5飄1涌單片機(jī)驅(qū)動驚SS匪R揪固態(tài)繼電器前實(shí)現(xiàn)了功率因妨素變化時(shí)電容席的自動投切，扣此外，也可以獨(dú)通過鍵盤進(jìn)行蛾手動控制，實(shí)逝現(xiàn)電容的投切毫，從而進(jìn)行補(bǔ)籠償。裝置還可酸以實(shí)時(shí)采集到碗電網(wǎng)側(cè)的電壓大和電流，通過固微機(jī)計(jì)算、處嘩理，同時(shí)利丈用亦8非位控LE戀D埋電路顯示實(shí)時(shí)容功率因素，電券流及有功功率價(jià)。最終實(shí)現(xiàn)全波自動無功補(bǔ)償粉。觸第二跨章搞散全自動無功補(bǔ)美償裝置的硬件歲構(gòu)成偶該裝置核心硬帳件采用敞AT總89C座51矛單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，昌AT象89C肝51夫單片機(jī)是現(xiàn)在授人們用的最多皆的單片機(jī)種類雷之一，其結(jié)構(gòu)推簡單、成本低槐廉、功能較全芬且便于擴(kuò)展，晝雖然處理速度攔趕不上現(xiàn)在大壇多數(shù)的微處理沖器，座如焦DS漏P熟、嵌入式微處后理視器麥ARM惜9繭等，但在此設(shè)閣計(jì)公中辮完全可以滿足牌和實(shí)現(xiàn)全自動部無功補(bǔ)償裝置腳的要求效。殘催賽好字實(shí)時(shí)參數(shù)分別耽采集電網(wǎng)側(cè)電餅壓、電流，經(jīng)夢過電壓形成電魄路分別對電壓風(fēng)電流進(jìn)行變換蜂。同時(shí)音由煌CP板U按中的定時(shí)器定粘時(shí)控制對經(jīng)過咽低通濾波出來脈的信號進(jìn)行采站樣并保持，再挑通過多路轉(zhuǎn)換解開關(guān)，分別經(jīng)估高怪速熱A抹／祝D妨轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行棉模數(shù)轉(zhuǎn)換，并第最終進(jìn)乘入跡CPU液，纖CPU績綜合現(xiàn)場各種耗運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)躁行運(yùn)算、快速末分析和智能決萄策，最后掠將各種數(shù)據(jù)實(shí)畝時(shí)顯示在數(shù)碼低管上，同時(shí)根曾據(jù)儲存志在荷RA蹲M養(yǎng)中的功率因素啟表判定該投切蛋哪幾組電容器忍，并最終通替過曬CP莖U股驅(qū)動疑SS放R友固態(tài)繼電器辭實(shí)現(xiàn)電容器的大自動投切。萄裝置硬件種框圖見菠圖蠢1樹圖玩1嶼全自動無功補(bǔ)簡償裝置的硬件鍛框圖翠第三章副敢各測量量的測僵量原理、算法簽及硬件電路松3.1筆燥電壓和電流的門采集開電網(wǎng)側(cè)的電壓亞和電流分別經(jīng)賣電壓互感器和惑電流互感器再捆到電壓形成電希路得產(chǎn)生微機(jī)可以檔利用的信號泊。其中交流電和壓信號采用電梨壓變換器即可賣滿足要求，而途交流電流信號槳可以采用電抗償變換器和電流哪變換器，在此病選用電流變換冬器對電流信號接進(jìn)行變換。此旬外，為保證后疾面的電路不受森干擾，兩個經(jīng)們變換器出來的備信號還需經(jīng)低鴿通濾波環(huán)節(jié)進(jìn)針行濾波才允許木輸入到采樣保阻持電路，輪供欺CP仍U葛發(fā)出信號進(jìn)行還采樣。運(yùn)低通濾波環(huán)節(jié)倡可由電阻及電按容組合續(xù)構(gòu)成一模擬低德通濾波器。而勿采樣保持環(huán)節(jié)演則選擇較常用捷的嬸LF-39桐8塔采樣芯片。其垂邏輯輸入端陪S/示H慈由圈CP澡U龜中的定時(shí)器按潔一定時(shí)序控制附，從而控制何曬時(shí)采樣、何時(shí)古保持。當(dāng)邏輯雄輸入端足即繼S/H志=蛋1價(jià)，即電平為高展時(shí)，為采樣功袍能；當(dāng)邏輯輸宇入端奇即聲S/H=難0趴，即電平為低姨時(shí)，為保持功軍能。剃低通濾波及采劃樣保持電路見怕圖刷2同圖踩2決影低通濾波及采懂樣保持電路圖您經(jīng)采樣保持電讓路出來的信號辰需通過多路選相擇開關(guān)距（駱MP澇X艱）來選擇哪一癥個信號需前要訓(xùn)A/笛D彈轉(zhuǎn)換。當(dāng)電壓廣信號獸需忽A/腿D爭轉(zhuǎn)換時(shí)蒸，爺MP蜓X酷選擇到電壓信伸號檔進(jìn)而通蛇過扭A/臂D縫芯片進(jìn)行模數(shù)賄轉(zhuǎn)換，當(dāng)電流恭信號勤需工A/治D悟轉(zhuǎn)換時(shí)雖，片MP攤X筑選擇到電流信嘩號檔進(jìn)而通贈過陽A/遮D板芯片進(jìn)行模數(shù)猛轉(zhuǎn)換。孕在此設(shè)計(jì)中錄，唇MP蛙X槍選擇綿CD4051濃，筑而像A/困D囑轉(zhuǎn)換芯片則選摩擇允MAX521舞。二者給與單片機(jī)連接盈的肅電路原理圖如跌圖篇3潛所示。閑圖壟3影嶼多路選擇墳及畏A/阻D熊轉(zhuǎn)換電路盒接口區(qū)圖網(wǎng)這樣就完成了嘗電壓和電流信趨號的采樣。謊3.2書戒電壓、電流及渣功率因素和有陰功功率的計(jì)算聲愈廉當(dāng)采集到電壓然和電流信號后離，應(yīng)立即對其蒸進(jìn)行處理、計(jì)隱算，以獲取實(shí)紫時(shí)數(shù)據(jù)。在此醉設(shè)計(jì)中主要采焦用兩點(diǎn)乘積算道法對各信號進(jìn)杯行計(jì)算。毯兩點(diǎn)乘積算法載主要是以電氣宇角栗度膽π件/浪2溪為采樣間隔而僑采集一個周期托內(nèi)的兩個數(shù)據(jù)正，因而算法本禿身所要求的數(shù)廟據(jù)窗長度憤為挑1/米4腐周期。所以北對君50H原z亂的工頻來說就父是迎5m姨s眼。即在一個周透期內(nèi)所采集的鹿兩個數(shù)據(jù)需保葛證軍在堆5m籠s劈的間隔。澤這板5m趟s秋的定時(shí)間隔馬由呆CP萄U鐮的定時(shí)傅器碗0纏來實(shí)現(xiàn)。滋紋笑若在兩個采樣梢時(shí)刻聲n秤1榆和橫n枝2宇分別采集到兩撫個電流信號分群別由為匪i議1醫(yī)和緞i視2灌。則有（1-1）根據(jù)上式有禮i撿（托）宋=驅(qū)殊塞偉（譜1-訊2氏）==旨秀=麗（啦1-圖3臺）w（n2Ts-n1Ts）=π/2減其中上面兩式功中的燈為膏n岸1傾采樣時(shí)刻猾電流的相角，富可能為任意值巷。住引盛將上面親（賢1-凍2醬）式和殃（細(xì)1-沉3貿(mào)）式平方后相危加，即得勻昆爹呆劈左汁苦箭言（喂1-畜4趣）慶將其開方就可職以得到電流的搶有效鑰值聯(lián)I呆。敘截陰同理，可以按濃照同樣的方法州獲么得竄u壩1議和菌u工2喇。并最終得到建電壓的有效朵值禾U屠。?？尥瑫r(shí)，又可以閘根據(jù)電壓和電刺流的有效值求元出阻抗的模值異，為聞濕匠裂矛抖所竭舅（膊1-綿5爆）丈志握此外，若將電各壓和電流寫成忌復(fù)數(shù)形式粘邁乒仗孔蝶村微（坑1-腸6島）紛甘嘉香瀉瓜娘挽溝（蛾1-耐7荷）最終可得過撲刃嘴毫旋慈尸腎蜂（勻1-處8傻）撞將式祖（估1-8垃）的實(shí)部和虛津部分開，實(shí)部咬即為步R葬，虛部即喊為督X鎖。綠則訪R金為平啄旦充暫林稿馳用餡（凱1-申9翁）本則可得功率因究素皮角息co罷s若∮嘩。即由迅（伍1-程5擠）和鉗（巾1-炊9伯）式可得出：仿c腳o框s爐∮分=眾楚鍛吳物漲含去鋒候（臉1-1駱0爐）蒼最后，由電饅壓腥U蔽、電激流訓(xùn)I緒以及功率因慘素同co寄s股∮挪可罪求裹得畏有功功惰率亭P銜：樹co嗓s慚∮業(yè)因糟蕉聞敗離梁蹦?。ㄌ?-1樹1藥）緞第四狼章膀極補(bǔ)償電容量的散計(jì)算及電容器飾的選擇辟4托.1規(guī)詢總的補(bǔ)償電容雜量的確定鍵根據(jù)常規(guī)電工壓古220罷V刻及電流儉100A明，頑當(dāng)溉需要把功率因仙素從確定的最姜小笛值身cos返0.芒6壯補(bǔ)償矛到冷cos鞋0.9凳5匠時(shí)，應(yīng)該補(bǔ)償鈴的電容量為：翅=13.2K煩var虧4.2燙電容容量的選成擇莫根據(jù)如上的計(jì)蘆算結(jié)果及常規(guī)比要求，此設(shè)計(jì)裕選擇齡了蘿1品0沒組電容的組合鉆作為投切裝置慮。絹下表孫提供了每千瓦積有功功率所需臭補(bǔ)償?shù)碾娙葜禐I及此設(shè)計(jì)中速屯需電容補(bǔ)償電累容于的參考：擺補(bǔ)償茶前獸cos集為得到所需僅的譽(yù)cos賣0.9暫5網(wǎng)每千瓦有功功爛率所需的名補(bǔ)償江電容值片（單位珍：揀Kva桑r鄭）灘在此設(shè)計(jì)中偷（驟x13KW塑后）的補(bǔ)償扛電容值莫（單位杜：舅Kva醬r裙）予0.60睛1.04降13.52伏0.62意0.97擴(kuò)12.56葉0.64外0.91賞11.83謊0.66然0.85陡11.05疼0.68鬼0.79抓10.27慢0.70址0.73旨9.49悲0.72壯0.67城8.71黎0.74毀0.62屑8.06纏0.76皺0.56虹7.28油0.78華0.51苗6.63囑0.80沸0.46蝴5.98定0.82佩0.40傘5.2續(xù)0.84己0.35席4.55區(qū)0.86患0.30園3.9司0.88懷0.25蹦3.25牢0.90釘0.19貧2.47義0.82資0.13嫌1.69斜0.94如0.07竊0.91催因此摘這茶1肝0金組電容的容量合分別選擇捐為菜0.1Kva侮r董、槍0.2Kva鋪r員、流0.3Kva藝r棍、凝0.5Kva姿r蓮、孕1.0Kva徒r程、旺2.0Kva鋼r腳、塞3.0Kva勾r鏟、豐5.0Kva陶r選、擊10.0Kv斥a尖r吼。笑投切中為保證圣各電容的平均濁壽命，采取循璃環(huán)投切的方式餃。劫第五添章妨演LE傍D磨顯示及鍵盤設(shè)欄計(jì)電路市5.1擁LE榨D叼顯示電路的設(shè)安計(jì)座由于冷AT隔89C燙51賄單片機(jī)紗的孩I/頓O促口數(shù)目不夠，紛故慌LE分D抱顯示電路需要嶺擴(kuò)展一淺片乏825壽5記才能實(shí)現(xiàn)。鍛AT赴89C貝51棟單片機(jī)可以通聞過籌P2.7劃口苦與各825犁5夠的片選引腳沉連在一起，即新可保慮證消825性5槳的正常工作。唯此外，由贊于返825棕5距的驅(qū)動能力不騙夠，故還需通宜過竭74LS24慨5過及政740單7鑄分別作俯為倍8憂個數(shù)碼管段口伯和位口的驅(qū)動氣。丘電路原理圖如肚圖救4飯所示。輩5.2桐緒鍵盤電路的設(shè)圓計(jì)土此裝置的設(shè)計(jì)縣既可以自動投索切，又可以手拜動投切。而手衰動投切的實(shí)現(xiàn)充就需通過鍵盤嚼來實(shí)現(xiàn)。根艇據(jù)吳LE毛D咬上的數(shù)據(jù)顯示鴿，可以手動投碑切哪一組或哪華幾組電容有。連鍵盤設(shè)計(jì)展為尊4x牛4爛鍵盤，也通浪過槽825釣5桐與單片機(jī)相連捎，完全可以滿撤足設(shè)計(jì)的需要膠。同時(shí)，鍵盤幣消抖采用軟件趨實(shí)現(xiàn)，因此鍵微盤只需通過上煙拉電阻與單片糧機(jī)相連即可。塞電路原理圖如戒圖迅4蜘所示。負(fù)圖煎4LE昆D泄顯示及鍵盤控?fù)Q制電路圖唉第六章唯電容投切裝置尤的實(shí)現(xiàn)鞏6.1鈔逢電容投切原理前舊請根據(jù)設(shè)計(jì)的要逝求每次投切都餃需保證功率因姓素御co紡s宿∮屬能達(dá)到限0.9著5到左右陶，所以何此裝置設(shè)計(jì)了計(jì)幾乎每種可能飛的腰需要無功補(bǔ)償恨的情況。把功猾率因素當(dāng)從波0.伙6齊到俯0.9得5千的所有情況都塌整理成一個表裂，將其存在外頃擴(kuò)琴的捆RA隨M茶中。裝置先通寧過采集電路采類集電壓電流信分號，再經(jīng)南過家CP皆U洲的計(jì)算得到當(dāng)叢前的功率因素腔，將其送至前廟面列出的表中園與里面的值比貞較，根據(jù)比較基值再勤由底CP意U轉(zhuǎn)確定需要投切夢哪幾組電容器比。裹6.2欄制電容投切單元岡電路的實(shí)現(xiàn)櫻為保證裝置的怖抗干擾性及穩(wěn)材定性，此裝置巧選用帝SSR-50遵D編A冠固態(tài)繼電器穴作為投切開關(guān)于。缺SS除R片固態(tài)繼電器以誕觸發(fā)形筐式緩,釘可分為零壓裕型煉(Z團(tuán))陡和調(diào)相趴型頸(P鄰)獨(dú)兩種。在輸入脂端施加合適的泄控制信夕號紐VI靈N瘦時(shí)叢,稀P弱型夾SS漸R俘立即導(dǎo)通。必當(dāng)巖VI畫N積撤銷鳴后會,采負(fù)載電流低于魯雙向可控硅維笛持電流櫻時(shí)女(靠交流換葉向柏),SS議R籌關(guān)斷。叫而獎SSR-50從D形A獲固態(tài)繼電器瓦為界雙向可控硅輸頓出，零電壓開愿啟，零電流關(guān)團(tuán)斷扔；閃輸入回路與輸終出回路之間坐有鞭光玻電揪隔離膊很好的保證了銅抗干擾性。捕SSR-50社D宇A(yù)校固態(tài)繼電器饒的剛控制電壓眼為前3-32VD廢C批,賤所以何它狼的輸入端偷需遮要加上涉一攜TT親L等電平，用一電殘阻上拉稍。同時(shí)為滿足菊驅(qū)動要求，徐由怒CP紀(jì)U拆輸出的觸發(fā)信租號經(jīng)過與非門增740超6伐連接壯一三極管，通雅過控制三極管飯的通斷來控制謙SSR-50纏D砍A葉固態(tài)繼電器算的通斷孕。負(fù)載電壓能我達(dá)到勁24-380廚VAC滾，完全滿足設(shè)您計(jì)的要求。用單元電路原理袖圖如率圖睬5距所示。火圖轟4偶SS銳R酬固態(tài)繼電器申及驅(qū)動電路圖頓第七括章裕衡全自動無功補(bǔ)違償裝置的軟件樂實(shí)現(xiàn)澆下面是整個裝駕置的軟件流程可圖：墓整個裝置一上紡電，先需要將粒所有的硬件或和本身的軟件部男分初始化，歇CP另U堤中的定時(shí)器定職時(shí)控制對經(jīng)過脫低通濾波出來嘉的信號進(jìn)行采轟樣并保持，再健通過多路轉(zhuǎn)換窩開關(guān)，分別經(jīng)茄高匙速紹A搖／復(fù)D徑轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行替模數(shù)轉(zhuǎn)換，并緒最終進(jìn)蝕入酸CP蛇U樓，晝CP宇U糾綜合現(xiàn)場各種駛運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)境行運(yùn)算、快速摔分析和智能決境策，最后扔將各種數(shù)據(jù)實(shí)鹽時(shí)顯示在數(shù)碼績管上，同時(shí)根搖據(jù)儲存布在轎RA半M圾中的功率因素?fù)鼙砼卸ㄔ撏肚兄颇膸捉M電容器俯，并最終通毯過威CP助U旱驅(qū)綿動躺SS附R子固態(tài)繼電器實(shí)拒現(xiàn)電容器的自宇動投切。帆績鵲對繪50H驚z迅的工頻來說，半電氣角度尾為粱π羽/劉2述