毕业设计（论文）-三相四线制电网部分调压调容无功补偿装置的设计.doc

编号 毕业设计说明书 题 目 三相四线制电网部分调压三相四线制电网部分调压 调容无功补偿装置的设计调容无功补偿装置的设计 学 院 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 题目类型 题目类型 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016 年 6 月 3 日 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 I 页 摘摘 要要 现如今 社会的快速发展和人民生活质量的明显提高 电器设备飞跃式的发展 其对供电质量有很高的需求 在输电过程中 电压与无功功率密切相关 在供配 电系统中 对系统进行无功补偿是一项很重要的工作 本设计研究的是三相四线制电网部分调压调容无功补偿 由于三相不对称负荷 造成三相不平衡 变化频繁等缺点 所以采用调压调容无功补偿 而且分相补偿 本设计主要是使用单片机作为控制器 来实现调压调容无功补偿装置的设计 通过 检测电路对电压和电流以及相位和功率因素等的检测 将信号传送到单片机 单片 机将接收到的信号进行处理并发出控制信号 利用晶闸管投切电容器 当电容器两 端残压为零的时候 将电容器投入到电网中 实现无冲击的投切 当需要补偿的容 量在补偿的两个等级之间时 利用自耦变压器的电压分级输出 控制器选择投入的 电容器和电容器的电压来进行调节无功功率 调压和调容无功补偿相互配合完成对 电网的补偿 通过实验分析 控制器对电网冲击很小 响应速度比较快 对于三相 四线制电网来说可以分相操作 还可以分组投切 能对电网进行精细的补偿 本毕业设计使用单片机作为控制器 对电力系统中的无功功率进行实时监测以 及控制 使无功功率得以调节 提高电力系统的稳定性 关键词 调容调压 三相四线制 无功补偿 晶闸管 自耦变压器 全套设计加扣 3012250582 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 II 页 Abstract Nowadays the rapid development of society and the improvement of the quality of life of the people the rapid development of electrical equipment which has a high demand for the quality of power supply In the process of transmission voltage and reactive power are closely related reactive power compensation is an important task in the power supply system This design research is reactive power compensation with adjustable voltage and capacitance which in three phase four wire system Due to the three phase asymmetry loads cause the three phase imbalance and change frequently and so on Therefore the reactive power compensation is adopted for adjusting voltage and capacitance and the phase splitting compensation is adopted This design mainly uses the monolithic computer as the controller to achieve a design which is reactive power compensation device with adjustable voltage and capacitance Detection of voltage and current phase and power factor and so on by detecting circuit this signals is transmitted to the microcontroller The signal is processed by the single chip microcomputer and the control signal is sent out Using thermistor switched capacitor when the residual voltage across the capacitor is zero the capacitor is put into the power grid to achieve no impact When the compensation capacity is needed in the compensation of the two levels by using the voltage output of autotransformer the controller selects the capacitor and the capacitor voltage to regulate reactive power Adjusting voltage and capacitance reactive power compensation to complete the compensation of the power grid Through the experimental analysis the controller has small impact on the power grid the response speed is relatively fast For three phase four wire system it can be split phase operation and Packet switching in addition the power grid can be fine adjustment The graduation design using microcontroller the reactive power in power system is 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 III 页 monitored and controlled in real time so that the reactive power can be adjusted to improve the stability of power system Key words adjusting capacity and voltage regulation three phase four wire system reactive power compensation thermistor Autotransformer 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 目录 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 课题背景 目的和意义 1 1 2 三相四线制无功补偿的现状 1 1 3 无功补偿装置的发展 1 1 4 本设计的主要内容 2 1 5 本章小结 2 2 系统方案总体设计 3 2 1 无功补偿的基本概念 3 2 2 晶闸管投切电容器原理 4 2 2 1 基本原理 4 2 2 2 电容投入时刻的选取 4 2 2 2 触发电路的基本原理 5 2 3 调压调容型无功补偿装置的原理 6 2 4 无功补偿的容量确定 7 2 4 1 从提高功率因素来确定补偿容量 7 2 4 2 从降低线路损耗来确定补偿容量 8 2 4 3 从提高运行电压来计算电容器的容量 8 2 5 调压调容无功补偿装置的要求 9 2 6 调压调容无功补偿系统主接线图 9 2 7 硬件控制电路的设计方案 11 2 8 控制系统软件总体设计方案 12 2 8 1 软件设计的原则 12 2 8 2 控制系统软件设计方案 13 2 9 本章小结 13 3 硬件系统设计 14 3 1 数据采集电路的设计 14 3 1 1 电压检测电路的设计 14 3 1 2 电流检测电路的设计 14 3 1 3 滤波电路 15 3 2 测量电路的设计 15 3 4 单片机最小系统 16 3 5 投切控制电路的设计 17 3 5 1 调容无功补偿电路的设计 17 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 目录 3 5 2 调压无功补偿电路的设计 17 3 6 显示单元电路的设计 18 3 7 系统电源模块的设计 19 3 8 主要元器件的选型 20 3 9 系统运行注意事项及保护措施 20 3 10 本章小结 21 4 系统的控制策略和软件设计 22 4 1 调压调容无功补偿系统的控制策略 22 4 2 系统的软件设计 24 4 2 1 主程序设计的流程图 24 4 2 2 测量模块的软件设计 24 4 2 3 显示模块的软件设计 25 4 2 4 投切子程序的设计 26 4 2 5 电容保护及故障处理软件设计 27 4 3 本章小结 28 5 系统的数学建模仿真和分析 29 5 1 系统的数学模型 29 5 2 系统的稳态和静态分析 30 5 3 模拟样机完成的功能 31 5 4 本章小结 32 6 结论 33 谢 辞 34 参考文献 35 附录一 系统工程实际原理图 36 附录二 系统强电接线图 40 附录三 系统模拟样机电路原理图 41 附录四 系统模拟样机 PCB 图 43 附录五 样机程序 44 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 1 页 共 54 页 1 绪论 1 1 课题背景 目的和意义 电力系统在能量的传输过程中 需要一定的无功功率 这样才能提高能量在系 统中的传输效率 所以对系统进行无功功率的补偿是一种非常重要的措施 尤其是 在三相四线制电网中 三相四线制电网具有三相负荷不平衡 负荷变化频繁 负载 功率因数低等缺点 这不利于电网的安全高效运行 1 如今的社会相比以前有了很 大的发展 生活水平飞跃式的提高 工业迅猛发展 工业用电的增大和民用电器大 多不带无功补偿装置 这给电网带来比较大的功率负担和线路损耗 补偿无功功率 不但能减小上级电网补偿的力度 还可以提高配电线路的变压器的效率 此外还可 以提高功率因数 降低损耗 在三相四线制电网中 采用三相分相分组补偿 可以 对电网进行精确的补偿 降低线路损耗和提高供电质量以及节约电能 在电力系统的建设中 对电力系统进行无功补偿是一项很重要的措施之一 对 于三相四线制电网的特点 对其使用调压调容无功补偿是维持电网稳定的的重要手 段 并联电容器是其主要的措施 而采用三相等容量同时投切容易造成某相过补偿 或欠补偿 冲击电流过大等 而采用三相分相投切 晶闸管投切电容器可以有效的 抑制三次谐波电流和冲击电流 能更有效更实际的对系统进行精确的无功补偿 1 2 三相四线制无功补偿的现状 现如今 三相四线制系统在电网中扮演这很重要的角色 特别是在低压电网部 分采用三相四线制的接法 所以三相负荷不对称在低压电网中也越来越严重 由于 系统中缺少无功功率 对系统的传输效率又比较大的影响 所以 如今的解决方案 是 配置更好的更合理的无功补偿电容器 其中补偿的是按照共补与分补相结合的 方式 并在电容器投切的过程中采用可控硅投切 2 三相四线制无功补偿实际就是因为负载不平衡 分别对每相进行补偿 利用并 联电容器来实现对电网无功功率的补偿 现如今 科技全方位的发展 这也给无功 补偿实现自动补偿提供了技术条件 微机控制的出现对可以实现对电网参数的检测 以及做出相应的投切命令 完成电容器的自动投入和切除 1 3 无功补偿装置的发展 同步调相机和并联电容器是无功补偿的早期无功装置 同步调相机能对系统进 行动态补偿 由于运行中的噪声和损耗大 维护复杂等缺点 难以实现快速动态补 偿 在电网中并联电容器 对于经济上说 投入较小 阻抗固定 不能实现动态无 功补偿 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 2 页 共 54 页 电力电子技术的迅猛发展 给电力系统无功补偿更多的选择 电力电子技术像 快速 大功率发展 而采用电力电子技术的无功补偿装置摆脱了机械型 速度慢 控制不精确等问题 为电网提高了一项空前的新技术 无功补偿装置已经由电容器发展到现如今的 SVC 和 SVG 发展情况如下图 1 1 所示 1 4 本设计的主要内容 本设计主要是对三相四线制电网部分调压调容无功补偿系统的研究和设计 并 进行了模拟样机的制作和对系统数学模型的建立和仿真 主要有以下内容 1 阐述了无功补偿装置的原理 分析和比较了 TSC 的几种接线方式 分析各个 接线方式的优缺点 最终选择星型带中性线的接线方法 2 探讨了三相四线制中检测电流和检测电压的方法 选择用晶闸管投切电容器 3 介绍了无功补偿的方法和补偿的电容器的容量的计算方式 4 设计了三相四线制调压调容无功补偿系统的主电路 并对控制系统进行了软 硬件设计 对系统进行建立相应的模型 并用软件仿真投入电容器前后的波形 并 分析静态性能和动态性能 1 5 本章小结 本章是全文开篇简述 主要是描述本设计提出的发展背景和研究的意义 阐述 无功补偿系统的现状以及趋势 阐明利用晶闸管投切电容器对于无功补偿的重要性 为下文的深入研究和探讨做了很好的铺垫 无 功 补 偿 装 置 早期 无功 补偿 装置 早期 无功 补偿 装置 电容器补偿 同步调相机 饱和电抗器 静止无功补偿器 SVC 静止无功发生器 SVG 晶闸管投切电抗 器TCR 晶闸管投切电容 器TSC 晶闸管控制电抗 器 固定电容 机械投切电容MSC 各种装置混合 图 1 1 无功补偿装置的发展 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 3 页 共 54 页 2 系统方案总体设计 电力系统中由于感性和容性负载的存在 特别是在三相四线制的电网中 存在着 三相不平衡的负载 系统中存在有功和无功功率 由于三相四线制负载的不平衡 故 采用分相控制 在电力电子技术和微机控制技术迅猛发展的今天 静止无功补偿器成 为了最主要的无功补偿装置 而 TSC 晶闸管投切电容器 是其典型 本章主要从无 功的基本概念来阐述 TSC 的工作原理和关键技术以及调压调容无功补偿原理 将根据 设计的要求完成无功补偿装置的总体方案的设计 根据选择的满足要求的总体方案 无功补偿系统主要由数据采集单元 控制器单元 投切控制 电容器补偿单元 调压 无功补偿单元以及液晶显示单元组成 2 1 无功补偿的基本概念 现在很多电器设备是根据电磁感应原理制成的 如异步电动机 变压器等 磁场 的能量由电网供给 在用电设备的运行过程中 上半周期吸收功率 相反 下半周期 释放功率 功率在用电设备和电力系统中变换和流动 并没有真正的作为热量或者功 率作用个出去 即能量并没有消耗掉 这样的功率叫做无功功功率 3 将电容和电感并联在电网同一电路中 电感和电容分别吸收 和释放能量 能量在 它们之间交换 感性负荷吸收的无功可以从由电容器组成的装置中吸收 无功补偿的 功率三角如下图 2 1 所示 对于无功功率有如下公式 Q UIsin 2 1 视在功率 2 22 QPUIS 2 2 由功率三角和上述公式可以知道 在一定有功率下 补偿无功功率 Qc 可以提供功 率因素 并减少视在功率的输出 这样可以减小成本 P S Q Qc Q S 图2 1 功率三角关系 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 4 页 共 54 页 2 2 晶闸管投切电容器原理 本设计采用晶闸管投切电容器来对系统进行无功补偿 与传统机械投切电容器相 比 其寿命非常长 晶闸管没有触点 能准确的控制投切电容器的时刻 还可以快速 的无冲击的将电容器投入到电网中去 很大程度上降低了操作困难和冲击电流造成的 影响 响应时间快速 2 2 1 基本原理 晶闸管投切电容器 TSC 单相电路图如图 2 2 所示 其中两个反并联的晶闸管起 到将电容器接入电网和从电网断开的作用 其中小电感起到抑制电容投入电网时的冲 击电流 5 电容器投入时的 TSC 的伏安特性就是电容器的伏安特性 在工程中 将电 容器分成几组进行投切 如图 2 2 所示 都是由晶闸管进行投切 当 TSC 应用在三相 四线制网络时 有三角形接法和星型接法 每相可以设计成如图 2 2 那样进行分组投切 根据电网对无功功率的需求选择投入电网的支路数 使晶闸管投切可以成为一种分级 且可以调节的无功补偿装置 4 2 2 2 电容投入时刻的选取 晶闸管投切电容器的关键是电容器投入电网时刻的选择 当电源电压和电容器的 幅值和相位相等的时刻投入电容器不会造成冲击 若不相等 可能会产生冲击电流 很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不利的影响 3 i C dt c c du 2 3 图 2 2b 单相分组 TSC 原理图图 2 2a 单相 TSC 原理图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 5 页 共 54 页 在电源峰值将电容器投入电网 在这一点 电压变化为 0 流过电容器的电流也 i 为 0 之后电压和电流按照正弦规律变化而且电流没有阶跃变化 这是理想的投入时刻 2 2 2 触发电路的基本原理 传统的机械式触头与电压和电流的变化速度相差较大 在投切时 会产生涌流 很难实现实时的无功补偿 而且容易造成过补偿的情况 本设计采用晶闸管来投切电 容器 可以快速的实现将电容器投入到电网中 并在各相电压最高点投入 在电流过 零时切除 实现没有冲击电流和过电压的情况 还可以实现频繁的投入和切除且不损 坏电容器 具备循环投切功能 本系统的设计过程中的过零检测主要选用的光电耦合器的芯片是 MOC3061 该芯片 的动态响应时间很快 主要由第一引脚和第二引脚的输入和第四引脚和第六引脚的输 出两部分组成 1 2 脚之间由一个红外二极管组成 在正向电流的作用下 发出红外 光去触发输出 4 6 脚之间有一个具有过零检测的硅光敏开关 当第四引脚和第六引 脚之间的电压为零时 才能产生脉冲去触发晶闸管的导通 由于电容器两端的电压容易发生波动 所以晶闸管两端的电压值是不能根据电源 电压来进行计算的数值 因此本系统的设计中采用了晶闸管电压过零触发电路 5 过零 触发的常规原理框图如图 2 4 所示 晶闸管两端的电压经过电阻降压之后送到光电耦合器 当电网电压和电容器残压 相等的时刻 光电耦合器输出一个脉冲 经过与投入命令相与之后 经脉冲隔离放大 去触发晶闸管的导通 使晶闸管实现投切电容器和投入自耦变压器的输出端 实现用 调压和调容对系统进行无功补偿 当没有投入命令时 触发脉冲停止 当晶闸管电流 图 2 3 TSC 投切的理想时刻的原理说明 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 6 页 共 54 页 过零时刻 切除电容器和自耦变压器 2 3 调压调容型无功补偿装置的原理 调压调容无功补偿技术是本设计的核心部分 其通过检测电网中的电流和电压信 号 通过测量芯片计算其控制器所需要的控制物理量 如无功功率和功率因数等 计 算出所需要补偿的无功功率的数值 在电压在合理的范围内时 选择合适的电容器投 入 本系统主要是利用电容器的等容分组进行投切 等容分组就是把一定容量的电容 器平均分为几组 分组就是电容器补偿的级数 本设计采用单个电容器补偿容量为 5Kvar 每相分为 5 组进行补偿 这样可以实现连续的增减 而且还可以实现循环投切 对电网冲击比较小 利用有载自耦变压器进行调压无功补偿 本设计中采用 5 级调压补偿 即是利用 自耦变压器的 5 级输出 当投入电容器对电网进行无功功率补偿时 选择合适的自耦 变压器输出的电压的等级 即是此时投入的电容器的端电压 达到调压无功补偿的要 求 由此可以实现电网无功补偿的 5x5 等级的精度调节 系统具有不同的工作方式 可以根据电压和无功限值 九域图 7 来进行控制 控制原则是尽量保证电压水平 无 功平衡 尽量少的投切次数 对系统电压和无功进行设定进行电容投切和有载调压 让系统工作于稳定工作状态即是图中 0 其中 U1 U2 和 Q1 Q2 分别是电压的上下限值和无功功率的上下限制 光电 耦合 零电 压检 测器 与门多谐振荡器 脉冲隔离放大 投入命令 图2 4 晶闸管电压过零触发电路的常规原理框图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 7 页 共 54 页 2 4 无功补偿的容量确定 2 4 1 从提高功率因素来确定补偿容量 在电网中装设无功补偿装置就是为了实现对电网的无功补偿 投入电网的电容器 的容量不是任意的 需要对电网进行参数的检测和信号的处理来选择合适的容量 对 电网无功补偿是一项必不可少的步骤 其中 计算方法选用从提高功率因素来确定补 偿的容量 假设电网中需要补偿的线路的有功功率为 P 补偿前的功率因素为 1cos 而在补偿之后变成了 计算补偿的电容器的容量可以用下面的公式进行计算 2cos 2tan1 tanQ 1 P c 2 4 其中 是电网中需要补偿的无功功率 C Q 对于补偿之后的功率因素的选择 应选取在 0 9 至 1 0 之间的合适的值 当功率接 近于 1 时 需要投切的电容器比例大 效益比较小 此时 再增加补偿电容器的容量 是不经济而且有可能会造成过补偿 一般情况下 将功率因素提高到 0 95 已经算是很 U1 U2 Q1Q2 1 87 3 06 3 45 图2 4 电压和无功功率限值区域图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 8 页 共 54 页 好的很合理的无功补偿系统 在并联电容器分组补偿中 电容器的补偿容量与电容器的接线方式有关 在三相 四线制的电网中 电容器的容量可以根据一下公式来计算 32 1023 fCUQc 2 5 公式中 是电容器的补偿容量 Kvar f 是电网的频率 50HZ U 是三相电网中的 C Q 相电压 KV C 是补偿电容器单相的电容值 在三相四线制电路中 三角形接线线电压 和相电压相等 而星型接线是相电压是线电压的倍 由此可以看出 电容器的星型3 时的电容器容量是三角形接线时候的 3 倍 2 4 2 从降低线路损耗来确定补偿容量 补偿之前的线路电流 有功电流 无功电流 电容器补偿之后电网中的 1 I 1r I 1x I 电流发生变化 线路电流 有功电流 无功电流分别是 2 I 2r I 2x I 补偿前的损耗是 RIRIP r 2 2 2 11 1cos 33 2 6 补偿后的损耗是 RIRIP r 2 2 2 22 2cos 33 2 7 补偿后降低的百分值 100 2cos 1 cos1 2 P 2 8 由于已经能计算出来 可以求得 P P 1 1cos2cos 2 9 由此可以计算出需要补偿的电容器的容量 2tan1 tan 1 PQC 2 10 2 4 3 从提高运行电压来计算电容器的容量 在电力系统中 电网的末端电压较低 一般情况是通过无功补偿来进行调压的 所以 这就需要从提高电压的角度来确定补偿的电容器的容量 假设补偿电容器之前的线路电源电压是 线路的末端的电压是 电网线路输 1 U 2 U 送有功是 P 无功是 Q 线路中的等效电阻是 R 等效电抗是 X 那么有如下计算公式 212 UQXPRUU 2 11 对电网线路投入电容器进行补偿后 线路末端电压变化为 C Q 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 9 页 共 54 页 21 2 UQQPRUU C 2 12 SSS 所以补偿的电容器的容量为 sXUUQc 2 2 13 公式中为线电压增量 对于三相四线制的电网 采用的是分相补偿 所以 每U 一相都是独立的进行调压和调容无功补偿 投切电容器时 为了确保电容器的寿命 我们采用循环投切 2 5 调压调容无功补偿装置的要求 1 根据实际的测量信息 如电压 电流 相位 功率因数等 选择合适的投入 支路数及调压电容组的工作电压 对系统进行无功功率的补偿和调节电网的电压 2 能实时的显示电网各个参数 并能显示系统在运行中的状态 能监控电网参 数以及能显示出来 以便能查看无功补偿系统在运行时的各个状态和参数 3 能对无功补偿系统进行故障的检测 调容调压系统工作流程图如下所示 2 6 调压调容无功补偿系统主接线图 调压调容无功补偿装置的主电路是由晶闸管 电容器组 有载自耦变压器以及其 他电路或者附件组成的 三相电容的接线方式有两种 Y 接线和 接线 8 当三相电容 器的接法是 接线时 晶闸管有三角形内控制和外控制两种方式 在三相负荷不平衡 的电路中 由于功率因数角与电流差异比较大 故只用于三相共补电路 但是也有一 定的优势 如可以减小晶闸管阀的电流容量和无中性点漂移等 而 Y 接法时 晶闸管 的电流比三角形接法时大 为倍 投入和切除的过程中 可能有比较大的冲击电流 3 但是容易控制 电路简单 晶闸管投切电容器通常有以下几种接法 1 三角形内控接法 如图 2 6a 所示 这种接法中 电容器组成的三角形的内部 电压电 流采样 控制物理 量的计算 根据控制目标 计算投切指令 输出投切指令 进行调压调容 主回路的参 数发生变化 图2 5 调压调容无功补偿装置的工作流程图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 10 页 共 54 页 是晶闸管 这种接法可以利用两相之间电容值不相等来进行分相补偿 但三角形内部 电容量不确定 当晶闸管导通的时刻 电容器两端的电压与电网电压之间的大小相差 较大时 很容易发生冲击电流的情况 控制方法也是比较复杂的 故在无功补偿系统 中 三角形接法常用于三相无功平衡的系统 2 三角形外控接法 如图 2 6b 所示接法中 晶闸管在电容器三角形外面 与内 接法比较 体积比较小且控制较为复杂 可以减小三次谐波的产生 该接法比较常用 于三相平衡负荷电网系统 3 星型有中性线接法 此种接法如下图 2 6c 此种接法的优点很突出 在三相 四线制的电网中 能对系统分相分组补偿 且晶闸管承受电压的能力比较低 由于中 性线的存在 抑制三次谐波的能力比较弱 而且中性线上需要连接限流器 这样加大 了系统的复杂性 这种系统主要应用于三相四线制电网无功不平衡系统 4 星型无中性线接法 如图 2 6d 所示 此种接法用于三相三线制 没有中性 线 可以很有效的抑制三次谐波 但是需要两相才能形成回路 不能实现分相补偿 在无功不平衡系统中不适用 ab c d 图 2 6 晶闸管投切电容器接法图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 11 页 共 54 页 以上 4 种接法中 只有星型有中性线接法适用于三相无功不平衡系统 此种接法 可以实现分相分组补偿 还可以实现分等级精度的调节 调压调容无功补偿主要是运用有载自耦变压器分等级输出与电容器配合进行补偿 无功功率 其接线方式如图 2 7 所示 即是每相接入一个分等级输出的有载自耦变压器 每两级输出的电压可以根据无功差一致来设计 1 mUfCUUfC niinc 2 2Q 22 1 2 2 14 调容无功补偿相互配合一起工作 达到分等级精度的调节 检测单元中的电流传感器和电压传感器从三相四线制电网中检测到与控制相关的 参数 将这些参数转换成控制信号 传送到控制器 控制器接收到来自检测单元的信号 选择投入的电容器的支路数和投入的电容的 电压来实现对电网无功功率的补偿 执行单元接收到控制器发来的命令后 通过投切开关控制电容器并入电网和从电 网中切除 完成补偿以及保护 三相四线制的电网补偿网络采用的是晶闸管投切电容器 而调压无功补偿部分采 用的是有载自耦变压器进行调节投入的电容的电压来进行无功补偿 本设计的要求是 实现 5 X 5 等级精度的调节 从接线图可以看出 可以实现这种等精度的调节 2 7 硬件控制电路的设计方案 本设计包括以下几部分 以单片机为核心 实现数据的输入 处理和输出控制等 功能 周围的电路包括显示电路 检测电路 调压电路 调容电路和控制电路等 本设计采用的是 STC12C5A60S2 单片机作为控制器 这是一种可编程以及可擦而 且只读的存储器 还高性能 CMOS8 位微机处理器是一种增强型单片机 图 2 7 自耦变压器调压无功补偿接线图 仿真波形 A N V C F TB 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 12 页 共 54 页 采用单片机对检测电路的信号接收 并对信号进行处理 再发出控制信号给控制 电路 控制晶闸管的投切进行调压和调容 显示电路通过单片机检测到的信号将电网 中的信号显示出来 过零检测电路主要是检测晶闸管两端的电压为零的时刻 将过零时刻的信号传送 给单片机 单片机根据测量电路传来的信息选择投入的补偿支路数 选择过零的时候 投切 测量电路选择一块能测量电压 电流 无功功率和有功功率等的芯片 再将测量 到的数据输送给单片机进行处理 系统组成如下图 2 8 所示 2 8 控制系统软件总体设计方案 对于无功补偿系统来说 通过检测器对电网参数的检测 并选择投入电网的支路 数 实现无功补偿系统的自动控制 其中最关键的就是软件设计 其影响到控制系统 的性能 设计之前 有需要提出软件设计的原则 在系统的设计方案中 有必要对系 统中涉及到软件的每一个功能 进行详细的分析以及论述 2 8 1 软件设计的原则 由于本设计的控制系统选用的控制芯片是单片机 结合软件设计的要求 系统设 计时需要遵循几个原则 1 软件设计的实时性 对于无功补偿系统 控制系统的实时性是至关重要的 因为我们需要对监测电网的时刻进行补偿 而不是对监测时刻之后的电路的状态进行 补偿 所以在控制系统中 要求单片机尽可能的在最短的时间内 完成软件的处理过 A相检测 B相检测 C相检测 测量计 算电路 单 片 机 显示电路 报警电路 过零检测 投切控制电 路 图2 8 三相四线制调压调容无功补偿系统总框图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 13 页 共 54 页 程 并作出相应的控制策略 2 软件程序的可读性 程序的可读性是后面程序修改和可维护性的基础 为了 提高可读性 应采用模块化设计 这样软件的程序就会变得简单明了 其次 在使用 C 语言编写的程序中 应该在每个程序的模块注明每个程序模块的功能 应使用一些 更加简明的算法 尽量避免复杂算法 设计过程中做好设计的日志 有利于后面的程 序的设计 3 软件设计的可靠性 这是指软件设计过程中避免故障的能力 设计过程应尽 可能多的考虑无功补偿的运行特点以及一切异常的情况 在程序设计中应该设置有复 位的功能 4 软件设计的可维护性 在设计的过程中 需要一个不断设计和调试的过程 这样才能满足系统工作的需求 针对控制系统特点 便于程序的控制和修改 软件设 计也需要留有一定的扩展性和收缩的空间 便于控制软件和系统的维护 2 8 2 控制系统软件设计方案 在对无功补偿系统进行软件设计之前 应该对其进行一个完整的系统的技术要求 分析和规划 让其达到无功补偿系统设计的要求 根据调压调容无功补偿系统的原理 和功能 软件设计的方案如下 1 对数据的采样和处理 调压调容系统主要是对三相电流和电压进行采集 在 采集的过程中要进行滤波 因为设计到自耦变压器的调压 所以电压的和电流的采集 需要精确的测量 采样过程可以用单片机的中断来完成 根据相应速度设置中断时间 2 越陷 程序中设置电压的极限值以保证电网装置的安全运行 3 控制物理量 按照控制方式的不同的需求 对采集得到的数据进行计算 这 样可以得到控制器所需要的控制物理量 本系统主要涉及到的计算是电网的电压 电 流 功率因素和相位等 4 指令 根据控制物理量的值 计算需要投入的电容器的容量以及选择合适的 投入的支路数 此外 还要选择合适的自耦变压器的输出的等级进行调压 5 触发信号 由控制器产生的指令经过功率放大后去驱动晶闸管的导通 达到 调压调容的目的 2 9 本章小结 本章对系统的原理和整体设计进行了阐述 在硬件方面选用单片机作为控制器 保证系统的实时和精确 主接线选用星型有中性线接法 可用以三相四线制电网中三 相负荷不平衡的情况 软件的总体设计阐述了软件设计的原则和基本的合理性分析 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 14 页 共 54 页 3 硬件系统设计 本章将根据三相四线制电网部分调压调容无功补偿系统的总体设计方案 完成各 部分硬件电路的设计 其中包括电量参数的采集电路 单片机及其外围电路 显示电 路 投切控制电路 调容电路 调压电路和辅助电源电路 3 1 数据采集电路的设计 数据采集电路包括对电压的检测和电流的检测 检测电路通过形成基准电压信号 以及通过滤波电路将信号传送到测量芯片中进行计算需要的控制信号 3 1 1 电压检测电路的设计 电压检测电路主要由电压互感器 各种运算器和电阻电容等组成 因为三相四线 制无功补偿系统是三相负荷不平衡的系统 所以需要对系统的电压进行分相检测 检 测的相电压有效值为 220V 上下 电压经过限流电阻转换为电流信号 经过电压互感器 变换为一个小电流之后 通过反向放大器和电压跟随器的调理得到一个电压信号 通 过调节滑动变阻器 R10 可以得到一个电压信号 经滤波之后传送给测量电路进行处理 电容具有抗干扰的作用电路如下图 3 1 所示 图 3 1 电压检测电路 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 15 页 共 54 页 3 1 2 电流检测电路的设计 电流检测电路主要由电流互感器 各种运算器和电阻电容 二极管等组成 如图 3 2 所示 因本系统是三项不平衡系统 需分相检测 只以 A 相为例 B C 相一致 采 用霍尔传感器 CT1 采集线路中的负载电流以及补偿电流 调节滑动变阻器可以调节输 出的采样电压 线路中的电流通过霍尔电流互感器1000 1的变比将电流转换到副边 得到一个小电 流 小电流通过放大器的作用和电压跟随器的调理 小电流通过与R4相乘可以得到一 个电压信号 再通过调节R4的电阻的大小 可以获得一个电压信号 再将信号传输至 测量电路中进行处理 线路中电容是用来抗干扰的 3 1 3 滤波电路 由于在经过电流和电压的采集电路之后 还存在着高次谐波 为了避免高次谐波 对控制量的影响 设置滤波电路滤去这些谐波 并且设置为对相位的影响最小 具体 的电路和参数可以由软件filter pro Desktop生成 图 3 2 电流检测电路 图 3 3 滤波电路 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 16 页 共 54 页 3 2 测量电路的设计 检测电路将将测到的信号经滤波之后传输到测量芯片 测量芯片经过计算控制所 需要的信号 将信号传输给单片机 测量芯片的电路原理图如下图 3 4 所示 测量电路以 CS5463 为芯片 检测电路将检测到的电压信号和电流信号分别通过芯 片的电压和电流的差模输入通道传输给芯片 差模输入端口设置有 RC 滤波电路 避 免谐波的干扰 芯片计算控制信号需要的无功功率等 测量芯片的 SCLK 与单片机的 P34 CS 与 P32 SDO 与 P33 Res 与 P35 INT 与 P36 SDI 与 P37 相连 实现单片 机和测量芯片之间的信号传输 测量芯片计算出控制器需要的控制物理量的大小 并 将信号传送至单片机 让单片机进行处理 3 4 单片机最小系统 本无功补偿系统采用单片机作为控制器 利用单片机可编程的技术实现对测量电 路传来的信号的处理 如对计算系统的无功功率 功率因素等 比较电压和电流的大 小 确定是否电压或者欠压以及电流的大小是否低于零 根据比较的结果确定是否需 要投切电容器 此外 还计算需要补偿的容量 以此来选择需要投入和切除的支路数 做出投切电容器进行调容无功补偿和选择投入电容器的电压进行调压无功补偿 本设 计运用的是 STC12C5A60S2 单片机 这种单片机是一种低功耗以及性能比较高的 CMOS 微机控制器 单片机内部具有丰富的资源 不需要扩展外部的 ROM 等 使用 图 3 5 单片机最小系统及其周围电路原理图 图 3 4 测量电路原理图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 17 页 共 54 页 非常便捷 易于控制和编写程序 硬件电路非常简单 也是经典的运用电路之一 原 理图如下图 3 5 所示 此电路为单片机最小系统经典电路 加上一个单片机的复位电路组成控制器 3 5 投切控制电路的设计 本部分电路主要是对三相四线制电网部分调压调容无功补偿系统的硬件电路的设 计进行说明 其中主要是阐述系统的设计的原理以及详细的电路设计 3 5 1 调容无功补偿电路的设计 为了实现投入和切除过程中的平稳 防止出现其他器件的干扰和电流电压等的震 荡 采用无触点的晶闸管进行投切电容器 触发电路选择光电耦合器是 MOC3061 这是一种晶闸管的过零触发电路 这种芯 片价格低 精度高 电路结构简单而且可靠 使用 MOC3061 控制晶闸管的导通和切断 这样在电容器投切电网时 可以避免过程中的冲击电流的现象 由于电网的线电压是 380V 但是 MOC3061 的电压等级是 220V 所以我们采用光电耦合器进行过零检测以 及脉冲的触发 因为要使光电耦合器工作 其引脚接 15V 电源 2 脚就需要一个低电 平 令红外二极管导通 才能触发输出电路进行工作 当输入两个引脚检测到电压过 零时 产生脉冲去触发晶闸管导通 故光耦的引脚 2 需要接单片机的输出投切信号引 脚 控制电容器的投切 电路原理图如图 3 6 所示 图中 电阻 R5 是降压的作用 二极管起到保护的作用 图中小电感的作用是为了 抑制投入和切除过程中可能产生的冲击电流 晶闸管是无触点的可控硅 3 5 2 调压无功补偿电路的设计 对于调压无功补偿系统 与调压无功补偿类似 当需要的补偿位于调压无功补偿 的两个等级之间时 需要运用调压无功补偿和调容无功补偿进行配合 实现对电网的 无功补偿 此部分也是使用晶闸管作为投切开关 利用自耦变压器输出的电压等级 图 3 6 单相单组晶闸管投切电路原理图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 18 页 共 54 页 在选择投入的电容器的时候 选择合适的电压等级进行补偿 实现对电网的无功补偿 投切控制电路与调容无功补偿相同 在系统中的接法不相同 调压无功补偿电路如图 3 7 所示 本设计要求设计 5 5 等级精度的调节 所以上面阐述的原理只绘制出其中的一路 的 调容和一路的调压无功补偿电路的原理 其他的四路调压和四路调容无功补偿原理图 与上面阐述的一致 只是调压的等级不同 所以只画出其中的一个等级 由于三相四 线制电网的负荷三相不平衡的 由于是分相补偿 分相调压 所以在各级的晶闸管的 触发电路是一致的 不需要重复赘述 由于单片机输出的电流太小 无法驱动光电耦合器 故采用高压大电流晶体管阵 列电路 其因本设计中需要设计成 5 5 等级的精度调节 故需要采用集成芯片 ULN2003 来驱动光电耦合器 ULN2003 是一种非门电路 其内部是达林顿管的组合 还集成一个消弧线圈的反 电动势的二极管 芯片能驱动的最大电压是 50V 电流是 0 5A 输入电压是 5V 其内 部结构和引脚图如下图 3 8 所示 3 6 显示单元电路的设计 显示单元在各种测量和控制系统中的应用非常广泛 其中以液晶显示最为明显 图 3 7 单相单组调压无功补偿电路原理图 图 3 8 ULN2003 内部以及引脚 图 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 19 页 共 54 页 电路中的芯片以功耗低以及寿命长等主要优点得到了非常大的应用 本系统主要是为 了显示出三相四线制电网的电流 电压 无功功率 功率因数等参数 本系统采用 LCD12864 液晶显示模块 内含有 8192 个汉字等 可用于直接与 CPU 相连接 具有光 标显示 画面移位等功能 电路与单片机的连接使用直接连接的控制方式 使用基于 C 语言的软硬件结合实现对电网参数的显示 其中 P0 口作为 LCD12846 的数据输入 以 P2 4 绑定 LCD 的 RST 端口 P2 5 绑定 EN 端口 P2 6 绑定 WR 端口 P2 7 绑定 RS 端口 P0 口对应液晶显示的数据位 0 到 7 显示单元的具体电路如下图 3 9 所示 LCD12864 有三根控制线 一下是这三根线的功能的介绍 EN 输入 使能信号 在读的状态时 高电平有效 相反 写的时候 下降沿有 效 RW 输入 读写选择 RW 1 为读 RW 0 为写 RS 输入 寄存器选择 RS 为 0 是指令寄存器 RS 是 1 是数据寄存器 3 7 系统电源模块的设计 由于系统中用到的放大器 光电耦合器和控制器需要用到低等级的电压才能正常 工作 所以需要设计低等级的电源电路来为它们提供正常工作的电压 其中需要用到 电压等级为 15V 和 5V 的工作电压 其详细的电源电路如下图 3 10 和 3 11 所示 图 3 10 正负 15V 电源电路原理图 图 3 11 5V 电源电路和电源指示电路 原理图 图 3 9 液晶显示电路的设计 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 20 页 共 54 页 上图中 电压经过变压器降压之后变成峰值较小的交流信号 再经过整流桥 交 流信号变成脉动的直流信号 通过滤波和稳压电路 输出稳定的正负 15V 直流电压 再通过三端稳压 7805 产生 5V 的电压 图中发光二极管主要是为了指示电源的正常工 作 3 8 主要元器件的选型 1 控制器的选择 在三相四线制的电网中 由于三相负载存在着不平衡的情况 对控制器有很高的 要求 而在本系统的设计中主要采用分相补偿 控制方式选择复合控制方式 所以其 性能以及精度要求较高 单片机具有很高的精度和丰富的功能 故选择 STC89S52 单 片机 2 电容器投切装置的选择 关于投切装置的选择有很多种 普通的交流接触器已经被淘汰 电容器专用接触 器不适用于三相不平衡的电网中 所以选用晶闸管电子开关 其中晶闸管电压以及电 流的选择需要根据电网的参数进行选择 U 2 2K K U SC R 3 1 6 2 5410 SCR IfCU 3 2 其中 U 是电网中的电压 C 是补偿的电容的值 1 11 2K 1 15K 3 测量芯片的选择 因为要对电网中的各个参数进行计算 CS5463 可以满足要求 所以选择的测量芯 片是 CS5463 4 显示器件的选择 因为要对多个参数进行显示 而 LCD12864 可以满足要求 具体的介绍在上文显 示电路 3 9 系统运行注意事项及保护措施 本小节中 主要介绍三相四线制调压调容无功补偿系统的注意事项和主要的保护 措施 由于系统在运行的过程中的老化以及所受到过电流电压 谐波以及环境温度等 因素的影响 这对电容器的寿命有非常大的影响 如会损坏电容器 如过电网中的线 路中发生故障 但是不能将电容器从电网中快速的切除 将会危害电网的安全 甚至 会导致事故的发生 所以 运行中需要设置完善的保护措施 1 系统运行注意事项 1 操作时应注意 应该先给无功补偿系统上电 控制系统由检测到的状态判断 桂林电子科技大学毕业设