磁控调压式无功自动补偿装置控制器设计VIP

摘 要摘 要在用电量逐渐提高及电网建设不断发展的情况下，电网的安全性、稳定性及运行的可靠性逐渐受到重视，而解决这一问题的关键就是协调无功功率的平衡。因为用电设备不仅要从电网取得有功功率，同时还需要取得无功功率。当电网中的无功功率不足以供应用电设备时，用电设备就不能建立正常的电磁场，也就是不能保证维持在额定情况下进行正常工作，用电设备的端电压就会下降，因而影响到用电设备的正常运行。因为发电机和输电线所供给的无功功率达不到负荷所需的要求，因而在电网中需要设置无功补偿装置来补充用电设备需要的无功功率，来保证用户对无功功率的需要，保证电网的稳定性以及用电设备在额定电压下工作。磁饱和式可控电抗器是一种新型的无功补偿装置，因为它的结构简单、损耗小、响应速度较快且具有近似线性的伏安特性，因此在电网进行无功补偿和电压调整方面发挥了很大的作用。本文在分析现有各种无功补偿方法的基础上，采用磁饱和式可控电抗器进行无功补偿，通过分析磁饱和式可控电抗器在各个状态下工作过程，得出了晶闸管控制电压和线路电压之间的关系，设计了饱和电抗器的控制部分，主要包括控制核心AT89C52单片机、信号采集电路、晶闸管触发脉冲输出电路、显示电路、硬件抗干扰电路等；最后设计了系统的软件部分。关键词：无功补偿，磁饱和可控电抗器，控制器，AT89C52单片机IVAbstractAbstractWith modern power consumption gradually improve and the development of the power grid construction, grid stability, safety and reliability of the operation more attention, and reactive power balance is the key problem. In normal circumstances, electrical equipment from power not only to get active power, which needs to be obtained from the power supply reactive power. If in the grid reactive power demand exceeds supply, power equipment is not enough reactive power to establish normal electromagnetic fields, the electric equipment cannot be maintained in the rated work, electrical equipment will decline voltage, which affects the normal operation of the power equipment. But from the generator and the high voltage power supply of reactive power far cant satisfy the need of the load, so in the power grid to set some of the reactive power compensation device to supplement the reactive power, in order to ensure that the user to the reactive power needed, so that power equipment can work under rated voltage.Magnetic saturation type controlled reactor is a new type of reactive power compensation devices, its simple structure, consumption is small, fast response with approximate linear current-voltage characters, is the power grid in reactive compensation and voltage adjustment of very good choice.Based on the analysis of the existing ones of reactive power compensation method based on the magnetic saturation type controlled reactor in reactive compensation, through the analysis of magnetic saturation type controlled reactor in each state work process, it is concluded that the thyristor controlled voltage and line voltage, the relationship between the saturable reactor design the control part, mainly including AT89C52 single chip microcomputer control core, signal acquisition circuit, thyristor trigger pulse output circuit, show circuit, the hardware circuit and other anti-interference; The last part of the system design software.Key words: the reactive power compensation, magnetic saturation controlled reactor, microcontroller AT89C52 Microcontroller目 录目 录摘 要IABSTRACT目 录III第一章 绪 论11.1 课题的意义11.2 国内外研究现状及发展趋势11.2.1无功补偿装置分类21.2.2可控电抗器分类31.3 磁饱和式可控电抗器控制电路的实现方式4第二章 磁控电抗器的设计52.1 系统总体框图52.2 磁饱和可控电抗器基本结构52.3 磁饱和可控电抗器的工作原理62.4 磁饱和可控电抗器应用于无功补偿中82.5 控制系统硬件设计102.6 系统电源设计112.6.1降压整流滤波电路112.6.2稳压输出电路的设计112.7 单片机工作系统132.7.1 AT89C52单片机简介132.7.2复位电路142.7.3时钟电路142.7.4 AT89C52主控制电路152.8 信号采集电路162.8.1电压采集电路162.8.2采样保持电路:172.8.3电流采集电路192.8.4 A/D采样电路202.9 晶闸管触发电路212.10 辅助电路222.10.1键盘电路222.10.2显示电路222.10.3通信电路232.10.4硬件抗干扰措施242.11 本章小结25第三章 系统的软件设计263.1 主程序设计263.2 晶闸管同步触发程序的设计263.3 触发电路的程序设计283.4 通信程序设计303.5 本章小节30总 结31参考文献32致 谢33第一章 绪论第一章 绪 论 1.1 课题的意义近年来，我国电力工业得到不断发展，无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证安全运行所不可缺少的部分。因为用电设备不仅要从电网中获取有功功率，同时还需要取得无功功率。当电网中的无功功率不足以供应用电设备时，用电设备就不能建立正常的电磁场，用电设备也就是不能进行正常情况工作，这就导致用电设备两端的电压下降，因而影响到用电设备的工作。本课题设计的目的就是实现动态的无功补偿，通过减少传输线中的无功电流，来减少线路损耗，避免电压的巨大波动，防止出现电压崩溃和稳定破坏事故。提高用电功率因数可以提高电力系统和用电企业设备的利用率，使得在同样发电设备条件下，提高发电的能力，减小电能的损耗、提高用电质量。1.2 国内外研究现状及发展趋势由于电力系统的需求，可控电抗器逐渐发展起来。国外，由前苏联科学家提出了应用直流控制磁饱和型可控电抗器的饱和程度逐渐被推广和应用1。该类补偿装置是利用铁芯的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。磁饱和电抗器组成的静止无功功率补偿装置属于第一代SVC。早在1916年就由美国的E.F.W亚历山德逊提出了“磁放大器”的报告2。20世纪40年代，应用高磁感应强度及低损耗来调整电压，达到保证系统无功功率平衡，减少损耗，提高供电可靠性的目的。1955年由美国的HF斯托姆编写的磁放大器一书以及1956年苏联的MA罗津布拉特著的磁放大器3，推动着磁放大器的发展，使磁放大器在自动化的各个应用领域得到了充分的应用。随着控制系统的逐渐发展，科技工作者尝试将磁放大器的工作原理应用到电力系统的自动无功控制中。1955年，英国制造了世界上第一台可控电抗器，其额定容量为100MVA，工作电压为6.6kV，后来美国通用电气公司也制成了这样的SVC。在1986年，原苏联学者提出了一种新型结构的磁阀式可控电抗器5，这种新型结构的磁阀式可控电抗器在很多方面得到了突破。与以往的只能应用于低电压电抗器相比，它可以应用于高压1150kW的电网，而且可直接接于超高压线路侧，这样就发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。国内磁阀式可控电抗器研究工作开展的较早的是在武汉大学，他已研制出磁阀式动态无功补偿装置，经过检测，运行效果良好。浙江大学对交流可控电抗器进行了较为深入的研究，在直流型可控电抗器方面，上海交大和华北电力等大学有较深的研究。1.2.1无功补偿装置分类常见的自动无功补偿装置主要分为以下六种，下面简要介绍了各种无功补偿装置的优点以及不同装置所应用的场合，同时将不同补偿装置进行了比较。（1）同步调相机同步调相机在电力系统的无功补偿装置中应用较早，它的工作相当于空载运行的同步电动机。在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，会降低系统的电压；在过励磁运行的情况时，它就会根据需要向系统提供感性的无功功率，从而提高系统电压。但是因为它应用旋转电机，工作时产生很大的噪声并存在损耗的问题，而且运行维护也比较困难，响应速度较慢，所以正逐渐被淘汰。（2）开关投切电容器组使用交流接触器控制投切电容器，在应用中会遇到许多的问题，比如：接触器经常动作，故障频率很高；可靠性差；响应的速度很慢等，同时它无法进行无极调节，因而应用较少。（3）TCR型静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)由TCR和LC滤波器组成的TCR型静止无功补偿装置在电力系统正发挥巨大作用。TCR为SVC中的重要部分，主要起可变电感的作用，实现感性无功功率的快速、平滑调节。工作过程是通过调节TCR中可控晶闸管的导通角的大小使得电网的无功功率大小能够连续可调，TCR等效于一个连续可变的电感器。（4）TSC型静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)由并联电容器与之串联的双向晶闸管组成TSC型补偿器。通过测得的电压、电流和功率因数等参数，然后在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一次到位。因为电容按组的投切，对电网会产生冲击电流。实际工作中通常会采取投入零电压，退出零电流的方法，来实现无功电流的平滑调节，从而减少对电网的冲击。（5）静止无功发生器静止无功发生器又称静止无功调相机(Static Synchronous Compcnsator，STATCOM)。SVG是指自换向的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率的无功功率的动态补偿装置。它由交流环节和直流环节组成，自身有明显的优势：响应的速度快，高次谐波量小，能连续吸收无功功率；可分相调节，损耗与噪音小。SVG较SVC有趋势，但SVG的控制的方法和控制系统要比SVC复杂的多，而且SVG要使用大量较大容量的全控型元件，对电网的恒阻抗性、连续可调性差。由于这些原因，使得SVG的应用得到了限制。（6）MCR型静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)MCR型静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)是由可控电抗器和固定电容器组成。可控电抗器是通过借助控制直流回路的电流实现对铁心磁饱和度的控制，从而改变其电抗值以达到平滑调节无功输出的目的10。和TCR相比，MCR型静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)的优势在于，磁控饱和电抗器控制晶闸管承受的电压只有额定电压的2%左右，而其主回路的电压电流是由电抗器本身承受，所以不存在晶闸管容量限制这一问题，同时磁饱和可控电抗器输出电流特性较TCR好。1.2.2可控电抗器分类（1）调匝式的可控电抗器它是通过调节电抗器的匝数来调节电抗值，这种方法控制起来不方便，而且只能是有级调节；（2）磁阀式可控电抗器磁阀式可控电抗器是通过改变磁路的磁阻来改变电感值。调节的方法是在磁路中添加一个可调的气隙，通过调节气隙的大小来改变电感。但是这种方法控制的精度不高，且控制起来较困难；（3）晶闸管控制型这种控制方法是将一个双向晶闸管串在主电路中，控制电路中电流的导通时间的来改变电感值。它虽然保证了电感连续变化，但要求晶闸管的功率大、耐压高，因而没有得到很大的推广。（4）磁饱和式可控电抗器这种可控电抗器的研究在我国还处于起步阶段，因为它控制方便、截面小、制造工艺简单，具有良好的机械性、工艺性以及控制的灵活性。这种可控电抗器在俄罗斯已得到广泛的应用。由于它的响应速度快、制作工艺简单、维护方便、易于控制等优点，正逐步被研究与应用。1.3 磁饱和式可控电抗器控制电路的实现方式磁饱和式可控电抗器的工作是通过调节它的可控硅的触发导通角来改变直流激磁电流的大小，改变铁芯的饱和程度，进而控制它的电抗值，从而连续地调节电抗器的容量。控制过程为：采集电网电压负载电流的大小，分别经相应的电压互感器和电流互感器后，作为信号接入控制柜。在控制柜内通过控制模块对信号进行采集、分析，计算出相应的有功功率、无功功率、电流、以及功率因数等参数，然后与所要求的无功功率比较，输出适当的触发脉冲。输出的触发脉冲经过光电变换然后通过光纤送到主电路经过放大，触发晶闸管从而实现对可控电抗器的控制。这样，可控电抗器就可以根据电压的变化和所需的无功，自动调节投入各相的补偿点抗。- 4 -第二章 磁饱和可控电抗器的设计第二章 磁控电抗器的设计磁饱和可控电抗器是基于偏磁可调原理，控制方便，成本较低，具有功率自动连续平滑调节的特点，能实现在较短的时间内，从空载功率调节到额定功率，大大的提高了系统的输电能力和稳定性。2.1 系统总体框图电力系统二次侧电压电压采样采样保持电路单片机AT89C52晶闸管触发脉冲放大与驱动电路磁饱和可控电抗器无功补偿电流采样AD574模数转换液晶显示电路键盘电路通信电路图2-1 系统总体结构框图2.2 磁饱和可控电抗器基本结构图2-2为磁饱和式可控电抗器的结构图9-10。磁饱和可控电抗器是由两个等截面、等长度的主铁芯1、2和两个等截面、等长度的旁轭1、2组成的7。主铁芯的截面积小于旁轭的截面积。上、下两个绕组分别绕在每个主铁芯上，。晶闸管和分别与每个绕组的一个抽头相连。不同铁芯的上、下两个绕组交叉串连后并联至电网，在两个绕组的交叉处跨接续流二极管D。铁芯l和旁轭1、铁芯2和旁轭2分别组成两条交流磁通的回路，铁芯1、2组成直流磁通的回路。可控电抗器的电路图如图2-3。两个主铁芯柱的截面积都较小这样可保证工作时大部分磁压降降落于两个主铁芯柱上，使饱和电抗器易达到饱和8。图2-2 磁饱和式可控电抗器结构图2.3 磁饱和可控电抗器的工作原理可控饱和电抗器是基于偏磁可调的原理，在这里结合其电路图简述直流偏磁的产生机理。（1）当晶闸管和晶闸管正都不导通时，电抗器处于空载的状态。空载时，电流很小，电抗器的容量最小；（2）当电源为正半周时，晶闸管承受的是正向电压，承受的是反向电压。这时晶闸管就导通，激磁环流和在绕组回路中产生，对左铁芯柱有增磁作用，对右铁芯柱去磁，使前者发生饱和而降低总的电感值。其等效的电路如图2-4(a)所示；（3）当电源处于负半周时，晶闸管承受的是反向电压，晶闸管将承受正向电压。晶闸管导通，激磁环流和将在绕组回路中产生，同理就会降低总的电感值。等效的电路如图2-4(b)所示。图2-3 可控电抗器的电路图(a)电源e(t)处于正半周 (b)电源e(t)处于负半周时图2-4 激磁环流示意图通过以上的分析，晶闸管和晶闸管在交流电源的一个工频周期内轮流导通，起了全波整流的作用，绕组中产生方向始终不变的电流，电流的大小可通过改变晶闸管的触发导通角来改变，二极管D则起到续流的作用。2.4 磁饱和可控电抗器应用于无功补偿中在供电系统中，大部分负载为感性负载，电网除了要提供有功功率，还要提供大量的无功功率。这将导致供电系统功率因数的降低，使发电设备的容量不能得到充分利用。为解决这一问题，在负载两端并联电容器是目前常用的方法，但是它无法实现系统动态的跟踪补偿。随着供配电技术的发展，可控饱和电抗器很好的解决了这一问题。由于晶闸管的触发导通角能够连续调节，实现了电容器的电容值在一定范围内连续调节，从而实现动态无功补偿，保证电网电压稳定11。可控电抗器在电力系统无功补偿中的电路原理图如图2-5所示。图中U为电源电压，为可控电抗器的感抗，和分别为感性负载的电阻和感抗， 为并联电容容抗。图2-5 饱和电抗器无功补偿电路原理图令：为负载阻抗，Z为加上补偿装置后系统输入端总等效阻抗。则有 (2-1) (2-2) (2-3)由(2-3)式可得： (2-4)因而， (2-5)系统的功率因数： (2-6)由上述推论可知，当感性负载的电阻和感抗，并联电容容抗一定时，功率因数随可控电抗器的感抗的改变而改变，只要调整可控电抗器的感抗即可保证功率因数不变。2.5 控制系统硬件设计电压信号电流信号A/D采样单片机AT89C52晶闸管触发电路液晶显示电路键盘电路通信电路图2-6 控制装置框图基于磁饱和式可控电抗器的无功综合补偿控制装置主要是通过采集电压、电流信号，计算出系统的有功功率及无功功率，快速跟踪系统的电压及无功功率的变化，可实现动态的调节各相投入的补偿电抗，从而调节无功功率以及电压值。这说明系统的无功功率及电压可以通过控制装置自动的检测到，并能根据检测量值得到可控电抗器的各相电抗的大小和相应的品闸管触发延迟角。因而，可控电抗器就可以根据测得的电压变化和所需无功，实现自动调节投入各相的补偿电抗。控制装置包括以下几个部分：（1）数据采集电路：检测负载的电压和电流。（2）同步信号检测电路：获取同步信号。（3）控制电路：根据检测值，对检测信号进行计算，给出控制信号。（4）晶闸管触发电路：产生相应触发角的晶闸管触发脉冲是根据控制电路输出的控制信号。（5）键盘、显示电路：通过键盘控制显示当前电抗器投入角度以及当前的电流值、有功功率、无功功率等，在故障时可显示出错信息。（6）通信电路：可以实现上位机与下位机的衔接，同时根据实际需要，采集各个装置的运行信息，可实现电力系统的集中控制。2.6 系统电源设计2.6.1降压整流滤波电路在实际情况中，输入的电源都是220V的交流电，而在稳压电路中所用的芯片的输入电压是+5V、12V的直流电压，因而要得到所需电压，驱动稳压器，我们就需要把输入的220V交流电压转换为低压直流电。在本设计中采用变压器和单相桥式整流、电容滤波电路来实现+5V电源。图2-7 降压整流滤波电路图接通电源后，经变压器T将交流电网电压U1变成整流电路要求的交流电压。变压器输出电压通过单相桥式整流变换为单方向的脉动电压。在整流的过程中，四个二极管两两轮流着导通。当为正半周时，因加正向电压二极管VD1和VD3导通，因加反向电压VD2和VD4而截止；同理，当处于负半周时，二极管VD2和VD4因加正向电压而导通，而二极管VD1和VD3因加反向电压而截止。因而实现了输出单向的脉动电压。由于单方向脉动电压经整流后包含着很大的脉动部分，所以在整流桥的后面接入了大小为3.3F和2200F的电容来将脉动的部分滤掉，从而得到纹波较小的电压。在电路中加的大小为1k的电阻R目的是防止产生自激。保险丝是为了防止电流过大而设定的，起到过流保护的作用，允许通过的最大电流是2A。2.6.2稳压输出电路的设计在稳压电路中采用的是三端集成稳压器LM78XX和LM79XX，达到可固定输出稳定电压的要求。由降压整流滤波电路输出的电压，经过集成稳压管LM7805、LM7812、LM7912可分别输出+5V、+12V、-12V电压。在稳压输出部分主要采用集成稳压管来实现题目所要求的功能。本系统中使用的7800系列是三端固定输出集成稳压器。它们只有三个引出端：输入端、输出端和公共端，同时使用起来十分方便，图2-8为电路符号。图2-8 LM7800系列图2-9为稳压电源的应用电路，应用电路可实现正向的固定输出。在电路中，输入端的电容Ci用来旁路高频干扰脉冲同时改善纹波。输出端所接的电容起减小高频输出阻抗、改善瞬态响应特性的作用。一般在输出端不需要接入大电解电容。因为如果在输出端使用大电容，当输出电压高于6V时，就需要在输入、输出端口接保护二极管，二极管的作用是防止输入端短路时，输出电容通过稳压器进行放电使稳压器损坏；在输出端、地端口跨接保护二极管，可以防止输出端与地短路时，上的电压损坏稳压器，从而起到了短路保护的作用。此外，78系列的稳压器自身也具有完善的限流保护、短路保护、调整管安全工作区保护和过热保护作用，所以它的工作是比较可靠的。图2-9 三端固定输出集成稳压器电路图图2-10 电源电路图2.7 单片机工作系统2.7.1 AT89C52单片机简介本次毕业设计采用的是单片机AT89C52，它是由美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有256字节的随机存取数据存储器（RAM）和8KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器，支持ISP在线下载程序，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，AT89C52单片机可兼容标准MCS-51指令系统，且功能强大。它在许多应用场合起到很大作用，同时它已应用于各种控制领域。AT89C52为8位通用微处理器，含40管脚，有32个外部双向输入/输出（I/O）端口，2个外部中断口，2个读写口线，2个全双工串行通信口，3个16位可编程定时计数器，AT89C52单片机兼容MCS51的指令系统，保证空闲时低功耗和掉电模式，同时软件设置睡眠和唤醒功能。2.7.2复位电路复位电路通常分为两种方式：上电自动复位和按键手动复位。通过外部复位电路的电容充电实现上电自动复位。按键手动复位又分为电平方式和脉冲方式两种。其中，电平复位是通过RST端经电阻与电源接通而实现的。而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲从而实现的。图2-13 复位电路图图2-13兼有上电复位和按钮复位的电路。当硬件发生错误或者复位电路软件程序跑飞的时候将产生一个复位信号，从而控制AT89C52单片机从地址0000H开始执行程序，重新执行软件程序。有图2-13可见电路的输出端RESET接在单片机的复位引脚。2.7.3时钟电路时钟在单片机中起非常重要的作用，单片机各功能部件的实现都是以时钟频率为基准的。时钟频率将直接影响到单片机的速度，同单片机系统的稳定性也受时时钟电路的质量影响。常用的时钟电路分为两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。（1）内部时钟方式：图2-14 内部时钟电路图在单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚用于接石英微调电容和晶体振荡器，这就构成一个稳定的自激振荡器电路。电路中所接的电容C1和C2的大小通常选择为30pF左右。虽然外接电容的值没有很严格的要求，但是电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性以及起振的快速性。晶体的振荡频率通常在1.2MHz-12MHz之间。系统的时钟频率是根据晶体的频率而定的，晶体的频率越高，系统的时钟频率也就越高，同时单片机的运行速度也就越快。采用温度稳定性能好的NPO高频电容可提高系统温度稳定性。单片机通常选择的振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。（2）外部时钟方式：图2-15 外部时钟电路图图2-15为外部时钟电路。外部时钟方式是使用外部振荡脉冲的信号，常用于多片单片机同时工作，以达到同步工作的目的。对外部脉冲信号只要求高电平的持续时间大于20us，一般为低于12MHz的方波。外部的时钟源直接接到XTAL2端，直接输入到片内的时钟发生器上。因为XTAL2的逻辑电平不是TTL的，因此要外接一个4.7k-10k的上拉电阻。在这里采用内部时钟方式。因为外部时钟方式是用外部振荡脉冲信号，常用于多片单片机同时工作的场合。在这次设计中只用一个AT89C52，不需要振荡脉冲信号。2.7.4 AT89C52主控制电路AT89C52的控制电路包括外接一个晶振和一个复位电路，同时给单片机接上电源和地。AT89C52单片机正常工作所需的外围电路：(1)5V直流电源；(2)晶振电路；(3)复位电路；(4)通信电路；其基本工作原理如图212：图2-12 AT89C52外接电路图2.8 信号采集电路电网中的电压、电流较大，不能直接对其采样进行控制，需要通过适当的调理电路，在对信号进行变换时，滤波是控制系统所必须考虑的。2.8.1电压采集电路电力系统二次侧所得到的电压有效值为100V，电流为5A。在这里必须采用互感器进行处理，才能得到所需的交流小信号，本设计采用电压传感器(VT)进行变压，变压后的信号含有一定数量的三次、五次等高次谐波。为了减小谐波对所检测信号的影响，在这里设计滤波器，对信号进行滤波。通常电气滤波器是一个频率选择部件。对于选频滤波器来说某频率信号是通过还是被抑制是由它的输出幅度来判定的，所以需要通过RC滤波及TVD限幅。本设计采用的LM258A电压跟随器，以此用来阻抗匹配。再经过带通滤波。通过LM258B将信号放大，然后进入LF398保持器。LM258的特性如下：(1)供给电压3V30V(2)最大输入补偿电压3mV(3)工作温度范围-40+105C图2-16 电压采集电路图2.8.2采样/保持电路:采样保持电路实质上是一种模拟信号存储器，它在数字指令控制下，使开关通断，对输入信号瞬时值进行采样并寄存，通常用两个运算放大器构成高输入阻抗的采样/保持电路这里采用集成电路LF398，该器件的工作原理和使用方法说明如下：LF398是一种高性能的单片采样/保持器。LF398具有很高的直流精度，采样迅速且下降速度较低。通过合适的外接保持电容可使LF398的动态性能和保持性能达到最佳。它已广泛地应用于数据采集系统、高速A/D转换系统和要求同步采样的领域。它是一种模拟信号存储器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。图2-17是该器件的引脚图。各引脚端的功能如下：和端分别为和电源端。电源电压范围为5V15V。端为失调调零端。端为模拟量输入端。端为输出端。端为接采样保持电容CH。端为逻辑基准端。端为逻辑输入控制端。图2-17 LF398引脚图失调电压的调整是通过与V的分压并调整1电位器实现的。保持电容CH应选用3001000pF的高性能低漏电云母电容器。控制逻辑在高电平时为采样，在低电平时为保持。本设计采用此种连接方法。图2-18 LF398的引脚图2.8.3电流采集电路采集到的电流信号先经过电流互感器CT，然后经电流变电压电路，最后连接到电压采集前置电路。电路中的电容C1和C2是400至1000pF的小电容，它们的作用是去耦和滤波。电路中还包括起保护运算放大器作用的两个反接的二极管。运算放大器的使用视精度要求，本设计使用的是OP07系列，OP07系列是性能较好的运算放大器，它较容易达到较高的精度且具有较好的稳定性。OP07系列具有低噪声效应，是一种非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。OP07的输入失调电压非常的低，不需要额外的调零措施因而被应用于很多场合。同时OP07具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，正是这种低失调、高开环增益的特性使得OP07在要求高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面起到很大作用。超低偏移：150V最大 ；低输入偏置电流：1.8nA ；低失调电压漂移：0.5V/；高电源电压范围：3V至22V图2-19 电流采集电路图2.8.4 A/D采样电路电压、电流信号经过前面的电压、电流采集前置处理电路后分别进入LF398进行采样保持，将处理后的模拟信号变成离散的模拟信号，然后将各路离散模拟信号送入DG508A多路开关，之后将各路模拟信号分别送入AD574进行模数转换，成功的将模拟信号转化为数字信号，最后将转换后的信号送入CPU进行计算。本设计采用的模拟多路是一种CMOS型单8通道、双4通道开关，在转换器数据采集系统中，通常用DG508A来将被测的多路信号分别传送到A/D转换器进行转换，实现单片机对多路被测信号进行处理。AD574A为12位逐次逼近式A/D转换器。AD574A由模拟芯片和数字芯片两部分组成，内部除了包括D/A转换器、比较器、逐次逼近寄存器SAR、等基本结构外，它还包括控制逻辑、时钟、基准电压和三态输出缓冲器等部分。AD574A的突出特点是芯片内部包含三态输出缓冲器和微机接口控制逻辑电路，因而它可以直接与8位、12位或16位微处理器的数据总线相连接。由控制总线来提供它的读写及转换命令，输出时不仅可以12位一次读出还可以分两次读出：先读高8位，再读低4位。因为内部具有时钟产生电路，所以不需要外部接线。具有+10000V内部电压基准源，最大输出电流为1.5mA，最大误差为+1.2。有较宽的温度使用范围。2.9 晶闸管触发电路从AT89C52输出的脉冲信号的强度不足以驱动晶闸管，本设计采用光电耦合集成运放驱动电路，电路图如图2-20所示。从单片机AT89C52输出的控制信号经过光电耦合后再经集成运放放大，这样就达到晶闸管所需的触发脉冲。这里采用的触发电路结构简单，避免了体积较大的脉冲变压器。单片机P1.0至P1.5的六路较弱的脉冲信号流经脉冲的形成与放大电路，然后输入到反相器74HC04，信号经过光电隔离器4N25隔离输出，最后经过脉冲变压器 TB1 将信号放大输出到相应晶闸管的门极g和阴极k，来驱动晶闸管。本设计采用的4N25器件是由硅光电晶体管检测器和砷化镓红外发光二极管耦合构成，它不仅是一种光电晶体管与发光二极管面对面封装的单回路、内光路光电耦合器，也是一种晶体管输出6引脚DIP封装光电耦合器。4N25体积较小、寿命较长且无触点、抗干扰性能强，因而是长线传输、模/数变换、微控制器的隔离电路、开关电路、逻辑电路、高压控制、过流保护、电平匹配、线性放大等领域中的首选芯片。图2-20 触发脉冲的形成与放大电路图当单片机检测到同步电压从负到正的过零点信号时，它会接收到中断请求信号，这时，单片机会对中断响应，服务子程序，这个子程序的功能就是决定如何形成第一个触发脉冲的上升沿。2.10 辅助电路2.10.1键盘电路2-21键盘电路图键盘电路的功能是设置触发角的大小。它由四个开关、电阻和一个+5V电源组成，开关K1、K2、K3和K4分别接到单片机的P20、P2.1、P2.2和P2.3当K1按下一次，触发角增加1；当K2按下一次,相应减1；K3的作用是选择位数，按下第一次，选择小数位；按下第二次时，选择个位数字；按下第三次时，选择十位数；按下第四次时，百位数被选择，并且在显示器中相应显示。当K4按下时，输入的数据被送到单片机的存储区中。2.10.2显示电路本设计采用的液晶显示器MGLS12864具有功耗低、体积小、重量轻显示效果明了等优点，随着电子产业的发展，近几年来已被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。在这里单片机的控制信号可以采用存储器访问形式、I/O设备访问形式直接通过数据总线来控制该液晶显示模块。用户可以通过编制程序将需要显示的英文字母、汉字、数字、曲线和图形等存储在单片机里面，无需扩展外部存储器，这使得以单片机AT89C52为核心的控制系统电路更简单。因此十分适用于液晶显示。MGLS12864与AT89C52单片机接口电路如图2-22所示。图2-22 显示电路图在单片机与显示电路之间所加的74LS373为三态输出的八D透明锁存器。当74LS373的三态允许控制端OE为低电平时，Q0Q7处于正常逻辑状态，这时可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0Q7呈高阻状态，即此时不驱动总线或负载，但锁存器内部的逻辑操作是不受影响的。当锁存允许端LE为高电平时，输出端随数据D的变化而变；当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平不变。当LE端施密特触发器的输入具有滞后作用时，它可使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。 D0D7为数据输入端 OE为三态允许控制端且低电平有效 LE为锁存允许端 Q0Q7为输出端2.10.3通信电路为了便于控制器与PC机通信，本设计选用MAX232E作为通讯接口芯片，它不但可减少元件量同时可提高集成度。图2-23 通信电路图MAX232芯片是美信公司所设计的接口电路，使用+5V单电源供电。内部结构可分为三部分：第一部分是电荷泵电路，主要功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7至14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。2.10.4硬件抗干扰措施在应用系统中最基本和最主要的抗干扰手段是硬件抗干扰措施，一般从防和抗两方面来考虑抑制干扰。它的总原则是：抑制或消除干扰源；切断干扰通过耦合通道对系统干扰；提高系统对干扰信号的抵抗能力。对于本设计，硬件抗干扰设计的具体措施主要有：隔离、接地、屏蔽、滤波等。(1)隔离技术本设计晶闸管触发电路中采用光电隔离器4N25用于过程通道的隔离。光电耦合器能有效地阻断电气干扰、抑制尖峰脉冲以及抵制各种噪声的干扰，从而提高系统信噪比。在输入、输出通道采用光电耦合器可将控制系统与外围接口进行隔离。(2)接地技术接地技术应保证：数字地、模拟地、屏蔽地不能混用，应合理接地。为减少电路与地线之间的电流耦合，要尽可能地使接地电路各自形成回路。为使电流局限在尽可能小的范围内这里合理的布置地线，在这里模拟地线采用单点接地，数字地与模拟地在电源处连接。(3)屏蔽技术所谓屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属隔离，来控制电场、磁场和电磁波在区域间的感应和辐射，是抑制电磁场耦合的最有效方法。对于电容性耦合就可将金属壳接大地进行静电屏蔽；对于电感性耦合则可采用低电阻金属壳来进行电磁屏蔽。(4)滤波技术在电源系统中，高次谐波是主要的干扰源。在本系统中采用RC滤波，无源滤波器是一个简单的、有效的低通滤波器，它只让电网中的基波通过，同时它对共模干扰信号和串模干扰具有很强的双向抑制作用。2.11 本章小结本章首先介绍了磁饱和可控电抗器的结构，并对其工作原理进行了分析，其基本工作原理是通过控制直流励磁电流的大小，来平滑调节电感的大小，当电抗器两端电压保持一定时，电流随晶闸管触发角增大而减小；当晶闸管触发角一定时，电流与电压为近似的线性关系。根据磁饱和可控电抗器的特性，通过推导给出了可控饱和电抗器在无功补偿中的应用原理。控制部分首先概述了可控电抗器的控制原理，然后简单介绍了系统主控制器AT89C52及其存储系统，接着按照硬件电路的功能单元分类，分别详细的介绍了信号调理、数据采集电路、键盘、显示电路和晶闸管触发电路的设计，最后介绍了整个电路的抗干扰措施。- 25 -第三章 系统的软件设计第三章 系统的软件设计3.1 主程序设计主程序是控制系统的主要部分，它主要由按键扫描子程序、I/O口状态检测子程序、通讯子程序等部分组成。软件的开始首选对系统进行初始化，初始化包括对单片机I/O口的初始化，定时器的初始化以及一些部分变量的初始化。其程序流程图如图3-1所示。在系统初始化后，单片机启动A/D采样程序，对电路中的电流和电压进行采样，并且转化为数字量。系统程序根据这些数字量判断是否跳闸，如果跳闸判断是否为电路故障，如果是故障，就进行检查，否则软件开始计算无功功率的功率因数，如果功率因数大于预先设定的值，就计算所需无功及晶闸管触发角，触发晶闸管，直至符合预先设定值。3.2 晶闸管同步触发程序的设计由于本文所设计的无功补偿装置是基于磁饱和可控电抗器的，所以由对晶闸管进行有效的控制是非常重要的。为达到这一目的，我们需要选择合理的采样方式和触发方式。这里简单介绍触发脉冲产生的过程：采样信号经A/D电路转化之后变为数字信号，触发程序根据采样信号计算出所需的触发脉冲的宽度。由单片机相应引脚发出这一宽度的脉冲，经光电隔离电路和信号放大电路驱动晶闸管的导通角。晶闸管的触发延迟角可由下式而推得11： (3-1)得： (3-2)转为角度制： (3-3)即可推得脉冲宽度为： (3-4)开始系统初始化启动A/D采样是否跳闸返回输出跳闸信号输出故障信号计算无功功率因数触发晶闸管cos0.9是否故障YNYNYN计算所需无功及晶闸管图3-1 主程序图3.3 触发电路的程序设计在软件部分的设计中，触发电路的程序是十分重要的一部分。这部分程序主要完成检测同步电压是否过零点，来控制脉冲信号的产生。其程序流程图如图3-2所示。单片机首先对系统进行初始化，然后将当前移相触发角显示在显示器上。然后单片机判断有无按键按下，如果有就利用按键操作子程序判断为何种命令，用单片机检测同步信号，并采取相应的动作，最后出发晶闸管。结束开始初始化液晶显示有按键按下？同步信号检测脉冲形成与放大NY键盘操作图3-2 触发电路的程序设计流程图进入子程序波特率设置串口工作方式设置发送请求允许发送发送数据并且求校验和发送完毕重发请求返回YNNY发送REDAY信号Y校验和清零NYN接收准确图3-3 通信程序流程图3.4 通信程序设计由于单片机的存储容量较小，无法存储较多的状态数据，为满足数据存档的要求，需设计通信程序将状态数据传送到计算机上进行保存。通信程序包括发送和接收程序两部分，两者的流程大致相同，在此只列出发送程序流程图，如图3-3所示。3.5 本章小节本章对控制系统的软件部分首先进行了总体设计，然后又以流程图的形式显示了程序的各个模块，简单直- 30 -第四章 总结第四章 总结随着国家智能电网概念逐渐升温，超高压电网快速发展，大容量、远距离、高电压成为现代电网的显著特点，输电系统的无功需求变化很大，电网的可靠、安全运行电网的稳定、安全及可靠运行愈发受到重视。从无功平衡和限制过电压的角度出发，需要采用无功补偿设备进行补偿，磁饱和式可控电抗器因其无功功率连续且平滑可调、结构坚固、造价低廉和维护方便等特点，具有广泛的应用前景。在无功补偿控制系统中，人们一直尝试着能够稳定精确的连续调节系统无功功率。本文介绍的磁饱和式可控电抗器与传统的可控饱和电抗器相比，虽然都是利用直流控制电流控制铁心的饱和度来平滑连续调节无功容量，但前者利用电网电压本身绕组自耦变压，由晶闸管元件整流获得直流控制电压，不需要外加激磁，后者却需要单独的直流控制电源；前者将工作绕组和控制绕组有机结合在一起，有利于减小损耗、简化结构，而后者的工作绕组和控制绕组却是分开的。本文采用了AT89C5