静止型动态无功补偿装置.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 i 页 静止型动态无功补偿装置静止型动态无功补偿装置 摘摘 要要 随着经济的发展和人们生活水平的提高，各行各业对供电可靠性和供电质量提出 了更高的要求。由于配电网处于电网的末端，用户多为低压用户，许多用电器的功率 因数很低，且不带补偿装置，这给电网带来很大的功率负担和额外线损，为了维护电 力系统稳定、保证电能质量和安全运行，对电网末端变压器进行就地无功补偿很有必 要。本文利用专用三相电能专用芯片 att7022b 为核心构成的采样控制器，实时检测 电网的电压、电流，有功、无功、功率因数，根据用电负荷情况，通过 51 单片机控制 电容器组的自动投、切，实现无功功率的无功补偿，并利用 12232 液晶显示器显示当 前的有功、无功、功率因数等参数。 关键字：关键字：功率因数，无功补偿，att7022b，单片机 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 ii 页 static dynamic var compensator abstract along with economy of the development and people live a horizontal exaltation, every trade put forward a higher request to the power supply credibility and the power supply quality.in order to going together with the bitter end that the charged barbed wire net is placed in charged barbed wire net, customer much is low-pressure customer, many powers factors which use an electric appliances are very low, and dont take repair device, this brings charged barbed wire net very big power burden with additional line , for the sake of maintenance electric power system stability, assurance electric power quality and safety circulate, to the charged barbed wire net bitter end transformer carry on right on the spot without achievement the repair has a necessity very much.this text makes use of appropriation three mutually the chip att7022 of the electric power appropriation b is core constitute of sample controller, solid hour examine the electric voltage, electric current of charged barbed wire net, have a great achievement, have no achievement, power factor, according to use electricity to carry a circumstance, pass 51 single slice machine control capacitor set of automatic hurl, slice, carry out to have no achievement power of without achievement compensate, and make use of 12232 liquid crystal displays manifestation to have a great achievement at present, have no achievement, power factor etc. keywords: power factor,var compensate,att7022b,single chip microcomputer 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 iii 页 目录 摘 要i 1 绪论绪论.1 1.1 无功补偿的意义无功补偿的意义 1 1.2 静止无功补偿技术的发展静止无功补偿技术的发展 2 1.2.1 静止无功补偿的作用与类型2 1.2.2 svc 装置的控制系统简介3 1.2.3 无功补偿的类型.4 1.3.1 课题来源10 1.3.2 主要研究内容11 2 功率因数功率因数.12 2.1 功率因数的定义功率因数的定义 12 2.2 功率因数的意义功率因数的意义 12 2.2.1 功率因数对电气设备的影响.12 2.2.2 功率因数对电力系统的影响.13 2.2.3 补偿的结果14 3 系统的芯片介绍系统的芯片介绍.16 3.1 dsp(att7022b)芯片介绍芯片介绍16 3.1.1 芯片特性16 3.1.2 功能简介16 3.1.3 电源监控电路17 3.1.4 系统复位17 3.1.5 与单片机的接口技术18 3.2 单片机介绍单片机介绍.20 3.2.1 单片机的硬件.20 3.2.2 单片机的总线.21 3.3 lcd 液晶显示器液晶显示器.22 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 iv 页 3.3.1 液晶显示器的基本特性23 4 硬件的系统设计硬件的系统设计.28 4.1 数据采集系统的设计数据采集系统的设计.28 4.1.1 基本理论28 4.1.2 att7022b 的外围电路.29 4.2 控制器的硬件设计控制器的硬件设计 30 4.2.1 系统的基本工作原理.31 4.2.2 无功电流的检测及补偿容量的确定31 4.2.3 时钟和复位电路的设计31 4.2.4 键盘和液晶显示电路32 4.2.5 电源电路的设计34 4.2.6 投切电路的控制设计35 4.3 系统的特点系统的特点.36 结论结论.37 致谢致谢.38 参考文献参考文献.39 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页 1 绪论绪论 1.1 无功补偿的意义无功补偿的意义 国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高速增长。尤 其是近两、三年来，由于电力负荷增长迅猛，而发电装机容量和输配电能力不足，造 成全国近 20 个省市电力供应紧张，部分省市出现限电拉闸 1。与此同时，随着电力市 场的开放，电力用户对电能质量的要求也在提高；电力生产与供应企业也比以往任何 时候都重视电力系统运行的经济性。 电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系 统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足 够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合 理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。 无功功率从何而来？显然，发电机提供的无功功率相对负荷和网络对无功功率的 需求来说只是“杯水车薪”，仅仅依靠发电机提供无功功率也是极不经济的。无功功率 最主要的来源是利用各种无功功率补偿（以下简称无功补偿）设备在电力系统的各个 环节进行无功补偿。因此，无功补偿是电力系统的重要组成部分，它是保证电能质量 和实现电力系统经济运行的基本手段。 低压电力用户量大面广，其负荷的功率因数又大都比较低，因此在低压电网中进 行无功功率的就地补偿是整个电力系统无功补偿的重要环节。 低压电网的无功补偿主要采用并联电容器进行，它包括固定电容器（fc）补偿和 自动投切电容器的动态补偿以及两者混合补偿等方式。 电力负荷是随时变化的，所需要的无功功率也是随时变化的，为了维持无功平衡， 要求无功补偿设备实行补偿，即要根据无功负荷的变化及时投切电容器。以往的低压 动态无功补偿设备以机械开关（接触器）作为电容器的投切开关，机械开关不仅动作 速度慢，而且会产生诸如涌流冲击、过电压、电弧重燃等现象，开关本身和电容器都 容易损坏。据调查，我国过去使用的自动投切电容器无功补偿装置在使用 3 年后损坏 率达 75。 随着电力电子技术和微机控制技术的迅速发展和广泛应用，出现了智能型的动态 无功补偿装置。这种以电力电子器件作为无功器件（电容器、电抗器）的控制或开关 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 器件的动态无功补偿装置被称为静止无功补偿装置（svc：static var compensator） 。 svc 是动态无功补偿技术的发展方向，它正成为传统无功补偿装置的更新换代产 品。正因为如此，本课题选择这一技术领域进行研究。 1.2 静止无功补偿技术的发展静止无功补偿技术的发展 1.2.11.2.1 静止无功补偿的作用与类型静止无功补偿的作用与类型 对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能： （1）对动态无功负荷的功率因数校正。 （2）改善电压调整。 （3）提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 （4）降低过电压。 （5）减少电压闪变。 （6）阻尼次同步振荡。 （7）减少电压和电流的不平衡。 应当指出，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿装置往往只能 以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。此外，这些功能 有的属于对一个或几个在一起的负载的补偿效果（负载补偿） ，有的则是以整个输电系 统性能的改善和传输能力的提高为目标（输电补偿） ，而改善电压调整，提高电压的稳 定度，则可以看作是两者的共同目标。在不同的应用场合，对补偿装置容量的要求也 不一样。以电弧炉、电解、轧机等大容量工业冲击负荷为直接补偿对象的无功补偿装 置，要求的容量较小，而以电力系统性能为直接控制目标的系统用无功补偿装置，则 要求具有较大的容量，往往达到几十或几百兆乏。 早期的无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机能进行动态的无功补偿， 至今在无功补偿领域中还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。 但同步调相机是一种旋转的机械，其损耗、噪声都很大，它正被静止无功补偿装置 （svc）所取代。 svc 近年来获得了很大发展，已广泛用于输电系统和供电系统的无功补偿。早期 的 svc 是饱和电抗器（sr）型的，尽管它具有静止型的优点，但它需要工作在饱和状 态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的问题，因而未能占据 svc 的主流。采用并 联电容器进行无功补偿有一系列的优点，因而在电力系统的无功补偿中获得广泛应用。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 并联电容器补偿可采用固定电容器（fc）补偿和开关投切电容器的自动补偿。前 者是不能调节的，不能进行动态补偿；后者用开关投切电容器，能进行动态无功补偿。 传统的电容器动态无功补偿装置采用机械开关（接触器或断路器）投切电容器。机械 开关的开关速度较慢，不可能快速跟踪负荷无功功率的变化；而且投切电容器时常会 引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样开关触头易受电弧作用而损坏，而且可 能使电容器承受过电压而击穿。 随着电力电子技术的迅速发展，晶闸管开始用于 svc 装置中，出现了晶闸管控制 电抗器（tcr）和晶闸管投切电容器（tsc）这两种基本结构型式的 svc，以及它们 的混合装置，如 tcrtsc、tcrfc 等。 使用晶闸管对无功器件（电容器和电抗器）进行投切或控制的优点是响应速度快， 可以频繁投切。因此，使用晶闸管的静止无功补偿装置近年来发展很快，静止无功补 偿装置（svc）这个词往往专指使用晶闸管等电力电子开关器件的静止无功补偿装置。 1977 年，美国 ge 公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无 功补偿装置。1978 年，在美国电力研究院（epri）的支持下，西屋电气公司 （westinghouse electric corp）制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。 随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套 这类装置。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，自 20 世纪 80 年代以来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据静止无功补偿装置 的主导地位。 1.2.21.2.2 svcsvc 装置的控制系统简介装置的控制系统简介 svc 控制系统由位于远程通过网络连接的远程主机、上位机、监控保护系统以及 位于现场的下位机 dsp 控制器、tcr 脉冲发生板、tsc 脉冲发生板等组成，如图 21 所示。远程主机是指通过互联网络与上位机进行相连接的工控机，通过网络可以 监控位于不同地域 svc 运行状态、实时数据进行查看、修改、记录存盘。 上位机指的是一台远离现场的工控机，它通过串口与下位机进行通信，并且通过 局域网与现场的监测系统进行相连，其主要作用就是根据用户或设备调试人员的要求， 修改控制算法、计算控制参数、定制控制方式，并将这些信息传递给下位机：同时， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页 上位机也可以通过和监测系统通信，对现场设备的运行情况进行实时监测，从而在远 程对现场的 svc 装置进行控制。 监控保护系统主要功能是通过与上位机进行实时通讯，并根据预先设定的保护阀 值进行判断系统是否正常运行，如果有超过保护阀值的还有根据其保护的等级判断其 是报警、装置与系统脱离等。总之，监控保护系统就是时刻监控并保护整个 svc 装置 在正常的运行范围之内。 下位机指的是位于现场的 svc 控制器，它是整个 svc 控制系统的重中之重。 svc 控制器由三个部分构成：dsp 主控制板、tcr 脉冲发生板和 tsc 过零触发板。 其中 dsp 主控制板根据上位机的参考设定及系统运行状态确定 svc 应当输出的 tcr 相位信号和 tsc 的投切指令；tcr 脉冲发生板根据 dsp 主控制板输出的移相角信号 和同步电压信号发出高频的电脉冲信号；tsc 过零触发板则根据 dsp 主控制板输出的 投切指令产生投切电容器的高频电脉冲信号。 图 1.1 svc 装置的控制系统组成 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页 1.2.31.2.3 无功补偿的类型无功补偿的类型 1同步调相机 调相机是电网中最早使用的无功补偿装置。调相机的基本原理与同步发电机没有区 别，它不发有功功率只输出无功电流，因此不需要原动机拖动，没有启动电机的调相 机也没有轴伸，实质就是相当于一台在电网中空转的同步发电机。 调相机的工作是通过改变激磁电流的大小来实现无功功率的调节。当增加激磁电流 时，其输出的容性无功电流增大。当减小激磁电流时，其输出的容性无功电流减小。 当激磁电流减小到一定程度时，输出无功电流为零，只有很小的有功电流用于弥补调 相机的损耗。当激磁电流进一步减小时，输出感性无功电流。在系统电压偏低时，过 励磁运行供给无功功率而将系统电压调高；在系统电压偏高时，欠励磁运行吸收系统 多余的无功功率而将电压调低。 调相机容量大、有较大的过负荷能力、对谐波不敏感、可以双向、连续调节：能独 立地用调节励磁来调节无功的大小；并且具有当电网电压下降时输出无功电流自动增 加的特点。但其价格高，效率低，运行成本高；起动、运行、维修复杂；动态调节响 应慢：不适应太大或太小的补偿；发生失磁故障时将加重系统的电压波动。 2并联电容器补偿 并联电容器补偿是目前应用最广的一种无功补偿方式，其电压等级和补偿容量可以 通过电容器的串联、并联来实现，理论上可以达到任何的电压等级和补偿容量。由于 没有旋转部件，因此运行时基本上没有噪声。并且目前随着无功补偿电容器技术的发 展，高压电容器的损耗率已降至0.05以下，又有调相机的有功损耗满载时所占额定功 率的1.85.5，50额定负载时占2.99，25额定负载时高达515，而且自愈 式电容器其自身都有自愈能力使得其可靠性大大提高。1999年底全国电网调相机与并 联电容器容量之比已达l：25.6左右。 由于电容器阻抗与频率成反比，因此对于系统中的高次谐波呈现低阻抗，易于系统 阻抗形成串并联谐振，对系统中的谐波进行放大。同时由于大量谐波的流入易引起电 容器的过负荷运行，使电容器发热超过设计值，减少电容器的使用寿命。 并联电容器补偿具有功率损耗小、投资少、可自动投切、维护简易、容量可任意选 择等特点，但不能连续调节、负荷调节特性差，这是由于当无功负荷增大，电容器的 补偿容量与电压的平方成正比()，因电压下降而无功输出减小，故调压效 2 c qcu 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页 果下降：对系统中的高次谐波有放大作用，在谐波电流过大时，可能引起内部过热， 严重时甚至引起爆炸。 3并联电抗器 并联电抗器调压主要用在超高压(330kv及以上)系统的线路上，其主要功能是：吸 收容性电流，补偿容性无功，使系统达到无功平衡；削弱电容效应，限制系统的工频 电压升高及操作过电压。其不足之处是容量固定的并联电抗器，当线路传输功率接近 自然功率时，会使线路电压过分降低，且造成附加有功损耗，但若将其切除，则线路 在某些情况下又可能因失去补偿而产生不能允许的过电压。 4静止无功补偿器 静止无功补偿器(svc)是用户电力技术(customer power，cuspow)的一种，是20世 纪70年代初期发展起来的新技术。“静止”是针对旋转的同步调相机而言的，国内多称 其为动态无功补偿器，这是针对固定电容器组(fixed capacitor，fc)而言。svc是通过 控制晶闸管的导通角来快速调节并联电抗器的大小或投切电容器组。它对调节负荷功 率因数、稳定和平衡系统电压、消除流向系统的高次谐波电流、平衡三相负荷等有显 著的作用14j。将它装设于高压输电系统可用以控制长距离输电线路甩负荷、空载效应 等引起的动态过电压，改善系统的暂态稳定性，抑制系统的无功功率及电压振荡。它 具有价格适中，性能可靠等特点。svc最基本的两种类型结构为晶闸管相控电抗器型 (thyristor phase controlled reactor，tcr)和晶闸管投切电容器型(thyristor switched capacitor，tsc)。tcr和tsc可以相互之间组成tcr+tsc，或者与fc组成tcr+fc和 tcr+tsc+fc等混合型结构，对于负载补偿绝大多数采用tcr+fc型。以下就各类型结 构及其特点进行说明。 5tcr型 tcr是由一对相反极性并联的晶闸管(串)和控制的电抗器串联组成。其电路原理图 及电流波形如图1.2所示。thl与th2为两个反并联的晶闸管。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页 图 1.2 tcr 的电路图和电流波形 在电压的每个正的或负的半周期中，从电压峰值到电压过零点的问隔内，触发晶闸 管(串)，承受正向电压的晶闸管(串)导通，电抗器进入投入状态。一般用控制角口来表 示晶闸管(串)的触发瞬间，它是从电压过零点到触发时刻的角度，它的大小决定了流过 电抗器电流f的大小，相当于改变电抗器的电抗值。如果晶闸管(串)在电源电压峰值时 准确地导通，即其脉冲触发相角为90时，为完全导通，此时回路电流i与晶闸管短路 时相等，电流基本上是无功的。滞后于电压约90，其中包含少量的同相分量，这是由 电抗器和晶闸管(串)的有功损耗引起的。当为90180时晶闸管为部分导通，此时i 要小于90时的值以公式表达为： 00 ( )(coscos) 2/2 03 / 2 l t i ttuxt t 式中，utcr的交流端电压有效值； 电抗器的基频电抗，； l x l xl 晶闸管导通角； 将式(11)用傅立叶级数展开，可得f的基频分量为: 1 2()sin2 l iu x 因此，改变的大小就控制了回路基频电流的大小，即控制了回路的基频感性无功 输出的大小。对基波而言，晶闸管控制的电抗器可以看成一个可控电纳，其等效的电 纳值和控制角口的关系如下: 2()sin2 ( ) l l b x 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页 图 1.3 与之间的关系曲线 l b 与，之间的关系曲线如图1.3所示。基于这种关系的控制就叫做相控。 l b tcr通常有六脉冲电抗器及十二脉冲电抗器两种类型。 6tsc 晶闸管投切电容器由一对相反极性并联的晶闸管(串)与电容器以及一电抗器串联而 成。其电路原理图及工作特性如图1.4所示，根据负载感性无功功率的变化，切除或投 入电容器组。 图1.4 tsc电路原理及工作特性曲线 用反极性并联的晶闸管(串)作为投切电容器组的开关，它比断路器开关响应更迅速， 可靠性更高。电抗的作用是防止电容器突然投入时电流变化率di/dt在晶闸管可以接受 的程度以内。用晶闸管(串)投切电容器组时，通常选取晶闸管阀两端电压过零点作为触 发晶闸管的时刻，大大降低合闸涌流和合闸过电压。在晶闸管两端电压为零时刻给予 晶闸管触发脉冲，使其导通，电容器被投入；停止发出脉冲，晶闸管在电流过零时自 然关断，电容器被切除。tsc的优点是tsc中的电容器只有投入(晶闸管导通)和切除(晶 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页 闸管不导通)两个状态，所以不产生谐波，但无功功率的补偿容量是跳跃的，大小等于 单个电容器组的容量，且响应速度较差。在负荷产生谐波电流大的场合，如冶金企业、 电气化铁道等，tsc的运行将是不可靠的，因为谐波的注入使得并联电容器出现过流、 过压及过热情况而导致电容器击穿、“鼓肚”甚至爆炸事件。 7tcr+tsc混合型 tcr+tsc混合型svc装置一般使用拧组电容器及一组晶闸管相控电抗器，其基本 运行原理是：当系统电压低于设定的运行电压时，则需根据需要补偿的容性无功量， 投入适当组数的电容器组，并略有一点正偏差(即过补偿)，此时再用晶闸管相控电抗器 的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率；而当系统电压高于设定的运行 电压时，则切除所有的电容器组，tcr+tsc混合型svc装置此时只有tcr运行。其原 理及电压电流特性曲线示于图l.5所示。 这种型式的svc装置，tcr的运行特性会“插入”电容器特性之间。如果tcr的特性 有一个小的j下斜率，则合成的特性将如图中的实线所示。从图中可知，tcr的电流额 定值应当稍大于一组电容器在额定电压下的值，否则就会得到图中阴影所示的死区。 图l.5 (tcr+tsc)原理图和可能的工作特性曲线 8tct tct是一种特殊tcr，如图1.6所示，由晶闸管控制高漏抗变压器的二次侧电流。 高漏抗变压器的漏抗可达70以上，晶闸管接在变压器二次侧，并联均流时可承受大 的电流，而变压器一次侧可接至高电压的母线上。由于tct的漏磁很大，因此必须加 强变压器箱体对漏磁的屏蔽。而当tct用于电弧炉等三相不平衡负荷的无功补偿、并 将tct作成三相变压器型式时，其铁芯必须有两边芯柱作为零序磁通的闭合铁心磁路。 但由于高漏抗变压器造价较高，在工程上一般大于30mvar的svc多不采用tct而采用 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页 tcr。 图l.6 tct原理图 9静止无功发生器 静止无功发生器(static var generator，svg)也被称为静止同步补偿器(statcom)， 是在20世纪80年代以来出现的更为先进的静止无功补偿装置。图1.7所示，为svg的基 本构成，它由直流电容、电压型变流器和与系统连接的变压器构成。装置中6个可关断 晶闸管(gto/igbt)分别与6个二极管反向并联，适当控制gtolgbt的通断，可以把 电容器c上的直流电压转变成为与电力系统电压同步的三相交流电压，装置的交流侧通 过电抗器或变压器并联接入系统。适当控制逆变器的输出电压就可以灵活地改变svg 的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。与svc相比，svg的响应 速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更小，尤其重要的是，电压较低时svg仍可 向系统注入较大的无功电流。在稳态情况下，svg的直流侧和交流侧之间没有有功功 率交换，无功功率在三相之间流动，因此它的直流储能元件(电容器)只需要较小容量的 电容即可。 图l.7 svg系统原理图和电压电流特性曲线 与svc相比，svg的调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11 页 含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。此外，svg装置用 铜和铁较少，且有优良的补偿特性，因此是新一代无功补偿装置的代表，有很大的发 展前途。 1.3 课题来源及主要研究内容课题来源及主要研究内容 1.3.11.3.1 课题来源课题来源 本课题是针对国内现有的电容器自动投切装置存在下列问题而提出的： （1）采用接触器或断路器作投切开关，无法实现零电压（电网电压与电容器电压之 差）投切，这样会产生很大的涌流冲击，容易损坏电力电容器和投切开关等设备。 （2）采用机械开关投切无法实现分相投切，这样在三相负荷不平衡时达不到补偿效 果，并可能出现某些相过补偿。 （3）投切判据单一，通常根据以下五种方法之一来对电容器进行投切：电网电压高 低、无功功率方向、功率因数大小、负荷电流大小、昼夜时间划分。很明显，这种投 切方式无法做到最优化补偿，有时还会出现过补偿。以功率因数作为投切判据的无功 补偿装置，在小负荷情况下会出现投切振荡。 1.3.21.3.2 主要研究内容主要研究内容 1.功率因数的检测技术。 2.无功补偿的控制方案。 3.专用芯片 dsp(att7022b)的技术性能、与单片机的接口及读写技术。 4.单片机自动补偿控制方案。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12 页 2 功率因数功率因数 2.1 功率因数的定义功率因数的定义 在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号 cos 表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即功率因数的大小与电路 的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为 1，一般具有电感或 电容性负载的电路功率因数都小于 1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功 率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转 换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门 对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 (1) 最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为 100 个单位，也就是说，有 100 个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能 使用 70 个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用 70 个单位，却要付 100 个单位的费用。 在这个例子中，功率因数是 0.7 (如果大部分设备的功率因数小于 0.9 时，将被罚款)， 这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。 功率因数是电能的计量标准。 (2) 基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有功功率(叫千瓦)及 电抗性的无功功率。功率因数是有功功率与视在功率间的比率。功率因数越高，有功 功率与视在功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。 (3) 高级分析：在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种 波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。无功 功率补偿能使两个峰值逐渐接近在一起，从而提高系统运行效率。 2.2 功率因数的意义功率因数的意义 2.2.12.2.1 功率因数对电气设备的影响功率因数对电气设备的影响 功率因数是交流电路的重要技术数据之一。功率因数的高低，对于电气设备的利 用率和分析、研究电能消耗等问题都有十分重要的意义。 在二端网络中消耗的功率是指平均功率，也称为有功功率，它等于 由此可以看出，电路中消耗的功率 p，不仅取决于电压 v 与电流 i 的大小，还与功率 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页 因数有关。而功率因数的大小，取决于电路中负载的性质。对于电阻性负载，其电压 与电流的位相差为 0，因此，电路的功率因数最大（） ；而纯电感电路，电压 与电流的位相差为 2，并且是电压超前电流；在纯电容电路中，电压与电流的位相 差则为（2） ，即电流超前电压。在后两种电路中，功率因数都为 0。对于一般性 负载的电路，功率因数就介于 0 与 1 之间。 一般来说，在二端网络中，提高用电器的功率因数有两方面的意义，一是可以减小 输电线路上的功率损失；二是可以充分发挥电力设备（如发电机、变压器等）的潜力。 因为用电器总是在一定电压 u 和一定有功功率 p 的条件下工作，由公式 可知，功率因数过低，就要用较大的电流来保障用电器正常工作，与此同时输电线路 上输电电流增大，从而导致线路上焦耳热损耗增大。另外，在输电线路的电阻上及电 源的内组上的电压降，都与用电器中的电流成正比，增大电流必然增大在输电线路和 电源内部的电压损失。因此，提高用电器的功率因数，可以减小输电电流，进而减小 了输电线路上的功率损失。 2.2.22.2.2 功率因数对电力系统的影响功率因数对电力系统的影响 功率因数过低，对电力系统的影响很大，而尤其对电网企业影响最大： (1)当用户功率因数偏低时，需要从网上吸收无功功率，这样发电机组就要多发无 功，而发无功也是需要能量的，它少发了有功，相当于降低了发电机的出力； (2)无功负荷在网上传送，白白占用了输、变、配电设备的资源，使上述设备利用 率降低，而设备运行效率是以有功计算的，因而它使设备达不到额定功率，功率降低； 为达到规定的功率，就要增大设备容量，提高了设备投资额； (3)无功影响电压，无功的传输和大量消耗，使系统电压不能满足要求，线路未端 会电压很低，造成设备不能起车或达不到额定功率； (4)无功的缺乏，会使线路及电气设备中的电流增大，使损耗增大，即线损增加， 增大电费支出。 用电者是 1 千瓦的负载，那么不管功率因数是 0.5，还是 0.9，他工作 1 小时实际 上电表显示都是 1 度电，而国家规定是按有功电量收费电费。 正是因为上面 4 点原因，用户功率因数是 0.5 或是 0.9，在线路上的损耗却是不一 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14 页 样的，如果各个用户功率因数都低，合在一起就不的了了，因而要求用户无功功率“就 地补偿”自己补偿自己的。 2.2.32.2.3 补偿的结果补偿的结果 根据检测自然平均功率因数在 0.700.85 之间。企业消耗电网的无功功率约占消 耗有功功率的 60%90%,如果把功率因数提高到 0.95 左右，则无功消耗只占有功消耗 的 30%左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。 1、节省企业电费开支。提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家 电价制度中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不 同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见， 提高功率因数对企业有着重要的经济意义。 2、提高设备的利用率。对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数 的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电 设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要；如果原网络已趋于过载，由于 功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不致于过载运行，从而发挥原有设备 的潜力；对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一 定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但 减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。 3、降低系统的能耗。补偿前后线路传送的有功功率不变，p= iucos，由于 cos 提高，补偿后的电压 u2 稍大于补偿前电压 u1,为分析问题方便，可认为 u2u1 从而 导出。即,这样线损 p 减少的百分数为： 1122 coscosii 12 21 cos cos i i 当功率因数从 0.700.85 提高到 0.95 时，由 221 122 cos2 %(1) 100%(1) 100% cos2 i p i (2)式可求得有功损耗将降低 20%45%。 4、改善电压质量。以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为 r、x,有功和无功为 p、q,则电压损失 u 为：u=（pr qx）/ue10-3(kv) 两部分损 失：pr/ ue输送有功负荷 p 产生的；qx/ue输送无功负荷 q 产生的；配电线路： x=（24）r，u 大部分为输送无功负荷 q 产生的变压器：x=（510）r qx/ue=(510) pr/ ue 变压器u 几乎全为输送无功负荷 q 产生的。可以看出，若减少 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 15 页 无功功率 q,则有利于线路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。因此，无功补偿 能改善电压质量（一般电压稳定不宜超过 3%） 。但是如果只追求改善电压质量来装设 电容器是很不经济的，对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数，减少线损，调 压只是一个辅助作用。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16 页 3 系统的芯片介绍系统的芯片介绍 3.1 dsp(att7022b)芯片介绍芯片介绍 目前的常用的功率因数的检测方法：任意两相的电压与另一相的电流之间的相位差 。存在的问题：因为存在高次谐波的作用，过零检测时存在多个零点，使检测的结果 不准确，甚至导致错误的判断。有的资料指出进行滤波处理，但这样会使电压产生相 移，导致结果不准确。三相电能专用芯片 att7022b 采用的是 dsp 基波分离技术，能 够精确测量三相的有功、无功、视在功率、功率因数等参数，无须计算，能够满足系 统的需要，利用已有的成果可以避免重复劳动。 3.1.13.1.1 芯片特性芯片特性 高精度,在输入动态工作范围(1000:1)内,非线型测量误差小于 0.1%；有功测量满足 0.2s、0.5s，支持 iec 62053-22，gb/t17883-1998；无功测量满足 2 级、3 级，支持 iec 620533-23，gb/t17882-1999；提供基波、谐波电能以及总电能测量功能；提供视 在电能测量功能；提供正向和反向有功/无功电能数据；提供有功、无功、视在功率参 数；提供功率因数、相角、线频率参数；提供电压和电流有效值参数；有效精度优于 0.5%；提供电压、电流相序检测功能；提供三相电压、电流矢量和之有效值输出；提 供电压相序检测功能；提供电流相序检测功能； 提供三相电流矢量和之有效值输出； 提供三相电压矢量和之有效值输出；提供电压夹角测量功能；提供失压判断功能；具 有反向功率指示；提供有功、无功、视在校表脉冲输出；提供基波有功、基波无功校 表脉冲输出；合相能量绝对值相加与代数相加可选；内置温度测量传感器；可准确测 量到含 21 次谐波的有功无功和视在功率；支持增益和相位补偿；小电流非线性补偿； 具有 spi 接口 方便与外部 mcu 通讯；适用于三相三线和三相四线模式；单+5v 供 电。 3.1.23.1.2 功能简介功能简介 (1) 是一颗高精度三相电能专用计量芯片 适用于三相三线和三相四线应用；（2） att7022b 集成了六路二阶 sigma-delta adc 参考电压电路以及所有功率、能量、有 效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电。 （3）att7022b 能够测量各相以 及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各 相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 17 页 能表的需求。 （4）att7022b 支持全数字域的增益、相位校正、即纯软件校表。有功、 无功电能脉冲输出 cf1、cf2 提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表， 进行误差校正。 （5）att7022b 可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出 cf3 和 cf4 提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校。 （6）att7022b 提供两类视在能量输出，rms 视在能量以及 pqs 视在能量，cf3 和 cf4 也可被配置为视在能量脉冲输。att7022b 提供一个 spi 接口，方便与外部 mcu 之间进行计量参数以及校表参数的传递。所有计量参数都可以通过 spi 接口读出。 （7）att7022b 内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。. 3.1.33.1.3 电源监控电路电源监控电路 att7022b 片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源 avcc 进行监控。电源电 压低于 4v 时，芯片将被复位。这有利于电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。 电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源噪声引发的 错误。如图 3.1 所示，为保证芯片正常工作应对电源去耦，使 avcc 的波动不超过 5v。 图 3.1 电源监控原理图 3.1.43.1.4 系统复位系统复位 att7022b 提供两种复位方式，硬件复位和软件复位。 硬件复位通过外部引脚 reset 完成，reset 引脚内部有 47k 电阻上拉，所以 正常工作时为高电平，当 reset 出现大于 20us 的低电平时，att7022b 进入复位状 态，当 reset 变为高电平时，att7022b 将从复位状态，进入正常工作状态。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18 页 软件复位通过 spi 口完成，当往 spi 口写入 0xd3 命令后，系统进行一次复位， 复位之后 att7022b 从初始状态开始运。 att7022b 在复位状态下 sig 为高电平，当 att7022b 从复位到工作状态之后， 大约经过 500us 左右 sig 将从高电平变为低电平，此时芯片开始进入正常工作状态， 方可写入校表数据，一旦写入校表数据之后 sig 又会立刻变为高电平。 如 3.2 图所示，为 att7022b 的复位时序图。 图 3.2 att7022b 的复位时序图 3.1.53.1.5 与单片机的接口技术与单片机的接口技术 att7022b 内部集成了一个 spi 串行通讯接口。att7022b 的 spi 接口采用从属方 式工作，使用 2 条控制线和 2 条数据线：cs、sclk、din 和 dout，如图 3.3。 图 3.3 att7022b 与单片机的接线图 cs：片选（输入脚） ，允许访问串口的控制线。cs 由高电平变为低电平时表示 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页 spi 操作开始，cs 由低电平变为高电平时表示 spi 操作结束。所以每次操作 spi 时 cs 必须出现下降沿，cs 出现上升沿时表示 spi 操作结。 din：串行数据输入(输入脚)，用于把用户的数据(如数据/命令/地址等)传输到 att7022b。 dout：串行数据输出(输出脚)，用于从 att7022b 寄存器读出数据。 sclk：串行时钟(输入脚)，控制数据移出或移入串行口的传输率。上升沿放数据， 下降沿取数据。sclk 下降沿时将 din 上的数据采样到 att7022b 中，sclk 上升沿 时将 att7022b 的数据放置于 dout 上输。 考虑 spi 传输信号线有可能受到干扰或者出现抖动，所以在 spi 信号线上串联一 个小电阻。这个电阻与 ic 输入端的寄生电容 c 结合起来可构成一个低通滤波器，可以 消除 spi 接口信号上的任何振荡，一般使用 10-100 的电阻。如果数字输入端的内部电 容不够大，还可在这个输入端加一个外接电容，可选 10pf 左右的电容。 芯片与单片机一般有 6 条线一条 reset 复位控制线，一条握手信号 sig。上图中 的四条使 spi 接口线，spi 通讯格式使相同的，当通讯开始时 sclk 为低电平，cs 由 高到低，经过 32 个时钟脉冲 sclk 表示送出 8 位地址，24 位数据，msb 在前，lsb 在后，cs由低变高，完成一个寄存器的读或写操作。芯片在时钟的下降沿从 din 线 上取单片机送出的数据，在上升沿从 dout 线上向单片机送出数据。 spi 读操作的时序图如 3.4 所示。 图 3.4 att7022b 读操作的时序图 在 sclk 低于 200khz 时，可以不需要等待，即等待时间为 0s；当 sclk 频率 高于 200khz 时。则需要等待大约 3us。 spi 写操作的时序图如 3.5 所示。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页 图 3.5 att7022b 写操作的时序图 3.2 单片机介绍单片机介绍 单片机在集成度、功能、性能、体系结构方面都有了飞速发展，已能集成一个完 整的功能强大、性能优良的计算机应用系统。但目前国内许多单片机应用单位仍停留 在采用片内无 rom 等低档单片机的状态，无论在系统设计上、使用维护上、经济效益 上这都是不合算的。这种状况必须改变。本文就单片机的发展现状进行综述，希望能 对提高国内单片机技术的应用水平有所促进。 3.2.13.2.1 单片机的硬件单片机的硬件 单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。它是在一块芯片上集 成（嵌入）了 cpu、ram 和 rom 存储器、io 接口等而构成的微型计算机。因主 要用于工业测控领域，故又称为微控制器或嵌入式控制器。单片机的核心是中央处理 器 cpu。用超大规模集成技术把 cpu 集成在一块芯片上，称为微处理器。微处理器、 微控制器和微型计算机三者的关系十分密切。目前，单片机在