（电子科学与技术专业论文）基于atmega64的磁阀式可控电抗器的控制研究.pdf

摘要 磁阀式可控电抗器是一种新型的无功补偿设备 其具有响应速度较快 伏安特性 近似线性的优点 是电网进行无功补偿和电压调整的首选设备 本文分析了磁阀式可 控电抗器的硬件结构和工作原理 推导出电磁方程的数学模型 并得出可控电抗器的 控制特性方程 在此基础上 采用a t m e l 公司的a t m e g a 6 4 单片机作为其控制核心 根 据从电网中所测的数据改变触发角的大小 实现电抗器的自动控制 从而达到平滑连 续调节电抗器容量的目的 本文回顾了电抗器的发展史 分析了各种电抗器的特点 阐述了磁阀式电抗器的 优越之处 提出使用a t m e g a 6 4 单片机设计一种控制可靠的电抗器的设计方案 并给出 了电抗器的硬件及软件设计 关键词 a t m e g a 6 4 无功补偿 电磁方程 可控电抗器 一 一一 a b s t r a c t m a g n e t l cv a l y ec o n t r o l l a b l er e a c t o ri san e wr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t a n dh a sr e l a t i v el e s sr e s p o n s et i m e a n da na p p r o x i m a t el i n e a ra vc h a r a c t e r i s t i c i ti st h e f i r s td e v l c e1 nt h ea r e ao fv o l t a g er e g u l a t i o n a n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e m a g n e t i cv a l v ec o n t r o l l a b l er e a c t o r h a r d w a r es t r u c t u r ea n d w o r k i n g p r i n c i p l e a n dp u s h e so u ti t sm a t h e m a t i c a lm o d e l a n di t s e l e c t r o m a g n e t i s me q u a t i o n si s p 陀s e n t e d o nt h j sb a s i s u s i n ga t m e lt h ec o m p a n y sa t m e g a 6 4 m i c r o c o n t r o i l e ra st h ec o r e o tt h e l rc o n t r o l a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e ds i z eo ft h ed a t at o c h a n g et h ef i r i n ga n 9 1 et 0 a c h l e v ea u t o m a t l cc o n t r o lo ft h er e a c t o r s oa st oa c h i e v es m o o t h a n dc o n t i n u o u sr e g u l a t i o n o ft h ep u r p o s eo ft h er e a c t o rc a p a c i t y jn l s p a p e rr e v l e w st h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h e r e a c t o r a n a l y z e dt h ev a r i o u s c n a r a c t e r i s t l c s0 ft h er e a c t o ra n dd e s c r i b e dt h es t r e n g t ho ft h em a g n e t i cv a l v e t y p er e a c t o r p r o p o s l n gt h eu s eo fac o n t r o lr e l i a b l er e a c t o rd e s i g nw i t ha t m e g a 6 4 r n i c r o c o n t r 0 1 1 e r a n d i n t r o d u c e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h es y s t e m k e yw o r d s a t m e g a 6 4r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n e l e c t r o m a g n e t i s me q u a t i o n c o n t r o l l a b l er e a c t o r l i 目录 摘要 i a b s t r a c t i 目录 i i i 第一章绪论 1 1 1 无功补偿的意义及无功补偿装置 1 1 2 可控电抗器的发展现状 2 1 3 可控电抗器在电力网中的作用 2 1 4 微处理器的发展现状 3 1 5 本课题的任务 4 第二章磁阀式可控电抗器的原理分析及工作控制方程 5 2 1 磁阀式可控电抗器的工作原理 5 2 2 磁阀式可控电抗器的磁路系统 6 2 3 磁阀式可控电抗器的电磁方程的建立及各工作状态之间的转换条件 7 2 4 磁阀式可控电抗器的工作特性分析 1 4 第三章控制系统的硬件电路设计 2 0 3 1 控制系统的总体结构框 2 0 3 2 微处理器的电路设计 2 0 3 3 数据采集电路设计 2 3 3 4a d 转换电路 2 8 3 5 可控电抗器的可控硅触发电路 2 8 3 6 可控电抗器的键盘设置与显示设置 2 9 3 7 可控电抗器的电源设置 2 9 3 8 控制系统的抗干扰硬件设计 3 0 第四章控制系统的软件设计 3 l 4 1 主程序流程图 3 1 4 2a t m e g a 6 4 的初始化程序设计 3 2 4 3 信号的周期相位测量流程图 3 4 4 4 数据采集点数的选择及计算子程序设计 3 4 4 5 可控硅发出脉冲的设计 3 5 4 6 键盘扫描程序 3 7 4 7 参数计算模块设计 3 8 第五章仿真与试验 4 0 结j 沦 4 4 致 谢 4 4 参考文献 4 5 i i l 第一章绪论弟一旱硒记 1 1 无功补偿的意义及无功补偿装置 近年来 随着我国电力工业的不断发展 大范围的高压输电网络逐渐形成 同时 对电网功率的要求也日益严格 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其安全运行所不可缺少的部分 电网无功功率不平衡将 导致系统电压的巨大波动 严重时会导致用电设备的损坏 出现系统电压崩溃和稳定 破坏事故 2 3 1 0 因此无功功率对电力系统是十分重要的 研究无功功率具有重要的现 实意义 归纳如下 1 研究无功功率 可以解决现代电力系统中与无功功率相关的 系列技术问题 2 研究无功功率可以促进节能 无功功率在电网中不断循环 造成很大的浪费 一 个1 0 g w 的电力系统 如果无功功率问题处理的好 每年从这个电网的发电厂 变电 所 用户中节约的电能超过1 0 亿k w h 并且可以减少系统中2 0 0 到3 0 0 m w 容量的输 变电设备 3 研究无功功率 可以保证电能质量 促使电力系统安全运行n 钉 无功功率补偿装置经过数十年的发展 形成了种类繁多的无功功率补偿装置 卜 1 根据无功功率补偿装置输出是否能跟踪电力系统无功功率变化来分类 分为静止无功 功率补偿和动态无功功率补偿 根据无功功率补偿装置是否拥有运动部件来分类 可 以分为运动无功功率补偿装置和静止无功功率补偿装置 根据无功功率补偿装置开始 使用的时间 可以分为传统无功功率补偿装置和现代无功功率补偿装置n 钉 根据电压 等级的不同分类 可以分为低压无功功率补偿装置和高压无功功率补偿装置 根据装 置本身有无机带电源可以分为无源无功功率补偿装置和有源无功功率补偿装置 1 运动无功功率补偿装置主要是同步调相机 属于传统无功功率补偿装置 也属于有源 无功功率补偿装置 静止无功功率补偿装置主要有电力电容器 电力电抗器 静止无 功功率补偿器 静止无功功率发生器 统一潮流控制器 有源电力滤波器 其中电力 电容器和电力电抗器为传统静止无功功率补偿装置 其他静止无功功率补偿装置属于 现代静止无功功率补偿装置u 钉 1 6 1 电容器 电抗器与静止无功功率补偿器属于无源无 功功率补偿装置 静止无功功率发生器 统一潮流控制器和有源电力滤波器属于有源 无功功率补偿装置n 6 1 3 1 1 3 3 1 传统静止无功功率补偿的最大特性是补偿容量不能随负荷 无功功率的容量的变化而变化 因此又称静态静止无功功率补偿装置 简称静态无功 功率补偿装置 现代静止无功功率补偿装置的最大特征是补偿容量能随负荷无功功率 容量的变化而变化 因此又称动态静止无功功率补偿装置 朝 1 6 1 1 2 可控电抗器的发展现状 磁放大器是可控电抗器的发展基础 十九世纪2 0 年代 美国的亚力山德逊提出了 磁放大器 十九世纪6 0 年代美国的斯托姆发表了 磁放大器 同时代苏联 罗津布拉 特也写了 磁放大器 其后 英国成功制造了一台可控电抗器 是世界上第一台可控 电抗器 它的工作电压范围在6 6 k v 到2 2 k v 之间 容量为1 0 0 m v a 但存在形影慢 损 耗大等缺点 所以很难推广 在2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代间 由于可控硅的迅速发展 可控电抗器的发展陷入了低潮 因为控制灵活 晶闸管电抗器成为电抗器研究的热点 而2 0 世纪9 0 年代 原苏联的学者们提出了新型可控电抗器的概念 即磁阀的概念 又根据新型理论重新设置了绕组线圈 在此基础上 可控电抗器得到了飞速的发展 各国学者也开始加入到可控电抗器的研究队伍中来 盯乜阴 近几十年来 在世界范围内 可控电抗器一直在迅速而稳定的发展 现有的静止 无功补偿器 s v c 主要有以下几类 t 1 4 j 1 机械开关投切电容器 m s c 其特点是分组投切 不产生谐波 操作有涌流和过 电压 不可频繁操作 但其使用简单 被广泛应用于负载无功功率补偿和电压稳定 适合于电压变动不频繁情况 可与s v c 配合使用 2 晶闸管投切电容器 t s c 其特点是分组投切 快速反应 其反应时间小于2 0 m s 操作没有涌流和过电压 可任意频繁操 完全自动 价格较高 不产生谐波 可对频 率变化的负荷作无功功率补偿 适合用于高压系统 其可以作电压支撑 可配合其它 s v c 设备提供无功功率最高值n n 3 晶闸管投切电抗器 t s r 其特点是快速反应 其反应时间1 0 到2 0 m s 不产生 谐波 可频繁动作 完全自动 能分相投切 价格较高 运行可靠 可对频率变化的 负荷作无功功率补偿 适合用于高压系统防止过电压 可配合其它s v c 设备提供无功 功率最高值n 4 晶闸管控制电抗器 t c r 其特点是连续调节无功功率量 快速反应 其反应时 间1 0 到2 0 m s 产生谐波 可频繁动作 完全自动 能分相调节 价格较高 运行可靠 其为系统补偿的中心环节 将f c 与t s c 多送的无功功率量抵消到最合适的位置 是系 统电压调节和扩大稳定极限的方法 抑制闪电 电压波动 实际应用最广 在控制电 弧炉负荷产生的闪烁时 几乎都采用这种方法 1 钉1 1 7 1 近年来 我国对可控电抗器的研究主要是对直流可控电抗器的研究和交流可控电 抗器的研究 有许多我国自主开发的产品也已经投入运行 且运行良好n 6 1 1 3 可控电抗器在电力网中的作用 电力网中所采用的电抗器 实质上是一个无导磁材料的空心线圈 它可以根据需 要布置为垂直 水平和品字形三种装配形式 钉 在电力系统发生短路时 会产生数 2 值很大的短路电流 如果不加以限制 要保持电气设备的动态稳定和热稳定是非常困 难的 因此 常在出现断路器处串联电抗器 增大短路阻抗 限制短路电流 由于采 用了电抗器 在发生短路时 电抗器上的电压降较大 所以也起到了维持母线电压水 平的作用 使母线上的电压波动较小 保证了非故障线路上的用户电气设备运行的稳 定性m 3 7 盯 近年来 在电力系统中 为了消除由高次谐波电压 电流所引起的电 容器故障 在电容器回路中采用串联电抗器的方法改变系统参数 已取得了显著的效 果 1 0 1 1 钉 1 4 微处理器的发展现状 近年来 随着微电子技术 计算机技术 通信以及网络技术的发展 嵌入式技术渗 透到各个领域 由于被嵌入对象的复杂程度有很大的变化范围 以及对嵌入式系统本 身在性能 体系结构等方面的多样化要求 导致了嵌入式系统及其应用的多样性 作 为嵌入式系统核心的嵌入式微处理器必须应对嵌入式应用面临的挑战 而a v r 嵌入式 微处理器 以其完整的体系结构发展系列 极小的体积 极低的功耗 极低的成本 极 高的性能 及时根据嵌入的对象的不同进行功能上的扩展的优势 在众多种类的嵌入式 微处理器中脱颖而出 1 8 1 1 2 1 1 1 2 3 1 0a t m e l 公司在2 0 0 2 年第一季度推出的一款新型a v r 单片 机 在a v r 家族中 a t m e g a 6 4 是一款非常特殊的单片机 它的芯片内部集成了大容量 的寄存器和丰富的硬件接口电路 具有其他高档a v r 单片机m e g a 系列的全部特点 采 用了小引脚封装 为d i p 5 4 价格却与低档单片机相当 同时具有a v r 单片机的i s p 在 线编程 性能 是a v r 高档单片机中内部接口丰富 功能齐全 性价比最好的品种 a v r 单片机吸取了d s p 及8 0 5 1 单片机的优点 还作出了一些重大改进 1 1 高性能 采用精简指令集c p u r i s c 3 2 个通用工作寄存器 克服了8 0 5 1 等c i s c 结构存在的指令系统不等长 指令数多 c p u 利用率低 执行速度慢等缺点 采用哈佛 h a r v a r d 结构的流水线技术 在执行一条指令时 下一条指令已经被取出来 所以说 其机器周期等于时钟周期 绝大部分指令为单周期指令 执行的速度最快可以达到 2 0 姗z 2 a v r 单片机包含有丰富的外设 如1 2 c s p i e 2 p r o m p t c w a t c h d o g 定时器 a d 转换器 和片内振荡器等 可以真正的作到单片 在本文中采用了a v r 单片机的定时 器捕获模式 a d 转换器 节省了一般单片机完成周期测量及a d 转换所需的外围设备 使电路结构更加简化 3 低功耗 a v r 单片机具有6 种休眠功能 能够从低功耗模式迅速唤醒 4 程序写入器件可以并行写入 用编程器写入 也可以使用串行在线编程 i s p 方法下载写入 编译好的目标程序可以通过在线系统编程 i s p 直接写入a v r 单片机 芯片内的f l a s h 程序存储器 而不需要把芯片从系统上拆下来使用专用编程器来写入 程序 这极大的方便了程序的修改和烧写等操作 方便产品升级 尤其是s m d 封装 更利于产品微型化 5 超功能精简指令 具有3 2 个通用工作寄存器 相当于8 0 5 1 的3 2 个累加器 克 服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象 1 2 8 字节 4 k bs r a m 可灵活使用指令运算 特别适合用c 语言进行程序开发 易学 易写 易移植 并且具有很高的代码效率 6 与p i c 单片机一样 可以重新设置启动复位 a v r 单片机内置电源上电复位 p o r 和电源掉电检测 b o d 提高了单片机的可靠性 不用外加复位延时电路 7 有丰富的中断向量 有3 4 个中断源 不同中断向量的入口地址不一样 可以快 速响应 而不像p i c 单片机那样 所有的中断都占用同一个向量地址 8 u s a r t 不占用定时器 采用独特的波特率发生器 有s p i 传输功能 晶振可以工 作在一般标准整数频率 而波特率可达5 7 6 k b s 9 有8 位和1 6 位定时器 计数器 可以作比较器 计数器 外部中断及p w m 也可以 作d a 转换器 用于控制输出 1 0 除了i o 口输入 输出特性与p i c 的h i l o w 输出及三态高阻抗h i z 输入相同外 还设定与8 0 5 1 系列内部有上拉电阻的输入端功能相似的功能 以适应各种实际应用特 性所需 多功能i 0 口 只有a v r 才是真正的i 0 口 能正确的反应i 0 口输入 输 出的真实情况 1 1 有看门狗定时器 w d t 安全保护 可防止程序走飞 提高产品的抗干扰能力 1 2 保密性强 f l a s h 程序存储器具有保密索死 l o c k 功能 并且f l a s h 程序存 储器深藏在芯片内部 可以通过自编程 s e l fp r o g r a m m i n g 方式远程下载被加密的 更新代码 1 3 电源的抗干扰能力很强 1 4 完全免费的开发环境 包括汇编器 支持汇编和高级语言源代码调试的模拟和 仿真环境 更有g n u 组织提供免费的编译器支持 1 5 本课题的任务 在本文中 选用了磁阀式电抗器 与普通的电抗器相比 磁阀式可控电抗器能够 连续调节无功功率量 且反应迅速运行 可靠等优点 且其体积和所需材料要远小子 固定电抗器 其具有优越的性能 在控制方面 本文提出采用新型的a v r 单片机 即 h t m e g a 6 4 与以往控制核心所用的普通单片机相比 其具有丰富的硬件接口 从而简 化了电路的硬件设计 提高了可靠性 且具有较高的性价比 在本论文的第一章主要介绍了无功补偿及可控电抗器的发展史 并介绍了控制芯 片 在第二章中 主要对电抗器的磁路绕组进行了分析 得出了触发角与控制电流的 关系 为电抗器的控制设计提供了理论基础 第三章中研究的是可控电抗器的硬件电 路设计 在第四章中 主要介绍了电抗器的控制系统的软件设计 在第五章中 对本 论文所设计的电抗器进行了模拟试验 并对本电抗器的试验结果进行总结 4 第二章磁阀式可控电抗器的原理分析及工作控制方程 2 1 磁阀式可控电抗器的工作原理 磁阀式可控电抗器是一种新型的无功补偿设备 在其整个工作过程中 只有小面 积段铁心是饱和的 大面积段铁心始终处于未饱和线性状态 此即是磁阀一词的由来 磁阀式可控电抗器的控制原理为通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容 量 从而达到平滑调节感抗容量的目的 2 6 枷 e 冒m b 图2 1 磁阀式可控电抗器原理图 冒m s n a t 图2 1 a 为磁阀式可控电抗器的原理图 由图可见 可控电抗器主要由两段主铁心构 成 面积为a 长度为 一 在每一铁心的中间位置都具有面积减小一段的小面积铁 心 长度为 面积为4 所 a 彳 在由小面积铁心分开的四段半铁心柱上 对称 的绕有四个绕组线圈 四段线圈的匝数均为n 2 在两个磁铁心柱两侧 各有一可控硅 与其相连 可控硅k 与铁心柱l 的上下两个绕组线圈相连 可控硅疋与铁心柱2 的上 下两个绕组线圈相连 连接方式如图2 1 可控硅与上下两绕组线圈连接时 各有一抽 头比 而不是直接连在绕组线圈的两端 抽头比6 n n 二极管d 接在铁心1 2 两 上半段绕组线圈之间 且两下半段铁心绕组线圈交叉后接在二极管两端 二极管d 在 电路中起续流作用1 3 0 1 由图2 1 b 可见 当k k 未导通时 由于可控电抗器的绕组具有对称性 所以此时的磁阀式可控电抗器只相当于一个空载的变压器 由于电抗器两端加有电压 e s i n c o t 其为正弦电压 因此 可控硅k 墨两端的电压也为正弦电压 在电压处 于正半周期时 可控硅疋两端始终加有反向电压 不会导通 而可控硅k 两端始终加 有正向电压 在接收到触发信号后将导通 同理 在电压处于负半周期时 可控硅k 两端始终加有反相电压 不会导通 而可控硅五两端始终加有正向电压 在接收到触 发信号后将导通 假设可控硅k 被触发导通 则电流将流过两个匝数为n 2 的线圈 和可控硅k 将产生直流控制电流控制电路 当正弦电压e s i n c o t 处于负半周期时 若可控硅k 触发导通 电源电流经匝数 为n 的线圈后 将向电路提供方向与可控硅k 导通时相同的控制电流 所以 在电路 中 可控硅k k 在电源的正负半周期内轮流导通起到了全波整流的作用 而二极管 d 在电路中起续流作用 有利于k 和墨的关断 有助于提高整流效率 在设计中 利用控制电流与可控硅k 和k 的导通触发角的关系 来改变控制电 流的大小 所以控制电流的大小决定电抗器的饱和度 因此 当导通触发角改变时 电抗器的容量将随之改变 2 2 磁阀式可控电抗器的磁路系统 由图2 1 a 可知 电抗器主要由两部分铁心组成 即主体铁心部分 面积为么 长度为 一 和小面积铁心部分 面积为么 长度为t 在磁阀式可控电抗器的整 个磁路调节范围内 只有小面积段铁心4 加可能处于磁路饱和状态 大面积段铁心4 始 终处于未饱和状态 伏安特性为线性 此时 大面积段铁心阻值很小 相对于小面积 段的阻值来说可以忽略不计 由此可见 磁阀式可控电抗器的磁路畅通与否关键是取 决于小面积段铁心的磁路畅通与否 当小面积段铁心么斩完全饱和时 小面积段铁心磁 6 阻最大 此时小面积段铁心阻塞了磁路系统 相当于磁阀门全部关闭 而大面积部分 铁心未达到饱和状态 对磁路系统的阻塞作用很小 这时 磁阀式可控电抗器的小面 积段铁心相当于空气隙 面积为么 长度为t 电抗器相当于仅由面积为彳 长度 为 一 2 的四段位置对称的铁心柱构成 当小面积段铁心处于未饱和线性区 时 整个磁路系统的磁阻十分小 此时磁阀门处于完全打开状态 磁力线几乎完全从 小面积段铁心中穿过 而在其他情况下 磁路系统的磁力线将会有一部分从小面积段 a 加 铁心通过 此时铁心中的磁阻为非线性 另一部分磁力线从面积为以一么胁的空 气隙中通过 空气中的磁力线遇到的磁阻为线性 因此 分析磁阀式可控电抗器小面 积段铁心的磁路系统时 可以将此部分磁阻视为空气隙磁阻和铁心部分并联组成1 3 0 2 3 磁阀式可控电抗器的电磁方程的建立及各工作状态之间的转换条件 2 3 1 磁阀式可控电抗器的电磁方程的建立 2 9 1 啪1 由图2 1 b 可以看出 磁阀式可控电抗器根据可控硅k e 的触发导通与截止情 况及二极管d 的导通截止情况 可分析出以下5 种工作状态 1 k 触发导通 d 截止 丘截止状态 2 k 触发导通 d 导通 e 截止状态 3 k 截止状态 d 导通 墨截止状态 4 k 截止状态 d 截止 k 触发导通 5 k 截止状态 d 导通 k 触发导通 根据上述可控硅k k 和二极管d 的导通截止情况 可以分别列出与其对应的 磁路方程 因为电抗器的硬件绕组和接线方式都是对称的 而k 丘的工作状态和导 通情况也相互对称 因此只需着重分析前三种工作状态 即可控硅k 导通截止时的各 参量即可 在推导磁阀式可控电抗器的5 种工作状态下的数学模型之前 先做如下假定 1 铁心柱1 的磁势为f 铁心柱2 的磁势为f 2 铁心柱1 中的磁感应强度b b 和铁心柱2 中的磁感应强度为b b 并且铁 心柱1 中的磁力线方向与电流f 1 满足右手螺旋关系 磁铁心柱2 中的磁力线方向与 电流毛满足右手螺旋关系 3 当可控硅k k 触发导通后 可控硅的电阻为o 当可控硅处于截止状态下 可 控硅的电阻为无穷大 当二极管d 导通时 其相当于导线 当二极管d 截止时 其 相当于开路 对图2 1 b 磁路分析后可得磁路系统的磁势方程为 7 陋邶 半a 等毛 警f 7 半j 3 b l t f b 2 r 羔半f 2 竿f 6 竿f 8 譬掣f 4 根据可控硅k k 和二极管d 的导通截止情况 列出与其对应的电磁方程如下 钉 0 1 1 k 触发导通 d 截止 丘截止状态 孚篇一丽rf b edt5 n 器5 n p 掣 钏圳 1 一 1 6 2 1 一 矗蜀 亟 訾 器 rf一 b2 i 1dt5 n5 n6 np 掣 4 刮饥 1 一 1 2 1 2 d 砬 l 一趔一坠垄丛当丝 i 1 5 n 1 5 n 2 2 k f 一盟一鱼丛垒 丝 1 1 1 5 n 1 5 n b f 6 f 7 i b 掣 l 一型一烈 p 一 1 5 n 1 5 n 2 k 触发导通 d 导通 哎截止状态 警 半一华 掣 4 圳圳 警 学一华 p 掣 4 咆m f 5 e ms i n w t 丛必 型 1 5 r nn i f 一鱼幺塑垡 龇 1 1 5 r n f 2 f 6 f 8 丛号争且 t 厶 一些 烈 6 e m s i n c o t i k l f 1 6 r 屯 一瓮唑5 出一燃 2 3 rn 5 n 叫 n 一 1 一 l 厶o 3 k 截止状态 d 导通 k 2 截止状态 8 啦d t 坐n 一掣n 掣 4 刮 2 u d b 1 一曲 m j 警 迹n 掣n p 掣 4 以m 衍 2 组 1 1 江盟 必 nn f 1 厶 8 e s i nc o t 丛丝 1 n 一6 尺 4 k 截止状态 d 截止 k 触发导通 f啦 紫一必 1 fi n2dt 5 n 器5 n p 掣 4 咆m 1 一 1 2 d 勺 所7 酊 i 啦d t 器5 n 一器5 n 一搿5 n 掣 以咆川 1 一 1 2 1 2 d 勺 引7 拼 f 二兰鱼2 垒 丝 堡 丛 j 1 5 n 1 5 n j 毛 岛 乇 毛 丛雩 旦 l 厶 仁一必 丛必 j 1 5 1 6 k 丛必一丛必 r 1 5 n 1 5 n 5 k 截止状态 d 导通 e 触发导通 9 2 4 2 5 盟 盟 燮一 f 厂一0 b 珞 i m 一 k d 1 一v 屯 咆盟 b k 厂一 h 呸 0 f 警 c 学一华 掣c 4 咆m l 警 c 学一器 掣c 4 咆川 lf 5 e ms i n c o t 丛必 趔 i 1 6 n nn 旧母f 7 掣 lf j d 5 e s i n c o t 型 i 1 6 月 n 旧一半 掣 k 一需 l 和堡趣型 丛必一丛必 l 1 5 r nn 2 6 2 3 2 磁阀式可控电抗器各工作状态之间的转换条件 2 目 蚰 们 假设 磁阀式可控电抗器的电源电压为正弦电压 电压为e e s i n c o t 可控硅k 在电源的一个周期的正负两个半周期内轮流触发导通调节可控电抗器的容量 可控 硅k k 2 触发导通时的电角度为口 n c o t a 口为触发角 当触发角a 万时 即 可控硅k 琏均未触发导通时 可控电抗器内无直流激磁 控制电流t 0 此时电 抗器处于稳态空载运行状态 由图2 1 b 可以看出 e f 两点电位相等 二极管d n n o a n n0 处于导通状态 因此 可控电抗器处于状态3 即k 截止状态 d 导通 k 2 截止状态 此时 可求出可控硅k lg j n 电n u 曲 可控硅k 两端电压 出及二极管d 上的电流为i d u 曲 6 e m s i n c o t u d c 5 e s i n c o t 2 7 一竖 刍 2 二丛堡 出 由式 2 7 可见 可控硅k 两端电压甜曲 与电源电压e 成正比 比例系数为 分别为变比6 一艿 此时可控硅k 两端电压与电源电压同向 可控硅墨两端电压与e 方向相反 由图2 1 可知 当可控硅k 两端加有正向电压时 可控硅e 两端加有反向电压 可控硅k 两端加有反向电压时 可控硅恐两端加有正向电压 即可控硅k k 不会 同时导通 假设 在电源e e s i n c o t 处于正半周期时 有某一时刻即c o t a 时 由 1 0 a t m e g a 6 4 发出信号 触发脉冲经触发电路向可控硅k 门极输入 触发信号输入后 可 控硅k 将导通 而由于可控硅k 加有反向电压 所以可控硅疋保持截止状态 这时 可控电抗器进入工作状态2 即k 导通 d 导通 墨截止 此时 k 和二极管d 的电 流以及可控硅疋两端承受的反向电压为 铲恙 f d 毕 丛盟型 2 8 u rn u i c2 6 e m s i nc o t 由公式 2 8 得 由于与铁心1 连接的可控硅墨己导通 铁心1 的控制绕组内 有控制电流存在 因此 称铁心1 处于助磁状态 而与铁心2 连接的可控硅k 未导通 处于截止状态 所以铁心2 处于去磁状态n 钉 3 0 1 在电源正半周 可控硅k 导通 可控 硅k 截止的条件下 有下式成立 f b 一f b 2 0 2 9 可控硅k 导通后 二极管d 两端电压将不会相等 因此 二极管d 将延时一段时 间后关断 从公式 2 9 可以看出 铁心内直流励磁的大小决定了二极管d 的延时关断 时间 当直流励磁较大时 二极管d 将会延时一段时间再关断 当直流励磁较小时 二极管d 可能立即关断 在本论文中假设可控硅二极管d 在可控硅k 导通后的延迟电 角度之差为y 其中 y 0 在二极管d 关断后 此时可控硅k 墨及二极管d 的导通截止情况为状态1 即k 触发导通 d 截止 k 截止状态 在此状态下计算可控硅k 两端电压甜出 可控硅k 流 过的电流i r 及二极管d 流过的电流f 为 一 垒 垒 2 旦 1 6 0 l 迹 边盟型 2 1 0 n 一6 n rn 1 2 6 es i l l 耐 型墅型鼍严 由图2 1 b 可知 可控硅砭在电源电压正半周期期间 其两端始终承受反向电 压 始终处于截止状态 是不会导通的 而可控硅k 在导通后不会截止了 而在正半 周期电压趋于0 时 二极管d 将会再次导通 进入电抗器的工作状态2 d 导通条件为 下式 2 1 1 2 6 1 1 3 0 1 芝亟2 二丛型旦 垫垡 2 1 1 烈r 此次二极管d 仅导通一小段时间 在正半周期结束时 其将再次关断 设二极管d 导通的这一时间段的电角度为 在电抗器处于工作状态3 时 由公式 2 8 可得 当电源电压e s i n c o t 0 时 流 过可控硅k 电流为o 因此可控硅k 进入截止状态 可控电抗器进入又工作状态3 即k 截止 d 导通 墨截止 可控硅丘在电源电压e 处于负半周期时的触发导通情况与可控硅k 在正半周期 时的触发导通情况相似 电源电压处于负半周期时可控硅墨在两种状态下的触发导通 的有关电压 电流的表达式如下 1 k 截止状态 d 导通 k 触发导通 拈 堕 鲤型 堕出 rn i e ms i n c o t 2 1 2 n 一6 r u 西 6 e m s i n c o t 2 k 截止状态 d 截止 触发导通 u a b 2 脚i n 耐 巡学 扰 黑 譬警 巡让越 2 13 ej 1 6 1 5 rn 一 刍 二z 垒 2 竖 1 6 综上所述 磁阀式可控电抗器在正弦电源电压p e m s i nc o t 作用下 可控硅k k 及二极管d 的导通 截止情况如下图2 2 所示 1 2 图2 2 磁阀式可控电抗器的工作状态变化过程 由图2 2 司知 司控硅k 在c o t a 时刻触发导通后 存在两段时间l 司隔使二极管 d 也处于导通状态 如图所示分别为 和y 可控硅k 和二极管d 第一次同时导通 时刻发生在可控硅k 触发导通的瞬间 即c o t a 导通的持续电角度为y 可控硅k 和二极管d 第二次同时导通时刻发生在电源电压的正半周期末 导通的持续电角度为 y 两次同时导通的时间间隔的大小由下式来决定 e ms i nc o t 五生 2 1 4 rn 由公式 2 1 4 可以看出 显然当垡丐 望越大时 可控硅墨及二极管 同时导 通的时间就越长 当触发角口 0 时 则可控硅k 在电源的正半周期始终处于导通状 态 此时p 2 石 可控电抗器的容量最大 垡丐 奠中只含有直流分量 此时 y 7 1 y 一 且 f g y 旦 2 1 5 留y2 z 1 6 z 在实际应用中 对于大容量的可控电抗器来说 变比6 一般在0 0 1 5 o 0 3 所以 由公式 2 1 5 可知 延时电角度 在1 2 3 可以忽略不计咖 2 4 磁阀式可控电抗器的工作特性分析 2 4 1 可控电抗器的等效电路 由上述分析可知 电抗器的磁状态在电源电压的正 负半周内是对称的 因此 先分析电源电压处于正半周期时对应的3 种工作状态 1 k 截止状态 d 导通 k 截止状态 2 k 触发导通 d 导通 k 截止状态 3 k 触发导通 d 截止 墨截止 状态 在工作状态1 下 由电抗器数学模型的推导过程可知 鲁一鲁 而r 正卅 2 1 6 然后有 j rl f 矿 f 2 了n 岛 i d b l 一a 讲b 2 o 2 1 7 令 铲等 则公式 2 1 7 可写为 r 二i y n z 彳y d 出b 1 d 万b o 在工作状态2 下 由电抗器的推导过程可知 r 2i 了n 4 言d b 一警 o 在工作状态3 下 由电抗器的推导过程可知 去驯n 酬 苦 扣 n 2n 衍一争 根据公式 2 1 9 2 2 0 和 2 2 1 面出电抗器控制回路的等效电路 所示 其中 1 1蜀导通 双t 暑 蜀截止 以下是回路方程的推导 在工作状态1 下 由电抗器数学模型的推导过程可知 啦d t 墼d t 等n a 一志na 互圳 z 然后整理有 e ms i n 耐 譬彳y e 鲁 尝c 警 1 4 2 1 8 2 1 9 2 2 0 2 2 1 如图2 6 右半部 2 2 2 2 2 3 2 2 4 令 f 拿 则公式 2 2 4 可写为 e s i n 耐 譬彳y i d b l 堡d t i r 在工作状态2 下 由电抗器的推导过程可知 即i n 耐 譬纵警 d 班b 2 尝 y 在工作状态3 下 由电抗器的推导过程可知 主扭n 耐 警纵警 d 讲b 2 尝 y 根椐公式 2 2 6 2 2 7 和 2 2 8 可画出申 杭器的等效申 路 e 窟d n 旯 兄 2 占r 一 一 一 一2 2 1 一声2 l i a d 五 i2 j 2 i 车 2 2 5 2 2 6 2 2 7 2 2 8 如图2 3 左半部所示 即歇 等 图2 3 可控电抗器的直流控制等效电路图 2 4 2 可控电抗器的谐波特性 根据以上分析可得铁心1 2 的磁感应强度关系 i c o t 一b c o t 刀 l 垦 一b l o t t 假设b l 为 b 1 t o t 饬 墨 c o s c o t 一仍 垦 c o s 2 c o t 一仍 色 3 c o t 一仍 十 考虑到公式 2 3 0 可以写出b 2 的形式 垦 c o t 一饬 b l c o s c o t 一仍 一垦 c o s 2 c o t t p 2 忍 3 c o t 一仍 由图2 6 可知 控制回路绕组的感应电势为 2 2 9 2 3 0 2 3 1 墨 最 2 警4 尝一堕a r t 2 3 2 譬4 鲁 4 岛 s i n 2 耐一仍 8 蜀 s i n 4 耐一吼 从公式 2 3 2 可看出 电压中的奇次谐波相互抵消掉了 因此削弱了总体的电 势 根据图2 6 写出公式 2 2 8 的简化形式为 啊n n za 一 d b 争 2 3 3 将公式 2 1 2 和公式 2 1 3 代入公式 2 1 5 可得 e s i n 耐 一n 2a 6 研2 置 s i n 耐一妒1 6 马 s i n 3 c o t 一仍 2 3 4 o n a h b 1 s i n c o t 一仍 3 马 s i n 3 c o t 一仍 根据谐波平衡原理 两端接有正弦电源电压的磁阀式可控电抗器的铁心磁感应强 度将不含3 次以上奇次谐波 7 时 所以有下式成立 电抗器的工作电流可由图2 1 得出 即 f 蹲 去 厂 e 厂 最 f 2 型一 吲 削1 2 考虑到铁心的磁化曲线f b 是奇函数 并根据公式 2 2 9 可以得出 f f i b o a t 九一垦 o a t 7 r 一九垦 o a t 7 r f b 2 c o t 九一昼 丌 一九b l c o t 万 同理 可以设f b 1 1 为如下形式 对应地 厂 马 h o c o s c o t 一马 c o s c o t 仍 马 c o s c o t 仍 一 厂 垦 一风 q c o s c o t 仍 一马 c o s w t 仍 皿 c o s c o t 妒3 一 将公式 2 3 8 和 2 3 9 代入 2 3 6 后 有下式成立 f i 2 n 1 mc o s 2 n 1 c o t q o 槲 2 3 5 2 3 6 2 3 7 2 3 8 2 3 9 2 4 0 公式 2 4 0 中 各次谐波分量的幅值 州 由下式确定 乇川枷 昙r 专 厂 e 厂 垦 c s 2 托 1 耐 研 2 4 1 挖 o 1 2 3 1 6 兰 m 日 丑 一 驴喝 历易 由公式推导有 磁阀式可控电抗器的基波及3 5 7 次等谐波电流的标么值为 乇 j l 卢一s i n 卢 2 4 2 e 川 上 s i n n f l 一墅坠盟1 2 4 3 m m2 2 7 r 2 n 1 2 1 蔚j 皑 其中 卢为铁心的饱和度 并且卢 2 a r c c o s 1 一鲁 最为铁心磁化曲线饱和值 d 5 毋为直流偏磁 下图所示为对谐波电流的m a t l a b 仿真 0 4 o 2i 二二 o l 舀 二之 三 一一一 0 量 一 二 一专 曼一一一j 0 z 事 一 一十 一 f 一 二一 一j 一 t 二 一 一 曼 一 一 一一 0 2 二 二 l j l l l 一 0123 456 7 图2 4 可控电抗器的谐波电流m a t l a b 仿真曲线 如图所示 1 次谐波有1 个零值点和0 个极值点 3 次谐波有3 个零值点和2 个极 值点 5 次谐波有5 个零值点和4 个极值点 其他谐波以此类推 由仿真图2 4 可见 且各极值点呈对称分布阳 在以上分析中 卢 代表磁阀式可控电抗器的额定容量所对应的铁心饱和度 仅仅 讨论可控电抗器在不同容量下的各次谐波对基波电流的百分比没有多大意义 选择可 控电抗器的正确方法是 在其整个容量调节范围内 找出各次谐波的最大值 与额定 基波电流比较后 可得所产生的谐波分量较真实的情况 8 3 们 1 7 2 1 8 6 1 0 0 2 4 3 可控电抗器的控制特性 钉 由图2 1 可知 磁阀式可控电抗器的等效电路 在忽略电源内阻三i 生5 墨2 的条件 下 可以推出当触发角为a 时的直流控制电压大小 e 昙e 掣甜 紫 汜4 4 这里忽略了二极管d 和可控硅k 同时导通的情况 直流控制电流的大小 丢r 挚耐 昙晦肌昙晦d 耐 荒 e 导 一c s 研一c s 譬矽研一f 一c o s 耐 c s 譬矽耐 2 4 5 j 塑 s i n 旦一旦c o s 旦 万n 222 p 由e 詈 考虑到公式 2 4 3 和公式 2 4 4 有 8 e 1 c o s a 旦 s i i l 垦一旦c o s 旦 2 4 6 万 1 6 z n 222 当触发角a 0 时 饱和度卢 2 z 代入公式 2 4 5 有 且 旦 2 4 7 万 1 6 2 r p 综合以上两式可得触发角a 与饱和度卢的关系式为 c o s a 三 s i l l 垦一拿c o s 旦 一1 2 4 8 7 r222 联立公式 2 4 1 和 2 4 7 可得到可控电抗器可控硅触发角a 与基波电流 二的关系如 下式 小去 胪i n 国 2 4 9 c s a 昙c s m 譬一譬c s 导 一 用仿真工具m a t a l a b 对公式 2 4 9 仿真 其结果如下图 x 图2 5 乇与a 的关系图形 1 9 第三章控制系统的硬件电路设计 3 1 控制系统的总体结构框 磁阀式可控电抗器是以a t m e g a 6 4 为核心微处理器的控制系统 通过采集电压 电 流信号 计算出系统的尸 q 并快速分析无功功率变化情况 从而快速有效的调节补 偿电抗 即微处理器能够自动检测系统的无功功率并根据结果调整可控硅触发角口 微处理器的控制装置主要由以下5 部分组成n 1 数据采集电路 2 周期测量电路 3 控制电路 4 晶闸管控制电路 5 键盘 显示电路 整个控制系统框图如图3 1 所示 一u i u i 审压瓦感器卜 刊滤波 i 电 压抬升卜 h oi i l j i l m r t ni j i 电压抬升卜 l l j 电压互感器卜 剖滤波 周期相位测量卜 a t m e g a 6 4 叫周期相位测量卜 j 周期相位测量卜斗 图3 1 磁阀式可控电抗器控制装置框图 3 2 微处理器的电路设计 3 2 1 选取微处理器 在设计电路时 选好微处理器对于控制系统来说是十分重要的 因为 微处理器是 控制系统中最重要的部分 其关系着整个控制系统的运行情况 早期的单片机大多为8 位 如早期受到广泛使用的5 1 单片机 后来由于设计的需要 在数控领域内 又出现 了专门为了大量数字控制中所需的计算而设计的微处理器 如d s p 在实际应用中 5 1 类型的单片机各种功能过于简单 在多种场合应用时集成性太差 在使用设计时太过 麻烦 而d s p 虽然功能强大 但应用的范围过窄 在很多场合下应用也不是很理想 2 0 这时 各大公司纷纷推出了增强型的单片机 这些单片机使用精简指令集 速度快 且有多种功能的接口 这种类型的单片机简称a v r 单片机 且价格较d s p 便宜 根据本论文的设计要求 需要用到测量信号周期的捕获模块功能且需要采集信号所 用的a d 转换模块功能等功能模块 因此本设计选用a t m e l 公司生产的a t m e g a 6 4 单片 机 其内部含有设计所需的模块 能够优化电路的硬件设计 提高其可靠性及集成度 且在本设计中需要处理大量的数据同时需要进行大量的运算 所以需要较大的存储空 间 而a t m e g a 6 4 有6 4 k b 的f l a s h 存储空间 其能够达到设计的要求 且执行指令的 速度也很快 有利于控制系统的运行 a t m e g a 6 4 是一个1 6 位的 具有精简指令集的 高性能 低功耗 非易失性存储器和数字集成电路的混合型单片机 该单片机具有以 下特点 1 1 高性能 低功耗的8 位a v r 微控制器 先进的r s c 精简指令集结构 1 3 0 条功能强大的指令 大多数为单时钟周期指令 3 2 个8 位通用工作寄存器 工作在1 6 m h z 时具有1 6 m i p s 的性能 片内集成硬件乘法器 执行速度为2 个时钟周期 2 片内集成了