低压智能功率平衡与节能装置的研制毕业论文.doc

目 录 引言 1 1 绪论 1 1 1 无功功率补偿技术的现状 1 1 1 1 同步调相机 2 1 1 2 静止补偿装置 2 1 1 3 静止无功发生器 3 1 2 无功功率补偿的方法 3 1 2 1 集中补偿方式 4 1 2 2 分组补偿方式 4 1 2 3 单机补偿方式 4 1 3 无功功率补偿技术的发展趋势 5 1 3 1 电力有源滤波器 5 1 3 2 综合潮流控制器 5 1 4 本课题的研究内容与意义 6 1 5 本文的主要工作 6 1 6 本章小结 6 2 方案的设计 6 2 1 初始方案 7 2 2 设计依据 7 2 2 1 电容器组的投切 7 2 2 2 功率因数 8 2 3 本章小结 10 3 模拟部分硬件介绍 10 3 1 电源电路 11 3 2 电流互感器和 I V 转换电路 11 3 3 电压跟随电路 13 3 4 全波整流电路 14 3 5 投切电路 15 3 5 1 光耦合器 15 3 5 2 固态继电器 SSR 的工作原理和特性 16 3 5 3 投切判据 16 3 6 本章小结 18 4 数字部分硬件介绍 19 4 1 AT89S52 单片机及其晶振和复位电路 19 4 1 1AT89S52 介绍 19 4 1 2AT89S52 晶振连接电路 22 4 2 显示模块 23 4 2 1 选择显示器件 23 4 2 2 LCD1602 介绍 23 4 2 3 LCD1602 的显示方法 27 4 2 4 显示模块原理图 27 4 3 ADC0809 芯片介绍 28 4 3 1 ADC0809 引脚图 28 4 3 2 ADC0809 的内部结构 28 4 3 3 引脚功能 29 4 4 本章小结 30 5 软件设计 30 6 调试 32 6 1 硬件的调试 32 6 1 1 测试元器件是否正常工作 32 6 1 2 调试中的问题及解决方法 32 6 2 软件的调试 32 7 结 论 33 谢 辞 34 参考文献 35 附 录 1 36 附 录 2 40 引言 无功补偿 就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率 以提高系统的功率因 数 降低能耗 改善电网电压质量 无功补偿的合理配置原则 从电力网无功功率消 耗的基本状况可以看出 各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率 尤以 低压配电网所占比重最大 为了最大限度地减少无功功率的传输损耗 提高输配电设 备的效率 无功补偿设备的配置 应按照 分级补偿 就地平衡 的原则 合理布局 1 总体平衡与局部平衡相结合 以局部为主 2 电力部门补偿与用户补偿相结合 在配电网络中 用户消耗的无功功率约占 50 60 其余的无功功率消耗在配电网中 因此 为了减少无功功率在网络中的输 送 要尽可能地实现就地补偿 就地平衡 所以必须由电力部门和用户共同进行补偿 3 分散补偿与集中补偿相结合 以分散为主 集中补偿 是在变电所集中装设较 大容量的补偿电容器 分散补偿 指在配电网络中分散的负荷区 如配电线路 配电 变压器和用户的用电设备等进行的无功补偿 集中补偿 主要是补偿主变压器本身的 无功损耗 以及减少变电所以上输电线路的无功电力 从而降低供电网络的无功损耗 但不能降低配电网络的无功损耗 因为用户需要的无功通过变电所以下的配电线路向 负荷端输送 所以为了有效地降低线损 必须做到无功功率在哪里发生 就应在哪里 补偿 所以 中 低压配电网应以分散补偿为主 4 降损与调压相结合 以降损为主 本次毕业设计主要是根据低压配电系统的多数电气设备为感性负载 造成电流相 位滞后于电压相位 电能消耗在电网传输线上 使得电网供电质量下降而采取相应补 偿措施研究 目前 在低压配电系统中常用的无功功率补偿器的主要缺点是 体积大 采样精度不高 未考虑低压负荷三相不平衡因素 三相同时投切 投切电容器级数少 抗干扰能力和可靠性差等 因而经常造成电网的过补偿或欠补偿 1 绪论绪论 无功功率补偿装置的主要作用是 提高负载和系统的功率因数 减少设备的功率损 耗 稳定电压 提高供电质量 在长距离输电中 提高系统输电稳定性和输电能力 平衡三相负载的有功和无功功率等 1 1 无功功率补偿技术的现状 目前 国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术 就地补偿 技术主要适用于负荷稳定 不可逆且容量较大的异步电动机补偿 如风机 水泵等 其它各种场合仍主要采用集中补偿技术 下面是几种常用的补偿装置 1 1 1 同步调相机 早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机 多为高压侧集中补偿 同步调相机 目前在现场仍有少量使用 1 1 2 静止补偿装置 静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率 即以快速的响应 通过发 出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压 静止补偿器由于其价格较低 维护简单 工作可靠 在国内仍是主流补偿装置 静止补偿器 SVC 先后出现过不少类型 目前来看 有发展前途的主要有直流助磁饱和 电抗器型 可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型 3 种 上述第二种又可分为 固定 连接电容器加可控硅控制的电抗器 fixed capacitor thyristor controlled reactor FC TCR 可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器 thyristor switched capacitor thyristor controlled reactor TSC TCR 实际上 由断路器 电磁型交流接触器 操作的电容器和电抗器在电网中正在大量 使用 可以说这种补偿技术是静态的 因为它不能及时响应无功功率的波动 这种装 置以电磁型交流接触器为投切开关 由于受电容器承受涌流能力 放电时间及电容器 分级以及接触器操作频率 使用寿命等因素制约 因而无法避免以下不足 1 补偿是有级的 定时的 因而补偿精度差 跟随性不强 不能适应负荷变化快 的场合 受交流接触器操作频率及寿命的限制 静态补偿装置一般均设有投切延时功 能 其延时时间一般为 30s 对一般稳定负荷 即负荷变化周期大于 30s 的负荷 这类 补偿装置是有效的 但对一些变化较快的负荷 如电梯 起重 电焊等 这类补偿装 置就无法进行跟踪补偿 2 不能做到无涌流投入电容器 对于接触器加电抗器方案 增加损耗较大 对于 容性接触器方案 事故率较大 对金属化电容器的使用寿命影响很大 目前 低压电 力电容器以金属化自愈式电容器为主 这种电容器的引线喷金属端面对涌流承受能力 有限 因此 涌流的大小及次数是影响电容器使用寿命的主要因素 3 运行噪声较大 4 由于控制部分的负载是接触器的线圈 在投切过程中 造成火花干扰 影响补 偿装置的可靠性和使用寿命 针对上述问题 基于智能控制策略的 TSC 补偿装置正在引起关注 TSC 的基本结构 如图 1 所示 事实上 如果能够进行动态无功功率补偿则能够克服以上不足 图 1 1 TSC 的基本结构 将微处理器用于 TSC 可以完成复杂的检测和控制任务 从而使动态补偿无功功率 成为可能 基于智能控制策略的 TSC 补偿装置的核心部件是控制器 由它完成无功功 率 功率因数 的测量及分析 进而控制无触点开关的投切 同时还可完成过压 欠压 功率因数等参数的存贮和显示 因此 与断路器操作的电容器装置相比 尽管单台无 触点开关的造价比交流接触器高 但该装置仍然有以下几个特点 无涌流 允许频繁操作 跟踪响应时间快 动态跟踪时间 0 02 2s 可调 采用编码循环式投切电容器 可均匀使用电容器 从而延长整个装置的使用寿 命 具有各种保护功能 如过压保护 缺相保护及谐波分量超限保护等 1 1 3 静止无功发生器 静止无功发生器 static var generator SVG 又称静止同步补偿器 STATCOM 是采 用 GTO 构成的自换相变流器 通过电压电源逆变技术提供超前和滞后的无功 进行无 功补偿 与 SVC 相比 其调节速度更快且不需要大容量的电容 电感等储能元件 谐 波含量小 同容量占地面积小 在系统欠压条件下无功调节能力强 SVG 的等效电路如图 2 所示 其中 变压器与补偿器可看作逆变器电路 从电力系 统一侧来观察 我们可以把逆变器电路看成是一个产生基波和谐波电压的交流电压源 控制补偿器基波电压大小与相位来改变基波无功电流的大小与相位 当逆变器基波电 压比交流电源电压高时 逆变器就会产生一个超前 容性 无功电流 反之 当逆变器 基波电压比交流电源电压低时 则会产生一个滞后 感性 无功电流 因此能与系统进 行有功 无功之间的交换 若控制方法得当 SVG 在补偿无功功率的同时还可以对谐波 电流进行补偿 在稳态情况下 SVG 的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换 无功功 率在三相之间流动 因此直流只需要较小容量的电容即可 此外 SVG 装置用铜和铁较 少 且有优良的补偿特性 因此是新一代无功补偿装置的代表 有很大的发展前途 图 1 2 SVG 等效电路 我国首台 20MvarSVG 于 1999 年 3 月并入河南电网试运行 1 2 无功功率补偿的方法 低压电网的无功补偿一般选择在各电力用户装设电容器装置 并联电容器的补偿 方式一般分为集中补偿 分组补偿和单机 个别 补偿三种 1 2 1 集中补偿方式 将电容器组装设在用户专用变电所或配电室的低压或高压母线上 这种补偿方式 电容器组利用率较高 可就地补偿变压器的无功功率损耗 可以补偿变电所以上输电 线路的功率损耗 可以就近供应 380V 配电线路的前段部分本身及所带用电设备的无功 功率损耗 它所具有的优点 1 能方便地同电容器组的自动投切装置配套 自动追踪 无功功率变化 改变用户总的补偿容量 避免在总的补偿水平上产生过补偿或欠补偿 使用户的功率因数始终保持在规定的范围内 达到最优补偿效果 2 有利于控制用户 本身的无功潮流 避免受电力网电压变化或负荷变化而产生过大的电压波动 当电压 波动超过允许范围时 可借助自动投切装置调整母线电压水平 以改善电压质量 1 电容器组的基本容量根据用户正常负荷需要确定 运行时间长 利用率高 补偿效益 高 1 运行维护较为方便 事故率相对较少 缺点 只能减少装设点以上线路和变压 器因输送无功功率所造成的损耗 不能减少用户内部配电网络的无功负荷引起的损耗 降损节电效益必然受到限制 因此集中补偿的容量不宜选择过大 以平均所需无功容 量的 1 3 2 3 为宜 1 2 2 分组补偿方式 将电容器组按低压配电网的无功负荷分布情况分组装设在相应的母线上 或者直 接与低压干线相连接 形成低压电网内部的多组分散补偿方式 它的优点 电容器 分散装设在有利于对配电变压器所带的无功进行分区控制 可以就近补偿用电设备所 消耗的无功功率 相应减少变压器和配电主干线路的无功功率损耗 比集中补偿降损 节电效益显著 对于实行考核用电指标办法的用户 分组补偿有利于加强无功电力 管理 提高功率因数 降低产品单耗和生产成本 由于大多数负载是随时间 季节 变化 分组电容器的投切可随总的负荷水平变化 利用率较单机补偿高 所需容量也 比个别补偿少 较单机电动机补偿易于控制和管理 缺点 对补偿点以下线路无降 损作用 不如集中补偿管理方便 如果装设的电容器不能分组 则补偿容量无法 调整 运行中可能出现过补偿或欠补偿 如果只进行分组补偿 则用户变压器消耗 的无功功率必须由车间电容器组向上倒送 显然效果不好 分组补偿方式的一次性 投资大于集中补偿方式 1 2 3 单机补偿方式 将电容器组直接装设在需要进行无功补偿的各个用电设备附近 就地补偿用电设 备所消耗的无功功率 优点 能够补偿安装部位前面所有高低压线路和变压器的无功 功率 补偿范围最大 补偿效果最好 最适合连续运用 所需无功功率容量较大的用 电设备 如电容器组随电动机随时投入或退出运行 使电动机消耗的无功功率部分地 得到就地补偿 减少装设点以上输配电线路输送的无功功率 获得明显的降损效益 缺点 如果全部采用这种补偿方式 则整个无功潮流无法进行有效的控制调节 低 压网的补偿将长期处于欠补偿状态 同时这种方式不能补偿变压器本身的无功损耗 以致配电网的补偿达不到最优水平 因此 这种方式只能作为辅助补偿方式 由于 有些电动机的容量选择通常偏大 如果进行逐台补偿 会使补偿总容量加大 增加补 偿装置的总投资 当用电设备停止工作时 电容器组也一样被切除 利用率降低 因目前大量使用的小型电动机补偿用电容器的控制保护问题尚未获得彻底解决 而 且运行小时一般少 因此这种补偿方式的应用受到较大限制 1 3 无功功率补偿技术的发展趋势 1 3 1 电力有源滤波器 电力有源滤波器 active power filter APF 的基本原理如图 1 3 所示 图 1 3 电力有源滤波器的基本原理 电力有源滤波器的交流电路分为电压型和电流型 目前实用的装置 90 以上为电 压型 从与补偿对象的连接方式来看 电力有源滤波器可分为并联型和串联型 并联 型中有单独使用 LC 滤波器混合使用及注入电路方式 目前并联型占实用装置的大多 数 目前电力有源滤波器仍存在一些问题 如电流中有高次谐波 单台容量低 成本 较高等 随着电力半导体器件向大容量 高频化方向发展 这类既能补偿谐波又能补 偿无功的装置必然有很好的发展前景 1 3 2 综合潮流控制器 综合潮流控制器 unified power flow controller UPFC 将一个由晶闸管换流器产生 的交流电压串入并叠加在输电线相电压上 使其幅值和相角皆可连续变化 从而实现 线路有功和无功功率的准确调节 并可提高输送能力以及阻尼系统振荡 美国西屋电 负载 谐波发生源 电流 发生器 谐波电 流检测 系统电压Us 系统电流 sf ii 负载电流 lfh iii 补偿电流 c i ch ii 补偿电流指令值 气公司研制出一种简化的 UPFC 称为串联潮流控制器 serial power flow controller SPFC 其基本结构和 SVG 类似 区别是其输出变压器串联接入输电线 SPFC 造价明显低于 UPFC 功能可与之相比且优于 SVG 中国电力科学研究院 东南大学 清华大学等单位 也进行了理论研究和仿真实验 研究结果表明 UPFC 具有良好的效果和功能 1 4 本课题研究的内容与意义 电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡 系统中各种无功功率电源的无 功功率出力应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求 否则电压 就会偏离额定值 在低压配电网中利用电容器对无功功率进行补偿是降低线损 改善 电能质量的一种经济而有效的措施 这不仅可以减轻上一级电网无功补偿的压力 而 且可以提高低压配电变压器的利用率 通过本次设计 我们要寻求高精度 具有实用性与实效性的无功补偿技术 使电 网中的无功功率能够保持电压的稳定以及频率的稳定 1 5 本文的主要工作 在了解无功补偿技术的基础上 研制一种精度较高的无功补偿器 设计合理的方案 能够实时测试电网的功率因数 自动投切电容器组 达到提高或者保持功率因数的目 的 维持电网稳定运行 为实现上述目的 本设计分为如下几个模块进行 1 数据采集模块 实现高压信号转为低压信号 采集电压 电流以及其相位差 2 数据计算模块 求解电压电流的有效值以及功率因数 计算所需的电容器组才 能保持电压 功率因数稳定 3 控制模块 实现电容器的及时迅速投切 4 数据显示模块 直观的显示电压 电流的有效值和功率因数 便于了解电网的 运行情况 和显示实际投切的电容器组 1 6 本章小结 由于性价比较高 目前我国广泛使用的还是静止补偿器 SVC 其中 能够进行无 功功率动态补偿的基于智能控制策略的 TSC 仍然需要大力推广 实际上 国内外对 SVC 的研究仍在继续 研究的重点集中在控制策略上 试图借助于人工智能提高 SVC 的性能 随着大功率电力电子器件技术的高速发展 未来的功率器件容量将逐步提高 应用有源滤波器进行谐波抑制 以及应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿 必将成为今后电力自动化系统的发展方向 2 方案的设计方案的设计 在电网中总存在电感电容的影响 导致电压与电流产生相位差 由相位差的大小 我们可以计算出该电网的功率因数 根据系统对功率因数 的要求 功率因数cos 的确定必须适当 如果功率因数 定得太低 不能充分显示无功补偿cos cos 的作用 如果功率因数 定得太高 需补偿量太大 投资太高 线路负荷cos 轻时会发生过补偿运行 使无功倒送 增加线损 因此 乡村工业和电力排灌用户 需补偿到的功率因数功率因数 一般选择 0 9 0 95 其它农业用户需补偿cos 到的功率因数功率因数 一般选择 0 85 0 9 因此 使用功率因数 cos cos 来控制投切电容器组的数量作为判据是比较直观的方法 2 1 初始方案 本设计拟按以下思路展开研究 根据设计任务 设计可分为模拟部分和数字部分 两个部分 其中模拟部分又包括信号采集和信号处理 数字部分包括信号 A D 转换和 数据的处理与显示部分 信号的采集部分即通过高精度的电压互感器 电流互感器将电网中的电压 电 流转化为互感器二次侧的 5V 电压信号和 1A 电流信号 信号的处理部分是将采集部分的电压 电流信号经过电压跟随 全波整流 低 通滤波处理成输入 A D 转换前的信号 A D 转换即是把模拟信号转化为数字信号 以便给单片机对采集的数据进行处 理 数据的处理通过单片机完成 计算出实际功率因数 与系统要求的基准cos 值比较 判断所需投切的电容器组 数据的显示 采用液晶显示 编写液晶显示的程序 显示输入的电压 电流和 功率因数 cos 2 2 设计依据 2 2 1 电容器组的投切 在保证电压不越限的前提下对电容器组的投切控制策略为 每次均假设一组也未投 入的情况下 计算所缺无功量 在所有电容器组中 寻求最佳排列组合 使补偿级差 值最小 且不过补 则对该种组合同时实施投切 电容器投切一次到位 为了叙述方便 定义下列各符号所表示的含义 为无功功率 为电容器组排列组Qi 合数 为该种组合所对应的电容器组容量 设检测到的无功功率i0 1 2 21 n i Q 为 己经投入使用的电容器组容量为 则在假设一组电容器也为投入的情况下 m Q i Q 计算出所缺的总的无功为 z Q 1Zm QQQ 电容器组容量的种组合 满足条件 最小 且 0 的即为 21 n zi QQ zi QQ i Q 应该投入的容量 相应地确定了投入的最佳电容组合 以上若为感性无功 欠补 Q 则为正号 若为容性无功 过补 则为负号 同时 投切控制时还应考虑需要容量和待投入 切除电容器组容量的关系 使得投 切过程一步到位 避免反复试投切对电网的冲击 延长电容器寿命 对电容器组的投切原则为 若计算出来的组合中己经有投入的电容器组 则该组不 退出运行状态 计算出来的组合不包含己投入的电容器组 则该组要退出运行状态 程序根据选择出的最佳组合 控制电容器组的投入和切除 这样 控制器就会根据检 测到的无功量 选择最佳组合 同时根据己投入的电容器组状况进行投切 2 2 2 功率因数 影响功率因数的主要因素 1 大量的电感性设备 如异步电动机 感应电炉 交流电焊机等设备是无功功率 的主要消耗者 据有关的统计 在工矿企业所消耗的全部无功功率中 异步电动机的 无功消耗占了 60 70 而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消 耗的 60 70 所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能 提高负载率 2 变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的 10 15 它的空载无功功率约 为满载时的 因而 为了改善电力系统和企业的功率因数 变压器不应空载运行或长 期处于低负载运行状态 3 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响 当供电电压高于额定值的 10 时 由于磁路饱和的影响 无功功率将增长得很快 据有关资料统计 当供电电压为额定值的 110 时 一般无功将增加 35 左右 当供电 电压低于额定值时 无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高 但供电电压 降低会影响电气设备的正常工作 所以应采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持 稳定 在电力运行中采取适当措施 设法提高系统自然功率因数 提高自然功率因数可 不需要任何补偿设备投资 仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所 消耗的无功功率 这是一种最经济的提高功率因数的方法 a 合理使用电动机 b 提 高异步电动机的检修质量 c 采用同步电动机 同步电动机消耗的有功功率取决于电 动机上所带机械负荷的大小 而无功功率取决于转子中的励磁电流大小 在欠励状态 时 定子绕组向电网 吸取 无功 在过励状态时 定子绕组向电网 送出 无功 因此 对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力 异步电动机 同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流 使其呈同步 电动机运行 这就是 异步电动机同步化 d 合理选择配变容量 改善配变的运行 方式 对负载率比较低的配变 一般采取 撤 换 并 停 等方法 使其负载率 提高到最佳值 从而改善电网的自然功率因数 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 因此我 们采用通过采样三相中一相的电流以及另外两相的线电压之间的相位差来得到三相 系统的功率因数的检测方法 功率因数的测量电路如图 4 3 所示 检测信号为 A 相和 C 相之间的线电压以及 CA u B 相电流 由电压互感器取得的线电压 输入到比较器 LM324 的同相输入端 由 B i CA u 电流互感器取得的相电流首先转化成电压 然后输入到 LM324 的另一个同相输入端 B i 分别转化成相应的方波信号和 由于比较器接成零比较器而且是同相输入 因此 1 u 2 u 方波信号和的上升沿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 2 u 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 INT0 引脚 2 u 3 u 3 u 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角的变化而变化 二者之间 3 u 有着对应关系 图 2 1 过零比较电路 图 2 2 相位检测波形图 图 2 3 仿真时相位差 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 所以功率因数的计算以及超前滞后的判断方法是有差别的 2 3 本章小结 通过上述的分析 我们大致了解本课题的重点和难点 即 如何高精度的求得电 压电流的相位差 通过求得的相位差采用何种算法求得功率因数 确定对应于所求 的功率因数要投切的电容器组的关系 使用何种对应关系才能达到理想效果 同时也为本课题的后续设计工作提供的依据和指导 为硬件部分的具体工作做出 了理论的分析 为下一步的工作打下了基础 下面我们对硬件部分将做详细的介绍 3 模拟部分硬件介绍模拟部分硬件介绍 硬件设计是本次毕业设计的思想的外在表现 体现出设计构造与实现方案 下面 分一下模块进行介绍 电源电路 电流互感器 I V 转换电路 电压跟随电路 全波整 流电路 投切电路 系统硬件结构如图 3 1 A 相电压 互感器 A 相电流 互感器 B 相电压 互感器 B 相电流 互感器 C 相电压 互感器 C 相电流 互感器 A 相 位差 检测 B 相 位差 检测 C 相 位差 检测 相 位 差 数 值 计 算 单 片 机 AT89S52 A 相功率因数显示 B 相功率因数显示 C 相功率因数显示 投切电路 A 相 电 容 B 相 电 容 C 相 电 容 图 3 1 系统硬件结构框图 3 1 电源电路 为防止电源之间的相互千扰 需对模拟电路和数字电路进行独立供电 因此电源 电路设计输出两路 5V 的稳压电源 同时主电路的开关元件为固态继电器 其直流侧的 供电电源可选择为 5V 由于固态继电器内部带有光祸 其直流侧与交流侧相互隔离 因此其直流侧的供电电源可与数字电路的 5V 电源共用 本装置的直流稳压电源采用通 常的桥式全波整流 电容滤波 三端固定输出的集成稳压器件 7805 进行设计 余永权 等 1992 并且所有的集成稳压芯片均装有充分裕量的散热片 系统的供电电源电 路如图 3 2 所示 图 3 2 电源电路 3 2 电流互感器和 I V 转换电路 长期以来 电流互感器在电力系统继电保护和电流测量中占有不可替代的地位 传统的电磁式电流互感器 CTS 在作为测量与保护用时 它的磁路饱和问题一直困扰着 人们 随着继电保护和测量装置向微机化和数字化方向的发展 设备不再需要高功率 输出的电流互感器 这样一来 低功率输出 结构简单 线性度良好的洛高夫斯基 Rogowski 线圈电子式电流互感器 ETA 引起了人们的注意 并且进入广泛的研究阶 段 电流互感器就是在正常条件下使用时 二次电流实质上与一次电流成正比 而在 正确接线时 二次电流对一次电流的相位差接近于零的互感器 这里从电流流互感器 的用途 分类 基本参数和特性等几个方面使读者初步了解电流互感器的基本概念 分析了传统电磁式电流互感器的基本原理 并介绍了 Rogowski 线圈传感的电子式电流 互感器的基本原理 电流互感器在正常条件下使用时 一次绕组串联在电流回路中 在导线截断处 二次绕组经某些负荷 测量仪表或继电器 而闭合 并保证通过的负荷电流与一次绕组 的电流成正比 高压电流互感器的一次绕组按全工作电压对二次绕组 对地 进行绝缘 通常二次绕组的一端是接地的 所以二次绕组的电位接近于地电位 本设计中的电流 电压互感器均采用了TAV14 下面针对TAV14在本设计中的不同 用法进行介绍 图3 6 TAV14应用接线图 1 作电流互感器 1 2 3 4分别为两组独立线圈 匝数比为1500 1500 按图3 6中 1 方式连接 时为3000 1的电流互感器 按 2 方式连接时为1500 1的电流互感器 在本设计中 电流互感器采用的是方式 1 元器件数据及具体连接方法如图3 7 图3 7 TAV14做电流互感器连接图 2 作电压互感器 如图3 6中 3 的方式 输入电压Vin经限流电阻R 令流过线圈1 2的电流I1限制 在6mA以下 同时在互感器二次侧感应一个同样大小的电流I2 此电流经取样电阻 RL 400 以下 产生一个与一次输入电压Vin成正比的取样电压Vout 元器件数据及 具体连接方法如图3 8 图3 8 TAV14做电压互感器连接图 电流信号转化为电压信号 以下是设计采样部分的电路图 图 3 9 电流信号转化为电压信号原理图 3 3 电压跟随电路 电压跟随器是共集电极电路 信号从基极输入 射极输出 故又称射极输出器 基极电压与集电极电压相位相同 即输入电压与输出电压同相 这一电路的主要特点 是 高输入电阻 低输出电阻 电压增益近似为 1 所以叫做电压跟随器 如图 3 10 所示 输入和输出电压的关系 电压增益对于 1 0PN uuu 电压跟随器是同相放大电路的特殊情况 输入信号是从集成运放的同相端引入 反馈电阻为零 负反馈极强 运放工作非常稳定 输入阻抗很大 输出电阻却很小 因而这种电路具有阻抗变换作用 所谓阻抗变换作用是指经电压跟随器放大后 其输 出电压近似等于信号源的电动势而其输出电阻却很小 该电路常用作输入级 中间缓 冲级和输出级 共集电路的输入高阻抗 输出低阻抗的特性 使得它在电路中可以起到阻抗匹配 的作用 能够使得后一级的放大电路更好的工作 电压隔离器输出电压近似输入电压幅度 并对前级电路呈高阻状态 对后级电路 呈低阻状态 因而对前后级电路起到 隔离 作用 电压跟随器常用作中间级 以 隔离 前后级之间的影响 此时称之为缓冲级 基 本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点 电压跟随器的输入阻抗高 输出阻抗低特点 可以极端一点去理解 当输入阻抗 很高时 就相当于对前级电路开路 当输出阻抗很低时 对后级电路就相当于一个恒 压源 即输出电压不受后级电路阻抗影响 一个对前级电路相当于开路 输出电压又 不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用 即使前 后级电路之间互不影响 故常 在电路中做阻抗变换器或缓冲器 图 3 10 UA741 用于电压跟随器电路图 3 4 全波整流电路 全波整流电路有很多种 一般有如下几种 图 1 是最经典的电路 优点是可以在电阻 R5 上并联滤波电容 电阻匹配关系为 R1 R2 R4 R5 2R3 可以通过更改 R5 来调节增益 图 2 优点是匹配电阻少 只要求 R1 R2 图 3 的优点是输入高阻抗 匹配电阻要求 R1 R2 R4 2R3 图 4 的匹配电阻全部相等 还可以通过改变电阻 R1 来改变增益 缺点是在输入信号 的负半周 A1 的负反馈由两路构成 其中一路是 R5 另一路是由运放 A2 复合构成 也有复 合运放的缺点 精密全波电路还有一些没有录入 比如高阻抗型还有一种把 A2 的同相输入端接到 A1 的反相输入端的 其实和这个高阻抗型的原理一样 就没有专门收录 其它采用 A1 的 输出只接一个二极管的也没有收录 因为在这个二极管截止时 A1 处于开环状态 虽然这里的精密全波电路达十种 仔细分析 发现优秀的并不多 确切的说只有 3 种 就是前面的 3 种 图 1 的经典电路虽然匹配电阻多 但是完全可以用 6 个等值电阻 R 实现 其中电阻 R3 可以用两个 R 并联 可以通过 R5 调节增益 增益可以大于 1 也可以小于 1 最具有优势 的是可以在 R5 上并电容滤波 图 2 的电路的优势是匹配电阻少 只要一对匹配电阻就可以了 图 3 的优势在于高输入阻抗 其它几种 有的在 D2 导通的半周内 通过 A2 的复合实现 A1 的负反馈 对有些运放 会出现自激 有的两个半波的输入阻抗不相等 对信号源要求较高 两个单运放型虽然可以实现整流的目的 但是输入 输出特性都很差 需要输入 输出 都加跟随器或同相放大器隔离 图 3 11 全波整流电路图 由于实际情况下信号经过全波整流部分后 虽然按照公式的推导其增益为 1 但是 事实上有所衰减 所以为了保证信号的精度 可以在信号流入全波整流的前先通过可 以调节增益的放大部分 然后通过这个部分的调节使的信号的在全波整流过程中的衰 减得到补偿 而为了简化电路 我们也可以用图 1 的经典性全波整流电路 其电路中 R5 用可变电阻调节增益 用经典型全波整流电路画出的电路图 3 12 所示 图 3 12 全波整流电路 3 5 投切电路 3 5 1 光耦合器 光耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器 简称光耦 光耦合 器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信号有良好的隔离作用 所以 它在各 种电路中得到广泛的应用 目前它已成为种类最多 用途最广的光电器件之一 光耦 合器一般由三部分组成 光的发射 光的接收及信号放大 输入的电信号驱动发光二 极管 LED 使之发出一定波长的光 被光探测器接收而产生光电流 再经过进一步 放大后输出 这就完成了电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 由 于光耦合器输入输出间互相隔离 电信号传输具有单向性等特点 因而具有良好的电 绝缘能力和抗干扰能力 又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件 因而 具有很强的共模抑制能力 所以 它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提 高信噪比 在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件 可以大大增加 计算机工作的可靠性 1 光耦合器的主要优点 信号单向传输 输入端与输出端完全实现了电气隔离 输出信号对输入端无影响 抗干扰能力强 工作稳定 无触点 使用寿命长 传输效 率高 光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件 现已广泛用于电气绝缘 电平转换 级间耦合 驱动电路 开关电路 斩波器 多谐振荡器 信号隔离 级间隔离 脉冲 放大电路 数字仪表 远距离信号传输 脉冲放大 固态继电器 SSR 仪器仪表 通 信设备及微机接口中 在单片开关电源中 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路 通过调节控制端电流来改变占空比 达到精密稳压目的 2 光耦合器的性能及类型 用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管 光接收器为光敏三极管 当 有电流通过发光二极管时 便形成一个光源 该光源照射到光敏三极管表面上 使光 敏三极管产生集电极电流 该电流的大小与光照的强弱 亦即流过二极管的正向电流 的大小成正比 由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输 因而两部分 之间在电气上完全隔离 没有电信号的反馈和干扰 故性能稳定 抗干扰能力强 发 光管和光敏管之间的耦合电容小 2pf 左右 耐压高 2 5KV 左右 故共模抑制比很 高 输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻 此外 因其输入 电阻小 约 10 对高内阻源的噪声相当于被短接 因此 由光耦合器构成的模拟 信号隔离电路具有优良的电气性能 3 5 2 固态继电器 SSR 的工作原理和特性 固态继电器是一种两个接线端为输入端 另两个接线端为输出端的四端器件 中 间采用隔离器件实现输入输出的电隔离 固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型 按开关型式可分为常开型和 常闭型 按隔离型式可分为混合型 变压器隔离型和光电隔离型 以光电隔离型为最 多 3 5 3 投切判据 投切判据有 无功功率 功率因数和电压 设计中以功率因数与电压为判据 因 实际补偿是通过无功功率的投入实现的 故以功率因数 电压为判据进行补偿 为了 避免电容器组的投切震荡 考虑系统容许一定的过补 引入电压上下限的概念 在实 际投切控制中 同组电容器的动作时间间隔大于 300 s 同容量的电容器循环投切 为了防止瞬时干扰 投切算法并不以一次计算立即决定投切 而是连续几十秒均为同 一组合时才实际投切电容器 避免了投切震荡和干扰的影响 本应用对象是低压配电系统 不存在使用调节变压器分接头调节电压 无功调节 即是电压调节 无功和电压的耦合关系在此不存在 所以参照了此控制策略 采用了 功率因数与母线电压的投切判据 如图 3 13 所示 U max U min U 876 594 321 cos 0 80 9 图 3 13 电压功率因数控制的九区图 图 3 13 中 为功率因数 其中 0 9 为国家规定功率因数的标准值 0 8 为cos 本设计的最低功率因数值 U 为系统的实际无功功率 为下极限 为上限 min U max U 电压上下限可根据用户当地实际情况设置 1 区为电压越下极限 不论无功功率大小 全部切除电容器组 2 区为电压越下极限 功率因数不越限 适当投切电容器组 3 区为电压越下限 功率因数越下限 投入全部电容器组 4 区为电压不越限 功率 因数越上限 闭锁投入电容器 5 区为电压不越下限 功率因数越下限 投入电容器 组 6 区为电压越上限 功率因数越上线 切除部分电容器组 7 区为功率因数不越 上下限 电压越上限 降低电网电压 8 区为电压越上线 功率因数越下限 闭锁所 有电容器组 9 区为电压 功率因数不越上下限 不动作 维持原状态 总之 功率因数高于上限时 控制器发出命令降低电压无功调节器输出的电压 当功率因数低于下限时 控制器发出命令升高电压无功调节器输出电压 对电容器组的投切原则为 若计算出来的组合中己经有投入的电容器组 则该组不 退出运行状态 计算出来的组合不包含己投入的电容器组 则该组要退出运行状态 程序根据选择出的最佳组合 控制电容器组的投入和切除 这样 控制器就会根据检 测到的无功量 选择最佳组合 同时根据己投入的电容器组状况进行投切 图 3 14 过零触发原理图 图 3 15 投切电路 3 6 本章小结 本章详细从电源电路 电流互感器 I V 转换电路 电压跟随电路 全波整流电路 投切电路等几个方面讲述了本次设计的大致结构 在选取芯片器件的时候 要综合考 虑各方面的因素 包括经济性 可靠性 精确度 经过综合考虑之后才能更好的完成 毕业设计的要求 在设计和总结这一章科目时 我认真查看了大学期间学习的 模拟电子技术 数字电子技术 单片机应用技术 电力工程基础 等课程资料 更加深刻 的巩固和理解了相关的原理与应用 也提高了自身动手能力和思考能力 4 数字部分硬件介绍数字部分硬件介绍 4 1 AT89S52 单片机及其晶振和复位电路 该模块以AT89S52为主芯片 接受通过电能测量模块过来的信号 经过处理后送到 显示或者报警 并能与按键进行互动 4 1 1AT89S52 介绍 1 主要性能 与MCS 51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 1000次擦写周期 全静态操作 0Hz 33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I O口线 三个16位定时器 计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 2 功能特性 AT89S52是一种低功耗 高性能CMOS8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 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 3 AT89S52的引脚功能及内部原理介绍 AT89S52内部结构如图4 1 图 4 1 AT89S52 内部结构图 AT89S52的引脚分布图4 2 图4 2 AT89S52引脚分布图 AT89S52引脚的功能介绍 VCC 电源 GND 地 P0 口 P0口是一个8位漏极开路的双向I O口 作为输出口 每位能驱动8个TTL逻 辑电平 对P0端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据存储器时 P0口也被作为低8位地址 数据复用 在这种模式下 P0具有内部上拉电阻 在 flash 编程时 P0口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程序校验时 需 要外部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 p1 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平 对P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为 输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 此外 P1 0和P1 2分别作定时器 计数器2的外部计数输入 P1 0 T2 和时 器 计数器2的触发输入 P1 1 T2EX 具体如下表所示 在flash编程和校验时 P1 口接收低8位地址字节 P1口的功能引脚 引脚号第二功能 P1 2 T2 定时器 计数器T2的外部计数输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时器 计数器T2的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5 MOSI 在系统编程用 P1 6 MISO 在系统编程用 P1 7 SCK 在系统编程用 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 P2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平 对P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为 输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器 例如执行MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用8位地址 如MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2口输出P2锁存器的内容 在flash编程和校验时 P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 p2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平 对P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为 输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL P3口亦作为AT89S52特殊功能 第二功能 使用 如下表所示 在flash编程 和校验时 P3口也接收一些控制信号 P3口的功能引脚 引脚号第二功能 P3 0 RXD 串行输入 P3 1 TXD 串行输出 P3 2 Error Error 外部中断0 P3 3 Error Error 外部中断0 P3 4 T0 定时器0外部输入 P3 5 T1 定时器1外部输入 P3 6 Error Error 外部数据存储器写选通 P3 7 Error Error 外部数据存储器写选通 RST 复位输入 晶振工作时 RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位 看门狗计时完成后 RST 脚输出96 个晶振周期的高电平 特殊寄存器AUXR 地址8EH 上的DISRTO位可以使此功能无效 DISRTO默认状态下 复位高电平有效 ALE Error Error 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低8 位地 址的输出脉冲 在flash编程时 此引脚 Error Error 也用作编程输入脉冲 在一般情况 下 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部定时器或时钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE脉冲将会跳过 如果需要 通过 将地址为8EH的SFR的第0位置 1 ALE操作将无效 这一位置 1 ALE 仅在执行 MOVX 或MOVC指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个ALE 使能标志位 地址为 8EH的SFR的第0位 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效 Error Error 外部程序存储器选通信号 Error Error 是外部程序存储器选通信号 当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时 Error Error 在每个机器周期被激活两次 而在 访问外部数据存储器时 Error Error 将不被激活 Error Error VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从0000H 到FFFFH的外部程序 存储器读取指令 Error Error 必须接GND 为了执行内部程序指令 Error Error 应该接VCC 在 flash编程期间 Error Error 也接收12伏VPP电压 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 4 1 2AT89S52 晶振连接电路 AT89S52 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器 XTAL1 和 XTAL2 分别是 放大器的输入 输出端 石英晶体和陶瓷谐振器都可以用