單片機(jī)無功補(bǔ)償和提高功率因數(shù)

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要無功功率補(bǔ)償是電力系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要工程。本課題通過設(shè)計(jì)無功自動(dòng)控制器來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容器組的投切，保證功率因數(shù)在給定的合格范圍內(nèi)變動(dòng)，完成無功功率的補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)為解決現(xiàn)存無功自動(dòng)控制器所存在的不足，進(jìn)行了一些試驗(yàn)，在軟件上進(jìn)行了一些改進(jìn)，基本上克服了所存在的不足，提高了補(bǔ)償精度和快速性，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)投切，避免了投切振蕩。本設(shè)計(jì)的動(dòng)作原理為:“功率因數(shù)兼顧電壓”兩個(gè)量作為動(dòng)作判斷的依據(jù)，即當(dāng)電壓處于合格范圍時(shí)，以提高功率因數(shù)、降低電能損耗為主要目的，當(dāng)電壓過高時(shí)，將投入的電容切除，以保護(hù)電容器不受損壞。本設(shè)計(jì)以CS5460A為核心芯片，從電網(wǎng)中檢測(cè)到和功率因數(shù)相關(guān)的參數(shù)

2、(電功、電流、有功功率)送主控單元，CPU計(jì)算出功率因數(shù)，將其和功率因數(shù)上下限比較，發(fā)出投切電容器的命令。本控制裝置能夠?qū)崟r(shí)顯示電壓、電流、功率因數(shù)、投切電容組等狀態(tài)，并有報(bào)警、閉鎖功能。同時(shí)用戶可根據(jù)需要設(shè)定功率因數(shù)上、下限，過電壓值等參數(shù)。在單片機(jī)與上位機(jī)的通訊中，采用了RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)，上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)控功率因數(shù)等狀態(tài)。關(guān)鍵詞:無功功率 功率因數(shù) 并聯(lián)電容器 CS5460AAbstract The reactive power compensation is an important project in the power system. This project designs r

3、eactive power automatic controller which casts or cuts off parallel capacitors in order to achieve reactive power compensation, ensuring qualified power factor. Some tests are carried to solve automatic controllers' defects. For example, we improve on software, overcome controllers' defects,

4、 advance compensation accuracy and velocity, and realize cycle run。 The principle of the design is that we judge by both power factor and voltage to cast or cut capacitors. When voltage is in the quality limit, we raise power factor and degrade electric power loss. When voltage is beyond assigned vo

5、ltage, we cut off capacitors that are working. CS5460A is the core chip in the design. It examines some parameters such as voltage,current, active power relating to power factor. Master control unit calculates power factor, then compares it with power factor lower limit and upper limit, finally make

6、 the decision of putting in or cutting off capacitors. The control apparatus can display the condition of voltage, current, power factor and capacitors operation, and have the function of warning and bottoming. Moreover users can set some parameters such as power factor upper limit, lower limit and

7、so on. In this system, we use RS-485 bus standard realizing serial data communications of PC and single-chip computer. The PC can monitor the condition of power factor, voltage and so on.Keyword: reactive power, power factor, parallel capacitors, CS5460A 目錄第1章 緒 論11.1 本課題的由來11.2 無功補(bǔ)償和提高功率因數(shù)的意義11.3 幾

8、種無功補(bǔ)償調(diào)壓措施31.4補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)分析41.5國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀51.5.1 研究現(xiàn)狀5第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和方案論證72.1 本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)72.2電源部分82.3電容部分92.3.1電容器組投切設(shè)計(jì)92.3.2 補(bǔ)償電容的保護(hù)及放電裝置102.3.3電容控制開關(guān)112.4 單片機(jī)選型132.4.1 AT89C52介紹142.4.2 AT89C52在系統(tǒng)中應(yīng)用管腳的功能142.5 功率因數(shù)的獲得152.5.1 設(shè)計(jì)原理說明152.5.2 CS5460A的介紹152.5.3 功率因數(shù)的獲得方法152.6 相位判斷172.7看門狗電路182.8信號(hào)采集182.8.1電壓信號(hào)的采集192.8.2

9、電流信號(hào)的采集192.9 輸入輸出部分202.10 人機(jī)接口部分212.10.1 作用212.10.2 指示燈212.10.3 鍵盤222.10.4 液晶顯示器(LCD)222.11 通訊部分232.11.1 通訊方式的選擇232.11.2 串行通訊接口的選擇242.11.3 線電路的選擇242.11.4 RS-485通訊標(biāo)準(zhǔn)252.11.5 單片機(jī)與RS-485的接口262.12 RS-485總線接口設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題272.12.1 RS-485的接地問題27第3章 軟件設(shè)計(jì)283.1 主程序設(shè)計(jì)283.1.1主程序思想283.1.2中斷283.1.3功率因數(shù)計(jì)算283.1.4 投切判斷的依

10、據(jù)283.1.5開關(guān)量掃描283.1.6串行EEPROM283.2 程序的主要說明:293.2.1 主程序流程圖293.3 子程序介紹313.3.1 CS5460A初始化子程序 CHUSH15460313.3.2 讀CS5460A子程序 RD5460313.3.3寫5045子程序RD5045323.3.4 讀50455子程序 RD5045323.3.5 相位判斷子程序333.3.6 投切判斷子程序343.3.7 單片機(jī)與上位機(jī)通訊子程序35第4章 抗干擾設(shè)計(jì)404.1 硬件抗干擾設(shè)計(jì)404.1.1 電源的抗干擾措施404.1.2 驅(qū)動(dòng)電路中加光電隔離414.2 軟件抗干擾設(shè)計(jì)414.2.1 指

11、令冗余技術(shù)414.2.2 “看門狗”措施424.2.3 重復(fù)刷新 I/O口狀態(tài)424.2.4 多次判斷424.2.5 數(shù)字濾波42第5章 結(jié) 論43第6章 中英文資料44參 考 文 獻(xiàn)51致 謝54附 錄.55V第1章 緒 論1.1 本課題的由來電力網(wǎng)輸送的功率經(jīng)過線路和變配電設(shè)備時(shí)，都會(huì)造成功率損失，無功補(bǔ)償是降低線損的有效措施。同時(shí)，供電部門對(duì)功率因數(shù)給定了一個(gè)最低限量，其標(biāo)準(zhǔn)為:100KV及以上高壓供電的用戶功率因數(shù)應(yīng)在0.9以上。其它電力用戶和大、中型電力提供站，功率因數(shù)應(yīng)在0.85以上。凡功率因數(shù)達(dá)不到要求的用戶，要設(shè)計(jì)和安裝無功補(bǔ)償設(shè)備，以提高功率因數(shù)，否則供電企業(yè)可拒絕供電。電壓

12、是電能的主要質(zhì)量指標(biāo)之一。無功電力是影響電壓質(zhì)量的一個(gè)重要因素。為加強(qiáng)無功電力的管理，各級(jí)電壓的電力網(wǎng)和電力用戶都要提高自然功率因數(shù)，并按無功分層分區(qū)和就地平衡以及便于調(diào)整電壓的原則，安裝無功補(bǔ)償設(shè)備。造成功率因數(shù)、電壓不合格的主要因素是:電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，這些設(shè)備屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中需要向它們提供相應(yīng)的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備以后，可以提供感性電抗所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源提供給感性負(fù)荷、經(jīng)線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能，這就是無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償可以提高功率因數(shù)，是一項(xiàng)

13、投資少，收效快的降損節(jié)能措施。因此，根據(jù)供電部門的要求，滿足網(wǎng)損的規(guī)定，適應(yīng)農(nóng)村供電線路的改造，提出了要研究的課題無功補(bǔ)償自動(dòng)控制的研究。本課題目的是提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)損。1.2 無功補(bǔ)償和提高功率因數(shù)的意義在電力系統(tǒng)中，有功不足會(huì)引起頻率下降，無功不足將導(dǎo)致電壓降低。電壓是電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，電壓偏移過大對(duì)用電設(shè)備正常運(yùn)行會(huì)有很大影響。當(dāng)電壓過低時(shí)，對(duì)于占電力負(fù)荷比重最大的異步電動(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)差增大，繞組中電流增大，溫升增大，效率降低，壽命縮短。而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低將影響用戶產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。對(duì)于發(fā)電廠由于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，風(fēng)機(jī)、水泵的出力降低，直接影響鍋爐、汽機(jī)的出力。電壓過低還使電

14、爐等設(shè)備的發(fā)熱效率降低，白熾燈發(fā)光效率降低，如普通的白熾燈電壓下降10%，光通量則要下降30%。對(duì)于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，如果電壓下將30%，轉(zhuǎn)矩下降到30%以下。過低的電壓會(huì)使接觸器、繼電器無法吸合，各種電子設(shè)備不能正常工作。而當(dāng)電壓過高時(shí)，電氣設(shè)備的絕緣會(huì)加速損壞，照明設(shè)備的壽命又會(huì)明顯縮短，如在電壓偏高10%的情況下，白熾燈的壽命縮短一半。所以進(jìn)行無功補(bǔ)償、提高電壓合格率對(duì)于減少工業(yè)廢品，提高電氣設(shè)備的效率，延長(zhǎng)電氣設(shè)備的使用壽命都有明顯的作用。功率因數(shù)不高，根本原因就是由于感性負(fù)載的存在。用電設(shè)備功率因數(shù)較低，會(huì)帶來以下不良后果:(1) 發(fā)電設(shè)備的容量不能充分利用P=

15、 （1-1）由（1-1）式可見，當(dāng)負(fù)載的功率因數(shù)COS 1時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓和電流又不能超過額定值，顯然這時(shí)發(fā)電機(jī)所能發(fā)出的有功功率就減小了。功率因數(shù)愈低，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的有功功率就愈低，而無功功率卻愈大。無功功率愈大，即電路中能量互換的規(guī)模愈大，即發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量就不能充分利用。(2)增加電網(wǎng)中輸配電線路上的功率損耗和電能損耗，若輸配電線路上輸送功率S=P+jQ,輸送端電壓為U，線路電阻為R，則在線路上的有功損耗 （1-2）即線路功率損耗與COS的平方成反比，功率因數(shù)越低，有功功率損耗就越大。(3)增加電網(wǎng)中輸配電線路上的電壓損耗，使受電端電壓降低，若輸配電線路的電阻為R，電抗為X，輸送功率為S

16、=P+jQ （1-3）其電壓損耗 （1-4）功率因數(shù)越低，Q就大，U就增大，即在受電端的電壓就要降低，如果電壓低于容許值，將嚴(yán)重影響異步電動(dòng)機(jī)及其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。特別在用電高峰時(shí)，功率因數(shù)太低，會(huì)出現(xiàn)大面積地區(qū)電壓偏低，使工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到損失。綜上所述 ，提高功率因數(shù)是一個(gè)十分重要的課題，從整體看，必須提高電網(wǎng)中各個(gè)組成部分的功率因數(shù)，才能充分利用發(fā)電、變電設(shè)備容量，減少網(wǎng)損，降低線路的電壓損耗，以達(dá)到節(jié)約電能和提高供電質(zhì)量的目的。1.3 幾種無功補(bǔ)償調(diào)壓措施無功電源有發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器或并聯(lián)電抗器(吸收無功)，近年來出現(xiàn)了靜止無功補(bǔ)償裝置SVC或稱靜止無功系統(tǒng)SVS，簡(jiǎn)稱靜補(bǔ)。具

17、體介紹幾種常用的無功補(bǔ)償調(diào)壓措施:(1)發(fā)電機(jī)除作為有功電源外，還供應(yīng)一定的無功功率，所以可用它來進(jìn)行調(diào)壓。發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)低谷負(fù)荷運(yùn)行時(shí)有可能要用進(jìn)相運(yùn)行調(diào)壓，即欠勵(lì)磁運(yùn)行。此時(shí)發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)發(fā)出有功而吸收無功。尤其是在節(jié)假日、午夜等低負(fù)荷情況下，由線路引起的剩余無功功率，就會(huì)使系統(tǒng)的電壓上升，以致超過容許的范圍。實(shí)踐證明，進(jìn)相運(yùn)行不需要額外增加設(shè)備投資，就可吸收無功功率。進(jìn)行電壓調(diào)整，但由于進(jìn)相運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定和端部發(fā)熱有不良影響，所以運(yùn)行中對(duì)其限制較嚴(yán)，要求在具有自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置時(shí)，可允許短時(shí)COS在0.95-1的進(jìn)相范圍內(nèi)運(yùn)行。(2)調(diào)相機(jī)是一種專門設(shè)計(jì)的無功功率發(fā)電機(jī).確切的說，是一種

18、不帶機(jī)械負(fù)載的可以過勵(lì)磁(經(jīng)常的運(yùn)行狀態(tài))或欠勵(lì)磁(較少的運(yùn)行狀態(tài))運(yùn)行的同步電機(jī)。在系統(tǒng)電壓偏低時(shí)，過勵(lì)磁運(yùn)行供給無功功率而將系統(tǒng)電壓調(diào)高。在系統(tǒng)電壓偏高時(shí)，欠勵(lì)磁運(yùn)行吸收系統(tǒng)多余的無功而將電壓調(diào)低。一般，它與靜電電容器一樣設(shè)置在樞紐變電站，它比并聯(lián)電容器有以下優(yōu)點(diǎn):可雙向、連續(xù)調(diào)節(jié);缺點(diǎn)是:設(shè)備投資高;起動(dòng)、運(yùn)行、維修復(fù)雜;動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢;不適應(yīng)太大或太小的補(bǔ)償，只能用于三相平衡的補(bǔ)償;增加系統(tǒng)短路容量等。(3)并聯(lián)電容補(bǔ)償是目前應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)壓方式。當(dāng)系統(tǒng)無功不足時(shí)，補(bǔ)償裝置要盡量裝在無功負(fù)荷的中心，做到無功功率就地平衡。通常小容量的、分散用戶的無功補(bǔ)償采用并聯(lián)電容器；而大容量的、系

19、統(tǒng)中樞點(diǎn)的無功補(bǔ)償則采用調(diào)相機(jī)或兼用調(diào)相機(jī)和電容器。電容器調(diào)相機(jī)相比，其優(yōu)點(diǎn)是:投資??；運(yùn)行經(jīng)濟(jì)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便；容量可任意選擇;適用性強(qiáng)。缺點(diǎn)是:不能連續(xù)調(diào)節(jié):負(fù)荷的調(diào)節(jié)特性較差，這是由于當(dāng)無功負(fù)荷增加，電容器的補(bǔ)償容量Qc =，因電壓下降而減小，故調(diào)壓效果下降;對(duì)系統(tǒng)中的高次諧波有放大現(xiàn)象.在諧波電流過大時(shí)，可能引起爆炸。(4)并聯(lián)電抗器調(diào)壓主要用在超高壓(330KV及以上)系統(tǒng)的線路上，將它并聯(lián)在線路末端或中間，吸收線路上的充電功率，以防止超高壓系統(tǒng)長(zhǎng)線路在空載充電或輕負(fù)荷時(shí)的末端電壓升高。(5)靜補(bǔ)裝置(SVC)靜補(bǔ)裝置是相對(duì)于調(diào)相機(jī)而言的一種利用電容器和各種類型的電抗器組成的無功

20、補(bǔ)償(提供可變動(dòng)的容性和感性無功)裝置，是70年代初期發(fā)展起來的新技術(shù)，它利用先進(jìn)技術(shù)，不依靠斷路器(或其它有觸點(diǎn)開關(guān))能平滑控制動(dòng)態(tài)無功功率，限制無功向系統(tǒng)倒送，減少無功流動(dòng)引起的損耗，穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)電壓，消除流向系統(tǒng)的高次諧波電流，減少配電網(wǎng)對(duì)通信線的干擾都有獨(dú)特的作用，但是投資很高。因此采用此補(bǔ)償方式必須考慮其投資與帶來的經(jīng)濟(jì)效益。目前國(guó)際上幾個(gè)主要的產(chǎn)品型式有FC-TCR，另一種是TSC-TCR。由于本裝置的快速響應(yīng)，所以將它接在配電網(wǎng)上用以抑制沖擊負(fù)荷(如軋鋼機(jī)、電弧爐、電焊機(jī)等)引起的電壓閃變，具有獨(dú)特的功能。通過以上的比較，針對(duì)本設(shè)計(jì)用于電纜車的無功補(bǔ)償，只向系統(tǒng)提供無功功率，屬

21、于就地補(bǔ)償。根據(jù)其特點(diǎn)，我們采用了并聯(lián)電容器的補(bǔ)償方式。1.4補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)分析合理配置無功電源，使無功功率就近平衡，不僅可以提高電壓水平，而且可以減少有功功率的損耗。據(jù)2000年的數(shù)據(jù)估算，如果利用無功電源的補(bǔ)償作用，將電網(wǎng)各元件加權(quán)功率因數(shù)從0.85提高到0.95，需要投資29億元，可以節(jié)省240億千瓦時(shí)電能，相當(dāng)于400萬干瓦火電廠的年發(fā)電量，而火電廠造價(jià)300億元，且每年須燃煤1200萬噸，而且產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫等有害物質(zhì)200萬噸。由此可見，利用無功電源使無功功率達(dá)到就近平衡，避免無功功率的遠(yuǎn)距離傳輸，不僅可以節(jié)約大量的電能，還可以避免大量的投資和環(huán)境的污染。由此可見，合理配置無功電

22、源，進(jìn)行無功補(bǔ)償是非常重要，我們進(jìn)行無功補(bǔ)償研究是一個(gè)重要的課題。由于人工投切電容不能及時(shí)跟蹤無功負(fù)荷的變化，不能始終保持功率因數(shù)和電壓質(zhì)量在規(guī)定范圍，所以無功的自動(dòng)控制是一個(gè)值得研究的課題。運(yùn)用無功補(bǔ)償自動(dòng)控制器是企業(yè)運(yùn)行向科學(xué)化、信息化方向發(fā)展的需要。目前我國(guó)許多變電站、熱電廠需要安裝此設(shè)備，很多企業(yè)、用戶也需要此設(shè)備。該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的需求量相當(dāng)可觀，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)我們盡量采用性價(jià)比高的產(chǎn)品，成本較低，會(huì)取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。運(yùn)用無功補(bǔ)償控制器進(jìn)行無功補(bǔ)償和電壓調(diào)整，大大提高了無功補(bǔ)償?shù)木群涂焖傩?，使電廠、企業(yè)安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)性能極大提高。進(jìn)而提升了電廠、企業(yè)的管理水平，加快其向現(xiàn)代化、自動(dòng)化

23、、科學(xué)化的發(fā)展。大功率的索道廣泛采用了可控硅整流的直流驅(qū)動(dòng)方式，由于電感性負(fù)載的存在，使電力系統(tǒng)的功率因數(shù)大大降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足供電部門的要求，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生上面的各種不良后果.為保證電能質(zhì)量，提高用電效率和索道的可靠運(yùn)行，無功補(bǔ)償裝置在索道用電中已得到廣泛應(yīng)用。1.5國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀1.5.1 研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外對(duì)電壓無功控制問題作了大量的研究，取得極為可觀的成果。有傳統(tǒng)方式的電壓無功自動(dòng)控制裝置，有以模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的電壓無功綜合控制。近年來國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者提出了許多基于新理論新方法的電壓無功控制裝置，己有一些產(chǎn)品應(yīng)用于生產(chǎn)，取得了不少寶貴經(jīng)驗(yàn)。概括起來講，對(duì)變電站電壓無功控制的研究主要有

24、兩方面，即離線優(yōu)化和實(shí)時(shí)監(jiān)控。離線優(yōu)化是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或由計(jì)算機(jī)在變電站一次側(cè)電壓和二次側(cè)有功和無功負(fù)荷預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出的調(diào)節(jié)方案，由調(diào)度下發(fā)給各站。調(diào)節(jié)方案以小時(shí)為間隔，很不精確，而且調(diào)節(jié)方案是以變電站電壓和負(fù)荷預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)的，當(dāng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)時(shí)，調(diào)節(jié)方案就失去了意義。實(shí)時(shí)監(jiān)控是通過對(duì)變電站主變高壓側(cè)無功功率和中低壓側(cè)母線的電壓不斷采樣，一旦發(fā)現(xiàn)母線電壓或無功功率超越限值就根據(jù)一定的規(guī)則調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器分接頭和投切并聯(lián)電容器組，將電壓和無功控制在各自的允許范圍之內(nèi)。控制器判斷方式有以下幾種:(1)按照功率因數(shù)投切電容:當(dāng)功率因數(shù)低于設(shè)定值時(shí)，經(jīng)過軟件設(shè)定的延時(shí)后，投入一組電容器，如不

25、夠，延時(shí)后再投;反之，當(dāng)檢測(cè)到功率因數(shù)高于設(shè)定值或電流超前時(shí)，則切除補(bǔ)償電容。這種方式未考慮投切電容器組對(duì)母線電壓的影響，而且當(dāng)負(fù)荷較輕時(shí)，較小的無功功率變化會(huì)引起功率因數(shù)的變化，存在動(dòng)作頻繁的問題。因此應(yīng)設(shè)定一個(gè)電流下限，當(dāng)小電流(負(fù)荷很輕)時(shí)，應(yīng)該閉鎖電容器投入，以免產(chǎn)生反復(fù)投切振蕩。(2)按照電壓投切電容:當(dāng)供電電壓低于設(shè)定值下限時(shí)就投入電容，當(dāng)電壓高于設(shè)定值上限時(shí)，電壓器切除。按照無功和電壓的關(guān)系，補(bǔ)償裝置能夠使電壓穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)。但是，這種補(bǔ)償方式可能造成無功倒送，功率因數(shù)超前，而且在小電流時(shí)也應(yīng)該閉鎖投入。(3)根據(jù)電壓、時(shí)間序列的復(fù)合控制。根據(jù)變電站的日負(fù)荷曲線，將每天分為多個(gè)

26、負(fù)荷時(shí)段，根據(jù)不同負(fù)荷時(shí)段對(duì)電壓和無功的要求對(duì)變壓器分接頭進(jìn)行調(diào)壓和投切并聯(lián)電容器組。該方法適應(yīng)性差，只適合負(fù)荷較穩(wěn)定的場(chǎng)合，且負(fù)荷時(shí)段的劃分必須隨季節(jié)和負(fù)荷的變化而調(diào)整。(4)按電壓和無功功率進(jìn)行綜合控制。根據(jù)母線電壓和無功功率將運(yùn)行情況分為九個(gè)區(qū)域，在不同區(qū)域采用不同的控制對(duì)策，綜合利用有載調(diào)壓變壓器分接頭開關(guān)和投切電容器組兩種手段將母線電壓和無功功率控制在各自允許范圍之內(nèi)。該方法主要用于變電站，綜合考慮電壓和無功功率，是目前變電站采用最多的控制方法，但在某些情況下也存在動(dòng)作過于頻繁的問題，在有些情況下甚至?xí)鹫袷帲虼巳绾伪M量減少動(dòng)作次數(shù)是該方法要解決的主要問題。目前，國(guó)內(nèi)外有很多廠家

27、生產(chǎn)研制無功自動(dòng)控制器，此裝置雖然種類很多，設(shè)計(jì)也各不相同，但基本的結(jié)構(gòu)大致相同，基本上都是由四部分組成:檢測(cè)單元、主控單元、執(zhí)行單元，電源。無功功率補(bǔ)償是電力系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要工程.本課題通過設(shè)計(jì)無功自動(dòng)控制器來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電容器組的投切,保證功率因數(shù)在給定的合格范圍內(nèi)變動(dòng),完成無功功率的補(bǔ)償.本設(shè)計(jì)為解決現(xiàn)存無功自動(dòng)控制器所存在的不足,提高了補(bǔ)償精度和快速性,實(shí)現(xiàn)了循環(huán)投切,避免了投切振蕩.本設(shè)計(jì)的動(dòng)作原理為:"功率因數(shù)兼顧電壓"兩個(gè)量作為動(dòng)作判斷的依據(jù),即當(dāng)電壓處于合格范圍時(shí),以提高功率因數(shù)、降低電能損耗為主要目的,當(dāng)電壓過高時(shí),將投入的電容切除,以保護(hù)電容器不受損壞.本設(shè)

28、計(jì)以CS5460A為核心芯片,從電網(wǎng)中檢測(cè)到和功率因數(shù)相關(guān)的參數(shù)(電功、電流、有功功率)送主控單元,CPU計(jì)算出功率因數(shù),將其和功率因數(shù)上下限比較,發(fā)出投切電容器的命令.本控制裝置能夠?qū)崟r(shí)顯示電壓、電流、功率因數(shù)、投切電容組等狀態(tài),并有報(bào)警、閉鎖功能.同時(shí)用戶可根據(jù)需要設(shè)定功率因數(shù)上、下限,過電壓值等參數(shù).第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和方案論證2.1 本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)有檢測(cè)單元、主控單元、執(zhí)行單元、電源組成。如圖所示： 檢測(cè)單元主控單元執(zhí)行單元電源圖2.1 裝置的基本結(jié)構(gòu)圖檢測(cè)單元是從電網(wǎng)中檢測(cè)到和網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)直接或間接相關(guān)的參數(shù)，并將此參數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成主控單元能接收的信號(hào)，傳送給主控單元，由主控

29、單元作出投切決策。主控單元接收到檢測(cè)信號(hào)后，將其和目標(biāo)值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)出命令，送給執(zhí)行單元。執(zhí)行單元接到命令后，通過投切開關(guān)(常為交流接觸器)控制電容組的投切，完成補(bǔ)償任務(wù)。硬件設(shè)計(jì)包括:電源設(shè)計(jì)、檢測(cè)回路、控制回路和輸出回路，具體的包括電源部分、電容組柜部分、單片機(jī)系統(tǒng)部分、信號(hào)采集部分、信號(hào)轉(zhuǎn)化部分，相位判斷部分，看門狗電路部分，電容投切部分，顯示部分，參數(shù)設(shè)定，通訊部分。電壓電流信號(hào)的采集是選用電壓電流互感器轉(zhuǎn)化成CS5460A所能接受的信號(hào)。相位判斷是選用過零比較器轉(zhuǎn)化成方波形式，根據(jù)需要，我們的控制器具有電壓、電流、功率因數(shù)顯示，過電壓報(bào)警功能、功率因數(shù)上下限設(shè)定、過電壓

30、值設(shè)定、電容投切間隔設(shè)定、手動(dòng)自動(dòng)控制設(shè)定，通訊部分，下面詳細(xì)介紹各部分，詳細(xì)的電路框圖請(qǐng)見下圖：CPU開關(guān)量輸入看門狗相位判斷電壓信號(hào)電流信號(hào)顯示部分電容投切報(bào)警鍵盤設(shè)定通訊部分5460圖2.2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖2.2電源部分直流電源是電子設(shè)備中供給能量的部分，因此是不可缺少的單元。本系統(tǒng)采用了由交流電經(jīng)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓而形成的直流電源。在本系統(tǒng)中采用了78XX (輸出正電壓)系列和79XX(輸出負(fù)電壓)系列的三端固定式集成穩(wěn)壓器。本系統(tǒng)電源部分要求給CPU. 控制開關(guān)的輔助開關(guān)等供電。本設(shè)計(jì)有四組電源，其中兩組+5V電源，一組-5V電源，一組+12V電源，+5V (1)給CPU，5

31、460供電。+5V (2)用來給光耦提供電源，以區(qū)別于用在主回路的電源，實(shí)現(xiàn)了光電隔離。-5V電源用于電壓放大芯片AD620，+12V電源用于開關(guān)量的反饋回路。為了保證系統(tǒng)在缺相狀態(tài)下正常工作，對(duì)主處理芯片+5V (1)，-5V電源設(shè)計(jì)采取缺相保護(hù)措施，三相輸入交流變壓后通過二極管并聯(lián)，進(jìn)入穩(wěn)壓器(7805和7809)得到正電源和負(fù)電源。為減少千擾，光電禍合電源+5V (2). +12V電源經(jīng)交流、整流、濾波及穩(wěn)壓得到。對(duì)于電源變壓器的設(shè)計(jì)，要使其空載電流盡可能小，以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。在各相交流電源的進(jìn)線端，即電源變壓器的初級(jí)串聯(lián)一個(gè)電流濾波器，可以有效的抑制高頻干擾的侵入。2.3電容部分補(bǔ)

32、償容量的計(jì)算= (tan1-tan2)=( (2-1)pi一功率，KW COS1一補(bǔ)償前功率因數(shù) COS2一補(bǔ)償后功率因數(shù)本設(shè)計(jì)中，電纜車的功率Pj=182KW,額定容量W=260KVA, COSl=0.7。如果功率因數(shù)COS2>0.95，其所需的無功補(bǔ)償容量為:Qc =182(tan1-tan2) =126k var。 最大輸入電流是400A.2.3.1電容器組投切設(shè)計(jì)本裝置電容器組采用四組8421編碼設(shè)計(jì)，共有16種不同組合來隨無功功率不同變化進(jìn)行投切，以提高補(bǔ)償精度。由單片機(jī)輸出口發(fā)出的觸發(fā)脈沖，經(jīng)光電隔離，功率放大后形成相應(yīng)組別，相應(yīng)相別的強(qiáng)觸發(fā)脈沖信號(hào)。送到相應(yīng)需觸發(fā)的晶閘管模

33、塊上，控制晶閘管的導(dǎo)通。電容器組采用三相控制方式三角形連接方案如圖所示：圖2.3一組電容器的接線圖晶閘管投切電容器技術(shù)是采用晶閘管開關(guān)，實(shí)時(shí)地投切相應(yīng)數(shù)量的電容器組，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無功補(bǔ)償量的自動(dòng)控制。其特點(diǎn)是投切速度快，能對(duì)多級(jí)電容器組進(jìn)行投切，投入時(shí)無涌流，切除時(shí)無過電壓，避免了電容器投切時(shí)的過度過程，從而避免了涌流和過電壓對(duì)電容器的損害，延長(zhǎng)了電容器和其它電氣元件的壽命。晶閘管只作為交流開關(guān)用，不做移相控制，不破壞正弦波形。 在低壓電網(wǎng)中實(shí)際三角形接線。主要原因如下:三角形接線可以防止電容器容量不對(duì)稱 (如個(gè)別電容器的熔斷器熔斷)而出現(xiàn)的過電壓。電容器對(duì)過電壓是最敏感的，若為星形連接，電容器

34、將很容易損壞。三角形接線若發(fā)生一相斷線，只是使各相的補(bǔ)償容量有所減少，不至于嚴(yán)重不平衡。而星形接線若發(fā)生一相斷線，就使該相失補(bǔ)償，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。采用三角形接法可以充分發(fā)揮電容器的補(bǔ)償能力。電容器的補(bǔ)償能力與加在其兩端的電壓有關(guān)即Qc =VI= （2-2）電容器采用三角形接法時(shí)，每相電容承受線電壓，而采用星形接法時(shí)，每相承受的是相電壓，所以有公式 有上式表明，具有相同電容量的三個(gè)單相電容器組，采用三角形接法時(shí)的補(bǔ)償容量是用星形接法的三倍。通過以上分析，本設(shè)計(jì)中的補(bǔ)償電容組采用三角形連接方式。2.3.2 補(bǔ)償電容的保護(hù)及放電裝置由于補(bǔ)償電容器自然老化和運(yùn)行中過電流、過電壓、諧波及環(huán)境溫度過高等

35、原因，常造成電容器內(nèi)部元件損壞。如不能將故障電容器從電網(wǎng)上切除，故障電容器將由于絕緣而發(fā)生短路。因此，運(yùn)行中的補(bǔ)償電容組必須配有完善的保護(hù)裝置，以便發(fā)生故障時(shí)能可靠的、迅速的、有選擇的將故障電容從電網(wǎng)上切除確保運(yùn)行安全。一般考慮以下保護(hù)：烙斷器保護(hù)，作為電容器過流保護(hù)。熔斷器是電容器補(bǔ)償中的重要元件，當(dāng)發(fā)生電容器內(nèi)部短路故障時(shí)，它將切除故障電容器，維持電容器組的正常運(yùn)行.熱繼電器保護(hù)。熱繼電器作為電容器過負(fù)載保護(hù)，使之免受長(zhǎng)期過載的危害。并聯(lián)電容器長(zhǎng)期工作在有諧波電流的情況下，由于諧波電流和電壓過高，導(dǎo)致電容器過負(fù)荷。熱繼電器的整定電流可取1.3 1.5倍額定電流。本設(shè)計(jì)取1.47倍。裝置應(yīng)具

36、有吸收瞬間操作過電壓的氧化鋅避雷器。氧化鋅避雷器在正常的工作電壓下，具有極大的電阻，而呈現(xiàn)出絕緣狀態(tài)，在過電壓的情況下，則呈現(xiàn)出低電阻狀態(tài)，泄放電流，使與避雷器并聯(lián)的電氣設(shè)備的殘壓，被限制在設(shè)備的安全值以下，待有害的過電壓消失后，避雷器便迅速的恢復(fù)高電阻，而呈現(xiàn)出絕緣狀態(tài)，從而有效的保護(hù)了被保護(hù)設(shè)各的絕緣免受過電壓的損壞。接有6%的電抗器電網(wǎng)中存在各種頻率的高次諧波，當(dāng)高次諧波電流流入補(bǔ)償電容器時(shí)，總電流的有效值就可能超過電容器的允許過電流值，使電容器過熱而損壞。因此需要在回路中串聯(lián)一組電抗器，使其總阻抗在各次諧波下均呈感性。 應(yīng)裝有專門的放電裝置 電容器是儲(chǔ)能元件，當(dāng)電容器從電源上斷開時(shí)，極

37、板上蓄有電荷，因此兩極板間仍有電壓存在，而且這一電壓的起始值等于電路斷開后瞬間的電源電壓。隨著電容器通過本身絕緣電阻進(jìn)行自放電，端電壓逐漸降低 下降的速度取決于電容器的時(shí)間常數(shù)(r) r=RC （2-3）Ut-t秒種后的電壓Uc-電路斷開瞬間的電源電壓C一電容器的絕緣電阻e-自然數(shù)約等于2.718有上式可以看出，當(dāng)電容器絕緣良好，即絕緣電阻R數(shù)值很大時(shí)，自放電的速度很慢。而一般要求放電時(shí)間應(yīng)不大于30S，自放電不能滿足要求，因此必須加裝放電裝置。當(dāng)電壓為1KV以下時(shí)，可采用白熾燈作為電容器組的放電電阻。當(dāng)電壓超過1KV以上時(shí)可用電壓互感器YH作為放電電阻。在本設(shè)計(jì)中采用了白色指示燈(交流380

38、V，電阻式)構(gòu)成電容器的放電回路，并指示電容器放電狀況及運(yùn)行情況。2.3.3電容控制開關(guān)目前補(bǔ)償裝置采用的控制開關(guān)有交流接觸器，斷路器?？梢詫?shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)大電流的控制。但是接觸器和斷路器存在各種弊端。接觸器和斷路器都屬于有觸點(diǎn)開關(guān)，觸點(diǎn)有磨損，不易頻繁操作，壽命比較短。電容器投入運(yùn)行的合閘瞬間，可能產(chǎn)生高頻率、高幅值的暫態(tài)電流，稱為合閘涌流。合閘涌流的幅值可高達(dá)電容器額定電流的幾十倍，這對(duì)電容器的壽命和開關(guān)觸點(diǎn)的危害極大。在切斷電容器時(shí)，如果控制開關(guān)在滅弧過程中產(chǎn)生重燃，將引起強(qiáng)烈的電磁振蕩，而出現(xiàn)危險(xiǎn)的過電壓。雖然有些補(bǔ)償裝置采用了滅弧性能較好的真空斷路器，但是重燃的可能性還是存在的。如果每小

39、時(shí)的操作次數(shù)過多，線圈因頻繁流過很大的電流而發(fā)熱，溫度升高，這樣就降低了線圈的壽命，甚至使絕緣老化而燒毀。在本設(shè)計(jì)中，為了克服以上開關(guān)所帶來的危害，采用了由半導(dǎo)體功率開關(guān)元件晶閘管所組成的無觸點(diǎn)開關(guān)，與交流接觸器、斷路器相比，具有體積小、開關(guān)速度快、可靠性高、無觸點(diǎn)、壽命長(zhǎng)、耐振、無噪聲、安裝位置無限制，具有良好的防潮防腐蝕性能，防爆性能極佳。同時(shí)我們采用了過零投切，在電壓過零點(diǎn)附近觸發(fā)開關(guān)器件導(dǎo)通，而在零電流處關(guān)斷，從而把通斷瞬間的峰值和干擾都降到最低，避免了合閘涌流，消除了切斷電容器時(shí)的重燃，使設(shè)備的可靠性大大提高。雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡(jiǎn)稱TRIAC。雙向可控硅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于兩個(gè)

40、單向可控硅反向連接，這種可控硅具有雙向?qū)üδ?，其通斷狀態(tài)由控制極決定，在控制極上加正脈沖（或負(fù)脈沖）可使其正向（或反向）導(dǎo)通。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡(jiǎn)單，沒有反向耐壓?jiǎn)栴}。可控硅導(dǎo)通條件之一是必須在控制極和陰極之間加一個(gè)觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖電壓大于4V，寬度大于20s，一般應(yīng)和主回路同步。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，可控硅的觸發(fā)脈沖由I/O口輸出，通過檢測(cè)交流電的過零點(diǎn)，使觸發(fā)脈沖和交流電同步。雙向可控硅過零型控制原理:觸 發(fā)電 路開 關(guān)電 路負(fù) 載吸收電 路AC電路圖2.4雙向可控硅過零型控制原理圖2.5雙向可控硅過零投切原理電路圖可控硅在導(dǎo)通期間有一定的壓降，所以有一定的電能損耗，在本設(shè)計(jì)中電容

41、組的投切開關(guān)采用了FK-380.A45A三相互補(bǔ)開關(guān)，其基本的原理是將可控硅與接觸器并接。使復(fù)合開關(guān)在接通和斷開的瞬間具有過零投切的優(yōu)點(diǎn)，而在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)行中無壓降，不耗能。不產(chǎn)生諧波，保護(hù)功能全面。特點(diǎn)、功能電壓過零投入，電流過零關(guān)斷，補(bǔ)償電容接法。內(nèi)置串聯(lián)電抗器，需外接。 輸入信號(hào)與復(fù)合開關(guān)光電隔離，可直接與任何無功控制器配接使用，可控硅短路損壞時(shí)，可控硅和接觸器可迅速脫離線路?？垢蓴_能力強(qiáng)，大容量電容工作可靠。2.4 單片機(jī)選型常用的單片機(jī)有8位機(jī)、16位機(jī)及32位機(jī)。由于我們的系統(tǒng)中CPU負(fù)擔(dān)并不重，所以8位機(jī)就夠了。常用的8位單片機(jī)有很多種:如Intel公

42、司的8051,8031系列及ATMEL公司的89系列。雖然它們?cè)谟布Y(jié)構(gòu)上相似，但在價(jià)格、功耗、抗干擾等方面后者都占較大優(yōu)勢(shì)， ATMEL公司的89系列單片機(jī)具有功耗低，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。考慮到我們所需要的程序存儲(chǔ)器的空間以及內(nèi)存單元，我們選擇了AT89C52作為該系統(tǒng)的CPU.2.4.1 AT89C52介紹AT89C52是一種帶有4K字節(jié)閃速可編程只讀可擦除存儲(chǔ)器(EEPROM)的低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器.該器件采用ATME L非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51. 80C52指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，AT89C5

43、2是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提高了一種靈活性高且廉價(jià)的方案。AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)特性:8K字節(jié)的閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)RAM, 32個(gè)I/O線，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，6個(gè)兩級(jí)中斷源結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行口，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。此外，AT89C52設(shè)有靜態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下工作，支持兩種軟件可選的省電模式。在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所有其它片內(nèi)控制單元工作，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。2.4.2 AT89C52在系統(tǒng)中應(yīng)用管腳的功能PO.0-PO.5接74HC5

44、41 (2)的D1-D6PO.6接74HC541 (3)的/El，/E2PO.7接74HC541 (1)的/El, /E2P1.3接MAX813L的S1. SOP1.4-P1.5分別接LCM 12832K的SCLK. SIDP1.6接電壓轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)的LM393P1.7接電流轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)的LM393圖2.6 AT89C52管腳配置P2.0接CS5460A的SDO,SD1P2.1-P2.3分別接CS5460A的SCLK, /CS, /RSTP2.4接74HC541 (2)的/El, /E2P2.5接MAX813L的WDITXD, RXD, TI用于通訊INTO接CS5460A的/INT端NT

45、I用于鍵盤設(shè)定2.5 功率因數(shù)的獲得2.5.1 設(shè)計(jì)原理說明本設(shè)計(jì)的核心芯片是CS5460A，它將外部輸入的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到電壓、電流的有效值，和能量值。它與CPU的接口簡(jiǎn)單，使CPU減輕了負(fù)擔(dān)。電壓電流有效值、能量值在CS5460A內(nèi)部能量寄存器中是相對(duì)于該芯片滿量程的百分比形式存放的。通過讀帶符號(hào)輸出寄存器，可以讀出I(瞬時(shí)電流)、V(瞬時(shí)電壓)、P(瞬時(shí)功率)、E(電能)、IRMS, VRMS的上一次測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果以二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式讀出，通過數(shù)制轉(zhuǎn)化并乘以系數(shù)，可得出電能值E。單位時(shí)間的電能值即為有功功率P。COS=P1/IRMS×VRMS.2.5.2 CS54

46、60A的介紹CS5460A是具有能量計(jì)算引擎的CMOS單片功率測(cè)量芯片。它包含了一個(gè)增益可編程放大器、兩個(gè)-調(diào)制器、兩個(gè)高速濾波器、系統(tǒng)校準(zhǔn)和計(jì)算功能，用以計(jì)算電能、IRMS、VRMS和瞬時(shí)功率。CS5460A可以用以各種功率測(cè)量裝置，它適合與分流器或電流互感器相連來測(cè)量電流。與分壓電阻或變壓器相連來測(cè)量電壓。上電后，芯片被初始化并可執(zhí)行全部功能。 為了和輸入電壓的不同等級(jí)相匹配，電流通道集成有一個(gè)增益可編程放大器(PGA),使信號(hào)滿量程為 150MVRMS和 30MVRMS可選擇。CS5460A包含兩個(gè)高速濾波器，它以 (MCLK / K)/1024的字輸出速率 (OWR)輸出數(shù)據(jù)。 為了方

47、便與外接控制器的通訊，CS5460A集成有一個(gè)簡(jiǎn)單的三線串行接口，該接口與SPI和MICROWIRE標(biāo)準(zhǔn)兼容。串行接口的串行時(shí)鐘 (SCLK)輸入端包含一個(gè)施密特觸發(fā)器，允許使用上升/下將速度較慢的信號(hào)。2.5.3 功率因數(shù)的獲得方法為動(dòng)態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)電網(wǎng)無功補(bǔ)償裝置應(yīng)能及時(shí)檢測(cè)負(fù)載從電網(wǎng)吸收的無功功率，通過調(diào)節(jié)電感回路中晶閘管的觸發(fā)角，使并聯(lián)支路適時(shí)適量地補(bǔ)償無功功率，但這樣做需要測(cè)量裝置做較復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因而不能滿足實(shí)時(shí)控制的需求，所以可以采用相位法滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制電網(wǎng)無功功率的需求。如下圖所示：ttt圖2.7相位法測(cè)量電路功率因數(shù)若檢測(cè)到電網(wǎng)電壓電流波形，經(jīng)波形變換為方波信號(hào)，測(cè)控系統(tǒng)檢測(cè)

48、2方波前沿的時(shí)間差值t，再經(jīng)過變換= t*180/10=18t，即得電網(wǎng)功率因數(shù)角，查表計(jì)算可得電網(wǎng)功率因數(shù)。若電網(wǎng)功率因數(shù)較低（角較大），則控制裝置控制與電容并聯(lián)的電感回路中晶閘管的觸發(fā)角（角增大），以使并聯(lián)支路向電網(wǎng)提供更多的超前無功，不補(bǔ)償感性負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的無功需求，提高負(fù)載功率因數(shù)。很顯然，這種方法對(duì)波形的要求很高，希望它們是正弦或是接近正弦，至少電壓電流波形在半周內(nèi)不會(huì)存在1個(gè)以上的正向（或負(fù)向）過零點(diǎn)，倘若出現(xiàn)這種情況，所測(cè)電流電壓波形必須先進(jìn)行濾波，以使檢測(cè)電路的輸出信號(hào)近似為正弦波，顯然這樣做將偏離實(shí)際情況，不能準(zhǔn)確測(cè)量電壓電流間的相位差角，故該法適用于線性負(fù)載或非線性負(fù)載負(fù)荷較

49、小的應(yīng)用場(chǎng)合。故適用于本設(shè)計(jì)。如果電力網(wǎng)最大負(fù)荷平均有功功率為P，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為cos，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為cos，則補(bǔ)償容量可用下述公式計(jì)算： （2-4）或者寫成： （2-5）有時(shí)候需要將提高到大于，小于，則補(bǔ)償容量滿足下述不等式：（2-6）所需補(bǔ)償容量 最大負(fù)荷平均無功功率最大負(fù)荷平均有功功率cos采用最大負(fù)荷日平均功率因數(shù)，定要適當(dāng)。通常將功率因數(shù)從0.9提高到1所需的補(bǔ)償容量與將功率因數(shù)從0.72提高到0.9所需的補(bǔ)償容量相當(dāng)。因此，在高功率因數(shù)下進(jìn)行補(bǔ)償其效益將顯著下降。這是因?yàn)樵诟吖β室驍?shù)下，曲線的上升率變小，因此，提高功率因數(shù)所需的補(bǔ)償容量將要相應(yīng)的增加。2.6 相位判斷 相位

50、判斷電路的基本原理為:將電網(wǎng)相電壓UA和相電流IA變換成適當(dāng)?shù)碾妷盒盘?hào)送入過零比較電路，轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，接到CPU的兩管腳上，通過對(duì)管腳的判斷，得出是電壓超前電流，還是電流超前電壓。若電壓超前電流，根據(jù)判斷條件進(jìn)行投入電容，反之，則切除電容。圖2.9(a)中電壓超前電流圖2.9(b)電流超前電壓。uiUAIAUAIAUi圖2.8(a)電壓超前電流 圖2.8(b)電流超前電壓硬件設(shè)計(jì)電路如圖附錄所示，在本設(shè)計(jì)中，電壓信號(hào)通過AD620放大轉(zhuǎn)換成合適的信號(hào)送入過零比較器接到CPU的P1.6，電流信號(hào)也通過AD620放大為合適的信號(hào)送入過零比較器接到CPU的P1.7.在軟件設(shè)計(jì)中，檢測(cè)P1.6, P

51、1.7引腳上Ul， U2跳變沿狀態(tài)。如果P1.6P1.7=11 B,表明此刻己經(jīng)出現(xiàn)相位差脈沖。為避免檢測(cè)誤差，等待PIAPI.?的狀態(tài)變化，若P1.6P1.7=10B,則判斷為電壓相位超前電流，置滯后標(biāo)志位，若P1.6P1.7=01B，則相位超前，置超前標(biāo)志位。2.7看門狗電路在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠地工作，常將RC電路接施迷特電路后再接入單片機(jī)復(fù)位端；或采用專用的復(fù)位電路芯片。MAX813L是MAXIN公司生產(chǎn)的一種體積小，功耗低，性價(jià)比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片，其引腳圖如圖2.4所示，引腳功能如下。（1）：手動(dòng)復(fù)位輸入端，低電平有效。當(dāng)該端低電平保持140ms以

52、上，MAX813L就輸出復(fù)位信號(hào)。（2）RESET：復(fù)位信號(hào)輸出端。上電時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生200ms的復(fù)位脈沖（高電平）；手動(dòng)復(fù)位端輸入低電平時(shí)，該端也產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)輸出。（3）WDI：看門狗輸入端。程序正常運(yùn)行時(shí)，必須在小于1.6s的時(shí)間間隔內(nèi)向該輸入端發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，以清楚芯片內(nèi)的看門狗定時(shí)器，若超過1.6s該輸入端收不到脈沖信號(hào)，則內(nèi)部定時(shí)器溢出，端輸出低電平。（4）：看門狗信號(hào)輸出端。正常工作時(shí)輸出保持高電平，看門狗輸出時(shí)，該端輸出信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖健＃?）PFI：電源故障輸入端。當(dāng)該端輸入電壓低于1.25V時(shí)，端輸出低電平。（6）：電源故障輸出端。電源正常時(shí)輸出保持高電平，電源電壓變低

53、或掉電時(shí)，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?。?）VCC：工作電源，接+5V。（8）GND：接地端。MAX813電路如圖2.9所示，該電路可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，程序運(yùn)行出現(xiàn)“死機(jī)”時(shí)的自動(dòng)復(fù)位和隨時(shí)的手動(dòng)復(fù)位。圖2.9 MAX813L引腳圖為實(shí)現(xiàn)單片機(jī)死機(jī)時(shí)自動(dòng)復(fù)位功能，需要在軟件設(shè)計(jì)中，P1.7不斷輸出脈沖信號(hào)（時(shí)間間隔小于1.6s），如果因某種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，則P1.7無脈沖輸出。于是1.6s后在MAX813L的端輸出低電平，該端加到端，使MAX813L產(chǎn)生一個(gè)200ms的復(fù)位脈沖輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，系統(tǒng)重新開始工作。2.8信號(hào)采集 電壓信號(hào)的采集用了電壓互感器，電流信號(hào)的采集采用了電流互感器

54、，其中電壓互感器是電流型的。電壓互感器的變比是1:1，電流互感器變比是4000:1(400A/1OOmA).2.8.1電壓信號(hào)的采集采用的電壓互感器型號(hào)為SPT204A，可以改變輸入CS5460A的電壓以及隔去輸入的直流成分，其匝數(shù)比為 1000: 1000,額定輸入 2mA/2mA，非線性度<<0.1 %。為了保證CS5460A的電壓信號(hào)輸入端在相電壓為220V的時(shí)候?yàn)?32mv，采用的電壓互感器變比為 1: 1，為了得到合適的電壓信號(hào):在輸入端加上 110K的電阻，這樣在電壓為220V的時(shí)候就會(huì)得到2mA的電流，在輸出端用51K和15K的電阻得到132mV的電壓信號(hào)。為了對(duì)互感

55、器的非線性進(jìn)行調(diào)節(jié)，在15K的電阻上并聯(lián)一個(gè)500K的電位器來進(jìn)行微調(diào)，這樣就能得到精確的電壓信號(hào)。圖2.10 電壓采集原理圖2.8.2電流信號(hào)的采集 選用的電流互感器為SCT2401A (400A / 100MA)，非線性度<<0.1%。用戶電流直接通過互感器得到，然后通過外加適當(dāng)?shù)碾娮鑱慝@得信號(hào)。該系統(tǒng)的最大輸入電流是400A,滿量程的輸入電壓150mv,互感器的輸出端最大電流為 100mA ,R=l50mV/100mA=1.5。對(duì)互感器的非線性進(jìn)行調(diào)節(jié)，選用 1.8的電阻，然后并聯(lián)一個(gè)100的電位器來調(diào)節(jié)，將其調(diào)節(jié)在1.5.圖2.11 電流采集原理圖2.9 輸入輸出部分本設(shè)計(jì)

56、是一個(gè)多開關(guān)量輸入輸出的控制裝置，由于開關(guān)量比較多，如果直接用CPU的UO口去控制，占用的口資源比較多。在本設(shè)計(jì)中有四路開關(guān)量輸入，四路開關(guān)量輸出，我們采用了74HC541 ,74HC541有三態(tài)功能，總線上可以掛幾十個(gè)芯片，因而能完成較大系統(tǒng)的I/O口的擴(kuò)展，彌補(bǔ)了單片機(jī)I/O口的不足。如果設(shè)計(jì)中需要的輸入輸出開關(guān)量比較多的時(shí)候，可以用74HC138譯碼器和74HC541來擴(kuò)展。本設(shè)計(jì)的開關(guān)量輸出是控制電容器的投切，開關(guān)量的輸入是作為電容器組的投切狀態(tài)信號(hào)輸入的。圖2.12為開關(guān)量輸入，該輸入端與電容組開關(guān)輔助開關(guān)的常閉接點(diǎn)連接，電容柜開關(guān)閉合，輔助開關(guān)常閉接點(diǎn)斷開，電容柜開關(guān)狀態(tài)輸入端電壓為0，電容柜開關(guān)斷開時(shí)，即切除電容時(shí)，接點(diǎn)電壓為+12V.當(dāng)CPU輸出P00-P06為1時(shí)，電容組柜閉合，電容投入，電