电机起动无功补偿装置控制器设计

摘 要 I 摘 要 随着我国经济的发展，我国的电力工业也有了长足的发展，越来越多的感 性用电设备接入电网，造成了功率因数低、电压波动、谐波污染等诸多问题， 无功功率日益受到广泛的关注。 电动机作为感性负载，启动期间需要大量的无功电流，而从电网吸收大量 的无功功率，导致电网功率因数和电能质量的降低，它需要安装补偿装置，减 少电源向感性负荷输送的无功功率，从而提高电能质量。无功补偿控制器作为 无功补偿装置的核心部件和电力供电系统中的重要部分，对电网质量有很大影 响，用来提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电 效率，改善供电环境。对三相异步电动机进行无功补偿后，将会减少供电线路 的损耗，提高功率因数，减少相应的电费，增加电功率，减少用电贴费，改善 电动机的运行状况，减少电器开关和供电线路负荷，提高系统的安全性。研究 电机起动无功补偿装置控制器的设计具有重要的价值意义。 在分析了电机起动的特点以及进行无功补偿的必要性后，本文提出了以 单片机 AT89S51 控制为核心的电机软起动设计和 FC+TCR 无功补偿装置 的控制器设计。 本文以功率因数为直接控制目标，通过控制晶闸管的导通，实 现对电动机的无功补偿。 关键词：无功功率，电机，软启动，无功补偿，控制器 Abstract II Abstract With Chinas economic development, Chinas power industry has made great progress, more and more emotional electrical equipment connected to the grid, resulting in a low power factor, voltage fluctuation, harmonic pollution and many other issues, the reactive power increasingly receives widespread attention. As the inductive load, the motor during start-up requires a large amount of reactive current from the grid to absorb a large amount of reactive power, resulting in reduced grid power factor and power quality, it needs to install a compensation device to reduce power reactive power to the inductive load transport, thereby improving the power quality. Reactive power compensation controller as an important part of the core component of the reactive power compensation device and power supply system, it have a significant impact on the grid quality, it can be used to improve the power factor of the grid, reducing the supply transformer and transmission line losses, improve the efficiency of power supply, improve the supply environment. Reactive power compensation on the three-phase asynchronous motor, it will reduce the loss of the power lines, and improve power factor, reduce the corresponding electricity, increase in electric power, reducing electricity paste fees, and improve the health of the motor, reducing the load of electrical switches and power lines, improve system security. The motor starting controller design of reactive power compensation device has an important value significance. In the analysis of motor starting characteristics and the need for reactive power compensation, This paper presents the MCU AT89S51 control as the core of the motor soft starting design and FC+TCR reactive power compensation device controller design. Based on the power factor is a direct target of control, by controlling the thyristor conduction, realizes to the electric motor reactive power compensation. Key words: reactive power, motor, soft start, reactive power compensation, the controller 目 录 III 目 录 摘 要 .1 ABSTRACT 2 目 录 .3 第一章 绪论 .1 1.1 课题意义.1 1.2 无功补偿装置的发展.2 1.3 主要研究内容.4 第二章 电机起动无功补偿装置设计.5 2.1 电机软启动系统.6 2.1.1 主电路 6 2.1.2 控制电路 8 2.1.3 触发电路 11 2.1.4 电源模块设计 11 2.2 电机无功补偿系统.12 2.2.1 信号采集 13 2.2.2 数据处理 16 2.2.3 无功补偿装置 .19 第三章 电机起动无功补偿系统软件设计.21 3.1 电机软起动系统软件设计.21 3.1.1 同步信号采集设计21 3.1.2 触发次序设计 22 3.1.3 故障保护子程序设计22 3.2 电机无功补偿系统软件设计.23 3.2.1 信号采样程序设计23 3.2.2 信号处理程序设计26 3.2.3 晶闸管控制模块程序设计26 3.2.4 无功补偿算法设计26 目 录 IV 3.2.5 PID 控制算法27 第四章 总结 .30 参考文献 31 致 谢 33 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 课题意义 随着我国经济的发展，越来越多的电力电子装置应用于电力设备，由于它 们的功率因数很低，需要消耗电网中大量的无功功率。无功功率的大量吸收， 会在公共电网中产生以下几点主要的影响： (1)增加设备容量。无功功率的增加会使电流和视在功率增大，从而使电机 等电气设备以及导线容量的增加，从而使设备体积增大以及电力用户运行的成 本增加。 (2)增加设备及线路损耗。无功功率的增加，会使设备以及线路的损耗增加， 从而降低电气设备的运行效率。假设线路总电流，线路电阻为 R，qpI jII 则线路的有功损耗为，其中为无功功率引起的有功损耗。在 qp PPP q P 线路的负载中存在着大量感性负载，在输送同样的有功功率下，会增加负载电 流，使损耗增加。 (3)增大了线路及变压器的压降。如果是冲击性的无功功率负荷，还会引起 电压的剧烈波动，严重影响电能质量。 (4)有谐波引起的无功，同样会带来一系列的问题，如谐波损耗，影响设备 的正常工作，造成震动、噪声而会导致自动装置的误动作，对通信系统产生干 扰等。 因此，无功功率对 电网和负载的运行都是十分重要的 。电动机作为感 性负载，起动时会产生较大的起动电流，期间在电路中需要大量的无功电流 的存在，而会从电网中吸收大量的无功功率，导致电网功率因数、电能质量 降低，所以需要通过安装 无功补偿装置，来减少电源向感性负荷输送的无 功功率。对三 相异步电动机进行无功补偿后， 将会在减少供电线路的损耗、 提高功率因数、减少相应的电费、改善电动机的运行状况以及提高安全性等 方面起到一定的作用。 第一章 绪论 1.2 无功补偿装置的发展 随着电力设备的发展和各种新型控制方法的提出，无功补偿装置经历了 一个由无源到有源，由分级到平滑调节，由单纯补偿无功到无功补偿和滤波 相结合的发展过程，同时设备的体积和成本也 在不断降低。 早期采用的机械开关的补偿装置，不仅动作速度慢、寿命短，而且在操 作时会引起严重的冲击电流和操作的过电压，造成设备的毁坏。随着电力电 子技术的发展及其在电力系统中的应用，使用可控硅技术的静止无功补偿装 置成为了主流。随着变流技术的发展以及理论的应用， 无功发生器和有源 滤波器己成为研究的热点。 无功补偿装置 的发展可以分为以下 几个阶段： (1)并联电容器阶段。 它具有结构简单 、运行灵活、维护方便等优点 。 缺点是只能补偿感性无功，不能对无功进行动态补偿。另外，在系统有谐 波时，它还可能发生并联谐振，使谐波电流放大，甚至造成电容器损坏。 (2)同步调相机阶段。 它是专门用来产生无功功率的同步电机 ，早期无 功功率动态补偿装置的典型代 表，在过激磁或欠激 磁的情况下，可以分别 发出大小不同的感性或容性无功，既能够补偿固定的无功，也能补偿动态的 无功。缺点是噪声大、损耗大 、维护复杂， 控制复杂、 响应速度慢， 已经 无法适应快速控制无功功率的要求。 (3)SVC 阶段。上世纪七十 年代，静止无功补偿器 取代同步调相机， 成 为无功补偿的新生代力量。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器，与同 步调相机相比，响应速度快， 缺点是噪声很大、损耗很大、 存在非线性电 路的一些特殊问题 、不能分相调节 。随着电力电子技术的发展及其在电力 系统中的应用，使用晶闸管器件的静止无功补偿装置开始应用于 电力系统 的无功功率控制 ，并占据了静止无功补偿装置的主 流。它优点是 能连续调 节无功功率，响应 快速，价格适中。缺点是谐波成分大，需要大电感、大 电容，而且只有在感性 情况下才连续可调。 (4)SVG 阶段。随着电力电子技术的 进一步发展，八十年代以来，一种 更为先进的静止型无功补偿装置出现 采用自换相变流电路的静止无功 第一章 绪论 补偿装置，即静止无功发生器 (Static Var GeneratorSVG)，也称新型静止 无功发生器(ASVG)、静止同步补偿器 (STATCOM)或者静止调相器 (STATCOM)。SVG 通过不同的控制， 既可使其发出无功功率，呈电容性， 也可使其吸收无功功率，呈电感性。 它分为电压型桥式电路和电流型桥式 电路两种类型。电压型桥式电路，其直流侧采用电容作为储能元件，交流侧 通过串联电抗器并入电网；电流型桥式电路，直流侧则采用电感作为储能 元件，交流侧 则并联上电容器后接入电网。迄今投入实用的SVG 大都采 用电压型桥式电路 。 SVG 不需要大电容、大电感等储能元件 ，具有响应速度快、调节性能 好，综合补偿无功、三相不平衡和谐波的特点 ，在改善电能质量、提高稳 定性方面，具有 SVC 无法比拟的优点，成为无功补偿的重要发展方向。 但限于目前全控型电力电子器件的电压、电流水平，要做到大容量的补偿， 成本太高。因此，目前广泛应用于国内外输配电系统的依然是性价比高的 SVC。 (5)统一潮流控制器（ UPFC)。将 SVG 中与电网并联的电压器改为与电 网串联的变压器，就成为静止同步串联补偿器 (Static Synchoronous Series Compensator-SSSC)，它能实现对线路潮流的快速控制。把一台SVG 与一 台 SSSC 的直流侧通过直流电容耦合，就构成了统一潮流控制器 UPFC。UPFC 的基本思想是，用一种统一的电力电子控制装置，仅通过控 制规律的变化，就能对线路电压、阻抗、相位等电力系统基本参数同时进行 控制。它的优点是 控制范围大，控制方式灵活。 (6)可转换静止补偿器 (CSC) 可转换静止补偿器 (CSC)属于强功能新型控制器 ，由多个同步电压源逆 变器构成，是一种 UPFC 的多重组合 ，可同时控制 2 条以上线路潮流 (有功、 无功)、电压、阻抗和相角，实现线路间 的功率转换。 目前，许多地方电力系统的无功补偿依然采用传统的调节方式，有载调 压变压器只能手动调节，静电电容器的投切不能实现实时无功补偿。因此， 加强对无功补偿的研究、保证电力系统电压的连续稳定是现代电力研究中一 第一章 绪论 个重要的课题。目前对 SVC 的研究主要集中在控制策略上。模糊控制、人 工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入SVC 控制系统，使 SVC 系 统的性能更加提高。但随着造价的降低和技术的完善，在不远的将来 SVG、UPFC 及 CSC 将成为无功补偿技术的发展方向。 1.3 主要研究内容 静止无功补偿装置主要有三种类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补 偿装置(SR: Saturated Reactor)，一类是晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投 切电容器（TSC），一类是采用自换相变流技术的高级静止无功发器。基于国 内目前无功补偿装置的发展现状，论文将展开一种TCR与FC并联型的SVC无功 补偿控制器的研究工作，主要的工作任务如下： (1)阐明无功补偿的意义以及电动机进行无功补偿的必要性，并简介无功补 偿装置的发展历程和国内外研究现状。 (2)根据电机起动时的工作特性，选择电机起动的方式，设计出电机软起动 的主电路；根据电机负载的特点，结合各种无功补偿装置的优缺点，选择合适 的无功补偿装置，并设计出SVC无功补偿装置的主电路；选用适当的检测方法 检测采样信号， 计算出每相需要补偿的无功功率，并给出每相的补偿导纳和 晶闸管的触发角，来补偿三相不平衡的无功功率；设计SVC无功补偿装置控制 器硬件电路，通过控制SVC的晶闸管触发角来调节系统的基波补偿电流，实现 无功补偿。设计SVC保护系统的软硬件，使无功补偿装置在非正常情况下（如 过压过流，晶闸管击穿等）能及时的跳闸报警。 (3)设计系统的软件流程图，制定系统的控制策略，根据模块程序的方法， 写出部分模块的软件程序。 第二章 电机起动无功补偿装置设计 第二章 电机起动无功补偿装置设计 电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁 场能是由电源供给的。在电动机和变压器能量转换过程中，存储于电感和电容 的无功功率用来建立磁场和静电场，通过电网往返于电源、电感和电容之间， 引起电压和功率损耗，降低电网的电压质量。 电动机作为感性负载，起动时会产生较大的起动电流，期间需要大量无功 电流的存在。为防止过电流，故需要对电机进行减压起动。而无功电流的大量 存在，则需要对电机进行无功补偿。显而易见，本设计需要两个控制系统，为 方便起见，采用两片单片机，其中一片用于控制电机的软启动，另一片则用于 控制电机的无功补偿。电机起动无功补偿装置系统的结构框图如图2-1所示。 AC380V三相交 流电压 软起动装 置 电机 电 流 采 样 电 压 采 样 抗混叠谐 波电路 过零检测电 路 A/D转换 AT89S51单 片机 锁相环同步脉 冲工作电路 同步工作脉 冲信号 信号隔离放 大电路 晶闸管触发 电路 光电隔离 LCD显示PC机 A/D转换 同步工作脉 冲信号 AT89S51单片机 存储器 信号隔离放 大电路 LCD显示电源电路键盘 PC机 通信接口电 路 晶闸管触发 电路 FC+TCR型无 功补偿装置 图2-1 电机起动无功补偿装置系统结构框图 第二章 电机起动无功补偿装置设计 2.1 电机软启动系统 我们知道，交流异步电机凭借自身结构简单、运行可靠、价格低、维修方 便等优点，随着电力电子技术的发展和交流调速技术的日益成熟，已成为目前 电力拖动的主流，广泛应用于电力拖动系统中。但电机直接启动时的电流过大， 会引起较大的电网压降，影响电网的供电和其他设备的运行，启动瞬间转矩造 成的机械冲击也会影响其本身及拖动设备的使用寿命。 因此，本设计选用了以单片机控制为核心，采用晶闸管三相全控调压技术 的电机软起动装置。电机软启动系统的结构图如图2-2所示。 AC380V三相交 流电压 软起动装 置 电机 电 流 采 样 电 压 采 样 抗混叠谐 波电路 过零检测电 路 A/D转换 AT89S51单 片机 锁相环同步脉 冲工作电路 同步工作脉 冲信号 信号放大电 路 晶闸管触发 电路 光电隔离 开关及LCD 显示 PC机 图2-2 电机软起动系统结构图 电机软起动系统根据功能可以划分为四部分：主电路、控制电路、触发电 路和电源电路。 2.1.1 主电路 电机软起动的主电路如图2-3所示。它由3组反并联晶闸管组成，将交流电 动机接入由晶闸管组成的三相交流调压电路。在电机起动过程中，控制电路调 节晶闸管的触发角，使加在电动机定子绕组上的端电压由某一初值开始逐步升 第二章 电机起动无功补偿装置设计 至全电压，电动机将在较小的启动电流条件下由零速开始平稳上升到额定转速。 U W V R S T M 3 TA1 TA2 TA3 AG1 AG2 BG1 BG2 CG1 CG1 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 图2-3 电机软起动主电路图 (1)电机选型 本文选择Y系列三相异步电机Y112M-2，其参数如表2-1所示。 表2-1 电机参数示意图 电机名称Y 系列三相异步电机 型号Y112M-2 额定功率（kW）4 转速（r/min）2890 电流（A）8.2 电压（V）380 效率88.5% 功率因数0.87 堵转电流（A）7.0 倍 堵转转矩（Nm）2.2 倍 最大转矩（Nm）2.3 倍 重量（kg）45 (2)晶闸管选型 第二章 电机起动无功补偿装置设计 用于软起动时，晶闸管的参数选择主要是额定电压和额定电流的计算。而 且在满足需要的前提下，应尽量降低晶闸管的定额，以减少设备投资。 晶闸管的正、反向峰值电压应为晶闸管实际承受最大峰值电压的 23 倍， 选用电机为 380V，故晶闸管耐压应在 1075V1612V 范围内。关于电流参数的 选择，为使晶闸管在工作过程中不因过热损坏，流经晶闸管的实际有效值应在 乘以安全系数 1.52 后才能等于 1.57 倍的额定通态电流。由于异步电机在直接 起动时的电流为 67 倍的额定电流。因此晶闸管额定通态电流范围在 47A73A。其额定电压达到 1600V，额定电流为 55A，能满足本设计要求。 2.1.2 控制电路 控制电路包括信号的采集、转换与处理，从而输出相应的脉冲信号，控制 晶闸管的导通。此外控制电路还应包括继电器控制电路 (1)同步工作脉冲电路 同步工作脉冲电路是为晶闸管触发脉冲信号提供同步用的基准信号，即同 步工作脉冲信号。控制器根据该基准信号产生晶闸管触发脉冲。本系统将三相 电压的自然换相点作为同步工作脉冲信号。同步工作脉冲电路如图 2-4 所示。 R5R4 R1 R6 GND D1 +5 VCC U1-P3.0 TLP521 V U 图2-4 同步脉冲电路图 单片机得到的是周期等同于电源的周期的方波信号，为晶闸管触发脉冲信 号提供了工作电压零点的基准。其中 U1 即代表 AT89S51。 (2)电压反馈电路 第二章 电机起动无功补偿装置设计 电路图如图 2-5 所示。 U 为一组晶闸管的输入侧，R 为与之相应的晶闸管的输出侧。6N139 是一 块高速达林顿光耦，既保证高压侧与单片机低压部分的隔离，又能快速反应出 晶闸管导通/截止的时刻。通过计算单片机 I/O 口高低电平的维持时间，就可以 计算出晶闸管的导通角，作为电压反馈，同时还可以检测出电压是否缺相。 D2 D3D5 R5 D4 R6 R7 R8 C1 +5v +5v U1-P3.1 R U 6N139 6N140 图2-5 电压反馈回路图 (3)电流检测电路 电流检测电路通过霍尔传感器得到三相电流信号，之后再将其转换成电压 信号，通过 A/D 转换，送至 AT89S51，作为电流反馈。电流检测电路如图 2-6 所示。 U11-IN0 D12 D13D15 TA3 D14 TA2 D16 TA1 D17 5v C13 D? D19 D18 R20 OP07 C14 R21 C15 12v -12v C16 图2-6 电流检测电路图 (4)过流检测电路 第二章 电机起动无功补偿装置设计 过流检测的信号取自电流检测电路，该信号大于设定值时，将输出一个低 电平信号送入 AT89S51 外部中断口 P3.3，然后通过软件处理，封锁晶闸管。本 设计选择大小约 5.5 倍的额定电流，即 45A 作为过电流的基准设定值。过流保 护电路如图 2-7 所示。 D20D22D24 D21D23D24 C17 R22 C18 R23 R25 C19 LM393 C20 5V R26 5V C21C22 R27 5V U1-P3.3 TA1 TA2 TA3 R? RES2 图2-7 过电流检测电路图 (5)继电器控制电路 继电器控制电路的作用是，软起动完成以后，把软起动装置从电网中旁路， 使软起动装置只工作在电机软起动和软停车时。 本设计采用一个 I/O 口控制三个继电器的线圈。继电器控制电路如图 2-8 所示。 R36 R37 D 28 C23 5v U 1-P2.5 图2-8 触发器控制电路图 P2.5口输出高电平时，三极管导通，晶闸管组接入电网，当输出低电平时， 第二章 电机起动无功补偿装置设计 三极管截止，晶闸管组旁路。 2.1.3 触发电路 晶闸管触发电路作为系统中硬件的重要部分，能否及时可靠的触发对于软 起动的实现有着重要的影响，一般采用脉冲信号作为晶闸管的触发信号。本设 计采用软件编程的方式控制触发脉冲序列，通过 AT89S51 的四个 I/O 口配合输 出，经过光电耦合器 TLP3052 放大后可靠触发晶闸管。晶闸管触发电路如图 2- 9 所示。 R? RES2 5v U? NOT R30 TLP3052 TLP3052 R31R34D26 R33 R32 D27R35 R29 R28 5v 5v R AG2 AG1 U U1-P0.0 U1-P2.6 图2-9 U相晶闸管触发电路图 图 2-9 中，P2.6 口为触发脉冲控制的总端，当其为高电平时，触发脉冲无 法形成，当其为低电平时，P0.0 口才能控制输出脉冲。图 2-9 所示的只是其中 一相的触发电路，另外两相与之类似。 2.1.4 电源模块设计 电源模块设计中通常会用到三端稳压器，它是一种标准化、系列化的通用 线性稳压电源集成电路，因其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用 简捷方便等特点，目前已成为稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压 器件。本设计需要用到 5V 和12V 的供电电源。 (1)5V 电压电源设计 第二章 电机起动无功补偿装置设计 本设计采用 U 相供电，经变压、整流、滤波和稳压后，产生 5V 稳压直流 电源，从而为 TTL 或单片机电路供电。5V 电压电源设计如图 2-10 所示。其中， C24、C26 为滤波电容，C25、C27 为防止自激电容。 D29D31 D30D32 C24 Vin 1 GND 2 +5V 3 C26C27 D33 5V 220v C25 W7805 图2-10 5V电压电源设计图 (2)12V电压电源设计 1 2 3 4 1 2 3 4 1000uF 0.33uF100uF0.1uF 0.1uF100uF0.33uF1000uF V in 1 GND 2 +12V 3 LM7812 V in 2 GND 1 -12V 3 220v 16v 16v 12V -12V LM7912 图2-11 12V电压电源设计图 从电路中可以看到，7812/7912 的输入输出端都接有电容，而且是一大一 小，大容量电容是低频滤波作用，小容量电容是高频滤波用。 2.2 电机无功补偿系统 无功补偿装置系统结构框图如图 2-12 所示。 第二章 电机起动无功补偿装置设计 电机无功补偿系统应该包括信号的采集与处理、晶闸管触发以及无功补偿 装置。 电流互感器 电压互感器 过零检测电 路 锁相环同步脉 冲工作电路 A/D转换 同步工作脉 冲信号 AT89S51单片机 存储器 信号隔离放 大电路 LCD显示电源电路键盘 PC机 通信接口电 路 晶闸管触发 电路 AC380V三相交 流电压 FC+TCR型无功 补偿装置 电机 图 2-12 无功补偿系统结构图 2.2.1 信号采集 信号采集电路主要实现三相电压三相电流信号的检测、调理、A/D 转换等 功能，其检测精度和实时性对系统的补偿效果起重要作用。 (1)信号隔离 对三相电压电流进行检测，首先是将强电信号转换为弱电信号，把高电压 和大电流信号按照一定比例转换成为 03V 电压，供下一级电路进行数据采集。 本系统选用的电压互感器为 HPT304 微型电压互感器，电流互感器选用 HCT240 测量用电流互感器。 电压互感器 HPT304 的一次输入电压为 11000V，二次输出电压为 010V; 一次输入额定电流为 2mA，二次输出电流也为 2mA；精度、线性度均小于 0.1%。 电压互感器工作电路如图 2-13 所示。所示为单相电路的电路图。 第二章 电机起动无功补偿装置设计 R38 IN OUT HPT304 D39D38 OP07 R39 R40 C36 C35 U互互互互互互互 * * 互互互 12V -12v 图2-13 电压互感器工作电路图 U相电压通过限流电阻产生的02mA的电流，通过HPT304，得到相同的 02mA的电流，再通过运算放大器得到所需要的电压值。电容C35选用CBB电 容，D38、D39选用 1N4148二极管，C36取1000pF左右。 电流互感器HCT240的额定一次电流为1A，额定电流比为 1A/2mA、1A/2.5mA、1A/20mA，精度、非线性度均小于0.1%。电流互感器工 作电路与电压互感器类似，其工作电路如图2-14所示。 H CT240 D 41D 40 O P07 R42 R41 C37 C38 V CC -12V 互互互 互互互互 互互互互 图2-14 电流互感器工作电路图 (2)抗混叠谐波 本文采用MAX295，它是美国 MAXIM 生产的8阶巴特斯沃型开关电容式 低通滤波器，其截止频率取决于时钟频率，可以在0.1Hz50kHz之间选择。 MAX295作为集成器件，与传统的RC滤波相比，使用方便，可靠性和稳定性也 都有显著提高。 该芯片使用5V的电压电源，输入时钟的振幅可以为0V5V。由于 ,对于MAX295，所以时钟频率必须限 K 时钟频率 滤波器的截止频率 50K 第二章 电机起动无功补偿装置设计 制在5HZ2.5MHZ范围内。 (3)锁相环同步脉冲 在对交流电路进行采样时，由于电路中的电信号的频率并不是固定值，故 采用锁相环同步技术实现快速的周期跟踪。由于是对信号的同步采样，锁相环 同步技术能够有效地配合FFT算法，从而实现高精度的信号分析。 本设计采用CMOS集成锁相环芯片CD4046和计数器CD4020相配合，以实 现精确的锁相倍频的功能。过零电压检测电路将滤波后的基波信号转换为方波 信号，送至锁相环及分频电路，进行基于电网频率的同步倍频，得到的倍频信 号即作为A/D采样的周期控制信号。 CD4046锁相环电路实现了采样频率对工频频率的实时跟踪，即满足 S ff ，本设计选用，即在一个工频周期里采集128个点，供FFT分析NffS128N 计算。锁相环同步脉冲电路如图2-15所示。 VCO IN 9 COM P IN 3 SIGN IN 14 VCO OUT 4 PC1 OUT 2 PC2 OUT 13 ZENER 15 SF OUT 10 C1A 6 C1B 7 INH 5 PCP OUT 1 R1 11 R2 12 CD4046 C40 R46 R45 C39 R44 CLR 11 CLK 10 QA 9 QD 7 Q3 5 QF 4 QG 6 QH 13 QI 12 QJ 14 QK 15 QL 1 QM 2 QN 3 CD4020B VCC 5v 1 23 SN74HC125 R43 5v 互互互互互互互互互 1 2 3 J CON3 图2-15 锁相环同步脉冲电路图 CON是插座，也就是接口，起跳线的作用，连接两个等电势的点。 SN74AC14N是8位移位寄存器，即8总线双向收发器/驱动器，用5V电源供电。 (4)A/D转换 AT89S51自身不带有A/D转换器，需要在外部加设，将模拟信号变为数字 第二章 电机起动无功补偿装置设计 信号，以便单片机使用。ADC0809与单片机的连线如图2-16所示。 IN-0 26 msb2-1 21 2-2 20 IN-1 27 2-3 19 2-4 18 IN-2 28 2-5 8 2-6 15 IN-3 1 2-7 14 lsb2-8 17 IN-4 2 EOC 7 IN-5 3 ADD-A 25 IN-6 4 ADD-B 24 ADD-C 23 IN-7 5 ALE 22 ref(-) 16 ENABLE 9 START 6 ref(+) 12 CLOCK 10 ADC0809 P2.0(A8) 21 P2.1(A9) 22 P2.2(A10) 23 P2.3(A11) 24 P2.4(A12) 25 P2.5(A13) 26 P2.6(A14) 27 P2.7(A15) 28 PSEN 29 ALE/PROG- 30 EA-/VPP 31 P0.7(AD7) 32 P0.6(AD6) 33 P0.5(AD5) 34 P0.4(AD4) 35 P0.3(AD3) 36 P0.2(AD2) 37 P0.1(AD1) 38 P0.0(AD0) 39 VCC 40 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 (RXD)P3.0 10 (TXD)P3.1 11 (INT0)P3.2 12 (INT1)P3.3 13 (T0)P3.4 14 (T1)P3.5 15 (WR)P3.6 16 (RD)P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 AT89S51 5 OE 1 Q0 2 D0 3 D1 4 Q1 5 Q2 6 D2 7 D3 8 Q3 9 LE 11 Q4 12 D4 13 D5 14 Q5 15 Q6 16 D6 17 D7 18 Q7 19 74HC373 S 6 CLK 3 D 5 R 4 Q 1 Q 2 U?A CD4013B U? NOT 图2-16 ADC0809与AT89S51的连接图 2.2.2 数据处理 本设计采用美国ATMEL生产的AT89S51作为系统的CPU，AT89S51与 AT89C51/52的主要不同点是，增加了SIP串行口和看门狗定时器。AT89S51拥 有有5个中断源，可提供两个中断优先级，存在PDIP、PLCC和PQFP三种封装 形式，本设计选用PDIP封装的AT89S51。其外围工作电路如下。 (1)复位电路 基本的复位电路包括上电复位电路和按键复位电路两种。本设计采用上电 复位电路，它要求复位电路接通电源后，立即实现自动复位。复位电路如图2- 17所示。 (2)时钟电路 单片机时钟产生的方法有内部和外部时钟方式两种。最常用的内部时钟方 式是采用外接晶体和电容并联组成并联谐振回路。外部时钟方式是利用外部振 荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2，AT89S51属于CHMOS型，故需接入 XTAL1，而XTAL2需要悬空。本设计采用内部时钟电路，电路如图2-18所示。 第二章 电机起动无功补偿装置设计 VCC 22uf 1k VCC RST/Vpd GND 30pF 30pF 12MHZ XTAL2 XTAL1 GND AT89S51 图2-17 复位电路图 图2-18 时钟电路图 (3)电源电路 AT89S51采用5V电源供电。 (4)存储器扩展电路 存储器包括数据存储器和程序存储器。为满足系统工作的需要，需要对存 储器进行外扩。本设计采用HM62256进行数据存储器的外扩，采用AT24C64进 行程序存储器的外扩。其扩展电路分别如图2-19、2-20所示。 P2.0(A8) 21 P2.1(A9) 22 P2.2(A10) 23 P2.3(A11) 24 P2.4(A12) 25 P2.5(A13) 26 P2.6(A14) 27 P2.7(A15) 28 PSEN 29 A LE/PRO G- 30 EA-/V PP 31 P0.7(AD 7) 32 P0.6(AD 6) 33 P0.5(AD 5) 34 P0.4(AD 4) 35 P0.3(AD 3) 36 P0.2(AD 2) 37 P0.1(AD 1) 38 P0.0(AD 0) 39 V CC 40 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 (RX D)P3.0 10 (TX D)P3.1 11 (INT0)P3.2 12 (INT1)P3.3 13 (T0)P3.4 14 (T1)P3.5 15 (WR)P3.6 16 (RD )P3.7 17 X TA L2 18 X TA L1 19 G ND 20 A T89S51 A 14 1 A 12 2 A 7 3 A 6 4 A 5 5 A 4 6 A 3 7 A 2 8 A 1 9 A 0 10 I/O0 11 I/O1 12 I/O2 13 V SS 14 I/O3 15 I/O4 16 I/O5 17 I/O6 18 I/O7 19 CS 20 A 10 21 O E 22 A 11 23 A 9 24 A 8 25 A 13 26 WE 27 V CC 28 J? 62256 A 1 B 2 C 3 G 2A 4 G 2B 5 G 1 6 Y 7 7 Y 6 9 Y 5 10 Y 4 11 Y 3 12 Y 2 13 Y 1 14 Y 0 15 X ? SN 74HC138D (16) O E 1 Q 0 2 D 0 3 D 1 4 Q 1 5 Q 2 6 D 2 7 D 3 8 Q 3 9 LE 11 Q 4 12 D 4 13 D 5 14 Q 5 15 Q 6 16 D 6 17 D 7 18 Q 7 19 74H C373 A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 A 7 62256 P0.0 P0.1 P0.2 P0.4 P0.5 P0.3 P0.6 P0.7 A T89S51 A LE 图2-19 RAM扩展电路图 第二章 电机起动无功补偿装置设计 30pF 30pF 12M H Z X TA L2 X TA L1 G ND A T89S51 A 0 1 A 1 2 A 2 3 G ND 4 SD A 5 SCL 6 WP 7 V CC 8 A T24C64 10K10K V CC 5V 图2-21 ROM扩展电路图 (5)通信接口电路 PC机配置的是RS-232C的标准接口，AT89S51输入和输出的电平为TTL电 平，二者的电气规范不同，需要加电平转换电路。本设计采用MAX232芯片进 行电平转换，实现两者的通讯。PC机与单片机串行通信接口如图2-21所示。 R1 IN 13 R2 IN 8 T1 IN 11 T2 IN 10 C1+ 1 C1 - 3 R1 OUT 12 R2 OUT 9 T1 OUT 18 T2 OUT 7 C2+ 4 C2 - 5 V+ 2 V- 6 GND 15 VCC 16 + 1uF + 1uF 5V + 1uF + 1uf RXD TXD 10 11 1 6 2 7 3 8 4 9 5 DB9 AT89S51 MAX234 图2-21 PC机与单片机串行通信接口电路图 (6)液晶显示 本系统中采用LCM1602液晶显示。LCM1602是2 行16 的字符型液晶显 示模块，结合LCM1602控制指令，通过AT89S51单片机来控制LCM1602显示相 第二章 电机起动无功补偿装置设计 应的工作参数。液晶显示与单片机的连线如图2-22所示。 AT89S51 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 P3.4 P3.5 P3.6 RS R/W E LCD1602 VCC BLA VL GND BLK 47K 5V 互互 图2-22 AT89S51与LCD1602的连线电路图 (7)触发电路 本设计采用与电机软起动类似的电路触发。 2.2.3 无功补偿装置 本设计采用FC+TCR型的无功补偿装置，首先要知道TCR及无功补偿装置 的结构、原理。 (1)TCR 单相TCR（Thyristor Controlled Reactor）的结构原理图如图2-23所示。它由 固定电抗器（通常是铁心的）、两个反并联的晶闸管（或双相导通晶闸管）串 连组成。 图2-23 TCR基本原理图 第二章 电机起动无功补偿装置设计 一般用触发延迟角来表示晶闸管的触发瞬间，它是指从晶闸管开始承受 正向阳极电压起，到施加触发脉冲为止的电角度。由于电抗器几乎是纯感性负 载，故电感中的电流滞后于施加在电感两端的电压约90，为纯无功电流。如 果介于之间，会产生含直流分量的不对称电流，所以一般在 900 调节，即TCR正常工作时，从电压峰值到电压过零点的间隔内触发晶18090 闸管。其三相多采用三角形联结，因为与其他接线方式相比，线电流中不含3 次及其倍数的谐波电流。 (2)TCR+FC型无功补偿装置 单独的TCR只能吸收感性无功，因此，往往需要与电容器并联配合使用。 固定电容晶闸管控制电抗型无功补偿器（Fixed Capacitor, Thyristor - Controlled Reactor Type Static Var Compensator, FC-TCR SVC)的单相结构图如图 2-24所示。 U iQ iL iC 图2-24 FCTCR型SVC的单相结构图 其中电容支路为固定连接，TCR支路采用触发延迟控制，形成连续可控的 感性电抗，通常TCR的容量大于FC的容量，以保证该装置既能输出容性无功， 也能输出感性无功。实际应用中，常用一个滤波网络（LC或LCR）来取代单纯 的电容支路，滤波网络在基频下等效为容性阻抗，产生需要的容性无功功率。 本设计采用如图2-25所示的无功补偿装置。 R S T 第二章 电机起动无功补偿装置设计 图2-25 FC+TCR型无功补偿装置与电网的连接图 第三章 电机起动无功补偿系统软件设计 第三章 电机起动无功补偿系统软件设计 3.1 电机软起动系统软件设计 电机软起动各部分电路的协调工作需要软件的配合，软件设计的好坏直接 影响到系统的正常运行。电机软起动系统主程序流程框图如图3-1所示。 开始 单片机初始化 起动？ 调相关控制子程 序 旁路软起动装 置 起动完成？ Y N N Y Y N 中断？ 图3-1 电机软起动系统主程序流程图 3.1.1 同步信号采集设计 本系统中同步信号采集采用外部中断控制的方式，来提高系统的实时性能。 触发脉冲与电源等周期的同步脉冲的产生中有着非常重要的作用，只有正确的 同步信号才能保证可靠、有效的触发晶闸管，从而保证软起动的顺利完成。同 步信号中断子程序流程图如图3-2所示。 流程图中的相应控制子程序主要是指通过定时器延时控制而得到的与不同 触发角相对应的触发脉冲。这些控制子程序根据不同的起动方式而有所不同。 第三章 电机起动无功补偿系统软件设计 3.1.2触发次序设计 根据图2-2所示的电机软起动主电路，只需要对六只晶闸管通过延时循环导 通。由于系统设计采用一个I/O口来控制两个晶闸管的触发信号，即一路触发脉 冲控制在一相上的两个晶闸管，从主回路图中可以看到VTl与VT4同相，VT3与 VT6同相，VT5与VT2同相。所以在程序中在触发完VT3后，只要将之前触发 VTl、VT2、VT3的程序循环一次就可以了。延时部分利用定时器中断实现，6 只晶闸管的触发顺序，如图3-3所示。 中断初始化 调相应的控制子 程序 启动延时触发中 断 中断返回 延时触发中 断 发出VT1触发信号，同 时补发VT6触发信号 延时60度，发出VT2触 发信号，同时补发VT1 触发信号 延时60度，发出VT3触 发信号，同时补发VT2 触发信号 延时60度，发出VT4触 发信号，同时补发VT3 触发信号 延时60度，发出VT5触 发信号，同时补发VT4 触发信号 延时60度，发出VT6触 发信号，同时补发VT5 触发信号 中断返回 图3-2 同步信号中断子程序图 图3-3 延时触发中断子程序图 3.1.3故障保护子程序设计 故障保护子程序主要用来根据计算的基波电压、电流和各次谐波幅值等参 数以及设定的阈值来对系统的故障进行判断。一旦故障发生，立即执行相应的 保护措施。故障保护子程序流程图如图3-4所示。 第三章 电机起动无功补偿系统软件设计 故障保护程 序 A故障发生 A故障计数清 零 B故障发生 B故障计数清 零 C故障发生 C故障计数清 零 返回 A故障计数器 +1 A故障保护措 施 A故障计数大于3？ Y Y N N B故障计数器 +1 B故障保护措 施 B故障计数大于3？ Y N B故障计数器 +1 A故障保护措 施 B故障计数大于3？ Y N 图3-4 故障保护子程序流程图 3.2 电机无功补偿系统软件设计 为了使程序具有良好的可读性和升级维护的方便性，本文采用模块化的编 程方法。根据控制器所要完成的各项任务，系统软件按功能划可以分为以下几 个模块：实现对FC+TCR补偿系统电压、电流及功率等的采集；实现补偿电纳 的计算和触发控制角的求解；实现FC+TCR触发控制信号的产生；实现对各 种反馈信号的综合、保护信号的产生；实现对