I 摘 要 本設計是針對低壓無功補償方面的問題 設計了適用于低壓電網進行集中 無功補償的晶閘管投切電容器裝置 首先 設計了單片機最小系統 本設計采用 AT89S52 單片機作為控制系 統控制芯片 由于 AT89S52 單片機最小系統簡單而且有很好的實用性 具有 很好的發展前景 其次 設計了信號采集電路 投切電路 信號采集電路采用十二位并行口 A D 轉換芯片可有效快速的進行數據轉換 提高轉換效率 投切電路采用單相 晶閘管進行觸發投切電容 成本較低運行可靠 最后 設計了鍵盤電路 串行通信電路 鍵盤電路采用 4 4 矩陣鍵盤 簡單實用 方便對無功補償進行手動控制監測數據 串行通信電路可時時對系 統數據進行顯示并通過與上位機相連實現人機接口對話 關鍵詞 無功補償 單片機 晶閘管 II ABSTRACT This topic is to aim at low pressure to have no achievement compensate of problem designed to be applicable to low pressure charged barbed wire net to carry on concentration to have no achievement compensate of hyristor hurl slice capacitor device Designed a list slice first machine s minimum system This design adoption AT89S52 list slice the machine is to control system control chip because AT89 S52 list slice the machine s minimum system is simple and have good function have good development prospect Secondly designed signal to collect electric circuit hurl to slice electric circuit The signal collects electric circuit to adopt 12 proceed together A D conversion the chip can effectively and quickly carry on a data conversion and raise a conversion efficiency The hurl slices an electric circuit adoption list the mutually thyristor carry on triggering hurl to slice electric capacity the cost is lower to circulate credibility Finally designed a keyboard electric circuit string to go to correspond by letter electric circuit The keyboard electric circuit adopts 4 4 matrix keyboards in brief practical convenient rightness of Be without the achievement repair carry on moving control to monitor a data The string goes to correspond by letter electric circuit to always carry on showing to the system data and pass to connect with place of honor machine to carry out person s machine to connect a people s dialogue Key words reactive power compensation Single Chip Microcompute Thyristor III 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 緒 論 1 1 1 課題研究的目的和意義 1 1 2 無功功率補償的歷史與現狀 2 1 2 1 無功功率補償的分類 2 1 2 2 無功功率補償裝置的發展概況 2 1 2 3 無功功率補償技術現狀及發展趨勢 4 1 3 本文主要內容 5 第 2 章 低壓無功補償系統的總體設計方案 6 2 1 無功補償總體結構 6 2 2 TSC 型無功功率補償基本原理 7 2 3 無功功率補償方式及容量確定 8 第 3 章 無功補償裝置硬件設計與實現 10 3 1 無功補償控制器硬件總體結構設計 10 3 2 主控芯片選型 11 3 3 采集及轉換電路設計 12 3 4 功率因數測量電路設計 16 3 5 I O 擴展電路設計 19 3 6 晶閘管觸發驅動電路設計 20 3 7 顯示電路設計 21 3 8 鍵盤電路設計 24 3 9 通信接口電路設計 25 3 10 掉電儲存電路 26 3 11 外部存儲器擴展電路設計 27 3 12 電源電路設計 29 第 4 章 無功補償裝置控制系統軟件設計與實現 30 IV 4 1 主程序設計 30 4 2 功率因數模塊設計 31 4 3 投切控制程序設計 33 結 論 37 致 謝 38 參考文獻 39 附錄 1 41 V CONTENTS ABSTRACT Chinese I ABSTRACT II Chapter1 Introduction 1 1 1 Purpose and significance of the research 1 1 2 Reactive power compensation of past and present 2 1 2 1 Have no achievement power compensate of classification 2 1 2 2 Reactive power compensation device development overview 2 1 2 3 Reactive power compensation status and development trend 4 1 3 This study includes 5 Chapter 2 Low voltage reactive power compensation system design program 6 2 1 Complement the overall structure of reactive 6 2 2 TSC type basic principle of reactive power compensation 7 2 3 Reactive power compensation and capacity to determine 8 Chapter 3 Reactive Compensation Device hardware design and implementation 10 3 1 Reactive power compensation controller design of the overall structure of the hardware 10 3 2 Master Chip 11 3 3 Acquisition channel and conversion circuit 12 3 4 Power factor measurement circuit 16 3 5 I Oexpansion circuit design 19 3 6 Thyristor trigger drive circuit design 20 3 7 Display circuit 21 3 8 Keyboard circuit 24 3 9 Communication Interface Circuit Design 25 3 10 Power down storage circuit 26 3 11 External memory expansion circuit design 27 VI 3 12 Power circuit design 29 Chapter 4 Reactive power compensation equipment control system software design and implementation 30 4 1 The main program structure 30 4 2 Power Factor Design of sampling and data processing module 31 4 3 Switching Module Control Program 33 Conclusions 37 Acknowledgements 38 References 39 Appendix 1 41 1 第 1 章 緒論 1 1 設計研究的目的和意義 在低壓電網中 隨著居民生活水平的不斷提高和大量家用電器的普及 以 及小工業用戶的增多 導致電網中無功功率的消耗日益增大 功率因數大都比 較低 尤其是電力電子裝置的應用日益廣泛 而大多數電力電子裝置的功率因 數很低 造成電網供電質量下降 也給電網帶來額外負擔并影響供電效益 因 此 利用無功補償技術正成為當前世界各國電力設計及決策人員的共識 無功 補償裝置的投資已被列入電力投資的整體規劃中 成為一個不可缺少的環節 有功功率與視在功率的比值稱為功率因數 無功功率的存在使功率因數降低 造成如下影響 1 當有功功率不變時 功率因數低 使發電機和變壓器的容量增大 不 能充分發揮原有供電設備的效率 2 在線路輸送有功功率相同的情況下 功率因數低 使線路中的電流增 加 電壓損失增加 給感應電動機的啟動 運行造成困難 導致供電質量下降 若增大導線截面積 相應的增加了有色金屬的消耗量 3 當電網電壓及有功功率不變時 功率因數低 使輸電線路中的無功電 流增大 功率損耗增加 引起發電機端電壓的下降 無功功率對供電系統和負載的運行都是十分重要的 在電力系統中 大多 數電網中元件和負載都要消耗無功功率 而電網中元件和負載所需要的無功功 率必須從網絡中某個地方獲得 顯然 這些所需的無功功率如果都要由發電機 提供并經過長距離輸送是不合理的 通常也是不可能的 合理的方法應該是在 需要消耗無功功率的地方產生無功功率 即對無功功率進行補償 對電網進行無功補償有以下幾個方面的作用 1 1 提高供用電系統及負載的功率因數 降低設備容量 減少功率損耗 2 穩定受電端及電網的電壓 提高供電質量 在長距離輸電線中合適的 地點設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性 提高輸電能力 3 在電氣化鐵道等三相負載不對稱的場合 通過適當的無功補償可以平 衡三相的有功及無功負載 無功補償就其補償方式來說可分為高壓補償和低壓 補償 高壓補償通常是在變電所高壓側進行 僅能補償補償點前端的無功功率 2 對補償點后的輸電線路和負載起不到補償作用 低壓補償可直接補償輸電線路 和負載的無功功率 補償效果最為理想 但在低壓補償時 負載具有分散性大 數量多的特點 要求無功補償裝置成本低 操作方便 易于維護和安裝 而且 必須能進行動態補償 目前解決電網中有功功率損耗大 壓降大的最切實可行的辦法就是采用高 性能的無功功率補償裝置 就地補償負載的感性無功功率 因此 尋求一種能 綜合電系統需要補償的無功功率 對系統進行跟蹤補償 是低壓電網改造和建 設中迫切需要解決的問題 本課題就是在此基礎上提出的 1 2 無功功率補償的歷史與現狀 1 2 1 無功功率補償的分類 無功補償可以分為串聯補償和并聯補償 串聯補償的目的在于控制線路的 阻抗參數 歐美一些國家普遍采用串聯補償來提高輸電線的傳輸能力 而我國 大多采取并聯補償的方式來補償系統無功 并聯補償的目的在于控制線路的電 壓參數 并聯補償按補償對象不同可分為系統補償和負荷補償兩大類 2 系統補償通常指對交流輸配電系統進行補償 目的是維持電網樞紐點處的 電壓穩定 提高系統的穩定性 增大線路的輸送能力以及優化無功潮流 降低 線損等 負荷補償通常是指在靠近負荷處對單個或一組負荷的無功功率進行補償 目的是提高負荷的功率因數 改善電壓質量 減少或消除由沖擊性負荷 不對 稱負荷 非線性負荷等引起的電壓波動 電壓閃變 三相電壓不平衡及電壓和 電流波形畸變等危害 1 2 2 無功功率補償裝置的發展概況 現今所指的無功補償裝置一般專指使用晶閘管的無功補償設備 主要有以 下三大類型 3 4 一類是具有飽和電抗器的無功補償裝置 Saturated Reactor SR 第二類是晶閘管控制電抗器 Thyristor ControlReactor TCR 第三類是晶閘管投 切電容器 Thyristor Switch Capacitor TSC 下面依次介紹此三類無功補償裝置 的情況 1 具有飽和電抗器的無功補償裝置 Saturated Reactor SR 這種裝置是最早的一種靜止無功補償裝置 早在 1967 年 這種裝置就在 3 英國制成 飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種 相應的無功 補償裝置也就分為兩種 具有自飽和電抗器的無功補償裝置是依靠電抗器自身 固有的能力來穩定電壓 它利用鐵心的飽和特性來控制發出或吸收無功功率的 大小 2 晶閘管控制電抗器 Thyristor Control Reactor TCR 這種裝置是利用晶閘管的相位控制來調整電抗器的電流 從而達到調整無 功功率的目的 其單相原理圖如圖 1 1 所示 其三相多接成三角形 這樣的電 路并入到電網中相當于交流調壓器電路接電感性負載 此電路的有效移相范圍 為 當觸發角時 晶閘管全導通 導通角 此時90 180 90 180 電抗器吸收的無功電流最大 根據觸發角與補償其等效導納之間的關系式 1 1 max sin LLBB max 1 LLBX 可知 增大觸發角即可增大補償器的等效導納 這樣就會減小補償電流中的基 波分量 所以通過調整觸發角的大小就可以改變補償器所吸收的無功分量 達 到調整無功功率的效果 L SCR U t 圖 1 1 TCR 型補償器原理 TCR 型動態補償方式具有以下優點 從 0 到最大功率連續可調 可以根 據電網負荷情況分相調節 電路簡單 便于操作維護 不可避免的也具有一些 缺點 在運行中會產生諧波 占地面積大 電容 電抗器和晶閘管容量都是按 系統最大沖擊無功功率來配備 設備投資大 從實際情況看 跟蹤補償裝置大 部分時間處于零或低無功功率補償狀態 最大功率運行能耗大 這種具有 TCR 型的補償器反應速度快 靈活性大 目前在輸電系統和工業企業中應用 最為廣泛 3 晶閘管投切電容器 Thyristor Switch Capacitor TSC 5 這種裝置是將并聯補償電容器分成若干組 根據負荷無功的變化情況對補 4 償電容器進行分組投切 達到調整無功補償量的目的 其單相原理如圖 1 2 所 示 U t SCR L C 圖 1 2 TSC 型補償器原理 TSC 型動態補償方式具有以下特點 結構緊湊 可設計成柜體形式 占 地面積小 設備投資小 大約比 TCR 降低 25 運行能耗小 電容器是無過 渡過程投切 本身不產生諧波 合理的參數還可吸收諧波 接入系統靈活 可 設計成高壓型 缺點是不能連續調節無功功率 隨著電力電子技術的進一步發展 一種更先進的靜止型無功補償裝置出現 了 即采用自換相變流電路的靜止無功發生器 Static Var Generator SVG 也 稱之為高級靜止無功補償器 Advanced Static VarCompensator ASVC 靜止無 功發生器的基本原理是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯在電網上 適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值 或者直接控制其交流側電 流 與傳統的以 TCR 為代表的 SVC 裝置相比 SVG 的調節速度更快 運行 范圍寬 而就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流 實現動態無功 補償的目的 且在采取多重化 多電平或 PWM 技術等措施后可大大減少補償 電流中諧波的含量 1 2 3 無功功率補償技術現狀及發展趨勢 現在 在世界范圍內 以 TCR 和 TSC 為代表的靜止無功補償裝置 SVC 已經占據了動態無功補償的重要地位 是動態無功補償技術研究的發展趨勢 6 截止到 2000 年 全世界已有超過 400 套 總容量約為 60Gvar 的 SVC 在輸配 電系統中運行 全世界已有超過 600 套 總容量約為 40Gvar 的 SVC 在工業部 門使用 我國的輸電系統中有 6 套容量為 105 170Mvar 的 SVC 安裝在 5 個 500kV 變電站 均為進口 工業用戶安裝了 100 多套 SVC 約有 1 5 是進口的 從 2001 年起中國電力科學研究院已為工業用戶提供了 26 套 10 35kV TCR 5 型 SVC 新平臺 l0kV TSC 型 SVC 裝置于 2001 年 2003 年在變電站分別投入 運行 填補了 SVC 國內工程化應用的空白 從無功功率補償裝置的應用來看 SVC 裝置控制簡單 價格低 能滿足 大多數用戶對于無功功率補償的需要 應用最為普遍 在電力系統和工礦企業 用戶中擁有廣大市場 是并聯無功補償的主要裝置 1 3 本文主要內容 本文介紹了無功補償的目的和意義 闡述了國內外無功補償的現狀與發展 趨勢 針對低壓電網 本文分析了無功補償原理及補償接線方式 討論了幾種 不同負荷情況下電網最佳補償點的位置及容量配置的問題 第 1 章中 首先介紹了無功補償研究的目的和意義 接著闡述了無功功率 補償的歷史 現狀及技術發展趨勢 并對各種不同類型的無功補償裝置進行了 比較 第 2 章中 闡述了無功功率補償的系統框圖 中包含的電開關元件針對低 壓電網 重點分析了 TSC 型無功補償原理 補償容量和補償位置的優化方法 及其無功補償自動投切控制方式 第 3 章中 根據要求設計了用于低壓電網的無功補償裝置 介紹了裝置的 主電路原理及其主要元件的選取方法 完成了無功功率補償控制器的有關硬件 設計 第 4 章中 軟件設計 計算無功補償的投切容量 結論 對全文進行了總結 6 第 2 章 低壓無功補償系統的總體設計方案 2 1 無功補償總體結構 本課題設計的無功補償裝置主體結構由柜體 控制器 空氣開關 避雷器 三相電容器 熔斷器 可控開關 觸發板和串聯電抗器等部分組成 主電路接 線示意圖如圖 2 1 所示 三相負載 電壓檢測電流檢測 低通濾波低通濾波 邏輯比較電路A D轉換電路 單片機中央處理單元 RAM存儲投切信號 狀態顯示 脈 沖 驅 動 裝 置 脈 沖 驅 動 裝 置 A B C 空氣開關 過壓吸收 控 制 器 圖 2 1 無功補償主電路圖 如圖 2 1 所示 為無功補償裝置主電路接線圖 由圖可以看出 電網中 A B C 三相電源線經空氣開關進入無功補償裝置的柜體內 再經熔斷器與 復合開關模塊連接 電容器經復合開關模塊與熔斷器和空氣開關連接 避雷器 經空氣開關與三相電源線相連后接地 工作過程為 將從線路采集電壓 電流等采樣信號送入控制器內進行數據 分析處理 計算線路所缺的無功功率 控制器再根據此無功功率 按照預先設 定的控制策略 來判定是否需要投入或切除電容器 控制器通過晶閘管與二極 管反并聯組成的復合開關模塊來控制投切電容器 主要元件功能及其選擇原則介紹如下 1 柜體 即無功補償柜的箱體 頂部有防塵蓋 在防塵蓋和箱體之間留 有一定的空隙 同時在底部和側面都有空氣流通孔 以保證充分散熱 2 控制器 控制器具有無功投切判斷 電量參數計算等功能 通過控制 7 二極管和晶閘管反并聯組成的復合開關進行補償電容器的投切 3 空氣開關 空氣開關是整個無功補償裝置的總開關 它控制著整個無 功補償柜的電源及過流保護 空氣開關又稱空氣斷路器 其選取根據裝置中電 容器容量的大小不同和通過的電流不同來選取 主要用來分配電能和保護線路 及電源設備的過載 欠電壓和短路 4 避雷器 避雷器起保護作用 防止裝置因雷擊過電壓而受到損壞 避 雷器的選取應以保證電力系統安全的前提下選擇 一般情況選取避雷器額定電 壓為系統標稱電壓的 1 2 1 3 倍 5 電容器 電容器采用 0 4kV 三相自愈式并聯電容器 采用三相角形接 法 三相共補的補償方式實施動態補償系統無功功率 6 熔斷器 熔斷器起保護作用 防止補償裝置由于過電流的原因而損壞 熔斷器的選取要和空氣斷路器配合 一般其跌落電流選為通過電流的兩倍 7 可控開關 可控開關采用晶閘管和二極管反并聯的組合形式 通過二 極管的反向自然關斷和可控硅的可控關斷來控制電容器組的投切 復合開關模 塊主要控制 A C 兩相 對于三相電路而言 若 A C 兩相斷開 則 B 相即使 連接 三相并聯電容器也不能投入 因此此接法具有更大的經濟效益 8 觸發板 觸發板是晶閘管的控制驅動電路 它將來自控制器的投切信 號轉化為高頻脈沖信號 控制可控硅復合開關的通斷 9 串聯電抗器 串聯電抗器抑制電容器的投切涌流 保護電容器的正常 運行 2 2 TSC 型無功功率補償基本原理 無功功率補償的基本原理是 把具有容性負荷的裝置與感性負荷并聯接在 同一電路中 當容性負荷釋放能量時 感性負荷吸收能量 感性負荷釋放能量 時 容性負荷吸收能量 能量在兩種負荷之間相互交換 無功功率補償的原理 可用圖 2 2 來解釋 8 s s Q Q Qc P 圖 2 2 無功功率補償原理圖 圖2 2中 Q為感性負荷從電源吸收的無功功率 Qc為無功功率補償裝置 的補償無功功率 電源輸出的無功功率減少為Q Q Qc 功率因數由 必提高到 視在功率S減少到S 由電工學可知 cos cos 222 SPQ cosPS sinQS cos P S 其中 為公率因數 即有功功率和視在功率的比值 其大小代表著電源cos 被利用的程度 它的最大值為 1 這時 電源利用率最高 最小值為PS 0 這時 表示負荷和電源之間只有往返的無功功率交換 同時 0P 為電網相電壓 因此 如果電氣設備發送的功率一定 cos IPU U 功率因數越小 線路中的電流越大 功耗和發熱溫升越嚴重 相同電壓條件下 發送一定的功率 功率因數越大 線路中的電流越小 線路中的損耗也越小 因此 在電力系統中力求功率因數接近于 1 2 3 無功功率補償方式及容量確定 合理無功補償方式的選擇應該遵循以下幾個原則 減少無功功率的流動 實行就地補償的原則 分級補償原則 集中裝設與分散裝設相結合 以分散補 償為主的全面規劃 防止在低負荷情況下過補償 即向電網倒送無功功率 無功補償最好的方式是哪里需要無功就在哪里補償 整個系統將沒有無功 電流的流動 在實際電網當中這是不可能做到的 因為無論是變壓器 輸電線 路還是各種負載 都需要無功 所以在實際低壓配電網中就補償電容器安裝的 位置不同 無功補償的方式可以分為三種 集中補償 分散補償 分組補償 和 9 就地補償 單機補償 低壓無功補償的三種方式如圖 2 3 所示 C2 C3 M T C1 圖 2 3 低壓無功補償裝設方式 集中補償方式是將電容器裝設在用戶專用變電所或配電室的低壓母線上 如圖 2 3 中所示 低壓集中補償方式適用于線路末端負荷波動幅度不大 1 C 基荷所占比重較大 負荷容量較大 地點集中的場合 就地補償方式是指將電容器組直接裝設在用電設備旁邊 就地補償用電設 備 主要是電動機 所消耗的無功功率 如圖 2 3 中所示 電容器組隨電動機 3 C 同時投入或退出運行 使電動機消耗的無功功率部分得到就地補償 從而使裝 設點以上輸配電線路輸送的無功功率減少 能獲得明顯的降損效益 就地補償方式是最佳的 對于長距離大用電設備更為適宜 由于負載末端 功率因數的提高 可使其前面的配變電設備 配電線路等的損耗減少 這種方 式的缺陷是投資高 利用率低同時 由于安裝地點在生產現場 運行條件較差 維護極為不便 而分散補償這種方式的優點是對于負荷比較分散的用戶 有利 于實行無功分區平衡 體現了無功 就地平衡 的原則 可增加設備的承載能 力 10 第 3 章 無功補償硬件設計與實現 3 1 無功補償硬件總體結構設計 無功補償控制系統如系統框圖 電網的三相電壓 電流信號大電壓和大電 流通過電壓互感器和電流互感器變換成小電壓和小電流通過模擬信號采集電路 采經 A D 轉換芯片送入單片機 再從互感器端采集一路線電壓和一路相電流 信號 通過功率因數采集電路送入單片機 單片機將送入信號進行處理 計算 出電網中所需無功 發出信號 晶閘管觸發電路觸發投切電容 無功補償裝置 控制系統的硬件原理結構框圖如圖 3 1 所示 單片機 電流測量變換電路 功率因數測量電路 通訊接口電路 電壓測量變換電路 模 數 轉 換 鍵盤接口電路 LCD顯示電路 脈沖觸發電路 圖 3 1 無功補償硬件原理結構框圖 由于控制系統以無功功率作為主要的檢測及控制目標 而無功功率的計算 公式如下 3 1 3sin l QU I 其中 為無功功率 為電網線電壓 為負載相電流 為功率因數角 Q l UI 據此 本文在控制系統中設計了電壓 電流信號采集電路及功率因數測量電路 無功功率可以由所測得的電壓值 電流值以及功率因數值根據公式 3 1 計算得 到 同時系統還設計了 LCD 的顯示電路以顯示電壓值 電流值以及功率因數 值 控制系統根據計算得到的無功缺額控制相應電容器組的投切 投切指令由 單片機的 I O 口輸出到脈沖觸發裝置控制晶閘管投切開關的開通與關斷 第三 11 章將對控制系統的各個組成部分電路分別進行介紹 3 2 主控芯片選型 本設計采用AT89S52 24 作為主控芯片 AT89S52是一種低功耗 高性能 CMOS 8位微控制器 具有8K 在系統可編程Flash 存儲器 使用Atmel公司高 密度非易失性存儲器技術制造 與工業80C51產品指令和引腳完全兼容 片上 Flash允許程序存儲器在系統可編程 亦適于常規編程器 在單芯片上 擁有 靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash 使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用 系統提供高靈活 超有效的解決方案 主控芯片最小系統如圖3 2所示 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U1 89S52 Y1 12M S0 5 C23 30pF C24 30pF C26 22uF C25 22uF R34 1k R33 1k 圖 3 2 主控芯片最小系統 12 AT89S52具有以下標準功能 8k字節Flash 256字節RAM 32位I O口線 看門狗定時器 2個數據指針 三個16位定時器 計數器 一個6向量2級中斷結 構 全雙工串行口 片內晶振及時鐘電路 另外 AT89S52可降至0Hz靜態邏 輯操作 支持2種軟件可選擇節電模式 空閑模式下 CPU停止工作 允許 RAM 定時器 計數器 串口 中斷繼續工作 掉電保護方式下 RAM內容被 保存 振蕩器被凍結 單片機一切工作停止 直到下一個中斷或硬件復位為止 所用管腳如表3 1所示 表3 1AT89S52管腳及作用 管腳號管腳名管腳作用 32 39P0 7 P0 08 位雙向 I O 口 1 8P1 0 P1 78 位雙向 I O 口 21 28P2 0 P2 78 位雙向 I O 口 10RXD串行輸入 11TXD串行輸出 12INT0外部中斷 0 13INT1外部中斷 1 14T0定時器 0 外部輸入 15T1定時器 1 外部輸入 16WR外部數據存儲器寫選通 17RD外部數據存儲器讀選通 18XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端 19XTAL1振蕩器反相放大器的輸出端 3 3 采集及轉換電路設計 數字控制器采集的電流和電壓信號來自于無功調節器的互感器 目前的工 藝做到互感器初級和次級的電流或電壓信號的相位差很小 一般相位誤差只有 正負幾分到幾十分 取決于互感器的精度等級 完全能夠滿足無功補償的需要 因此 采集電流和電壓信號時可以不需要額外的校正或補償電路 無功補償裝 置所需測量的電網電壓和各支路電流通過兩級互感器耦合提供給控制器 電壓互感器采用西安橫山微型互感器研究所生產的 HPT304A 型精密互感 器 HPT304A 是一種電流型的微型電壓互感器 一次輸入電壓為 0 1000V 13 隔離耐壓為 2500V 二次輸出電壓為 0 10V 額定電流比是 2mA 2mA 精度 為 0 1 非線性度 0 1 因為有三路交流電信號 但這里只列舉一路交流電信號 電壓量經電壓互 感器變成小電壓 再經 1N4007 組成的整流橋和濾波電路把交流量變換成為直 流量以便進行 A D 轉換電阻 R2 滑動變阻器可調節輸入電壓 1N5993 將電壓 穩定在 5V 最終信號輸入 TLC2543 的 AIN 0 口 電壓模擬量采集電路如圖 3 3 所示 D7 1N5993 C5 10uF C4 10uF 1 2 3 4 D1 BRIDGE1 T1 HPT 304A UA UC R1 4k C6 0 1uF R2 1k A IN 0 圖 3 3 電壓模擬量采集電路 電流互感器的原邊電流 Ia 為 0 10A 電流互感器采用西安銥星的 CTL205 微型精密電流互感器 其額定變比為 10A 5mA 精度為 0 05 非線 性度 0 02 線性工作范圍為 0 25A 主要應用于電力系統監控 測量及儀 表等方面 電流量經電流互感器變成小電壓 再經 1N4007 組成的整流橋和濾波電路 把交流量變換成為直流量以便進行 A D 轉換電阻 R2 滑動變阻器可調節輸入電 壓 1N5993 將電壓穩定在 5V 最終信號輸入 TLC2543 的 AIN1 口 如圖 3 4 所示 D8 1N5993 C8 10uF C7 10uF 1 2 3 4 D2 BRIDGE1 T2 CTL 205 UA UC R3 2k C9 0 1uF R4 2 5k A IN 1 圖 3 4 電流模擬量采集電路 本系統中的 A D 轉換器采用 TLC2543 芯片 25 它是 TI 公司生產的 12 位 開關電容型逐次逼近模數轉換器 具有三個控制輸入端 片選端 串行數cs 據輸入端 DATA INPUT 以及輸入 輸出時鐘端 I O CLOCK 其簡單的 3 線 SPI 串行接口可以非常容易地與微處理器進行通信 11 路輸入通道可采集 11 14 路模擬信號 是 12 位數據采集系統的低成本方案 芯片所用管腳及作用如表 3 2 所示 表 3 2 TLC2543 管腳及作用 管腳號管腳名稱管腳作用 1 6AIN 0 AIN 5模擬量輸入端 13REF 負基準電壓端 14REF 正基準電壓端 15CS片選端 16DATA OUTA D 轉換結果的三態串行輸出端 17DATAINPUT串行數據輸入端 18I O CLOCK輸入 輸出時鐘端 19EOC轉換結束端 交流電壓量 電流量分別經電壓互感器 電流互感器變換成適用于微機處 理的弱信號后 再經整流濾波電路把交流量變換為直流量以便進行 A D 轉換 A D 轉換電路再把模擬量轉換為數字量送入 CPU 由于 TLC2543 是電壓輸入 的 因此在兩路輸入中 電壓可以直接輸入 而電流要在輸入處接一個適當阻 值電阻 使其轉換成電壓再輸入 當 A D 轉換器的輸入電壓有超過它的最高 輸入電壓時 就會損壞 A D 轉換芯片 因此我們在它的輸入端接上對地 5 1 V 的穩壓管 這樣 當有高于基準電壓的輸入電壓出現時 利用穩壓管可以把它 穩定在正常范圍之內 模擬量采集電路以及 A D 轉換電路如圖 3 5 所示 D7 1N5993 C5 10uF C4 10uF 1 2 3 4 D1 BRIDGE1 T1 HPT 304A UA UC R1 4k C6 0 1uF R2 1k D8 1N5993 C8 10uF C7 10uF 1 2 3 4 D2 BRIDGE1 T2 CTL 205 UA UC R3 2k C9 0 1uF R4 2 5k AIN 0 1 AIN 1 2 AIN 2 3 AIN 3 4 AIN 4 5 AIN 5 6 AIN 6 7 AIN7 8 AIN8 9 AIN 9GND 10 AIN 10 12 REF 13 REF 14 CS 15 OUT 16 INPUT 17 CLOCK 18 EOC 19 VCC 20 U5 TL C2543 圖 3 5 模擬量采集轉換電路 15 TLC2543 的 I O 時鐘 數據輸入 片選 由引腳 P1 0 P1 1 P1 2 提供 cs TLC2543 的轉換結果數據通過 P1 3 腳接收 在最后的 I O CLOCK 下降沿之后 EOC 從高電平變為低電平并保持到轉換完成和數據準備傳輸為止 每根線均 采用光耦隔離 這種采樣電路精度高 硬件電路簡單 并使模擬部分與數字部 分實現了完全隔離 數據輸出電路如圖 3 6 所示 U9 PC817 U10 PC817 U11 PC817 U12 PC817 5 R23 4 7k R25 4 7k R27 4 7k R29 4 7k R30 4 7k R28 4 7k R26 4 7k R24 4 7k P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 5 5 5 5 5 5 5 5 INT1 89S52 AIN 0 1 AIN 1 2 AIN 2 3 AIN 3 4 AIN 4 5 AIN 5 6 AIN 6 7 AIN7 8 AIN8 9 AIN 9GND 10 AIN 10 12 REF 13 REF 14 CS 15 OUT 16 INPUT 17 CLOCK 18 EOC 19 VCC 20 U5 TL C2543 圖 3 6 數據輸出電路 3 4 功率因數測量電路設計 由于電力系統中三相負載的不平衡 為了能真實反映三相功率因數值 故 從一相取相電流信號 從另外兩相取線電壓信號 相電流和線電壓之間的夾角 為線電壓滯后相電流的角度 隨功率因數角 的變化而變化 二者之間 有著對應關系 因此 本文采用通過采樣三相中任意一相的電流以及另外兩相 的線電壓之間的相位差 的方法設計了三相系統的功率因數采樣檢測電路 26 如圖 3 7 所示 16 U13 PC817 U14 PC817 AR7 LM339 AR8 LM339 D13 1N4148 D14 1N4148 D15 1N4148 D16 1N4148 5 5 5 5 5 5 U8 74LS136 UA UB iC iC R22 4 7k R21 4 7k R20 4 7k R17 4 7k R16 4 7k R15 4 7k GND GND INT0 圖 3 7 功率因數測量電路 電路的輸入是 A B 相之間的線電壓以及 C 相電流 輸出是包含功 AB u C i 率因數信息的方波信號 工作過程為 由電壓互感器取得的線電壓信號 3 u 輸入到比較器 LM339 的同相輸入端 由電流互感器取得的相電流信號 AB u 首先轉化成電壓 然后輸入到 LM339 的另一個同相輸入端 再分別轉化成 C i 相應的方波信號和 由于比較器接成零比較器而且是同相輸入 因此方波信號 和的上升沿均決定于輸入信號由負變正這一過零時刻 兩個方波信號和 1 u 經異或門后得到一新的方波信號 將方波信號送入到單片機的外中斷 2 u 3 u 3 u INT0 引腳 把單片機的外中斷 INT0 和定時器 T0 聯合使用 就可以檢測出經 異或門之后的方波信號的脈沖寬度 該方波信號的脈沖寬度隨功率因數 3 u 17 角 的變化而變化 二者之間有著對應關系 測量出脈沖寬度后 就可以根據 三者之間的對應關系換算出 功率因數角 但由于利用該方法測量功率因數的接線方式有 12 種 每種接 線方式的相位關系又不一樣 因此功率因數的計算以及超前滯后的判斷方法是 有差別的 14 針對圖 3 7 的電路中 組合的接線方式來討論的計算及 AB u C i 超前或滯后的判斷方法 具體分析如下 設三相的電壓分別為 電流分別為 假設電網三相平 A u B u C u A i B i C i 衡 則它們的表達式如下 3sin 210 ABBAm uuuUt 3 2 sin 120 Cm iIt 其中 表示每相電壓幅值 表示每相電流幅值 表示角頻率 相電 m U m I 流滯后相電壓角 即功率因數角 設為滯后的相角 由于滯后的相角為 而滯后的相角 AB u C i B i B u AB u C u 為 所以有 針對三種負載情況 表達式如下 90 90 當負載為純阻性時 即 時 90 0 當負載為感性時 即 0 90 0 90 當負載為容性時 即 時90 180 90 0 在圖 3 7 中 線電壓和 C 相相電流的采樣信號經 LM339 進行上升 AB u C i 18 沿過零觸發后 得到反映相位的方波信號和 和異或后得到方波信 1 u 2 u 1 u 2 u 號 假定的脈沖寬為 當負載分別為純阻性負載 容性負載和感性負載 3 u 3 u 時 感性負載時取 容性負載時取 45 45 設 T 為正弦波的周期 則 和 T 滿足下面的表達式 當負載為純阻性時 4T 0 當負載為感性時 4T 當負載為容性時 4T 2T 設所對應的角度為 顯然 還可以得到 由與之 360T 間的關系 可以得到 90 90 90 最終得到所測量的脈沖寬度與功率因數角之間的關系 針對三種負載情況 時的關系表達式如下 當負載為純阻性時 0 當負載為感性時0 90 36090T 當負載為容性時 90 90 360 0T 本設計中采集的信號為線電壓和相電流 因此檢測相電流線電壓的 AB u C i 時間差 即可得到時間 根據落在周期的范圍可確定功率因數的超前滯后 T 情況 然后根據公式計算出功率因數角 利用單片機的中斷和定時器定時功 能可完成對的檢測 本系統中設計采用外中斷 INT0 和定時器 T0 的聯合使 19 用 當方波信號由負變正時 啟動定時器 T0 T0 開始計數 當由正變負 3 u 3 u 時 T0 停止計數 由此得到與時間差成正比的計數值 N0 假設電網周期 T 所對應的計數值為 N 則功率因數的超前滯后情況只需通過和00 4NN 來判斷 相電流線電壓的相位差和功率因數角可通過下 40 2NNN 式計算 0 360N N 3 4 0 360 9090 N N 從而得到電網的功率因數 cos 3 5 I O 擴展電路設計 AT89S52 單片機理論上有 4 個 8 位并行 I O 口 但在本設計中需要連接鍵 盤 LCD 觸發電路 由于系統外擴有存儲器或其它接口芯片 P0 口常復用 作地址 數據總線 P2 口用于提供高 8 位地址 P3 口常工作在第二功能 真正 用作 I O 口的只有 P1 大部分的單片機應用系統設計中都不可避免地要進行 I O 口的擴展 單片機應用系統中 I O 口擴展主要有兩種方法 第一種是使用簡單的邏 輯門電路和帶三態控制的緩沖器組成 用于擴展單個 8 位輸出或輸入口 另一 種方法是用專門的可編程并行接口芯片如 8155 8255 等擴展 I O 口 而本設 計主要介紹一下使用 8255 擴展 I O 口的方法 8255 是通用可編程并行接口芯片 為四十腳雙列直插式封裝型 片內有 三個 8 位并列 I O 口 分別稱為 PA 口 PA0 PA7 PB 口 PB0 PB7 PC 口 PC0 PC7 其中 PC 口又分高 4 位口 PC4 PC7 和低 4 位口 PC0 PC3 通過編程可設三種工作模式 應用管腳及作用如表 3 3 接口 電路如圖 3 8 所示 20 表 3 3 8255 管腳及作用 管腳號管腳名稱管腳作用 8 9A0 A1端口選擇信號 5RD讀信號 低電平有效 36WR寫信號 低電平有效 6CS片選信號 低電平有效 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA0 4 PA1 3 PA2 2 PA3 1 PA4 40 PA5 39 PA6 38 PA7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RESET 35 CS 6 U3 8255 RESET 1D 3 2D 4 3D 7 4D 8 5D 13 6D 14 7D 17 8D 18 1Q 2 2Q 5 3Q 6 4Q 9 5Q 12 6Q 15 7Q 16 8Q 19 OE 20 LE 1 U11 74LS373 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 T 1 P11 T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U1 8052 RESET WR RD 5 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 圖 3 8 I O 口擴展電路 3 6 晶閘管觸發驅動電路設計 控制器是無功補償裝置的核心處理單元 但控制器將采樣信號換算后 發 出相應的投切控制信號時 必須有高頻觸發脈沖去觸發晶閘管 如何選擇適當 的時刻觸發晶閘管導通以對電容器進行無沖擊投切動作 是 TSC 設計的關鍵 技術 總的原則是電源電壓與電容器預先充電電壓相等的時刻 而通常的做法 都不可避免地有各種缺點 因此本文采用設計獨立的 TSC 脈沖觸發裝置 利 用 ULN2003AN 其輸出達到 500mA 來驅動脈沖觸發裝置工作 從而控制晶閘 管的導