基于DSP的TCR无功补偿装置控制器硬件电路设计

基于DSP的TCR无功补偿装置控制器硬件电路设计摘要矿井提升机通常使用晶闸管供电的DC驱动系统。切线控制用于调节电压或电流，切断电网的正弦电压波形，产生谐波电流，导致电网电压波形失真，对电网造成一些不利影响。晶闸管电控系统在整个运行期间功率因数低，同时启动无功功率影响大，导致电网电压波动。特别是对于矿井提升机等短期重复工作系统的负荷，电压波动问题也非常突出。因此，无功补偿是近年来的研究热点。选择晶闸管控制电抗器可以更好地解决提升机无功补偿问题。本文首先研究了可控串补静止无功补偿器的原理和控制方法。通过比较，确定了适用于三相异步电动机调速系统的控制策略和参数测量方法，并重点设计了基于数字信号处理器的三相异步电动机动态无功补偿控制器。外围设备主要有FPGA，包括信号输入和调理、脉冲放大等部分。ADS7869用于数据采集。该控制器具有动态响应时间短、控制精度高、编程能力强等特点。它能有效提高矿井提升系统的功率因数，减少冲击无功引起的电压波动。关键词：数字信号处理；动态无功补偿；变矩器离合器；现场可编程门阵列摘要晶闸管电力DC牵引系统在矿井提升机中应用广泛，它采用切向控制电压或电流调节，但电网正弦电压波形被切割，产生谐波电流，造成电网电压波形畸变，同时对电网造成一些不良影响。可控硅电控系统在整个运行期间处于低功率因数；同时启动器无功较大的冲击会引起电网电压波动，特别是对于矿井提升机这样的短重系统负荷和电压波动也非常明显。因此，无功补偿在此类系统中的应用是近年来的一个热点。晶闸管控制电抗器(TCR)可以用来升级机器，以解决无功补偿问题。本文研究了三相异步电动机-静止无功补偿器的控制理论和方法，通过比较找到了适合三相异步电动机系统的控制策略和测量方法，并重点研究了基于DSP技术的三相异步电动机动态无功补偿控制器的设计。其外围设备主要基于FPGA，包括信号处理、脉冲放大等。使用ADS7869进行数据采集。DSP控制器具有动态响应时间短、控制精度高、编程能力强等特点。因此可以有效提高矿井提升机系统的功率因数，减少无功电压波动的影响。关键词：数字信号处理器；动态无功补偿；变矩器离合器；FPGA。内容第一章导言11.1主题1的背景1.2无功补偿装置的现状和发展21.3第3条中的工作第二章TCR原理及其控制策略研究42.1变矩器离合器基本原理和补偿特性42 . 1 . 1 TCR 4的基本原则2.1.2主接线表52.2变矩器离合器特性5补偿特性5谐波特性72.2.3其他特征7for TCR无功补偿系统控制策略比较82.3.1传统控制方案82.3.2其他控制方案92.4斯坦梅茨法案第9条2.5初始传导角的计算112.6本章概述12第三章基于DSP 13的TCR控制器硬件电路实现3.1主电路设计133.2中央处理器的选择-TMS320F2812133 . 2 . 1 TMS 320 f 2812芯片13介绍3.3硬件电路设计153.3.1采集电路设计153.3.2信号调节电路163.3.3外部时钟电路173 . 3 . 4模数和数模转换电路的模数设计183 . 3 . 5现场可编程门阵列处理电路设计193.3.6锁相环同步电路213.3.7复位电路设计223.3.8驱动放大器电路23的设计3.3.9电源电路设计243.3.10通信电路设计253.4硬件电路26的抗干扰设计3.4.1干扰源263.4.2系统抗干扰措施263.5PCB路由规则263 . 5 . 1断路器布局原则263 . 5 . 2断路器接线原则273 . 5 . 3断路器和电路抗干扰措施273.6本章概述28第四章软件设计294.1开发工具介绍294.1.1数字信号处理器平台294 . 1 . 2 codecomposer studio软件简介294.1.3硬件描述语言Verilog HDL294.2软件流程304.2.1主要程序流程304.2.2初始化模块304.2.3AD采样模块314 . 2 . 4快速傅立叶变换模块324.2.5算法子程序334.3本章概述34第五章总结与展望355.1结论355.2工作展望35参考文献37附录：硬件电路设计示意图39翻译部45中文翻译45原版英语54谢谢你第64页中国矿业大学2010级本科生毕业设计(论文)第一章导言1.1项目背景随着电力电子技术的发展，各种变频器和变频装置已经广泛应用于工业和民用领域。在煤矿系统中，晶闸管供电的DC驱动系统被普遍应用于煤矿提升机中，称为可控硅-直流调速系统。晶闸管电控系统具有调速稳定准确、效率高、维护方便和计算机监控等优点。目前，国内大功率矿井提升机被广泛使用。然而，晶闸管电控系统也会对电网产生一些不利影响。由于晶闸管变流器采用正切控制来调节电压或电流，电网的正弦电压波形被切断，产生谐波电流，导致电网电压波形失真。可控硅整流系统在整个运行期间具有低功率因数(通常在0.2和0.8之间)。同时，启动无功功率影响大，导致电网电压波动。矿井提升机短时间重复工作时，电压波动问题更加突出。综上所述，可控硅整流系统对电网的不利影响主要表现在以下几个方面：平均功率因数低、启动无功功率影响大、谐波电流产生多。(1)功率因数问题晶闸管装置基本上相当于以前的感性负载，其功率因数也会随着控制角度的变化而变化。即使晶闸管装置的次级侧与纯电阻相连，它也具有电感特性。晶闸管电路的功率因数通常很低。煤矿提升机晶闸管电控系统根据工作状态在0.2到0.8之间变化，即启动阶段功率因数很低，恒速阶段功率因数很高，平均功率因数为0.69。当晶闸管切向控制电流时，一部分正弦电流进入负载并转换成电能，另一部分能量返回电网，其频率是电网频率的整数倍。这部分电流称为谐波电流。因此，我们可以把晶闸管变流器作为谐波电流源，把整个电网作为负载。为了保证所有电气设备的正常运行，各工业国对谐波问题进行了深入研究，并制定了相应的规则和标准。我国于1984年颁布了电力系统谐波管理暂行规定，1993年又颁布了国家标准电能质量：公用电网谐波，规定了电网谐波的允许值。(2)冲击电压降问题当启动大负载时，需要更多的无功功率。如果电网容量很小，就会出现电压降。周期性重复启动会引起电压波动甚至“闪变”。电网电压的稳定性是衡量电网电压质量的重要条件，电压波动的允许值与其出现频率有关。国际电能质量：电压允许波动和闪变规定10kV电网的允许电压波动为2.5%。对于矿井提升机等负荷，考虑到具体的技术和经济条件，由其引起的电压波动一般不应超过3.5%。(3)谐波电流问题根据国内外相关技术文件和规定，电网谐波(分量)的定义是“对周期性交叉流进行傅里叶级技术分解，得到频率为基频整数倍的分量”。在发电机输出的电压为理想正弦波的前提下，电网波形主要由具有非线性特性或周期性开关电流的电气设备产生。这类设备可分为以下两类：(1)装有电力电子装置的设备，如转换器、变频器、交流控制器和电视机。(2)具有非线性电流和电压特性的设备，如感应炉、电弧炉、气体放电灯、变压器等。基于上述问题，矿井提升机系统无功补偿势在必行。所谓无功补偿就是通过无功补偿装置为电力系统或设备提供一定量的无功功率，从而提高电力设备乃至整个系统的功率因数。无功补偿的方法有很多种。煤矿中常用的方法是通过将电容器与网络感性负载并联来补偿无功功率。它具有结构简单、经济方便的优点，但其阻抗是固定的，不能实现无功功率的动态补偿。此外，补偿电容器可以放大谐波，这容易导致电容器过载和过热，并增加损耗。长期操作会导致外壳膨胀和爆炸，直至损坏。为了解决这些问题，目前矿井中经常引入具有调节功能的动态无功补偿装置。1.2无功补偿装置的现状和发展传统的无功补偿设备包括并联电容器、摄像机和同步发电机。虽然并联电容器结构简单、经济，但电容器的补偿量是固定的，不能随实际无功功率的变化而变化。因此，它适用于无功功率变化很小的场合。在当前的实际电力系统中，无功功率往往变化很大，并联电容器的补偿装置显然不能满足要求。由于并联电容器阻抗固定，不可能动态跟踪负载无功功率的变化。但是，摄像机和同步发电机的补偿设备属于旋转设备，其损耗和噪声较大，不适用于过大或过小的无功补偿。因此，这些设备越来越不适合电力系统的需要。20世纪70年代以来，随着研究的进一步深入，出现了一种能够动态补偿负荷的静止无功补偿器静止无功补偿器。早期的静止无功补偿器是一种饱和电抗器，饱和电抗器分为两种：自饱和电抗器和可控饱和电抗器。具有自饱和电抗器的无功功率补偿装置依赖于电抗器稳定电压的固有能力。它利用铁芯的饱和特性来控制发射或吸收的无功功率。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流来控制铁芯的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进而控制无功电流的大小。由这种装置组成的无功补偿装置属于第一批补偿器。然而，由于该装置中的饱和电抗器成本较高，约为普通电抗器的4倍，且电抗器的硅钢片长期处于饱和状态，因此铁心损耗较大，比并联电抗器大2-3倍。此外，该装置存在振动和噪声，调节时间长，动态补偿速度慢。由于这些缺点，目前所有饱和电抗器的无功补偿器使用较少，不能占据静止无功补偿装置的主流，一般只用于超高压输电线路。电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将采用晶闸管的静态无功补偿装置推到了电力系统无功补偿装置的阶段。由于采用晶闸管的静止无功补偿装置的优异性能，其市场近年来在世界范围内快速稳定增长，占据了静止无功补偿装置的领先地位。因此，术语静止无功补偿器(SVC)通常指使用晶闸管的静止无功补偿器。包括晶闸管控制电抗器、晶闸管开关电容器和混合装置，或者晶闸管控制电抗器和固定电容器或机械开关电容器等。)。静态无功补偿装置的重要特点是可以连续调节补偿装置的无功功率。这种连续调节是通过调节可控电抗器中晶闸管的触发延迟角来实现的。TSC只能成组切换，不能连续调节无功功率。它只能与TCR结合使用，以实现补偿装置整体无功功率的连续调节。由于其连续调节性能和快速响应，静止无功补偿器可以动态补偿无功功率，保持补偿点电压接近恒定。由于TCR装置采用相位控制原理，在动态调节基波无功功率的同时，也会产生大量谐波。因此，固定电容器