低压无功补偿系统设计.doc

I 摘 要 本设计是针对低压无功补偿方面的问题 设计了适用于低压电网进行集中 无功补偿的晶闸管投切电容器装置 首先 设计了单片机最小系统 本设计采用 AT89S52 单片机作为控制系 统控制芯片 由于 AT89S52 单片机最小系统简单而且有很好的实用性 具有 很好的发展前景 其次 设计了信号采集电路 投切电路 信号采集电路采用十二位并行口 A D 转换芯片可有效快速的进行数据转换 提高转换效率 投切电路采用单相 晶闸管进行触发投切电容 成本较低运行可靠 最后 设计了键盘电路 串行通信电路 键盘电路采用 4 4 矩阵键盘 简单实用 方便对无功补偿进行手动控制监测数据 串行通信电路可时时对系 统数据进行显示并通过与上位机相连实现人机接口对话 关键词 无功补偿 单片机 晶闸管 II ABSTRACT This topic is to aim at low pressure to have no achievement compensate of problem designed to be applicable to low pressure charged barbed wire net to carry on concentration to have no achievement compensate of hyristor hurl slice capacitor device Designed a list slice first machine s minimum system This design adoption AT89S52 list slice the machine is to control system control chip because AT89 S52 list slice the machine s minimum system is simple and have good function have good development prospect Secondly designed signal to collect electric circuit hurl to slice electric circuit The signal collects electric circuit to adopt 12 proceed together A D conversion the chip can effectively and quickly carry on a data conversion and raise a conversion efficiency The hurl slices an electric circuit adoption list the mutually thyristor carry on triggering hurl to slice electric capacity the cost is lower to circulate credibility Finally designed a keyboard electric circuit string to go to correspond by letter electric circuit The keyboard electric circuit adopts 4 4 matrix keyboards in brief practical convenient rightness of Be without the achievement repair carry on moving control to monitor a data The string goes to correspond by letter electric circuit to always carry on showing to the system data and pass to connect with place of honor machine to carry out person s machine to connect a people s dialogue Key words reactive power compensation Single Chip Microcompute Thyristor III 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 2 无功功率补偿的历史与现状 2 1 2 1 无功功率补偿的分类 2 1 2 2 无功功率补偿装置的发展概况 2 1 2 3 无功功率补偿技术现状及发展趋势 4 1 3 本文主要内容 5 第 2 章 低压无功补偿系统的总体设计方案 6 2 1 无功补偿总体结构 6 2 2 TSC 型无功功率补偿基本原理 7 2 3 无功功率补偿方式及容量确定 8 第 3 章 无功补偿装置硬件设计与实现 10 3 1 无功补偿控制器硬件总体结构设计 10 3 2 主控芯片选型 11 3 3 采集及转换电路设计 12 3 4 功率因数测量电路设计 16 3 5 I O 扩展电路设计 19 3 6 晶闸管触发驱动电路设计 20 3 7 显示电路设计 21 3 8 键盘电路设计 24 3 9 通信接口电路设计 25 3 10 掉电储存电路 26 3 11 外部存储器扩展电路设计 27 3 12 电源电路设计 29 第 4 章 无功补偿装置控制系统软件设计与实现 30 IV 4 1 主程序设计 30 4 2 功率因数模块设计 31 4 3 投切控制程序设计 33 结 论 37 致 谢 38 参考文献 39 附录 1 41 V CONTENTS ABSTRACT Chinese I ABSTRACT II Chapter1 Introduction 1 1 1 Purpose and significance of the research 1 1 2 Reactive power compensation of past and present 2 1 2 1 Have no achievement power compensate of classification 2 1 2 2 Reactive power compensation device development overview 2 1 2 3 Reactive power compensation status and development trend 4 1 3 This study includes 5 Chapter 2 Low voltage reactive power compensation system design program 6 2 1 Complement the overall structure of reactive 6 2 2 TSC type basic principle of reactive power compensation 7 2 3 Reactive power compensation and capacity to determine 8 Chapter 3 Reactive Compensation Device hardware design and implementation 10 3 1 Reactive power compensation controller design of the overall structure of the hardware 10 3 2 Master Chip 11 3 3 Acquisition channel and conversion circuit 12 3 4 Power factor measurement circuit 16 3 5 I Oexpansion circuit design 19 3 6 Thyristor trigger drive circuit design 20 3 7 Display circuit 21 3 8 Keyboard circuit 24 3 9 Communication Interface Circuit Design 25 3 10 Power down storage circuit 26 3 11 External memory expansion circuit design 27 VI 3 12 Power circuit design 29 Chapter 4 Reactive power compensation equipment control system software design and implementation 30 4 1 The main program structure 30 4 2 Power Factor Design of sampling and data processing module 31 4 3 Switching Module Control Program 33 Conclusions 37 Acknowledgements 38 References 39 Appendix 1 41 1 第 1 章 绪论 1 1 设计研究的目的和意义 在低压电网中 随着居民生活水平的不断提高和大量家用电器的普及 以 及小工业用户的增多 导致电网中无功功率的消耗日益增大 功率因数大都比 较低 尤其是电力电子装置的应用日益广泛 而大多数电力电子装置的功率因 数很低 造成电网供电质量下降 也给电网带来额外负担并影响供电效益 因 此 利用无功补偿技术正成为当前世界各国电力设计及决策人员的共识 无功 补偿装置的投资已被列入电力投资的整体规划中 成为一个不可缺少的环节 有功功率与视在功率的比值称为功率因数 无功功率的存在使功率因数降低 造成如下影响 1 当有功功率不变时 功率因数低 使发电机和变压器的容量增大 不 能充分发挥原有供电设备的效率 2 在线路输送有功功率相同的情况下 功率因数低 使线路中的电流增 加 电压损失增加 给感应电动机的启动 运行造成困难 导致供电质量下降 若增大导线截面积 相应的增加了有色金属的消耗量 3 当电网电压及有功功率不变时 功率因数低 使输电线路中的无功电 流增大 功率损耗增加 引起发电机端电压的下降 无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的 在电力系统中 大多 数电网中元件和负载都要消耗无功功率 而电网中元件和负载所需要的无功功 率必须从网络中某个地方获得 显然 这些所需的无功功率如果都要由发电机 提供并经过长距离输送是不合理的 通常也是不可能的 合理的方法应该是在 需要消耗无功功率的地方产生无功功率 即对无功功率进行补偿 对电网进行无功补偿有以下几个方面的作用 1 1 提高供用电系统及负载的功率因数 降低设备容量 减少功率损耗 2 稳定受电端及电网的电压 提高供电质量 在长距离输电线中合适的 地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性 提高输电能力 3 在电气化铁道等三相负载不对称的场合 通过适当的无功补偿可以平 衡三相的有功及无功负载 无功补偿就其补偿方式来说可分为高压补偿和低压 补偿 高压补偿通常是在变电所高压侧进行 仅能补偿补偿点前端的无功功率 2 对补偿点后的输电线路和负载起不到补偿作用 低压补偿可直接补偿输电线路 和负载的无功功率 补偿效果最为理想 但在低压补偿时 负载具有分散性大 数量多的特点 要求无功补偿装置成本低 操作方便 易于维护和安装 而且 必须能进行动态补偿 目前解决电网中有功功率损耗大 压降大的最切实可行的办法就是采用高 性能的无功功率补偿装置 就地补偿负载的感性无功功率 因此 寻求一种能 综合电系统需要补偿的无功功率 对系统进行跟踪补偿 是低压电网改造和建 设中迫切需要解决的问题 本课题就是在此基础上提出的 1 2 无功功率补偿的历史与现状 1 2 1 无功功率补偿的分类 无功补偿可以分为串联补偿和并联补偿 串联补偿的目的在于控制线路的 阻抗参数 欧美一些国家普遍采用串联补偿来提高输电线的传输能力 而我国 大多采取并联补偿的方式来补偿系统无功 并联补偿的目的在于控制线路的电 压参数 并联补偿按补偿对象不同可分为系统补偿和负荷补偿两大类 2 系统补偿通常指对交流输配电系统进行补偿 目的是维持电网枢纽点处的 电压稳定 提高系统的稳定性 增大线路的输送能力以及优化无功潮流 降低 线损等 负荷补偿通常是指在靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿 目的是提高负荷的功率因数 改善电压质量 减少或消除由冲击性负荷 不对 称负荷 非线性负荷等引起的电压波动 电压闪变 三相电压不平衡及电压和 电流波形畸变等危害 1 2 2 无功功率补偿装置的发展概况 现今所指的无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备 主要有以 下三大类型 3 4 一类是具有饱和电抗器的无功补偿装置 Saturated Reactor SR 第二类是晶闸管控制电抗器 Thyristor ControlReactor TCR 第三类是晶闸管投 切电容器 Thyristor Switch Capacitor TSC 下面依次介绍此三类无功补偿装置 的情况 1 具有饱和电抗器的无功补偿装置 Saturated Reactor SR 这种装置是最早的一种静止无功补偿装置 早在 1967 年 这种装置就在 3 英国制成 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种 相应的无功 补偿装置也就分为两种 具有自饱和电抗器的无功补偿装置是依靠电抗器自身 固有的能力来稳定电压 它利用铁心的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的 大小 2 晶闸管控制电抗器 Thyristor Control Reactor TCR 这种装置是利用晶闸管的相位控制来调整电抗器的电流 从而达到调整无 功功率的目的 其单相原理图如图 1 1 所示 其三相多接成三角形 这样的电 路并入到电网中相当于交流调压器电路接电感性负载 此电路的有效移相范围 为 当触发角时 晶闸管全导通 导通角 此时90 180 90 180 电抗器吸收的无功电流最大 根据触发角与补偿其等效导纳之间的关系式 1 1 max sin LLBB max 1 LLBX 可知 增大触发角即可增大补偿器的等效导纳 这样就会减小补偿电流中的基 波分量 所以通过调整触发角的大小就可以改变补偿器所吸收的无功分量 达 到调整无功功率的效果 L SCR U t 图 1 1 TCR 型补偿器原理 TCR 型动态补偿方式具有以下优点 从 0 到最大功率连续可调 可以根 据电网负荷情况分相调节 电路简单 便于操作维护 不可避免的也具有一些 缺点 在运行中会产生谐波 占地面积大 电容 电抗器和晶闸管容量都是按 系统最大冲击无功功率来配备 设备投资大 从实际情况看 跟踪补偿装置大 部分时间处于零或低无功功率补偿状态 最大功率运行能耗大 这种具有 TCR 型的补偿器反应速度快 灵活性大 目前在输电系统和工业企业中应用 最为广泛 3 晶闸管投切电容器 Thyristor Switch Capacitor TSC 5 这种装置是将并联补偿电容器分成若干组 根据负荷无功的变化情况对补 4 偿电容器进行分组投切 达到调整无功补偿量的目的 其单相原理如图 1 2 所 示 U t SCR L C 图 1 2 TSC 型补偿器原理 TSC 型动态补偿方式具有以下特点 结构紧凑 可设计成柜体形式 占 地面积小 设备投资小 大约比 TCR 降低 25 运行能耗小 电容器是无过 渡过程投切 本身不产生谐波 合理的参数还可吸收谐波 接入系统灵活 可 设计成高压型 缺点是不能连续调节无功功率 随着电力电子技术的进一步发展 一种更先进的静止型无功补偿装置出现 了 即采用自换相变流电路的静止无功发生器 Static Var Generator SVG 也 称之为高级静止无功补偿器 Advanced Static VarCompensator ASVC 静止无 功发生器的基本原理是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上 适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值 或者直接控制其交流侧电 流 与传统的以 TCR 为代表的 SVC 装置相比 SVG 的调节速度更快 运行 范围宽 而就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流 实现动态无功 补偿的目的 且在采取多重化 多电平或 PWM 技术等措施后可大大减少补偿 电流中谐波的含量 1 2 3 无功功率补偿技术现状及发展趋势 现在 在世界范围内 以 TCR 和 TSC 为代表的静止无功补偿装置 SVC 已经占据了动态无功补偿的重要地位 是动态无功补偿技术研究的发展趋势 6 截止到 2000 年 全世界已有超过 400 套 总容量约为 60Gvar 的 SVC 在输配 电系统中运行 全世界已有超过 600 套 总容量约为 40Gvar 的 SVC 在工业部 门使用 我国的输电系统中有 6 套容量为 105 170Mvar 的 SVC 安装在 5 个 500kV 变电站 均为进口 工业用户安装了 100 多套 SVC 约有 1 5 是进口的 从 2001 年起中国电力科学研究院已为工业用户提供了 26 套 10 35kV TCR 5 型 SVC 新平台 l0kV TSC 型 SVC 装置于 2001 年 2003 年在变电站分别投入 运行 填补了 SVC 国内工程化应用的空白 从无功功率补偿装置的应用来看 SVC 装置控制简单 价格低 能满足 大多数用户对于无功功率补偿的需要 应用最为普遍 在电力系统和工矿企业 用户中拥有广大市场 是并联无功补偿的主要装置 1 3 本文主要内容 本文介绍了无功补偿的目的和意义 阐述了国内外无功补偿的现状与发展 趋势 针对低压电网 本文分析了无功补偿原理及补偿接线方式 讨论了几种 不同负荷情况下电网最佳补偿点的位置及容量配置的问题 第 1 章中 首先介绍了无功补偿研究的目的和意义 接着阐述了无功功率 补偿的历史 现状及技术发展趋势 并对各种不同类型的无功补偿装置进行了 比较 第 2 章中 阐述了无功功率补偿的系统框图 中包含的电开关元件针对低 压电网 重点分析了 TSC 型无功补偿原理 补偿容量和补偿位置的优化方法 及其无功补偿自动投切控制方式 第 3 章中 根据要求设计了用于低压电网的无功补偿装置 介绍了装置的 主电路原理及其主要元件的选取方法 完成了无功功率补偿控制器的有关硬件 设计 第 4 章中 软件设计 计算无功补偿的投切容量 结论 对全文进行了总结 6 第 2 章 低压无功补偿系统的总体设计方案 2 1 无功补偿总体结构 本课题设计的无功补偿装置主体结构由柜体 控制器 空气开关 避雷器 三相电容器 熔断器 可控开关 触发板和串联电抗器等部分组成 主电路接 线示意图如图 2 1 所示 三相负载 电压检测电流检测 低通滤波低通滤波 逻辑比较电路A D转换电路 单片机中央处理单元 RAM存储投切信号 状态显示 脉 冲 驱 动 装 置 脉 冲 驱 动 装 置 A B C 空气开关 过压吸收 控 制 器 图 2 1 无功补偿主电路图 如图 2 1 所示 为无功补偿装置主电路接线图 由图可以看出 电网中 A B C 三相电源线经空气开关进入无功补偿装置的柜体内 再经熔断器与 复合开关模块连接 电容器经复合开关模块与熔断器和空气开关连接 避雷器 经空气开关与三相电源线相连后接地 工作过程为 将从线路采集电压 电流等采样信号送入控制器内进行数据 分析处理 计算线路所缺的无功功率 控制器再根据此无功功率 按照预先设 定的控制策略 来判定是否需要投入或切除电容器 控制器通过晶闸管与二极 管反并联组成的复合开关模块来控制投切电容器 主要元件功能及其选择原则介绍如下 1 柜体 即无功补偿柜的箱体 顶部有防尘盖 在防尘盖和箱体之间留 有一定的空隙 同时在底部和侧面都有空气流通孔 以保证充分散热 2 控制器 控制器具有无功投切判断 电量参数计算等功能 通过控制 7 二极管和晶闸管反并联组成的复合开关进行补偿电容器的投切 3 空气开关 空气开关是整个无功补偿装置的总开关 它控制着整个无 功补偿柜的电源及过流保护 空气开关又称空气断路器 其选取根据装置中电 容器容量的大小不同和通过的电流不同来选取 主要用来分配电能和保护线路 及电源设备的过载 欠电压和短路 4 避雷器 避雷器起保护作用 防止装置因雷击过电压而受到损坏 避 雷器的选取应以保证电力系统安全的前提下选择 一般情况选取避雷器额定电 压为系统标称电压的 1 2 1 3 倍 5 电容器 电容器采用 0 4kV 三相自愈式并联电容器 采用三相角形接 法 三相共补的补偿方式实施动态补偿系统无功功率 6 熔断器 熔断器起保护作用 防止补偿装置由于过电流的原因而损坏 熔断器的选取要和空气断路器配合 一般其跌落电流选为通过电流的两倍 7 可控开关 可控开关采用晶闸管和二极管反并联的组合形式 通过二 极管的反向自然关断和可控硅的可控关断来控制电容器组的投切 复合开关模 块主要控制 A C 两相 对于三相电路而言 若 A C 两相断开 则 B 相即使 连接 三相并联电容器也不能投入 因此此接法具有更大的经济效益 8 触发板 触发板是晶闸管的控制驱动电路 它将来自控制器的投切信 号转化为高频脉冲信号 控制可控硅复合开关的通断 9 串联电抗器 串联电抗器抑制电容器的投切涌流 保护电容器的正常 运行 2 2 TSC 型无功功率补偿基本原理 无功功率补偿的基本原理是 把具有容性负荷的装置与感性负荷并联接在 同一电路中 当容性负荷释放能量时 感性负荷吸收能量 感性负荷释放能量 时 容性负荷吸收能量 能量在两种负荷之间相互交换 无功功率补偿的原理 可用图 2 2 来解释 8 s s Q Q Qc P 图 2 2 无功功率补偿原理图 图2 2中 Q为感性负荷从电源吸收的无功功率 Qc为无功功率补偿装置 的补偿无功功率 电源输出的无功功率减少为Q Q Qc 功率因数由 必提高到 视在功率S减少到S 由电工学可知 cos cos 222 SPQ cosPS sinQS cos P S 其中 为公率因数 即有功功率和视在功率的比值 其大小代表着电源cos 被利用的程度 它的最大值为 1 这时 电源利用率最高 最小值为PS 0 这时 表示负荷和电源之间只有往返的无功功率交换 同时 0P 为电网相电压 因此 如果电气设备发送的功率一定 cos IPU U 功率因数越小 线路中的电流越大 功耗和发热温升越严重 相同电压条件下 发送一定的功率 功率因数越大 线路中的电流越小 线路中的损耗也越小 因此 在电力系统中力求功率因数接近于 1 2 3 无功功率补偿方式及容量确定 合理无功补偿方式的选择应该遵循以下几个原则 减少无功功率的流动 实行就地补偿的原则 分级补偿原则 集中装设与分散装设相结合 以分散补 偿为主的全面规划 防止在低负荷情况下过补偿 即向电网倒送无功功率 无功补偿最好的方式是哪里需要无功就在哪里补偿 整个系统将没有无功 电流的流动 在实际电网当中这是不可能做到的 因为无论是变压器 输电线 路还是各种负载 都需要无功 所以在实际低压配电网中就补偿电容器安装的 位置不同 无功补偿的方式可以分为三种 集中补偿 分散补偿 分组补偿 和 9 就地补偿 单机补偿 低压无功补偿的三种方式如图 2 3 所示 C2 C3 M T C1 图 2 3 低压无功补偿装设方式 集中补偿方式是将电容器装设在用户专用变电所或配电室的低压母线上 如图 2 3 中所示 低压集中补偿方式适用于线路末端负荷波动幅度不大 1 C 基荷所占比重较大 负荷容量较大 地点集中的场合 就地补偿方式是指将电容器组直接装设在用电设备旁边 就地补偿用电设 备 主要是电动机 所消耗的无功功率 如图 2 3 中所示 电容器组随电动机 3 C 同时投入或退出运行 使电动机消耗的无功功率部分得到就地补偿 从而使装 设点以上输配电线路输送的无功功率减少 能获得明显的降损效益 就地补偿方式是最佳的 对于长距离大用电设备更为适宜 由于负载末端 功率因数的提高 可使其前面的配变电设备 配电线路等的损耗减少 这种方 式的缺陷是投资高 利用率低同时 由于安装地点在生产现场 运行条件较差 维护极为不便 而分散补偿这种方式的优点是对于负荷比较分散的用户 有利 于实行无功分区平衡 体现了无功 就地平衡 的原则 可增加设备的承载能 力 10 第 3 章 无功补偿硬件设计与实现 3 1 无功补偿硬件总体结构设计 无功补偿控制系统如系统框图 电网的三相电压 电流信号大电压和大电 流通过电压互感器和电流互感器变换成小电压和小电流通过模拟信号采集电路 采经 A D 转换芯片送入单片机 再从互感器端采集一路线电压和一路相电流 信号 通过功率因数采集电路送入单片机 单片机将送入信号进行处理 计算 出电网中所需无功 发出信号 晶闸管触发电路触发投切电容 无功补偿装置 控制系统的硬件原理结构框图如图 3 1 所示 单片机 电流测量变换电路 功率因数测量电路 通讯接口电路 电压测量变换电路 模 数 转 换 键盘接口电路 LCD显示电路 脉冲触发电路 图 3 1 无功补偿硬件原理结构框图 由于控制系统以无功功率作为主要的检测及控制目标 而无功功率的计算 公式如下 3 1 3sin l QU I 其中 为无功功率 为电网线电压 为负载相电流 为功率因数角 Q l UI 据此 本文在控制系统中设计了电压 电流信号采集电路及功率因数测量电路 无功功率可以由所测得的电压值 电流值以及功率因数值根据公式 3 1 计算得 到 同时系统还设计了 LCD 的显示电路以显示电压值 电流值以及功率因数 值 控制系统根据计算得到的无功缺额控制相应电容器组的投切 投切指令由 单片机的 I O 口输出到脉冲触发装置控制晶闸管投切开关的开通与关断 第三 11 章将对控制系统的各个组成部分电路分别进行介绍 3 2 主控芯片选型 本设计采用AT89S52 24 作为主控芯片 AT89S52是一种低功耗 高性能 CMOS 8位微控制器 具有8K 在系统可编程Flash 存储器 使用Atmel公司高 密度非易失性存储器技术制造 与工业80C51产品指令和引脚完全兼容 片上 Flash允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯片上 拥有 灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash 使得AT89S52为众多嵌入式控制应用 系统提供高灵活 超有效的解决方案 主控芯片最小系统如图3 2所示 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U1 89S52 Y1 12M S0 5 C23 30pF C24 30pF C26 22uF C25 22uF R34 1k R33 1k 图 3 2 主控芯片最小系统 12 AT89S52具有以下标准功能 8k字节Flash 256字节RAM 32位I O口线 看门狗定时器 2个数据指针 三个16位定时器 计数器 一个6向量2级中断结 构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 AT89S52可降至0Hz静态逻 辑操作 支持2种软件可选择节电模式 空闲模式下 CPU停止工作 允许 RAM 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 RAM内容被 保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停止 直到下一个中断或硬件复位为止 所用管脚如表3 1所示 表3 1AT89S52管脚及作用 管脚号管脚名管脚作用 32 39P0 7 P0 08 位双向 I O 口 1 8P1 0 P1 78 位双向 I O 口 21 28P2 0 P2 78 位双向 I O 口 10RXD串行输入 11TXD串行输出 12INT0外部中断 0 13INT1外部中断 1 14T0定时器 0 外部输入 15T1定时器 1 外部输入 16WR外部数据存储器写选通 17RD外部数据存储器读选通 18XTAL2振荡器反相放大器的输出端 19XTAL1振荡器反相放大器的输出端 3 3 采集及转换电路设计 数字控制器采集的电流和电压信号来自于无功调节器的互感器 目前的工 艺做到互感器初级和次级的电流或电压信号的相位差很小 一般相位误差只有 正负几分到几十分 取决于互感器的精度等级 完全能够满足无功补偿的需要 因此 采集电流和电压信号时可以不需要额外的校正或补偿电路 无功补偿装 置所需测量的电网电压和各支路电流通过两级互感器耦合提供给控制器 电压互感器采用西安横山微型互感器研究所生产的 HPT304A 型精密互感 器 HPT304A 是一种电流型的微型电压互感器 一次输入电压为 0 1000V 13 隔离耐压为 2500V 二次输出电压为 0 10V 额定电流比是 2mA 2mA 精度 为 0 1 非线性度 0 1 因为有三路交流电信号 但这里只列举一路交流电信号 电压量经电压互 感器变成小电压 再经 1N4007 组成的整流桥和滤波电路把交流量变换成为直 流量以便进行 A D 转换电阻 R2 滑动变阻器可调节输入电压 1N5993 将电压 稳定在 5V 最终信号输入 TLC2543 的 AIN 0 口 电压模拟量采集电路如图 3 3 所示 D7 1N5993 C5 10uF C4 10uF 1 2 3 4 D1 BRIDGE1 T1 HPT 304A UA UC R1 4k C6 0 1uF R2 1k A IN 0 图 3 3 电压模拟量采集电路 电流互感器的原边电流 Ia 为 0 10A 电流互感器采用西安铱星的 CTL205 微型精密电流互感器 其额定变比为 10A 5mA 精度为 0 05 非线 性度 0 02 线性工作范围为 0 25A 主要应用于电力系统监控 测量及仪 表等方面 电流量经电流互感器变成小电压 再经 1N4007 组成的整流桥和滤波电路 把交流量变换成为直流量以便进行 A D 转换电阻 R2 滑动变阻器可调节输入电 压 1N5993 将电压稳定在 5V 最终信号输入 TLC2543 的 AIN1 口 如图 3 4 所示 D8 1N5993 C8 10uF C7 10uF 1 2 3 4 D2 BRIDGE1 T2 CTL 205 UA UC R3 2k C9 0 1uF R4 2 5k A IN 1 图 3 4 电流模拟量采集电路 本系统中的 A D 转换器采用 TLC2543 芯片 25 它是 TI 公司生产的 12 位 开关电容型逐次逼近模数转换器 具有三个控制输入端 片选端 串行数cs 据输入端 DATA INPUT 以及输入 输出时钟端 I O CLOCK 其简单的 3 线 SPI 串行接口可以非常容易地与微处理器进行通信 11 路输入通道可采集 11 14 路模拟信号 是 12 位数据采集系统的低成本方案 芯片所用管脚及作用如表 3 2 所示 表 3 2 TLC2543 管脚及作用 管脚号管脚名称管脚作用 1 6AIN 0 AIN 5模拟量输入端 13REF 负基准电压端 14REF 正基准电压端 15CS片选端 16DATA OUTA D 转换结果的三态串行输出端 17DATAINPUT串行数据输入端 18I O CLOCK输入 输出时钟端 19EOC转换结束端 交流电压量 电流量分别经电压互感器 电流互感器变换成适用于微机处 理的弱信号后 再经整流滤波电路把交流量变换为直流量以便进行 A D 转换 A D 转换电路再把模拟量转换为数字量送入 CPU 由于 TLC2543 是电压输入 的 因此在两路输入中 电压可以直接输入 而电流要在输入处接一个适当阻 值电阻 使其转换成电压再输入 当 A D 转换器的输入电压有超过它的最高 输入电压时 就会损坏 A D 转换芯片 因此我们在它的输入端接上对地 5 1 V 的稳压管 这样 当有高于基准电压的输入电压出现时 利用稳压管可以把它 稳定在正常范围之内 模拟量采集电路以及 A D 转换电路如图 3 5 所示 D7 1N5993 C5 10uF C4 10uF 1 2 3 4 D1 BRIDGE1 T1 HPT 304A UA UC R1 4k C6 0 1uF R2 1k D8 1N5993 C8 10uF C7 10uF 1 2 3 4 D2 BRIDGE1 T2 CTL 205 UA UC R3 2k C9 0 1uF R4 2 5k AIN 0 1 AIN 1 2 AIN 2 3 AIN 3 4 AIN 4 5 AIN 5 6 AIN 6 7 AIN7 8 AIN8 9 AIN 9GND 10 AIN 10 12 REF 13 REF 14 CS 15 OUT 16 INPUT 17 CLOCK 18 EOC 19 VCC 20 U5 TL C2543 图 3 5 模拟量采集转换电路 15 TLC2543 的 I O 时钟 数据输入 片选 由引脚 P1 0 P1 1 P1 2 提供 cs TLC2543 的转换结果数据通过 P1 3 脚接收 在最后的 I O CLOCK 下降沿之后 EOC 从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止 每根线均 采用光耦隔离 这种采样电路精度高 硬件电路简单 并使模拟部分与数字部 分实现了完全隔离 数据输出电路如图 3 6 所示 U9 PC817 U10 PC817 U11 PC817 U12 PC817 5 R23 4 7k R25 4 7k R27 4 7k R29 4 7k R30 4 7k R28 4 7k R26 4 7k R24 4 7k P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 5 5 5 5 5 5 5 5 INT1 89S52 AIN 0 1 AIN 1 2 AIN 2 3 AIN 3 4 AIN 4 5 AIN 5 6 AIN 6 7 AIN7 8 AIN8 9 AIN 9GND 10 AIN 10 12 REF 13 REF 14 CS 15 OUT 16 INPUT 17 CLOCK 18 EOC 19 VCC 20 U5 TL C2543 图 3 6 数据输出电路 3 4 功率因数测量电路设计 由于电力系统中三相负载的不平衡 为了能真实反映三相功率因数值 故 从一相取相电流信号 从另外两相取线电压信号 相电流和线电压之间的夹角 为线电压滞后相电流的角度 随功率因数角 的变化而变化 二者之间 有着对应关系 因此 本文采用通过采样三相中任意一相的电流以及另外两相 的线电压之间的相位差 的方法设计了三相系统的功率因数采样检测电路 26 如图 3 7 所示 16 U13 PC817 U14 PC817 AR7 LM339 AR8 LM339 D13 1N4148 D14 1N4148 D15 1N4148 D16 1N4148 5 5 5 5 5 5 U8 74LS136 UA UB iC iC R22 4 7k R21 4 7k R20 4 7k R17 4 7k R16 4 7k R15 4 7k GND GND INT0 图 3 7 功率因数测量电路 电路的输入是 A B 相之间的线电压以及 C 相电流 输出是包含功 AB u C i 率因数信息的方波信号 工作过程为 由电压互感器取得的线电压信号 3 u 输入到比较器 LM339 的同相输入端 由电流互感器取得的相电流信号 AB u 首先转化成电压 然后输入到 LM339 的另一个同相输入端 再分别转化成 C i 相应的方波信号和 由于比较器接成零比较器而且是同相输入 因此方波信号 和的上升沿均决定于输入信号由负变正这一过零时刻 两个方波信号和 1 u 经异或门后得到一新的方波信号 将方波信号送入到单片机的外中断 2 u 3 u 3 u INT0 引脚 把单片机的外中断 INT0 和定时器 T0 联合使用 就可以检测出经 异或门之后的方波信号的脉冲宽度 该方波信号的脉冲宽度随功率因数 3 u 17 角 的变化而变化 二者之间有着对应关系 测量出脉冲宽度后 就可以根据 三者之间的对应关系换算出 功率因数角 但由于利用该方法测量功率因数的接线方式有 12 种 每种接 线方式的相位关系又不一样 因此功率因数的计算以及超前滞后的判断方法是 有差别的 14 针对图 3 7 的电路中 组合的接线方式来讨论的计算及 AB u C i 超前或滞后的判断方法 具体分析如下 设三相的电压分别为 电流分别为 假设电网三相平 A u B u C u A i B i C i 衡 则它们的表达式如下 3sin 210 ABBAm uuuUt 3 2 sin 120 Cm iIt 其中 表示每相电压幅值 表示每相电流幅值 表示角频率 相电 m U m I 流滞后相电压角 即功率因数角 设为滞后的相角 由于滞后的相角为 而滞后的相角 AB u C i B i B u AB u C u 为 所以有 针对三种负载情况 表达式如下 90 90 当负载为纯阻性时 即 时 90 0 当负载为感性时 即 0 90 0 90 当负载为容性时 即 时90 180 90 0 在图 3 7 中 线电压和 C 相相电流的采样信号经 LM339 进行上升 AB u C i 18 沿过零触发后 得到反映相位的方波信号和 和异或后得到方波信 1 u 2 u 1 u 2 u 号 假定的脉冲宽为 当负载分别为纯阻性负载 容性负载和感性负载 3 u 3 u 时 感性负载时取 容性负载时取 45 45 设 T 为正弦波的周期 则 和 T 满足下面的表达式 当负载为纯阻性时 4T 0 当负载为感性时 4T 当负载为容性时 4T 2T 设所对应的角度为 显然 还可以得到 由与之 360T 间的关系 可以得到 90 90 90 最终得到所测量的脉冲宽度与功率因数角之间的关系 针对三种负载情况 时的关系表达式如下 当负载为纯阻性时 0 当负载为感性时0 90 36090T 当负载为容性时 90 90 360 0T 本设计中采集的信号为线电压和相电流 因此检测相电流线电压的 AB u C i 时间差 即可得到时间 根据落在周期的范围可确定功率因数的超前滞后 T 情况 然后根据公式计算出功率因数角 利用单片机的中断和定时器定时功 能可完成对的检测 本系统中设计采用外中断 INT0 和定时器 T0 的联合使 19 用 当方波信号由负变正时 启动定时器 T0 T0 开始计数 当由正变负 3 u 3 u 时 T0 停止计数 由此得到与时间差成正比的计数值 N0 假设电网周期 T 所对应的计数值为 N 则功率因数的超前滞后情况只需通过和00 4NN 来判断 相电流线电压的相位差和功率因数角可通过下 40 2NNN 式计算 0 360N N 3 4 0 360 9090 N N 从而得到电网的功率因数 cos 3 5 I O 扩展电路设计 AT89S52 单片机理论上有 4 个 8 位并行 I O 口 但在本设计中需要连接键 盘 LCD 触发电路 由于系统外扩有存储器或其它接口芯片 P0 口常复用 作地址 数据总线 P2 口用于提供高 8 位地址 P3 口常工作在第二功能 真正 用作 I O 口的只有 P1 大部分的单片机应用系统设计中都不可避免地要进行 I O 口的扩展 单片机应用系统中 I O 口扩展主要有两种方法 第一种是使用简单的逻 辑门电路和带三态控制的缓冲器组成 用于扩展单个 8 位输出或输入口 另一 种方法是用专门的可编程并行接口芯片如 8155 8255 等扩展 I O 口 而本设 计主要介绍一下使用 8255 扩展 I O 口的方法 8255 是通用可编程并行接口芯片 为四十脚双列直插式封装型 片内有 三个 8 位并列 I O 口 分别称为 PA 口 PA0 PA7 PB 口 PB0 PB7 PC 口 PC0 PC7 其中 PC 口又分高 4 位口 PC4 PC7 和低 4 位口 PC0 PC3 通过编程可设三种工作模式 应用管脚及作用如表 3 3 接口 电路如图 3 8 所示 20 表 3 3 8255 管脚及作用 管脚号管脚名称管脚作用 8 9A0 A1端口选择信号 5RD读信号 低电平有效 36WR写信号 低电平有效 6CS片选信号 低电平有效 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA0 4 PA1 3 PA2 2 PA3 1 PA4 40 PA5 39 PA6 38 PA7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RESET 35 CS 6 U3 8255 RESET 1D 3 2D 4 3D 7 4D 8 5D 13 6D 14 7D 17 8D 18 1Q 2 2Q 5 3Q 6 4Q 9 5Q 12 6Q 15 7Q 16 8Q 19 OE 20 LE 1 U11 74LS373 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 T 1 P11 T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U1 8052 RESET WR RD 5 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 图 3 8 I O 口扩展电路 3 6 晶闸管触发驱动电路设计 控制器是无功补偿装置的核心处理单元 但控制器将采样信号换算后 发 出相应的投切控制信号时 必须有高频触发脉冲去触发晶闸管 如何选择适当 的时刻触发晶闸管导通以对电容器进行无冲击投切动作 是 TSC 设计的关键 技术 总的原则是电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻 而通常的做法 都不可避免地有各种缺点 因此本文采用设计独立的 TSC 脉冲触发装置 利 用 ULN2003AN 其输出达到 500mA 来驱动脉冲触发装置工作 从而控制晶闸 管的导