基于单片机的无功补偿控制器

安徽工程大学毕业设计 1 引引 言言 随着现阶段我国经济的发展状况和国际化能源紧张趋势的加剧 加强电能质量和 节能降耗的影响已成为十分重要的工作 无功补偿作为一种电网节能的方式来提高功 率因数是一种行之有效地措施 现阶段我国采用的无功补偿措施主要有同步调相机 并联电容器和静止无功补偿 等方式 但这些补偿方式普遍存在着电网冲击和无法实现实时补偿等问题 为了解决 以上问题 本设计采用了一种新型的无功补偿技术 该技术利用与电网同频同相的可 调电压源与电容并联的方式来实现对电网无功功率的补偿 本毕业设计利用 ATMEL 生产的 AT89C52 单片机控制 PWM 信号的斩波频率 从 而实现对可调电压源信号的控制 使可调电压源信号与电网电压信号同频同相 实现 无功补偿 采用可调电源技术来实现新型的无功补偿主要能够改善以往所采用的无 功补偿装置在电容投切过程中所存在的冲击现象和提高无功补偿的响应速度 实现 实时补偿 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 2 第第 1 章章 绪论绪论 随着我国经济发展和国际化能源紧张局势的加剧 加强电能质量和节能降耗的影 响十分重要 这其中采取无功补偿方式提高功率因数是行之有效的措施 在电力供电 系统中 功率因数的提高是一项重要的技术工作 直接关系到输电线路的电能损耗 供电的经济性 供电质量 功率因数的补偿措施一直为人们所重视 研制高性能的功 率因数装置具有实际的社会 经济效益 而且在电力系统中 无功功率要保持平衡 否则 将会使系统电压下降 严重时 会导致使被损坏 系统瓦解 此外 网络的功 率因数和电压降低 使供电设备得不到充分利用 促使网络传输能力下降 损耗增加 因此 解决好网络补偿问题 对网络降损节能有着极其重要的意义 1 1 无功补偿的意义 按电网无功功率补偿方式可分为出串联补偿和并联补偿 并联补偿方式又可分为 电容器组补偿 调电感补偿 调相机补偿的移相补偿等 本设计我们将采用并联电容 器补偿 主要用用单片机技术 实现对低压电力系统的监控 完成功率因数的测量 并根据所测得数据进行可调电压源的控制 以实现对电力系统的功率因数的补偿 无功补偿控制器是无功补偿的核心 其性能直接影响补偿的效果 它是根据检测的 功率因数或无功功率 按照一定的控制规则投入或切除电容器 实现对线路进行无功 补偿 在低压配电网中有相当一部分是感性负荷 它不仅要消耗大量的有功功率 也 要吸收很多的无功功率 从而使功率因数下降 导致无功电源不足 系统电压降低 电能损耗增大 这大大影响了电网的供电能力 因此电力部门千方百计要提高系统的 功率因数 除本身采取相应的措施外 更要求每个用户在其母线上进行功率因数的补 偿 即借助于相关的无功功率补偿设备 即使 正确 必要的提供无功功率补偿 由 于这个课题涉及面光 切有较高的经济含量和技术附加量 因此无功功率补偿设备的 研究一直是国内外相关企业激烈竞争的项目之一 无功功率补偿技术近年来越来越引 起人们的关注 它是设计电力 电子技术 电气自动化技术和理论电子的领域的重大 课题 我国电网曾在 20 世纪 70 年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行状 态 有些地方想有调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题 开始这种办 法也有一些效果 某些供电点电压升高了 但是这是一降低别处的电压为代价的 因 为总的无功电源不足 局部地区电压升高无功负荷增大 必然使别处无功功率更少 电压更低 各处普遍采用调节变压器分接头的结果 不仅没能提高负荷的供电电压 反而使得无功损耗加大 整个系统低电压问题更加严重 在这种情况下 首要的问题 应该是增加无功补偿设备 低压运行同时对电网安全带来巨大危害 系统稳定性差 十分脆弱 经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击 容易造成大面积的停电 和系统瓦解的后果 国内外均有此先例 由此可见 合理配置无功电源 进行无功补 偿是非常重要 由于人工投切电容不能及时跟踪无功负荷的变化 不能始终保持功率 因数而后打压质量在规定范围 所以无功的自动控制是一个值得研究的课题 无功功率问题 根据世界各个地区电力系统近数十年来的经验 积累了大量资料 我国电力系统亦同样积累了很多宝贵的经验 广泛应用到生产实践中去世有一定重要 价值的 有效的无功补偿有非常大的经济效益和社会效益 主要表现在 安徽工程大学毕业设计 3 1 减少线路损耗 就全国讲 线路损耗约占据 12 其中主要是无功分量引起的 损耗 若无功损耗降低 50 60 一年便可节约电 500 亿度左右 相当于半个三峡工 程的发电量 这种不消耗一次能源 便可增大发电量的工程是绝好的绿色工程 且投 资极小 见效快 2 避免罚款 我国电力部据物价局 关于颁发 功率因数调整电费办法 通知 中 规定 功率因数 0 94 时 减少电费 1 1 功率应属 0 6 时增加电费 15 例如一个 315KVA 的变压器 功率因数从 0 6 提高到 0 94 以上 年奖罚差 3 4 万元 3 不额外投资 便实现扩容 进行无功补偿后 便可提高电承载率 变压器可满 负荷运行 例如一台 315KVA 的变压器 0 6 负荷的变压器只能提优质服务 cos 189KW 的有功功率 不能承受 300K 左右的容量 需要购买一台 500KVA 的变压器替 换 将功率因数由 0 6 提高到 0 98 相当于扩大了 63 即有功由 189KW 高到 309KW 可基本满足要求的容量 便节省了一台 500KVA 的变压器 经费约三四十万 元 4 改善电能质量 延长电气寿命 提高产品质量 电能质量用电压和频率两个指 标衡量 电压的稳定性取决于无功的平衡 频率的稳定性取决于有功的平衡 而电压 的稳定与否又直接影响电器寿命 影响机械加工精度 如果电压稳定性提高 5 仅照明 灯 寿命延长 50 全国一年可节约数亿元 至于因电压不稳 供电不足而造成废品 次品 设备减寿 停产 停电损失更是难以统计的 在电力系统中要设法减小相位差 提高值 称为提高功率因数 以降低无 cos 功功率 减小电能损失 由 式看出 若能使为零 cos 1 2 2 2 则 值为最小 功率因数最高 就是说如能使感抗和容抗最大限度的相互抵消 则线路 中功率因数最高 由容抗抵消感抗 反之亦然 从而减小 的方法称为功率因数补偿 进行功率因数补偿可以 1 降低无功电流 减小线路及变电设备的损耗 线路损耗的功率与负载电流平方 成正比 功率因数提高了 我供电刘大大减小 则线路上的耗损也大大减小了 2 可以改善供电电压质量 当功率因数提高后由于容性负载的加入 是线路末端 的电压平滑 起到了稳定电压的作用 3 提高系统的裕度 当系统的设备容量不变时 提高功率因数相当于增加负载的 容量 4 提高电路的功率因数不是负载本身的功率因数有什么改变而使负载本身的性能 及指标将不受任何影响 由此可见 提高功率因数 不但是当今能源形势的缓兵之策 也是关系到国计民 生的长远政策 能源是有限的 既然是不可再生的 我们唯一能做的就是减少浪费 高效合理的利用它们 这才是明智之举 是我们除了寻找代替能源以外的最有价值的 事情 因此我们必须重视电能的高效利用 不光在传输过程中 在使用过程中也是一样 这不仅符合经济效率的规律 还是能源科学使用的具体表现 既然我们不能给后代生 产出不可再生能源 我们就要努力高效使用它们 减少无谓的消耗 这跟我们为后人 创造能源是同出一辙的 具有相同深远的意义 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 4 1 2 无功补偿技术现状 现阶段采用的无功补偿方式主要有同步调相机 并联电抗器 并联电容器 静止 无功补偿补偿和静止无功功率发生器几种 同步调相机 Synchronous Compensator 运行于电动机状态 但不带机械负 载 只向电力系统提供 无功功率的同步电机 又称同步补偿机 用于改善电网功率 因数 维持电网电压水平 电力系统中的主要负载是异步电动机和变压器 这些设备均从电网汲取大量的 无功功率以供其励磁之用 所以 电网担负着很大一部分电感性的无功电流 导致 电网的功率因数降低 以致 发电机和输配电设备的作用不能充分发挥 线路损耗和 电压损失增大 输电质量变坏 甚至影响输电的稳定性 由于同步电机处在过励状 态时 可以从电网汲取相位超前于电压的电流 从而改善电网的功率因数 见功率 因数的提高 因此在过去的生产实际中 除选用一部分同步电动机外 还在电网的 受电端装设一些同步调相机 用于改善电网的功率因数 根据电网负载情况的不同 适当调节调相机的励磁电流 可改变调相机汲取的无功功率 使电网的功率因数接 近于 1 此外 在长距离输电线路中 线路电压降随负载情况的不同而发生变化 如 果在输电线的受电端装一同步调相机 在电网负载重时 让其过励运行 减少输电 线中滞后的无功电流分量 从而可减少线路压降 在输电线轻载的情况下 让其欠 励运行 吸收滞后的无功电流 可防止电网电压上升 从而维持电网的电压在一定 的水平上 同步调相机还有提高电力系统稳定性的作用 同步调相机的结构基本上与同步电动机相同 只是由于它不带机械负载 转轴可 以细些 如果它具有自起动能力 则其转子可以做成没有轴伸 便于密封 同步调相 机经常运行在过励状态 励磁电流较大 损耗也比较大 发热比较严重 容量较大的 同步调相机常采用氢气冷却 随着电力电子技术的发展和静止无功补偿器 SVC 的推广使用 调相机现已很少使用 并联电容器 Shunt Capacitor 原称移相电容器 主要用于补偿电力系统感性 负荷的无功功率 以提高功率因数 改善电压质量 降低线路损耗 单相并联电容 器主要由心子 外壳和出线结构等几部分组成 用金属箔 作为极板 与绝缘纸或 塑料薄膜叠起来一起卷绕 由若干元件 绝缘件和紧固件经过压装而构成电容心子 并浸渍绝缘油 电容极板的引线经串 并联后引至出线瓷套管下端的出线连接片 电容器的金属外壳内充以绝缘介质油 电网中的电力负荷如电动机 变压器等 大部分属于感性负荷 在运行过程中 需向这些设备提供相应的无功功率 在电网中安装并联电容器等无功补偿设备以后 可以提供感性负载所消耗的无功功率 减少了电网电源向感性负荷提供 由线路输 送的无功功率 由于减少了无功功率在电网中的流动 因此可以降低线路和变压器 因输送无功功率造成的电能损耗 并联电抗器的作用主要有 1 削弱空载或轻载时长线路的电容效应所引起的工频电压升高 这种电压升高是由于空载或轻载时 线路的电容 对低电容和相间电容 电流在 线路的电感上的压降所引起的 它将使线路电压高于电源电压 当愈严重 通常线路 愈长 则电容效应愈大 工频电压升高也愈大 对超高压远距离输电线路而言 空载或轻载时线路电容的充电功率是很大的 通 常充电功率随电压的平方面急剧增加 巨大的充电功率除引起上述工频电压升高现象 安徽工程大学毕业设计 5 之外 还将增大线路的功率和电能损耗以及引起自励磁 同期困难等问题 装设并联 电抗器可以补偿这部分充电功率 2 改善沿线电压分布和轻载线路中的无功分布并降低线损 当线路上传输的功率不等于自然功率时 则沿线各点电压将偏离额定值 有时甚至 偏离较大 如依并联电抗器的补偿 则可以抑制线路电压的升高 3 减少潜供电流 加速潜供电弧的熄灭 提高线路自动重合闸的成功率 所谓潜供电流 是指当发生单相瞬时接地故障时 在故障相两侧断开后 故障点处 弧光中所存在的残余电流 静止补偿器的全称是静止无功功率补偿器 SVC Static Var Compensator 有各种不同形式 目前常用的有晶闸管控制电抗器 TCR Thyristor Controlled Resistance 晶闸管投切电容器 TSC Thyristor Switched Capacitor 和饱和电抗 器 SR Saturated Resistance 三种 静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置 电容器 电抗器 调相机是对电力系统静态无功电力的补偿 而静止补偿器主要是对电力系统中的动 态冲击负荷的补偿 根据负荷变动的情况 静止补偿可以迅速改变所书车的无功功 率的性质或保持母线电压的恒定 静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用 电容器可发出无功功率 可控电抗器可吸收无功功率 其控制系统由可控的电子器件来实现 响应速度远远 高于调相机 一般只有 20MS 他主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢 大型轧机以 及大型整流设备等 另外 在电力系统的电压枢纽点 支撑点也可用静止补偿器拉 提高系统的稳定性 同时 静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害 比 SVC 更为先进的现代补偿装置时静止无功发生器 SVG Static Var Generator SVG 也是一种电力电子装置 其最基本的电路仍是三相桥式电压型或 电流型变流电路 目前使用的主要是电压型 SVG 和 SVC 不同 SVC 需要大容量 的电抗器 电容器等储能元件 而 SVG 在其直流侧只需要较小容量的电容器维持 其电压即可 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 采用 PWM 控制 即可使其输入电流接近正弦波 1 3 本毕业设计概述 用投切电容方式进行无功补偿 由于电容的投切是分级进行的 故产生的补偿电 流也是阶跃式的 一段运行期内 例如白天和夜间 不是过补偿就是补偿 无法使电网 无功功率得到恰当的补偿 另外 目前电容的投切多采用 MSC Mechanically Switched Capacitor 开关是机械式交流接触器 其接点间容易拉弧粘连 工作寿命短 响应速度慢 且投切过程还对系统产生冲击电流和冲击电压 一些电容投切装置改用 无触点的固态继电器 但它成本高 在流过大补偿电流时将产生较大的额外损耗 晶 闸管控制电抗器与固定电容的组合 TCR FC 虽然可以达到连续补偿的目的 使电网 无功功率得到完全补偿 但它同时也向电网引入谐波 与电源交换无功 而且体积大成 本高 考虑上述两种装置的缺点 我们使用了一种新的思路 采用可调电压源技术来实 现新型的无功补偿工作 可调电压源的实现主要运用了开关线性复合技术来实现 该无功补偿装置的原理框图如图 1 1 所示 系统以单片机 AT89C52 为核心 对所 采集到的电网信号进行分析 并根据所采集的信号实现对可调电压源的调节 使其 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 6 于电网电压同频同 相 以实现对无功功率的补偿 AT89C52 A D 转换 电流取样 电压取样 B 相电流 AC 相电压 RS 232C 串行通信 220V电源 可调电压源 显示 电路按键电路 图 1 1 系统的硬件结构框图 安徽工程大学毕业设计 7 第第 2 章章 基于基于 SLH 的连续无功补偿装置机理的连续无功补偿装置机理 采用线性开关复合功率变换技术来实现新型的无功补偿主要能够该善以往所采 用的无功补偿装置在电容投切过程中所存在的冲击现象和提高无功补偿的响应速度 实现实时补偿 2 1 新型连续无功补偿装置的基本原理 2 1 1 基本原理 图 2 1 连续补偿的基本原理 如图 2 1 所示 表示电网电压 是一个和电网电压同频同相的可调电压源 C 是作为补偿用的电容器 负载 ZL一般是感性负载 于是有 2 1 C VW C Z UU I C jZC 1 则本拓扑中 电容支路所发出的容性无功功率为 2 2 C VWW CW Z UUU IUQ 由式 2 2 有 当 UV 0 和 UV UW时 则电容支路所发出的无功功率分别为 2 3 CU Z U Q W C W UV 2 2 0 2 4 0 WV UU Q 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 8 由 2 3 式可知 当电容支路的可调电压源 UV 0 时 本装置相当于电容直接与 电网相并联 对于可调电压范围在 0 UW的可调电压源来说 此时本装置发出的容性无 功最大 当 UV UW时 本装置不发出容性无功功率 容性支路的电流 IC 0 本装置中所发出的无功功率由两部分组成 一部分是与可调电压源相连的电容发 出的无功功率 QC 另一部分是由可调电压源发出的无功功率 QV QC和 QV的表达式如 下 2 C VW CCC Z UU IUQ 2 5 2 C VWV CVV Z UUU IUQ 6 令 则 QC和 QV可分别表示为 D U U W V 2 C W C Z U DQ 2 2 1 7 2 C W V Z U DQ 2 2 2 1 4 1 8 由式 2 8 可知 可调电压源发出的无功功率 QV与 D 呈非线性的关系 当 D 1 2 也即可调电压源的电压 QV是电网电压 UW的一半时 可调电压源输出最大容性无功功 率 2 C W V Z U Q 2 max 4 1 9 当 D 为 0 或者 1 也即可调电压源的电压为 0 或者和电网电压一样大 时 可调 电压源不发出无功功率 当大于 1 或小于 0 也即可调电压源的电压比电网电压高D 或电压极性反向 时 QV为负值 换言之 可调电压源不是输出容性无功功率而发出 感性无功功率 图 2 2 表示整个装置发出的无功功率 Q 电容器发出的无功功率 QC 可调电压源发出的无功功率 QV和它的电压 UV之间的关系 安徽工程大学毕业设计 9 图 2 2 Q QC QV之间的关系 2 1 2 同无功功率发生器 SVG 的比较 本方案与 SVG 同属于有源连续无功补偿方案 不同之处在于 SVG 中的连接器 件是电感 在一定的电压下 电感值越小 SVG 发出的无功功率也就越大 本方案的 连接器件是电容 在一定的电压下 电容越大 本装置发出的无功也就越大 由于电 容的额定电流通常比电感小 考虑性价比 SVG 适合进行大容量的连续无功补偿 而 本装置适合于中小型容量的连续无功补偿 SVG 中的电感是用来平滑注入电网的电流 的 而本装置中的电容是作为补偿器件产生无功功率的 SVG 所产生的无功功率基本 上都由可调电压源提供 而本装置所产生的无功功率由两部分组成 一部分由电容器 提供 另一部分则由可变电压源提供 所以在提供相同大小的无功功率时 本装置中 可调电压源的容量可以比 SVG 中可调电压源的容量小得多 本方案的优点是 1 既可连续提供容性无功又可连续提供感性无功 且不附加对电网的谐波污染 在容量需求较小时可由单级提供电网所需的无功功率 在容量需求较大时还可用与无 源补偿混合的方式连续提供电网所需的无功 使功率因数接近 1 从而保证得到最佳的 补偿效果 2 可预置可变电压源电压 使其在零电流下投入 大大减小对电网的冲击 和延长电容的使用寿命 3 由于可变电压源的容量仅为所需无功容量的 1 4 且控制简单 故具有低成本 的特点 有利于在扩展容量与电压等级时使用 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 10 图 2 3 利用原装置扩容原理 4 除增加一可变电压源外 这一方案可充分利用原有补偿装置的补偿电容 如图 2 3 所示 如果原多级无源装置发出的最大容性无功功率为 Q 最大补偿无功将由 N 级 实现 每级提供的最大无功功率为 Q N 第一级采用补偿电容与可调电压源相串的有 源补偿 提供的无功功率为 0 Q N 连续可调 而其他 N 1 级为固定值 Q N 则可通过 第一级的连续调节与其它级的分级投切相配合达到无功功率 Q 的连续调节 例如 当 需要切除一整级时 只要可变电压源电压置 0v 并与待切的开关同时动作就使切除后补 偿的无功功率不变 从而实现连续调节 因此 这一方案极适合于对现有补偿装置的 改造和技术提升 基于上述优点 这一方案具有广阔的应用前景 将为企业带来巨大 的经济效益 2 2 SLH 的基本原理 在共集 漏 共射 源 共基 栅 这三种基本放大电路中 共集 漏 极 放大电路是输入电阻最大 输出电阻最小的一种拓扑 它的电压放大倍数小于 1 但接 近于 1 且其频带在三种放大电路中也是较宽的 因而这种拓扑的输出电压能够忠实的 反映输入的信号而被称作电压跟随器 把这一电压跟随器级联于开关型电源的滤波电 路之后就形成开关线性 电压跟随器是线性电路 复合功率变换技术的基本结构 图 2 4 为开关滤波电源输出正电压时的简单应用 当然 在开关电路之后增加一 级线性电路必然会增加整个电路系统的功率损耗 但是这个增加的损耗是很小的 因 为开关线性复合技术的线性电路与传统线性功放的不同之处在于它不像 B 类 AB 类 功放电路那样由正负直流电源 E 供电而是由包络于输出电压的纹波电压 Us 供电 功率 器件并不工作在大跨度纯线性区域 而是工作于临界饱和状态偏线性一侧的特殊状态 开关电源滤波之后的纹波电压 Us 是与基 栅 极输入信号 Ui 同步的 其幅值略高于 Ui 如图 2 5 所示 这样 使整个电路既具有线性放大电路才有的基本规律 又有开 关电路才有的低通态损耗特性 图 2 4 SLH 的简单应用 安徽工程大学毕业设计 11 a B 类功放功率器件的状态 b SLH 功率器件的状态 图 2 5 两种功率因数状态的比较 图 2 6 是整个开关线性复合系统的原理框图 图中 参考信号是一个和期望输出电 压在波形上相同或相近的信号 也就是说 输出电压在波形上要始终跟踪参考信号 参考信号一方面经过 PWM 斩波环节输出脉宽调制波以控制主电路的开关功率管 从 而在主电路的开关滤波之后输出一个与参考信号在波形上相似 幅值不同 且叠加有 纹波的前级输出波形 Us 另一方面 参考信号经过一个前置放大单元得到开关线性复 合系统线性部分栅极的高电压驱动信号 Ui 前级的电压 Us 和控制电路的驱动信号 Ui 分别加到后级功率管的集电极 漏极 与基极 栅极 后级功率管的射极 源极 输出波形 Uo 跟踪栅极驱动信号 Ui 电压波形的幅频 幅值仅低一个阀值电压 由于 Ui 与 Uo 几乎相同 而 Us 和 Ui 波形如图 2 5 所示 因此开关线性复合系统 的线性部分事实上具有滤波的作用 Us 与 Uo 相比多出的纹波电压都加在了功率管上 被功率管所消耗 从而滤波电路的电感电容可以大大减小以节省系统的成本 另一方 面看 在获得相同的输出电压波形 THD 指标时 开关线性复合型电源采用的开关频率 要比开关滤波型电源采用的开关频率低很多 开关频率降低必然使开关损耗也随之降 低 因而 虽然开关线性复合系统在线性部分表面上好象增加了两个功率管的损耗 2Pt 事实上如果配置适当的参数 在相同的输出电压 THD 指标下 开关线性复合系 统的损耗不一定比传统的开关滤波型系统高 也就是说开关线性复合电源系统的效率 并不降低 图 2 6 开关线性复合功率变换原理图 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 12 2 3 系统的构成 考虑到可调电压源在发出无功补偿电流时不应附加对电网的谐波污染 因此采用 具有低阻输出特性的开关线性复合功率变换技术 SLH 加以实现 如图 2 7 所示 SLH 由开关滤波单元与线性单元构成 开关滤波单元为线性单元提供纹波电压 控制 单元检测电网的电压电流相位差 然后根据这个相位差分别同步控制可调电压源主电 路中交流斩波调压单元的功率开关管占空比 以及线性部分的栅极驱动信号幅值 线 性单元实现 图 2 7 系统结构图 高鲁棒性的电压跟踪 为满足可调电压源电压与电网电压同相位的基本要求 选择交 交斩波调压单元作为开关级 当要求无功补偿装置发出感性无功功率时 要求可调电压源输出电压 Uv 大于电网 电压 因此可调电压源的输出可通过升压变压器耦合串入并联电容支路中 由于本连续无功补偿思路的核心问题是高性能 SLH 可调电压源 其重要组成部分 线性单元已在前面进行了分析 本章后几节着重点讨论用 SLH 可调电压源线性单元 供电的交流斩波调压滤波单元主电路 2 4 交流斩波调压技术 当用户需要可调的交流电压时 曾广泛使用饱和电抗器 自耦调压器和感应调压 器等电磁式调压装置 晶闸管调压技术的出现也曾因其廉价 体积小和容易控制的特 点部分地取代了笨重 体积大和耗费铜铁材料的电磁式调压装置 然而 由于它对电 网和负载的严重谐波污染在中小容量领域内已越来越没有发展前途 随着电力电子器 件的不断更新换代 用 IGBT MOSFET 等高频器件将斩波调压技术从 DC DC 变换发 展到 AC AC 变换 实现了能从电网吸取正弦电流并向负载提供正弦可调电压的装置 从而克服了晶闸管电路的上述弱点 形成了以交流斩波调压技术为基础的交流调压开 关变换系列 2 4 1 基本原理 交流斩波调压电路的结构原理和调制过程如图 2 8 所示 图中 S 为由可关断的功 率管组成的双向理想开关 当它们按某一频率开通和关断时 即可控制每一周波内电 安徽工程大学毕业设计 13 源电压接负载的通断时间比 达到改变负载电压有效值的目的 设图中 ui t 为一连续电压变量 S 按开关函数 e t 分合 e t 值为 1 和 0 的二值函数 其中 1 表征 S 的开通 0 表征 S 的关断 其输出电压为 uo ui t e t 2 10 式 2 10 和图 2 9 说明 这种交流调压器的输出不再是连续的函数 而变成了离散 量 若要用这种方法达到交流调压的目的 uo应能从波形上恢复 ui信号 下面讨论实 现这种恢复的条件 设 e t ui t uo t 的傅氏变换式分别为 F e t E F ui t Ui F uo t Uo 根据调制性质及式 3 10 可得 Uo E Ui 2 11 2 1 由于 e t 为矩形脉冲函数 设其周期为 T 则有 E F e t 2 12 eK KC 2 式中 为 T e 2 K DKSin CK 单位脉冲函数 D 为占空比 由式 2 11 可得 Uo Ui K C e K 2 13 可以看出 Uo 的频谱实际是对 Ui 带 限频谱在轴上的一种有规则的重复 重复 频率取决于 e t 的周期 限带中心 K 其 幅值由的变化决定 根据香农定理 uo K C 要完整的恢复 ui的波形 必须满足下列两 个条件 1 时 Ui F ui t 0 i 2 2 T e 2 i 在这种条件下 各采样点上得到的信号 完全包含了连续时间变量 Ui t 的信息 因 此只要一个截止频率大于的低通滤波器 i 就可以完全恢复 Ui t 的波形 只是其幅值不同 另外 输出信号的恢复只取决于采样周 图 2 8 交流斩波调压电路的调制过程 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 14 期 T 而与其占空比无关 但在 T 一定的情况下 占空比直接影响输出电压幅值的大小 2 14 D K KSin LimCC K KK 0 0 0 适当选择滤波器参数 可使输出电压幅值为 CO 这样通过改变占空比 就可以线性 的调节输出信号的大小而不改变波形 也不影响滤波器的参数 按照交流斩波技术原理 只要在斩波单元之后接一个低通滤波器就可以得到一个幅 值随占空比线性变化的电压波形 Dui t 如图 2 9 所示 2 4 3 交 流斩波调压对频率的要求 由 2 3 1 节对交流斩波调压的分析可知 脉宽电压滤波后要恢复原来的输入电压 必须符合香农定理的要求 2 也就是说 交流斩波调压的开关频率必须 T e 2 i 满足 2 其中为开关频率 为工频 因此主电路交流斩波调压对开关频率 S f g f S f g f 的要求为 100Hz 这一要求是很容易满足的 考虑到减小滤波电感电容及减小开关 S f 损耗的约束条件 本系统采用 20KHz 的开关频率 因为要使 BUCK 电路工作在电感电流连续的状态必须满足滤波电感 L 0 605mH 电路输出的最大纹波 2 15 maxS u 2 32 S b LCf u 由于到要达到最大纹波值必需满足最大 即电网的峰值电压 310 伏 和占空比为 1 2 b u 的条件 因此为瞬时值 在其他的情况下比小很多 且由于后级线性 maxS u S u maxS u 复合部分具有滤波作用 可以大一些 因此令 20V 由式 3 15 得 S u maxS u Hz 3 10208 310 20 LC 3 1020 S f 图 2 9 交流斩波调压框图 安徽工程大学毕业设计 15 2 16 9 1024 1 LC 另外 为了使开关轨迹更优化 接近零电流开通 L 应取得大一些 综上所述 选择滤波电感 L 为 2 5mH 显然此值符合 CCM 对电感取值的要求 则由式 2 16 可得 C 为 1 开关频率 20KHz 另外要说明的是选择后级两个功率F S f 管时要注意耐压极限参数 因为可调电压源为推挽输出 功率管承受的电压高达输出 电压峰值的两倍 考虑到一定的安全裕量 功率管的耐压值应为输出电压峰值的三倍 以上 本电路选择耐压 1200V 的 IGBT 2 5 开关线性复合功率变换技术 SLH 在此的应用 图 2 10 中 如果后级推挽部分功率管的栅极驱动信号波形在一个半周内是和加在 其漏极的输入波形一致的正弦波 这样功率管就可工作在线性饱和临界状态 连接推 挽变压器的源极就会跟随栅极的驱动信号的波形 正好同开关线性功率复合功率变换 技术的思想吻合 因此 在不增加功率管的情况下 只要给后级两个功率管的栅极加 上和其源极电压波形相一致的栅极驱动电压信号就可以把开关线性复合功率变换技术 巧妙的应用于此 此处强调 前置级输出的驱动信号为漏极的馒头纹波小几伏的栅极大电压信号 而不是方波工频小信号 因为后者不具备负载鲁棒性 会使馒头纹波传至负载 当占 空比或负载变化时 因 LC 参数的无法改变而使畸变的 馒头纹波 抵达负载 致使用于 连续补偿无功功率时 向电网注入额外的谐波 而前者由于推挽两管子的驱动信号 V2 V3 此二信号相位相反 的幅值比 馒头波 的幅值小一点 管子工作于临界饱和 偏放大状态 它的输出电压跟随于驱动信号 这样 馒头波 的纹波就只降在推挽管上 使线性复合推挽电路以放大之理行有源滤波之实 从而使前级电路的滤波电感 电容 取值比纯开关滤波电路的小 图 2 10 可调电压源电路 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 16 第第 3 章章 功率补偿系统单元的设计功率补偿系统单元的设计 本系统主要以单片机 AT89C52 为核心 对所采集到的电网信号进行分析 并根据 所采集的信号实现对可调电压源的调节 使其与电网电压同频同向 从而达到对无 功功率的补偿 3 1 单片机模块设计 如图 3 1 所示 为 AT89C52 的硬件结构图 其中 CPU 是由运算器和控制器所构成 的 运算器主要用来对操作数进行算术 逻辑运算和位操作的 控制器是单片机的智 慧控制部件 主要任务的识别指令 并根据指令的性质控制单片机各功能部件 从而 保证单片机各部分能自动而协调的工作 它的程序存储器为 8K 字节可重复擦鞋 Flash 闪速存储器 闪烁存储器允许在先 5V 电擦除 电写入或使用编程器对其重复编程 因为 AT89C52 单片机为大学阶段接触最多的单片机 且其功能足够实现该毕业设计所 完成的共合作 因此这里我们采用这款单片机 安徽工程大学毕业设计 17 T2 P1 0 1 T2EX P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 R S T 9 R XD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 W R P3 6 16 R D P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 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 PES N 29 ALE PR OG 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 VC C 40 AT89C52 为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器 采用工业标准的 C51 内核 其主要用于调整时的功能控制 功能包括对 IC 内部寄存器 数据 RAM 及 外部接口等功能部件的初始化 调整控制 测试图控制 红外遥控信号IR 的接收 解码及与主板 CPU 通信等 主要管脚有 XTAL1 19 脚 和 XTAL2 18 脚 为 振荡器输入输出端口 外接 12MHz 晶振 RST Vpd 9 脚 为复位输入端口 外 接电阻电容组成的复位电路 VCC 40 脚 和 VSS 20 脚 为供电端口 分别接 5V 电源的正负端 P0 P3 为可编程通用 I O 脚 其不同之处在于 P0 口是一组 8 位漏极开路双向 I O 口 而 P1 P3 口是内部带上拉电阻的 8 位 图 3 2 AT89C52 单片机外部引脚图 双向 I O 口 P1 0 口 P1 1 口和 P3 口的第二引脚功能分别如表 3 1 和表 3 2 所示 引脚号功能特性 P1 0T2 时钟输出 P1 1T2EX 定时 计数器 2 表 3 1 P1 0 和 P1 1 口的第二功能 引脚号第二功能 P3 0RXD 串行输入 P3 1TXD 串行输出 P3 2INTO 外部中断 0 P3 3INT1 外部中断 1 P3 4T0 定时器 0 外部输入 P3 5T1 定时器 1 外部输入 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 图 3 1 AT89C52 的硬件结构图 串行通讯 口 输入输出 接口 RAMFLASH 计数器定时器时钟 CPU 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 18 表 3 2 P3 口引脚第二功能 3 2 相位差检测电路的设计 图 3 3 为相位差检测电路的原理框图 有图中可以看出 相位差检测模块主要 由电压检测 电流检测和 A D 转换模块组成 其中电压和电流信号的 取样主要用 电压传感器和霍尔电流传感器获得 3 2 1 相位差检测基本原理 一般三相电网电压 负载都处于近似对称的状态 三相电网电压电流向量图如图 所示 若以 B 相为例计算功率因数就需测量 B 相电流电压相位差 通常 较小 直接 测量 容易产生误差 而由向量图 3 4 可知 UB UAC即 因此为了提高测 2 量精度 可先测量任意一相 B 相 电流和另外两相 A C 相 电压之间的相位差 再利用 与 互余关系计算得出功率因数 3 1 cos cos 90 sin UAB UCA UBC UC UA UB 图 3 4 A 相电流电压向量图 3 2 2 电压电流信号的采集 电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压形成电路产生微机 可以利用的信号 其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求 而交流电流信号 MCU A D 转换 电流取样 电压取样 B 相电流 AC 相电压 图 3 3 相位差检测原理框图 安徽工程大学毕业设计 19 可以采用电抗变换器和电流变换器 在此选用霍尔电流变换器对电流信号进行变换 图 3 5 和图 3 6 分别是对 B 相电流和 AC 相电压信号的采集电路 TA 5A 50uA C 14R 1D1 R 2 R P1 图 3 5 B 相电流信号的采集电路 TV 220V 5V R 3 C 15 D2 R 5 R P2 IN0 图 3 6 AC 相电压信号的采集电路 如图 3 5 TA 用来实现变流和电气隔离 C14 用来去干扰 R1 用来实现 I V 转换 D1 为半波整流和限压 R2 和 RP1 分压 构成电流取样电路 使交流大电流变成半波电压 信号 送给 U3 的 IN2 端 如图 3 6 TV 用来实现降压和电气隔离 C15 用来去干扰 R3 可以限流 D2 为半波整流器件 R5 和 RP2 分压 构成电压取样电路 使交流大电压变成半波小电压信 号 送给 U3 的 IN0 端 3 2 1 模数转换电路设计 A D 转换器使用逐次逼近式 A D 转换器件 ADC0809 它有 8 路模拟信号的分时 采集 片内有 8 路模拟选通开关 以及相应的通道抵制锁存用译码电路 其转换时 间为 100 s 左右 图 3 7 是 ADC0809 的引脚图 V C C 11 R EF 12 IN 1 27 IN 2 28 IN 3 1 IN 4 2 IN 5 3 IN 6 4 IN 7 5 A 25 C 23 IN 0 26 R EF 16 G N D 13 C LK 10 D 0 17 D 1 14 D 2 15 D 3 8 D 4 18 D 5 19 D 6 20 D 7 21 S TA R T 6 A LE 22 O E 9 B 24 EO C 7 图 3 7 ADC0809 ADC0809 的多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共用一 个 A D 转换器进行转换 这是一种经济的多路数据采集方法 地址锁存与译码电路 完成对 A B C 3 个地址位进行锁存和译码 其译码输出用于通道选择 其转换结 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 20 果通过三态输出锁存器存放 输出 因此可以直接与系统数据总线相连 表3 3 为 通道选择表 CBA被选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 110IN6 111IN7 表 3 3 通道选择表 B 端是多路开关的地址选择线之一 为 0 时 对电压信号 IN0 A D 转换 为 1 时 对电流信号 IN2 A D 转换 START 是启动转换输入线 下降沿启动内部电路 开始 A D 转换 EOC 为转换完成输出线 输出 1 时表示转换结束 OE 为允许输入输出线 为 1 时把数据送往数据总线 启动 A D 转换器可用指令 MOVX R A 取数可用指令 MOVX A R 数据送 A 寄存器 ADC0809 的硬件电路图如图 3 8 所示 VCC 11 REF 12 IN1 27 IN2 28 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 A 25 C 23 IN0 26 REF 16 GND 13 CLK 10 D0 17 D1 14 D2 15 D3 8 D4 18 D5 19 D6 20 D7 21 START 6 ALE 22 OE 9 B 24 EOC 7 U3 ADC0809 IN2 IN0 VCC EOC B ALE D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D7 D8 R17 R18 VCC OE ST 图 3 8 ADC0809 的硬件电路图 3 3 PWM 斩波信号产生电路 PWM 斩波信号的获取是本毕业设计的重要一环 前面已经讲过 我们要通过调节 PWM 斩波信号的占空比来实现对可调电压源幅值的调节 本设计主要通过软件部分的 延时过程来控制产生 PWM 信号 AT89C52 单片机的 P1 0 口是一个双向 I O 口 它的第二引脚功能是定时 计数器 2 的外部脉冲计数输入和时钟输出功能 因此这里采用 P1 0 口作为 PWM 信号的输出端 口 硬件电路如图 3 9 所示 安徽工程大学毕业设计 21 T2 P1 0 1 T2EX P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 R ST 9 R XD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 W R P3 6 16 R D P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 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 PESN 29 ALE PR OG 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 VC C 40 U1 80c52 12 Y1 C 1 C 2 VC C C 4 R 44 S1 P1 0 R 42 图 3 9 PWM 产生电路 3 4 控制电路参考信号的同步斩波滤波及功率放大 为了应用开关线性复合功率变换技术 使工作于线性状态的后级功率管有一个在 相位和频率上与开关滤波单元的输出供电电压 也即功率管的漏极电压 相同 在幅 值上小几伏的栅极驱动电压 必须设置一个使该驱动信号和 BUCK 电路输出电压同步 变化的环节 最直接的方法就是对参考电压 取自电网电压 采取斩波方法实现驱动 电压的可调 用同一 PWM 信号对主电路电压和参考信号进行斩波就可以做到后级功 率管栅极驱动信号和漏极主电路电压同步变化 具体电路如图 3 10 所示 X4 1 X6 2 X0 3 X7 4 X5 5 INH 6 VEE 7 C 9 B 10 A 11 X3 12 X0 13 X1 14 X2 15 IC C C 4051 5v R 45 Vi R 47 R 48 7 LM 358 R 49L10 C 18C 19 U9 x1 图 3 10 控制电路的同步斩波与滤波电路 图中 用于斩波的环节采用模拟开关 CC4051 CC4051 是单八路由电平位移电路和带 有禁止端的八选一时序译码器 以及由该译码器的各个输出分别控制的八个 CMOS 双 向模拟开关 即传输门 所组成 各个模拟开关的一端作为输入八路模拟或数字信号 的输入端 另一端将八路连接在一起作为公共端 它可以用数字信号去控制开关的开 通与关断 且具有低的导通阻抗和高的断开阻抗 由于这种开关的引脚除了电源 VDD 和 VSS端外 还有一组外电源 VEE 从而使得这种多路开关可以传输峰 峰值达 15 伏的 刘德杰 基于单片机的无功补偿控制器硬件电路设计 22 交流信号 本装置采用正负 5 伏的电源供电 取自电网电压的参考信号 Uc 峰 峰值取 12 伏 CC4051 采用 9 10 11 脚以及禁止端 6 脚 INH 来实现通道的选择 其真值表如图 3 4 所示 本系统采用 B 10 脚 和 C 9 脚 接地 A 11 脚 接 PWM 信号来选择通道 INPUT STATES ON CHANNELS INHIBITCBACD4051BCD4052BCD4053B 000000X 0Ycx bx ax 000111X 1Ycx bx ay 001022X 2Ycx by ax 001133X 3Ycx by ay 01004cy bx ax 01015cy bx ay 01106cy by ax 01117cy by ay 1 NONENONENONE 表 3 4 4051 的真值表 当 11 脚为低电平时 X0 13 脚 被选通 由于 13 脚接地 如图 3 10 所示 此时 3 脚输出为零 当 11 脚为高电平时 X1 14 脚 被选通 由于 14 脚接的是参考信号 所以 3 脚输出为参考信号在此时的电压值 CC4051 的 3 脚输出的脉宽调制信号 U8 首