基于DSP的电机起动的无功补偿装置设计VIP

摘 要摘 要电机在国民经济各行业中都占据着十分重要的位置,其中三相异步电机以其结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜的优点得到了广泛的应用!例如，在工农业生应用中，它可以拖动风机、水泵、压缩机、各种轧钢设备、轻工设备、冶金和矿山机械等；在民用电器中，电扇、洗衣机、冰箱、空调都是有单相异步电动机拖动，总之，异步电机应用范围广泛，需求量大，是实现电气自动化不可缺少的动力设备。自然，三相异步电机的运行质量是人们一直所关心的问题。电机的瞬时起动电流是电机额定电流的5-7倍，如果电机质量不好，甚至有到15倍的，虽然起动电流很大，但起动转矩并不是很大，通常是额定转矩的2倍。据资料统计，目前我国电机年用电量超过2万亿千瓦时，约占全国用电量的60%，但高效节能电机市场份额不到3%，电机系统整体运行效率比发达国家低20%左右。本文介绍了电机的软启动装置，重点介绍了磁饱和电抗器的工作原理，控制方法，参数选择，对电机启动过程中的大电流进行的调节作用，并简要介绍了其发展史。电机软启动装置对电机启动时的大电流有一定的限制作用，从这种意义上说，电机软启动装置具有无功补偿的作用。但其无功补偿功能并不是十分强大，还需再加上其他补偿装置，从能从根本上限制启动时的巨大电流。本文介绍了各种无功补偿装置的性能、优劣、性价比等等，从经济上考虑，只要各个部件参数选择得当，软启动加上并联电容器可以补偿电机起动时的大量无功功率。另外本系统采用数字信号处理器DSP作为控制器，并介绍了WB1831BX传感器作为控制器输入信号的预处理装置，大大提高了控制系统的性能。关键词：软启动，无功补偿，磁饱和电抗器，并联电容器- 7 -AbstractAbstractThe Motor in the national economy in various industries occupies a very important position, including three-phase asynchronous motor with its simple structure, easy fabrication, operating performance is good, and can save all kinds of materials, the price is cheap advantage a wide range of applications. For example, born in agricultural and industrial applications, it can drag fan, water pump, compressor, all kinds of rolling equipment, light industry equipment, metallurgy and mining machinery, etc.; In civil electrical appliances, electric fan, washing machines, refrigerators, air conditioning is a single phase asynchronous motor drive, in short, asynchronous motor wide application, demand is big, is to realize the electrical automation indispensable power equipment. Natural, three-phase asynchronous motor is running quality of people have been concern about.The motor is instantaneous starting current motor rated current of the five to seven times, if motor quality is bad, or even to 15 times as much, although starting current is very big, but starting torque and is not very big, is usually rated torque of 2 times. According to statistics, Chinas current power more than 2 trillion kilowatt-hours motor, accounting for about 60% of the national power consumption, high efficiency and energy saving motor but less than 3% market share, motor system overall efficiency than developed countries low 20%.This paper introduces the soft start-up devices of the motor; this paper introduces the working principle of magnetic saturable reactor, control method, the parameters of choice, for motor start process of the regulation effects of large current, and briefly introduces the history.Motor soft start devices on motor activated when the large current to have certain restriction role, in this sense, motor soft starter has the function of the reactive power compensation. But the reactive power compensation function and not very strong, still need to add other compensation devices, from essentially limit activated when the great current. This paper introduces various kinds of reactive compensation device performance, actor, and the cost performance and so on, from the economic consideration, as long as each part parameter selection is proper, soft start plus parallel capacitor can compensate for motor starting a large number of reactive power.In addition the system USES the digital signal processor (DSP) as a controller, and introduced the WB1831BX sensor as the input signal controller pretreatment devices, greatly improving the control the performance of the system.Keywords: soft start, reactive compensation, magnetic saturation reactor, parallel capacitor 目 录目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论1 1.1 课题的来源与意义1 1.2 国内外发展状况2 1.2.1无功补偿21.2.2电机软起动5 1.3 本课题完成的主要工作7第二章 电机软起动无功补偿装置设计82.1 电机软起动无功补偿系统结构82.2 饱和电抗器工作原理82.2.1饱和电抗器的理论计算92.2.2饱和电抗器的工作原理102.2.3单铁芯饱和电抗器的改进112.2.4磁饱和电抗器对负载电压的调节作用122.3 无功补偿工作原理132.3.1并联电容器无功补偿原理132.3.2并联电容器的计算与图形分析142.4 DSP控制器简介15第三章 系统硬件设计173.1 电机型号173.2 系统主电路设计173.2.1软启动装置173.2.2无功补偿装置17 3.2.3交流接触器183.3 控制系统的设计183.4 信号预处理装置233.5 电源电路设计253.5.1 DSP电源设计253.5.2直流可控电源设计263.6 驱动电路设计273.6.1交流接触器驱动电路设计273.6.2 PWM驱动电路28第四章 系统软件设计294.1 主程序设计294.1.1无功补偿装置设计294.1.2软起动装置软件设计30总 结34参考文献35致 谢36第一章 绪 论第一章 绪 论1.1 课题的来源与意义电机在国民经济各行业中都占据着十分重要的位置,其中三相异步电机以其结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜的优点得到了广泛的应用。例如，在工农业生产应用中，它可以拖动风机、水泵、压缩机、各种轧钢设备、轻工设备、冶金和矿山机械等；在民用电器中，电扇、洗衣机、冰箱、空调都是有单相异步电动机拖动。总之，异步电机应用范围广泛，需求量大，是实现电气自动化不可缺少的动力设备，故三相异步电机的运行质量是人们一直所关心的问题。异步电动机存在功率因数低等缺点：电机起动瞬间三相电动机起动时的瞬时起动电流是电机额定电流的5-7倍，如果电机质量不好，甚至有到15倍的，虽然起动电流很大，但起动转矩并不是很大，通常是额定转矩的2倍。据资料统计，目前我国电机年用电量超过2万亿千瓦时，约占全国用电量的60%，但高效节能电机市场份额不到3%，电机系统整体运行效率比发达国家低20%左右。电机起动电流大，导致母线电压将增大，因而影响同一供电网上其他用电设备的正常运行，而且电气元件(接触器、过载)必须选择能耐受满浪涌电流的规格，机械系统如齿轮箱、风扇皮带、电机轴、水泵轴寿命缩短，磨损加剧，易碎的产品碎裂、破裂、散落，定位产品的位移等，而起动转矩相对来说较小，定子漏阻抗压降大，功率因数也就很低，系统的损耗很大。因此电机起动时，对电机进行无功补偿和软起动具有重要的实际意义。对电机进行无功补偿，有以下意义：(1)补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数。(2)减少发、供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数增加至时，装1kVar电容器可节省设备容量0.52kW；反之，加0.52kW。对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。(3)提高功率因数后，线损率下降了，减少设计容量。减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。因而，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。电机软起动就是在电动机起动过程中，在电动机主回路串接变频变压器件或分压器件，使电动机端电压从某一设定值自动无级上升至全压，电动机转速平稳上升至全速的一种电动机起动方式。所以软起动有明显的优点，首先是起动电流可根据需要进行调节，不至于引起电网电压的大幅度变化引起周围用电设备的不正常运行，切换时也不会引起电流冲击，其次就是电机在起动过程中平稳的加速，避免了动力传输的辅助设备(例如三角皮带、变速机构)和做功的机械设备带来强大的机械冲击。 1.2 国内外发展状况随着世界经济的飞速发展，变压器、异步电机、风机、水泵等交流电机在工业、交通和电力系统等领域获得了更加广阔的应用。这些负载消耗过多的无功功率，增加电压电能损耗，降低电网运行效率，造成电力资源的巨大浪费！若不加治理，随着无功功率的需求量日益增大，功率因数的不断降低，用电质量进一步恶化，电力系统迫切需要进行无功补偿。为扭转局面，20世纪初，科学家在电路中连接一些设备，对负载进行补偿，用以提高功率因数，改善电能质量1。1.2.1无功补偿针对无功功率补偿技术的发展，就全球而言，无功补偿大致经历了四个阶段:并联电容器，同步补偿器，静止无功补偿器(SVC)，静止无功发生器(SVG)。国外无功补偿装置主要发展情况：(1)并联电容器。20世纪之初，专家们采用的无功补偿技术是并联电容器。一般并联在伏在附近，是就地补偿的一种。由于这种方法减少了输配电网络相负载提供的无功功率，同时减少了输配电线路所需要输送的无功功率，从而降低了电网所需要承担的负载和传递无功功率所产生的电能损耗，在一定程度上提高了电力系统的供电量，节约了能源在一定范围内使得运行时的损耗降低，也是的功率因数降低，提高了电能质量。这种装置有一定的优点，整体而言结构简单，安装容易，维修简单，补偿效率较高，运行成本低等等。但是由于在运行过程中电抗大小恒定，无法灵活的针对非线性元件所消耗的瞬时无功功率进行补偿4。(2)同步调相机。20世纪初随后的几年里，渐渐的出现了同步调相机、同步电动机、同步发电机等同步电机。同步调相机曾被广泛应用于枢纽变电站中，用于部长传递无功功率而造成的电压降和电能损耗。相对也并联电容器而言，这种旋转无功补偿方式具有一定的优势。能够较为灵活的地根据电路的需要而改变转速，以吸收或者产生不同大小的无功功率稳定电网电压。当电路中有负载消耗感性无功时，电机就工作在过励磁状态，产生无功功率，从而能使电压上升。当电路中有负载消耗容性功率时，电机就工作在欠励磁状态，吸收无功功率，使得电压下降。运行过程中，损耗和噪音大，不能保证平稳运行4。另外，这类装置故障率高，维护成本较高，这种无功补偿方式不利于大面积推广。(3)静止无功补偿器。并联电容器和静止无功补偿器在无功补偿方面各有弊端2。电抗器有不同的用法，将电容器并联在感性电路中，能够补偿感性负载；同理，将电抗器并联在容性负载电路中，可以补偿容性功率；将电抗器串联在负载前，可限制电路短路电流。但电抗器存在一个缺点：电抗值是固定的，当电路中负载产生变化，无功需求量产生变化时，电抗器就不能满足要求了。随着社会的发展，这种固定电抗器越来越显示出它的局限性。在二十世纪六十年代时，人们开始进行饱和电抗器进行研究。饱和电抗器包括可控饱和电抗器和自饱和电抗器。1967年，作为最早的静止无功补偿装置，饱和电抗器静止无功补偿系统被英国的GEC公司成功的研发并成功的生产出来。接下来的几年时间里，各国知名的电气公司也相继制造出这种补偿装置。相对之前的同步补偿器而言，这种补偿具有很多优点：反应速度快、产生谐波小以及噪音影响小，主要应用在高压输电线路中5。这种装置的缺点是损耗大，成本较高，调整速度较慢，动态补偿时间长等。静止无功补偿装置之所以称之为“静止”是相对于“旋转”而言的，在电路中不再使用电动机、发电机等旋转器件取而代之的是用静止的开关等等对电抗器进行调节或者控制，以达到产生或者吸收无功功率的目的4。随着电力电子技术的发展，逐渐出现了以晶闸管为代表的半控型电力电子器件，于是另一种静止无功补偿装置静止无功补偿器也随之诞生。晶闸管充当投切开关或者输出功率的调节开关。这种开关克服了接触器等机械式开关，理论上其寿命是无限期的。1977年美国通用公司研制出利用电力电子的静止无功补偿装置。接下来的一、二年内，各国纷纷投入人力、物力，相继研制出这类装置。其常见类型有晶闸管控制电抗器(TCR)，晶闸管投切电容器(TSC)，以及二者混合使用。这类装置可根据需要控制电抗值大小，控制灵活，损耗小，因此获得了大面积的使用。其缺点是系统产生谐波，对电力系统的影响不可忽视。(4)静止无功发生器(SVG)，也叫STATCOM，是目前最先进的无功补偿装置设计。随着电力电子技术的进一步发展，出现了IGBT、IGCT、GTO等全控型器件，同时电力电子技术中出现的相关技术如PWM技术(脉宽调制技术)，整流技术，相控技术等也有了很大的发展7。继1977年第一部电力电子器件控制的静止无功补偿装置诞生后，人们致力于一种更为先进的装置SVG的研制，终于在1980年首部SVG在日本诞生，当然其他国家也竞相推出相关产品。这类装置通过控制全控型器件的关断改变无功电流的输出8。该装置在直流侧并上电容器为电压型补偿器，若并上电感则为电流型补偿器9。这类装置很有优势，根据电力系统无功理论，总系统无功量为0，所以并在直流侧的电抗器容量不必很大，能维持直流侧电压就行。占用空间小，补偿时间短，适用范围广，应用得当，可大幅度降低谐波。无功补偿装置在国内的发展情况：70年代武汉钢铁公司1.7cm轧机工程进口了比利时的直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成的静补装置后，国内才对可变无功的补偿问题引起了注意。在国内，补偿无功用的最多的办法是并联电容器。在低压( 10kV以下) 供电网络中大量地和在中压( 60kV、35kV) 配电网络中少量地装设并联电容器组，以满足调压要求，70年代初有人提出用大负荷调压变压器改变并联电容器组端电压，以调节无功出力的设想，终因调压变压器的操作开关寿命不能保证而未能实现。可变无功的补偿问题越来越受到有关部门的重视，电力部有关科研、设计、试验单位对静补装置在电力系统中的作用进行了不少试验研究工作。从国外引进的静态补偿为枢纽变电站或大型企业所用的大容量静态补偿装置；对于中小型中低压电网或中小型企业所需的无功功率，多采用并联电容器组的办法实现。这同时也产生了许多新的问题。首先，并联电容器不能迅速连续地进行无功功率的调节；其次，过补偿的电容器在夜间产生了大量的容性无功，使发电机进相运行，并影响系统经济稳定运行。因此，中小企业的功率因数调节也越来越引起重视。对于偏离规定功率因数较大的企业，电力部门会对其征收惩罚性的累加电费，在城市夜间、节假日期间会有大量剩余无功功率，引起电网电压升高，危害用户。功率因数低、损耗大、系统不稳定、效益低等问题日益突出，所以把连续可调的无功补偿装置应用到在中小型中低压电网或中小型企业是十分必要的。自1978年美国通用公司生产SVC以后，其他各国开始研制相应产品以来，部分设备进口到我国。到八十年代，我国已经具备了自主研发SVC的能力，并向其他国家出口。武汉理工大学、国家电力公司电力自动化研究院、中国电力科学研究院等学院、华北电力大学、东北电力学院、哈尔滨工业大学等单位都有较强的科研能力。另外，上述学校在SVG方面也有自己突出的贡献，西安交通大学、华中科技大学、重庆大学、上海交通大学等高校也在SVG的建模、稳态调控、抑制谐波等方面有一定的研究。1994年作为源电力部重大科技攻关项目，由河南省电力局和清华大学共同研制的20Mvar的SVG于1995年并入电网运行，是中国成为世界上第四个拥有大容量SVG的国家。2002年11月，国家电网公司科环部主持通过了“上海电网分区50Mvar的STATCOM示范工程”。目前STATCOM在国内还没有实现产业化。1.2.2电机软起动本设计电机软起动采用磁饱和可控电抗器。可控电抗器是借助控制回路的直流控制电流的激磁改变铁心的磁饱和度(即工作点)，从而达到平滑调节无功输出的目的。1916年美国E.F.W.亚力山德逊提出了“磁放大器”的概念12。20世纪40年代，随着高磁感应强度及低损耗的晶粒取向硅钢带和高磁导、高矩形系数的坡莫合材料的出现，饱和电抗器的理论与应用迈上新台阶。1955年美国的H.F.斯托姆撰写了磁放大器一书，1956年苏联的M.A.罗津布拉特也撰写了磁放大器一书，标志着磁放大器发展的高峰，当时已成为自动化系统不可缺少的基础元件。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。1955年，世界上第一台可控电抗器在英国制造成功13，其额定容量100MVA，工作电压为6.6kV。70年代以来，由于可控硅器件迅速发展及相控电抗器的出现，可控电抗器研究工作未受到人们重视，发展停滞不前。随着国家电力工业发展速度增快和城乡电气化水平越来越高，超高压、特高压电网相继投入运行，用户对电网供电质量及可靠性的要求越来越高。超(特)高压电网的形成及负荷变化加剧，要求大量可调的无功功率源以调整电压，维持系统无功潮流平衡，减少损耗，提高供电可靠性14。70年代发展起来的相控电抗器(TCR)高昂的造价决定了其在电力系统广泛应用的不合理性。鉴于上述原因，电力科研工作者转而寻求更经济和更可靠的可调无功补偿装置。1986年，原苏联学者A.M.Cokonob提出了可控电抗器的一种新型结构15，使直流饱和可控电抗器的发展有了突破性的进展。近年来，基于高频PWM控制的可控电抗器也在研究之中，日本科技工作者提出的基于控制磁通原理正交磁心的可控电抗器也日趋走向实用。新型可控电抗器可作为连续可调的无功补偿装置直接用于1150kV以下的任何电压等级的电网，即可直接接于超高压线路侧(开关在内)，同时发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。国内外对可控电抗器的研究主要集中在磁阀式可控电抗器和交流可控电抗器磁饱和可控电抗器设计与应用研究上16。国内武汉大学对磁阀式可控电抗器研究工作开展较早，成功研制出磁阀式动态无功补偿设备和消弧线圈，运行效果良好。上海交大、华北电力等大学对直流型可控电抗器进行了研究，浙江大学对交流可控电抗器开展了较为深入的研究。20世纪80年代以来，我国电网中先后有的五站、六套基于MCR的SVC(广东的江门、湖南的云田、湖北的风凰山、河南的小刘及辽宁的沙岭500kV变电站)投入运行17。武汉和张家港钢铁公司轧钢机上也有基于MCR的无功补偿设备投入运行。可控电抗器在电气化铁道动态无功补偿和自动调谐消弧线圈方面得到了很好的应用，但在其他方面应用较少，所以有必要对可控电抗器进行深入和全面的研究。近年来，随着磁性材料制造水平和性能的迅速提高以及控制理论地不断完善，使磁饱和可控电抗器的研究、开发和应用进入了全新的时期。另外，随着以超(特)高压为骨架的国家智能电网建设，以及电力负荷变化的日益加剧，磁饱和可控电抗器的理论研究和应用将会有更大的社会意义及科研意义。1.3 本课题完成的主要工作本课题中电机的软起动装置采用在电机的主电路中串接磁饱和可控电抗器，从而避免了硬起动带来的巨大起动电流对电网电压的冲击和周围负载的不良影响，以及强大的起动转矩对惯性较大的负载带来的机械冲击。软启动装置可以降低启动电流，根据电路定律，系统电压假定不变，电流减小，视在功率减小，有功功率不变的话，无功功率减小。因此从某种意义上说软启动有无功补偿的功能。 但软起动本身无功补偿功能有限，不能对电机起动时的强大的无功电流进行强有力的补偿。电机是感性设备，饱和电抗器也是感性的，电机运行时功率因数非但不会提高，还会因为相当于电感的软起动装置的接入而降低功率因数，因此单单接入软起动装置是不够的，需要对电机进行无功补偿。本设计主要完成如下工作：(1)对课题的来源进行阐述，对无功补偿的研发和生产及电机软起动的来龙去脉和发展史做了大致的介绍。(2)设计出整个系统的结构图，分析了磁饱和电抗器的工作原理，并设计出系统采用的无功补偿装置，完成DSP控制器的硬件设计，最后结合各部分阐述了系统的工作流程。(3)进行功率器件的选型，针对该类型电机选择接触器及电容器，对DSP控制器系统进行了设计。(4)针对系统的工作流程，设计程序设计流程图，并给出DSP的控制程序。第二章 电机软起动无功补偿装置设计第二章 电机软起动无功补偿装置设计2.1 电机软起动无功补偿系统结构图2-1为系统结构图，系统工作原理简介：当需要起动电机时，合上刀开关，由DSP控制器发出信号经驱动后，闭合KM3，对电容器进行充电。起动电机时，先断开KM3，闭合KM1，电机在软起动装置的控制下，电机两端电压由零开始平滑的增加值全压。电机端电压增至全压的时间由DSP控制器通过控制饱和电抗器来控制。与此同时，接触器KM4闭合，对起动过程中的大电流进行补偿。电机在DSP控制器设定的起动时间内起动结束后，KM2在DSP控制器的控制下闭合，电机全压启动，KM4断开。当DSP控制器检测到系统的功率因数达到程序设定的数值后发出控制信号放大后驱动KM4动作，断开无功补偿装置。KM1和KM4都断开后，电机起动完成。图2-1 电机软起动无功补偿系统结构图2.2 饱和电抗器工作原理软起动器的核心工作部件是磁饱和可控电抗器，所以若要了解软起动器就必须对饱和电抗器的有足够的了解。电机安装软起动装置后，电机进行软起动时，电机两端电压平滑的增加至全压，实现了软起动。待电机启动电压增加值全压时，饱和电抗器就会被短路掉。软起动毕竟是电感性元件，而电机自身也是感性的，二者串联，感性更加突出，电机的功率因数就降低了，因此，软启动结束后，必须把它短接。根据饱和电抗器的工作原理，可以通过控制其直流测得的电流来控制其分压大小，从而也就控制了与其串联的电机两端的电压大小。本节对饱和电抗器特性进行理论计算，并详细介绍其工作原理。2.2.1饱和电抗器的理论计算饱和电抗器的电气特性具有非线性的特点，为了对其特性参数有准确的认识。对此，本节将对饱和电抗器的相关参数进行了详细分析研究。饱和电抗器的电感计算公式如下所示：（H） (2-1)式中，交流线圈匝数；铁心截面面积(cm2)；铁芯动态磁导率；磁路等效长度(cm)。饱和电抗器电抗值计算公式如下：（） (2-2)式中，交流工作绕组电抗()；工作绕组电感(H)；频率(Hz)；交流线圈匝数；铁心截面面积(cm2)；铁芯动态磁导率；磁路等效长度(cm)；饱和电抗器磁导率计算公式如下： (2-3) 式中，合成磁感应强度(T)；合成磁场强度(A/m)。2.2.2饱和电抗器的工作原理单铁心饱和电抗器在同一铁心上装有两个线圈，Ns为交流线圈即工作线圈，Nd为直流线圈即控制线圈，如图2-2所示。交流工作端Us直流工作端UdNs ndNdIsId图2-2 单铁心饱和电抗器结构图根据式(2-2)可知，铁芯做好后，上式中除导磁率外，其他参数都是定值，可见电抗与成正比，而导磁率具有非线性，且与磁感应强度有关。描述磁感应强度和磁场强度变化关系的铁芯磁化曲线如图2-3所示。由图2-3可以看出磁感应强度B和磁场强度H变化关系，由式（2-3）在H由0增至一定的数值前，导磁率可视为定值，如图2-3中从零增至N点曲线所示；继续增大H，铁芯渐渐饱和，导磁率降低，H越大，导磁率越小，如图2-3中N点以后的曲线所示。铁芯中的磁通由和共同产生，假定不变，控制可控制合成磁感应强度，也就可以控制导磁率的大小，那么电抗就可以调节。BBsHNB 图 2-3 铁芯磁化曲线示意图2.2.3单铁芯饱和电抗器的改进交流电流所产生的交变磁通在直流线圈中会产生很高的感应电势，此电势叠加在直流电源上影响控制特性，单铁心饱和电抗器实际应用中都不采用，实际应用的饱和电抗器采用双铁心结构，如图2-4所示。图2-4 单铁芯饱和电抗器改进示意图2.2.4磁饱和电抗器对负载电压的调节作用由2.2.2节分析可知，饱和电抗器的电抗值可连续变化，其电抗值的大小随铁芯磁路的饱和程度而定，通过改变直流控制端电流大小可以连续调节电抗值的大小。将饱和电抗器串联在用电设备的主电路中，就控制负载端电压，同时减少通过负载的电流，从而调节负载的功率。如图2-5所示为软起动器控制负载端电压的电路图。图2-5 饱和电抗器调节负载示意图假定负载为纯阻性，忽略饱和电抗器交流工作线圈的电阻0。设电网电压为，饱和电抗器输出电压为(即负载压降)，流过负载的电流为。则根据电路图可得： (2-4) (2-5)由式(2-4)(2-5)可以看出，交流工作电流及负载电压随电抗值改变。那么，改变直流控制电流大小可以连续调节电抗值的大小。从而通过直流控制就可以对负载电压，电流进行连续调节。2.3 无功补偿工作原理在绪论里详细的介绍了无功补偿的发展史，并对其优劣进行列系统介绍。在我国比较实用的补偿方式为并联电抗器，并联电容器比较经济，补偿效率也较高。SVC相比较而言，先进了很多，可对系统进行动态补偿，价格上每kVar根据制作工艺等等技术原因100300元。SVG是目前最先进的技术，也是以后发展的趋势，但一部SVG装置价格在230万280万元，对于补偿电机这样的设备，用SVG有点“大材小用”，很不经济，因此不用。2.2节中介绍了饱和电抗器的工作原理，其实饱和电抗器还具有一定的无功补偿作用，饱和电抗器接入电路后，系统电压假定不变，电流减小，视在功率减小，有功功率不变的话，无功功率减小。但磁饱和电抗器其无功补偿作用有限，对于电机启动过程中的大电流显得作用不是很大。本节介绍一种经济而且实用的无功补偿装置并联电容器。2.3.1并联电容器无功补偿原理由电路知识可知，感性无功功率的电流相位滞后于电压相位90，容性无功功率的电流相位超前电压相位90，故常用容性无功功率补偿感性无功功率以减少电网无功负荷，也就是所谓的电动机、变压器“吸收”无功电流而并联电容器“发出”无功电流的道理，即并联补偿的原理。不过，应注意的是：在感性负荷两端并联电容可以提高功率因数，但不会改变电感电路的电流和功率因数；电容是负荷而不是电源。电容从电网吸收的无功功率是超前电流引起的，电感电路从电网中吸收的无功功率是滞后电流引起的。由于超前电流与滞后电流的互补作用，也就是电容性负荷的无功功率补偿了电感负荷的无功功率。2.3.2并联电容器的计算与图形分析为分析方便，电路采用单相进行计算，并联电容器后，等效电路图如图2-6所示。图2-6 并联电容器电路示意图设图中电源、电感、电阻、电容值分别为Usin(wt+0)、L、R、C，设电阻和电感的阻抗角为，则阻抗模值为： (2-6) (2-7)流过电阻电感的电流的模值为U/，相角为，流过电容器的电流模值为CU。图2-7描述了电容电流对电感性电流的补偿作用。电流电压图2-7 电容电流对电感性电流的补偿示意图鉴于电容对感性电路的补偿作用，即：电容电流向量超前电压90，阻感电流滞后电压，其中090，共同作用使得阻抗角减小，电容值越大，补偿作用越强，当电容值达到一定值时，总电路呈现出电流超前电压，即表现出容性，当然，若电容太小，补偿作用不明显。电容对电感的补偿作用，就像中学化学中学过的酸碱中和反应一样，当溶液呈现出酸性时，要使溶液呈现中性，需向溶液中加碱，加的少的话，溶液依然是酸性的，只有加到适当数值至溶液接近中性，若超过这个量溶液就呈现出碱了。所以电容的取值要适当。2.4 DSP控制器简介TMS320LF2407A是TI公司主推的定点DSP之一，通过将存储器和外设集成到控制器内部，兼实时处理能力和控制器外设功能于一身为控制系统的设计提供了一个理想的平台。DSP芯片的基本结构包括：(1)改进的哈佛结构。具有独立的程序总线和数据总线。CPU可在一个机器周期中同时取剑指令和数据。40MIPS的执行速度使得指令周期已缩短到25ns。(2)流水线技术。流水线技术义称管道操作，即处理器可以并行处理26条指令，每条指令处于流水线上的不同阶段。(3)专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。乘法速度越快，DSP的性能越高。(4)特殊的DSP指令。在TMS320系列DSP芯片中支持一些特殊指令。这些特殊指令能够使程序更加精练、执行更有效率。(5)支持灵活的寻址方式。支持循环寻址、位翻转寻址等适合实现数字信号处理算法的特殊寻址方式。(6)拥有简便的内存接口。为了避免使用大型缓冲器以及复杂的内存接口，TMS320系列DSP尽可能简化电路设计，减少内存访问。(7)针对寄存器文件和累加器优化。提供很多的累加器，并可对如数据溢出等异常情况进行处理。TMS320LF2407ADSP控制器具有丰富的的硬件结构，包括：(1)内核CPU硬件结构有：32位中央算术逻辑单元(CALU)。在单个机器周期内执行32位操作；32位累加器。用来保存CALU计算结果并为下一次CALU操作提供输入它具有移位和循环操作功能；16位16位的硬件乘法器，可在单个机器周期内产生32位结果；三个定标移位器，包括输入数据定标移位器、输出定标移位器和乘积定标移位器；八个16位辅助寄存器和一个辅助寄存器算术单元，间接寻址用；程序控制器，对指令进行译码。(2)片内存储器组成：544字的数据/程序双口RAM(DRAM)；2K字的单口RAM(SPAM)；32K字的FLASH的程序存储器；高达1.5K字的数据/程序RAM。(3)可扩展的外部存储器总共有192K字的寻址范围：64K字的程序空间；64K字的数据空间；64K字的I/O空间。(4)两个事件管理模块EVA和EVB，每个包含：2个通用定时器，共有4种计数模式；3个具有死区功能的全比较单元；3个捕获单元；一个正交编码脉冲电路。(5)模数转换模块(ADC)。(6)串行通信模块(SCI)。(7)串行外设接口(SPI)。(8)CAN(Controller Area Network)控制器模块。(9)多达40个通用、双向的数字I/O(GPIO)引脚,可单独编程或复用。- 36 -第三章 系统硬件设计第三章 系统硬件设计3.1 电机型号本系统需补偿的电机型号为Y100L-2，其参数见表3-1表3-1 电机型号及参数电机名称Y系列三相异步电机型号Y100L-2额定功率（kW）3转速（r/min）2890电流（A）6.4电压（V）380效率0.82功率因数0.87堵转电流（A）7堵转转矩（Nm）2.2最大转矩（Nm）2.3重量（kg）343.2 系统主电路设计鉴于软起动系统已经具备一定的无功补偿功能，本装置主电路分为两部分：软启动装置，无功补偿装置下面分别介绍这两部分。3.2.1软启动装置电机软起动装置在第二章已做过介绍，单相主电路图如图2-4所示，三相接线电路图在此不讨论。3.2.2无功补偿装置无功补偿有三个电容与电机并联组成，如图3-1所示。电容参数选择：本装置额定电流为6.4A，鉴于电机起动电流为额定电流的57倍，因本系统已安装软启动装置，故设起动电流为额定电流5倍，启动时间一般较短大约2秒，为防止电机系统对无功补偿装置过度依赖，设启动过程中平均电流为额定电流的2倍，则无功电流为额定电流的1.73倍，无功，则每个电容器需要补偿的无功功率经计算为2110Var，计算后可知电容值为0.46510-6F，即0.465F,实际选取时，电容值可选取范围为0.460.47F。与并联电容联接的熔断器参数选取：并联电容器时，熔体额定电流=（1.31.8）电容器组额定电流，故熔体额定电流为4.8A6.7A。图3-1 无功补偿装置示意图3.2.3交流接触器系统中一共使用了四个交流接触器。交流接触器常用额定电流等级为5A、10A、20A、40A、60A、100A、150A、250A、400A、600A。常用额定电压值为220V、380V、660V等。系统中的接触器都是串联在相电源上，所以四个交流接触器额定电压与相电压相符，都为220V。额定电流分别为：KM1为5A，KM2为10A，KM3为10A，KM4为10A。3.3 控制系统的设计随着DSP的发展，用DSP替代传统的单片机进行电机控制已成为一种潮流。该系统采用TI公司TMS320LF240x系列的2407A作为主控芯片，主要有以下优点：供电电压3.3V，功耗小；指令周期可达25ns；具有16位通道IO A/D转换器，转换时间500ns：具有脉冲宽度调制(PWM)输出电路；具有正交编码(QEP)电路。这样就使整个系统的硬件设计变得简单了许多。DSP2407A系统是整个芯片能正常运行的最基本要求，DSP系统包括电源电路、振荡器电路、JTAG、接口电路、复位电路等。由于2407A内部仅有2K的数据存储空间，不利于调试中程序的加载，所以需要外扩RAM。同时设置LED灯，来检验系统工作是否正常。3.3.1 DSP结构框图DSP系统由电源及滤波模块、锁相环及滤波模块、JTAG仿真模块、复位模块、外部RAM存储模块、LED组成，如图3-2所示。图3-2 DSP系统结构图3.3.2锁相环电路设计本设计采用外部时钟电路，由于TMS320LF2407A的最高运行频率为40MHz，所以当使用10MHz外部时钟时，通过设置SCSR1的119位为111即可获得最佳性能。使用外部时钟时，PLL还有一个锁相环滤波电路，用于将时钟电路的抖动降到最低，滤波电路如图3-3所示。图3-3 锁相环滤波电路示意图3.3.3晶体振荡电路为节约成本，通常使用片内振荡电路，与无源晶体、起振电容一起连接成三点式振荡器来产生稳定时钟。连接起振电容是为了保证正常的起振，对振荡频率的影响极小。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。图3-4 晶体振荡电路示意图3.3.4 JTAG电路JTAG是JOINT TEST ACTION GPOUP的简称，是一种国际标准测试协议。标准的JTAG接口是4线TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。JTAG的工作原理可以归结为：在器件内部定义一个TAP(Test Access Port，测试访问口)，通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和调试。JTAG接口用于连接DSP系统板和仿真器，实现仿真器DSP访问，JTAG的接口必须和仿真器的接口一致，否则将无法连接上仿真器。EMU0和EMU1要上拉到DSP的电源其连接图如图3-5所示。图3-5 JTAG电路示意图3.3.5指示灯电路通过2407A与LED灯连接，然后用软件控制灯的亮或灭来检验系统是否能正常工作。每个LED灯分别与试验箱上各灯的位置对应。LDE指示灯电路如图3-6所示。图3-6 指示灯电路示意图3.3.6复位电路设计TMS320LF2407A内部带有复位电路，因此可以直接RS复位引脚外面接一个上拉电阻即可，这对于简化外围电路，减少电路板尺寸很有用处，但是为了调试方便经常采用手动复位电路，图3-7为常用复位电路。图3-7 DSP控制器复位电路示意图3.3.7 RAM电路设计由于2407A内部仅有2K的数据存储空间，不利于调试中程序的加载，所以需要外扩RAM。本系统采用IS6ILV6416芯片作为2407A的外扩RAM，如图3-8所示。图3-8 DSP外扩RAM示意图DSP_A00DSP_A15直接与DSP的16跟地址线相连，DSP_D00-DSP_D15直接与DSP的16根数据线相连RD直接与DSP的读选择引脚RD相连，WE直接与DSP的写使能引脚WE相连PS直接与DSP的程序处理器选择引脚PS相连，DS直接与DSP的数据存储器选择引脚DS相连，MP/MC直接与DSP的微处理器/微控制器方式选择引脚相连。3.3.8滤波电路由于DSP芯片内部各元件的影响，需要对电源电路及锁相环电路进行较高要求的滤波，通过多个电容并联来获得大容量低内阻和好的高频特性。电源滤波电路如图3-9所示。图3-9 滤波电路示意图3.4 信号预处理装置2407A型DSP的工作电压为+3.3V，故接入其引脚的信号电压也不能超过3.3V，且其内部模数转换模块的基准电压范围为0+3V，是单极性的。而来自电压互感器和电流互感器二次侧的电压和电流均为交流值，有正有负，故信号需先接入一个信号预处理装置，使其变为单极性信号(为正)，达到2407A要求的数值范围后再接入其ADCIN引脚。其原理框图如图3-5所示。图3-10 信号AD转换示意图本系统电流电压采集信号采用WB1831BX5负荷控制交流电路参数采集模块本产品采用高速DSP和MCU控制器，高速采集三相电压和三相电流，可采集电压，电流，功率，功率因素，有功电度，无功电度，计算各相谐波电压，各相谐波电流。模块失电后，终端可以保存数据3年以上。本产品采用卡装式结构，安装、拆卸方便，被测信号、输出信号、电源之间互相隔离，性能价格比高，可为电机监控保护，供电、配电综合自动化系统配套。该传感器用户接线无误后即可通电工作。接线方法按输入信号接线图和传感器端子定义图要求进行。接通电源后，绿色指示灯闪烁，表示CPU工作正常。红色指示灯闪烁，表示电压或者电流相序有错。WB1831BX5输出满足RS485的标准要求。需要注意的是，传感器的辅助电源等级和极性不可差错，否则将损坏传感器。传感器对辅助电源没有特殊要求，可以使用普通的7800系列三端稳压器自制，多只传感器可以共用一组电源。也可购买市售稳压电源时，要求该电源的隔离电压AC2000V，直流