靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置.doc

遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 i 頁 靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置 摘摘 要要 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，各行各業(yè)對(duì)供電可靠性和供電質(zhì)量提出 了更高的要求。由于配電網(wǎng)處于電網(wǎng)的末端，用戶多為低壓用戶，許多用電器的功率 因數(shù)很低，且不帶補(bǔ)償裝置，這給電網(wǎng)帶來很大的功率負(fù)擔(dān)和額外線損，為了維護(hù)電 力系統(tǒng)穩(wěn)定、保證電能質(zhì)量和安全運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)末端變壓器進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償很有必 要。本文利用專用三相電能專用芯片 att7022b 為核心構(gòu)成的采樣控制器，實(shí)時(shí)檢測(cè) 電網(wǎng)的電壓、電流，有功、無功、功率因數(shù)，根據(jù)用電負(fù)荷情況，通過 51 單片機(jī)控制 電容器組的自動(dòng)投、切，實(shí)現(xiàn)無功功率的無功補(bǔ)償，并利用 12232 液晶顯示器顯示當(dāng) 前的有功、無功、功率因數(shù)等參數(shù)。 關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：功率因數(shù)，無功補(bǔ)償，att7022b，單片機(jī) 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 ii 頁 static dynamic var compensator abstract along with economy of the development and people live a horizontal exaltation, every trade put forward a higher request to the power supply credibility and the power supply quality.in order to going together with the bitter end that the charged barbed wire net is placed in charged barbed wire net, customer much is low-pressure customer, many powers factors which use an electric appliances are very low, and dont take repair device, this brings charged barbed wire net very big power burden with additional line , for the sake of maintenance electric power system stability, assurance electric power quality and safety circulate, to the charged barbed wire net bitter end transformer carry on right on the spot without achievement the repair has a necessity very much.this text makes use of appropriation three mutually the chip att7022 of the electric power appropriation b is core constitute of sample controller, solid hour examine the electric voltage, electric current of charged barbed wire net, have a great achievement, have no achievement, power factor, according to use electricity to carry a circumstance, pass 51 single slice machine control capacitor set of automatic hurl, slice, carry out to have no achievement power of without achievement compensate, and make use of 12232 liquid crystal displays manifestation to have a great achievement at present, have no achievement, power factor etc. keywords: power factor,var compensate,att7022b,single chip microcomputer 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 iii 頁 目錄 摘 要i 1 緒論緒論.1 1.1 無功補(bǔ)償?shù)囊饬x無功補(bǔ)償?shù)囊饬x 1 1.2 靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展 2 1.2.1 靜止無功補(bǔ)償?shù)淖饔门c類型2 1.2.2 svc 裝置的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介3 1.2.3 無功補(bǔ)償?shù)念愋?4 1.3.1 課題來源10 1.3.2 主要研究?jī)?nèi)容11 2 功率因數(shù)功率因數(shù).12 2.1 功率因數(shù)的定義功率因數(shù)的定義 12 2.2 功率因數(shù)的意義功率因數(shù)的意義 12 2.2.1 功率因數(shù)對(duì)電氣設(shè)備的影響.12 2.2.2 功率因數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的影響.13 2.2.3 補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果14 3 系統(tǒng)的芯片介紹系統(tǒng)的芯片介紹.16 3.1 dsp(att7022b)芯片介紹芯片介紹16 3.1.1 芯片特性16 3.1.2 功能簡(jiǎn)介16 3.1.3 電源監(jiān)控電路17 3.1.4 系統(tǒng)復(fù)位17 3.1.5 與單片機(jī)的接口技術(shù)18 3.2 單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹.20 3.2.1 單片機(jī)的硬件.20 3.2.2 單片機(jī)的總線.21 3.3 lcd 液晶顯示器液晶顯示器.22 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 iv 頁 3.3.1 液晶顯示器的基本特性23 4 硬件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件的系統(tǒng)設(shè)計(jì).28 4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì).28 4.1.1 基本理論28 4.1.2 att7022b 的外圍電路.29 4.2 控制器的硬件設(shè)計(jì)控制器的硬件設(shè)計(jì) 30 4.2.1 系統(tǒng)的基本工作原理.31 4.2.2 無功電流的檢測(cè)及補(bǔ)償容量的確定31 4.2.3 時(shí)鐘和復(fù)位電路的設(shè)計(jì)31 4.2.4 鍵盤和液晶顯示電路32 4.2.5 電源電路的設(shè)計(jì)34 4.2.6 投切電路的控制設(shè)計(jì)35 4.3 系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn).36 結(jié)論結(jié)論.37 致謝致謝.38 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).39 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 1 緒論緒論 1.1 無功補(bǔ)償?shù)囊饬x無功補(bǔ)償?shù)囊饬x 國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高帶來了電力負(fù)荷的高速增長(zhǎng)。尤 其是近兩、三年來，由于電力負(fù)荷增長(zhǎng)迅猛，而發(fā)電裝機(jī)容量和輸配電能力不足，造 成全國近 20 個(gè)省市電力供應(yīng)緊張，部分省市出現(xiàn)限電拉閘 1。與此同時(shí)，隨著電力市 場(chǎng)的開放，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也在提高；電力生產(chǎn)與供應(yīng)企業(yè)也比以往任何 時(shí)候都重視電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和電能質(zhì)量與無功功率有重大的關(guān)系。無功功率是電力系 統(tǒng)一種不可缺少的功率。大量的感性負(fù)荷和電網(wǎng)中的無功功率損耗，要求系統(tǒng)提供足 夠的無功功率，否則電網(wǎng)電壓將下降，電能質(zhì)量得不到保證。同時(shí)，無功功率的不合 理分配，也將造成線損增加，降低電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 無功功率從何而來？顯然，發(fā)電機(jī)提供的無功功率相對(duì)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)對(duì)無功功率的 需求來說只是“杯水車薪”，僅僅依靠發(fā)電機(jī)提供無功功率也是極不經(jīng)濟(jì)的。無功功率 最主要的來源是利用各種無功功率補(bǔ)償（以下簡(jiǎn)稱無功補(bǔ)償）設(shè)備在電力系統(tǒng)的各個(gè) 環(huán)節(jié)進(jìn)行無功補(bǔ)償。因此，無功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它是保證電能質(zhì)量 和實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本手段。 低壓電力用戶量大面廣，其負(fù)荷的功率因數(shù)又大都比較低，因此在低壓電網(wǎng)中進(jìn) 行無功功率的就地補(bǔ)償是整個(gè)電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)闹匾h(huán)節(jié)。 低壓電網(wǎng)的無功補(bǔ)償主要采用并聯(lián)電容器進(jìn)行，它包括固定電容器（fc）補(bǔ)償和 自動(dòng)投切電容器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償以及兩者混合補(bǔ)償?shù)确绞健?電力負(fù)荷是隨時(shí)變化的，所需要的無功功率也是隨時(shí)變化的，為了維持無功平衡， 要求無功補(bǔ)償設(shè)備實(shí)行補(bǔ)償，即要根據(jù)無功負(fù)荷的變化及時(shí)投切電容器。以往的低壓 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備以機(jī)械開關(guān)（接觸器）作為電容器的投切開關(guān)，機(jī)械開關(guān)不僅動(dòng)作 速度慢，而且會(huì)產(chǎn)生諸如涌流沖擊、過電壓、電弧重燃等現(xiàn)象，開關(guān)本身和電容器都 容易損壞。據(jù)調(diào)查，我國過去使用的自動(dòng)投切電容器無功補(bǔ)償裝置在使用 3 年后損壞 率達(dá) 75。 隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了智能型的動(dòng)態(tài) 無功補(bǔ)償裝置。這種以電力電子器件作為無功器件（電容器、電抗器）的控制或開關(guān) 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 器件的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置被稱為靜止無功補(bǔ)償裝置（svc：static var compensator） 。 svc 是動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向，它正成為傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置的更新?lián)Q代產(chǎn) 品。正因?yàn)槿绱耍菊n題選擇這一技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究。 1.2 靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展 1.2.11.2.1 靜止無功補(bǔ)償?shù)淖饔门c類型靜止無功補(bǔ)償?shù)淖饔门c類型 對(duì)電力系統(tǒng)中無功功率進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)如下的功能： （1）對(duì)動(dòng)態(tài)無功負(fù)荷的功率因數(shù)校正。 （2）改善電壓調(diào)整。 （3）提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩。 （4）降低過電壓。 （5）減少電壓閃變。 （6）阻尼次同步振蕩。 （7）減少電壓和電流的不平衡。 應(yīng)當(dāng)指出，以上這些功能雖然是相互關(guān)聯(lián)的，但實(shí)際的靜止無功補(bǔ)償裝置往往只能 以其中某一條或某幾條為直接控制目標(biāo)，其控制策略也因此而不同。此外，這些功能 有的屬于對(duì)一個(gè)或幾個(gè)在一起的負(fù)載的補(bǔ)償效果（負(fù)載補(bǔ)償） ，有的則是以整個(gè)輸電系 統(tǒng)性能的改善和傳輸能力的提高為目標(biāo)（輸電補(bǔ)償） ，而改善電壓調(diào)整，提高電壓的穩(wěn) 定度，則可以看作是兩者的共同目標(biāo)。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)補(bǔ)償裝置容量的要求也 不一樣。以電弧爐、電解、軋機(jī)等大容量工業(yè)沖擊負(fù)荷為直接補(bǔ)償對(duì)象的無功補(bǔ)償裝 置，要求的容量較小，而以電力系統(tǒng)性能為直接控制目標(biāo)的系統(tǒng)用無功補(bǔ)償裝置，則 要求具有較大的容量，往往達(dá)到幾十或幾百兆乏。 早期的無功補(bǔ)償裝置的典型代表是同步調(diào)相機(jī)。同步調(diào)相機(jī)能進(jìn)行動(dòng)態(tài)的無功補(bǔ)償， 至今在無功補(bǔ)償領(lǐng)域中還在使用，而且隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，其控制性能還有所改善。 但同步調(diào)相機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，其損耗、噪聲都很大，它正被靜止無功補(bǔ)償裝置 （svc）所取代。 svc 近年來獲得了很大發(fā)展，已廣泛用于輸電系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償。早期 的 svc 是飽和電抗器（sr）型的，盡管它具有靜止型的優(yōu)點(diǎn)，但它需要工作在飽和狀 態(tài)，損耗和噪聲都很大，而且存在非線性的問題，因而未能占據(jù) svc 的主流。采用并 聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償有一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而在電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償中獲得廣泛應(yīng)用。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 并聯(lián)電容器補(bǔ)償可采用固定電容器（fc）補(bǔ)償和開關(guān)投切電容器的自動(dòng)補(bǔ)償。前 者是不能調(diào)節(jié)的，不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；后者用開關(guān)投切電容器，能進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。 傳統(tǒng)的電容器動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置采用機(jī)械開關(guān)（接觸器或斷路器）投切電容器。機(jī)械 開關(guān)的開關(guān)速度較慢，不可能快速跟蹤負(fù)荷無功功率的變化；而且投切電容器時(shí)常會(huì) 引起較為嚴(yán)重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣開關(guān)觸頭易受電弧作用而損壞，而且可 能使電容器承受過電壓而擊穿。 隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，晶閘管開始用于 svc 裝置中，出現(xiàn)了晶閘管控制 電抗器（tcr）和晶閘管投切電容器（tsc）這兩種基本結(jié)構(gòu)型式的 svc，以及它們 的混合裝置，如 tcrtsc、tcrfc 等。 使用晶閘管對(duì)無功器件（電容器和電抗器）進(jìn)行投切或控制的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快， 可以頻繁投切。因此，使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置近年來發(fā)展很快，靜止無功補(bǔ) 償裝置（svc）這個(gè)詞往往專指使用晶閘管等電力電子開關(guān)器件的靜止無功補(bǔ)償裝置。 1977 年，美國 ge 公司首次在實(shí)際電力系統(tǒng)中演示運(yùn)行了其使用晶閘管的靜止無 功補(bǔ)償裝置。1978 年，在美國電力研究院（epri）的支持下，西屋電氣公司 （westinghouse electric corp）制造的使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置投入實(shí)際運(yùn)行。 隨后，世界各大電氣公司都競(jìng)相推出了各具特點(diǎn)的系列產(chǎn)品。我國也先后引進(jìn)了數(shù)套 這類裝置。由于使用晶閘管的靜止無功補(bǔ)償裝置具有優(yōu)良的性能，所以，自 20 世紀(jì) 80 年代以來，在世界范圍內(nèi)其市場(chǎng)一直在迅速而穩(wěn)定地增長(zhǎng)，已占據(jù)靜止無功補(bǔ)償裝置 的主導(dǎo)地位。 1.2.21.2.2 svcsvc 裝置的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介裝置的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介 svc 控制系統(tǒng)由位于遠(yuǎn)程通過網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)程主機(jī)、上位機(jī)、監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)以及 位于現(xiàn)場(chǎng)的下位機(jī) dsp 控制器、tcr 脈沖發(fā)生板、tsc 脈沖發(fā)生板等組成，如圖 21 所示。遠(yuǎn)程主機(jī)是指通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行相連接的工控機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)可以 監(jiān)控位于不同地域 svc 運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、修改、記錄存盤。 上位機(jī)指的是一臺(tái)遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的工控機(jī)，它通過串口與下位機(jī)進(jìn)行通信，并且通過 局域網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行相連，其主要作用就是根據(jù)用戶或設(shè)備調(diào)試人員的要求， 修改控制算法、計(jì)算控制參數(shù)、定制控制方式，并將這些信息傳遞給下位機(jī)：同時(shí)， 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 上位機(jī)也可以通過和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而在遠(yuǎn) 程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的 svc 裝置進(jìn)行控制。 監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)主要功能是通過與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的保護(hù)閥 值進(jìn)行判斷系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，如果有超過保護(hù)閥值的還有根據(jù)其保護(hù)的等級(jí)判斷其 是報(bào)警、裝置與系統(tǒng)脫離等?？傊O(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)就是時(shí)刻監(jiān)控并保護(hù)整個(gè) svc 裝置 在正常的運(yùn)行范圍之內(nèi)。 下位機(jī)指的是位于現(xiàn)場(chǎng)的 svc 控制器，它是整個(gè) svc 控制系統(tǒng)的重中之重。 svc 控制器由三個(gè)部分構(gòu)成：dsp 主控制板、tcr 脈沖發(fā)生板和 tsc 過零觸發(fā)板。 其中 dsp 主控制板根據(jù)上位機(jī)的參考設(shè)定及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)確定 svc 應(yīng)當(dāng)輸出的 tcr 相位信號(hào)和 tsc 的投切指令；tcr 脈沖發(fā)生板根據(jù) dsp 主控制板輸出的移相角信號(hào) 和同步電壓信號(hào)發(fā)出高頻的電脈沖信號(hào)；tsc 過零觸發(fā)板則根據(jù) dsp 主控制板輸出的 投切指令產(chǎn)生投切電容器的高頻電脈沖信號(hào)。 圖 1.1 svc 裝置的控制系統(tǒng)組成 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁 1.2.31.2.3 無功補(bǔ)償?shù)念愋蜔o功補(bǔ)償?shù)念愋?1同步調(diào)相機(jī) 調(diào)相機(jī)是電網(wǎng)中最早使用的無功補(bǔ)償裝置。調(diào)相機(jī)的基本原理與同步發(fā)電機(jī)沒有區(qū) 別，它不發(fā)有功功率只輸出無功電流，因此不需要原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，沒有啟動(dòng)電機(jī)的調(diào)相 機(jī)也沒有軸伸，實(shí)質(zhì)就是相當(dāng)于一臺(tái)在電網(wǎng)中空轉(zhuǎn)的同步發(fā)電機(jī)。 調(diào)相機(jī)的工作是通過改變激磁電流的大小來實(shí)現(xiàn)無功功率的調(diào)節(jié)。當(dāng)增加激磁電流 時(shí)，其輸出的容性無功電流增大。當(dāng)減小激磁電流時(shí)，其輸出的容性無功電流減小。 當(dāng)激磁電流減小到一定程度時(shí)，輸出無功電流為零，只有很小的有功電流用于彌補(bǔ)調(diào) 相機(jī)的損耗。當(dāng)激磁電流進(jìn)一步減小時(shí)，輸出感性無功電流。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) 多余的無功功率而將電壓調(diào)低。 調(diào)相機(jī)容量大、有較大的過負(fù)荷能力、對(duì)諧波不敏感、可以雙向、連續(xù)調(diào)節(jié)：能獨(dú) 立地用調(diào)節(jié)勵(lì)磁來調(diào)節(jié)無功的大??；并且具有當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)輸出無功電流自動(dòng)增 加的特點(diǎn)。但其價(jià)格高，效率低，運(yùn)行成本高；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；發(fā)生失磁故障時(shí)將加重系統(tǒng)的電壓波動(dòng)。 2并聯(lián)電容器補(bǔ)償 并聯(lián)電容器補(bǔ)償是目前應(yīng)用最廣的一種無功補(bǔ)償方式，其電壓等級(jí)和補(bǔ)償容量可以 通過電容器的串聯(lián)、并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)，理論上可以達(dá)到任何的電壓等級(jí)和補(bǔ)償容量。由于 沒有旋轉(zhuǎn)部件，因此運(yùn)行時(shí)基本上沒有噪聲。并且目前隨著無功補(bǔ)償電容器技術(shù)的發(fā) 展，高壓電容器的損耗率已降至0.05以下，又有調(diào)相機(jī)的有功損耗滿載時(shí)所占額定功 率的1.85.5，50額定負(fù)載時(shí)占2.99，25額定負(fù)載時(shí)高達(dá)515，而且自愈 式電容器其自身都有自愈能力使得其可靠性大大提高。1999年底全國電網(wǎng)調(diào)相機(jī)與并 聯(lián)電容器容量之比已達(dá)l：25.6左右。 由于電容器阻抗與頻率成反比，因此對(duì)于系統(tǒng)中的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，易于系統(tǒng) 阻抗形成串并聯(lián)諧振，對(duì)系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行放大。同時(shí)由于大量諧波的流入易引起電 容器的過負(fù)荷運(yùn)行，使電容器發(fā)熱超過設(shè)計(jì)值，減少電容器的使用壽命。 并聯(lián)電容器補(bǔ)償具有功率損耗小、投資少、可自動(dòng)投切、維護(hù)簡(jiǎn)易、容量可任意選 擇等特點(diǎn)，但不能連續(xù)調(diào)節(jié)、負(fù)荷調(diào)節(jié)特性差，這是由于當(dāng)無功負(fù)荷增大，電容器的 補(bǔ)償容量與電壓的平方成正比()，因電壓下降而無功輸出減小，故調(diào)壓效 2 c qcu 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 果下降：對(duì)系統(tǒng)中的高次諧波有放大作用，在諧波電流過大時(shí)，可能引起內(nèi)部過熱， 嚴(yán)重時(shí)甚至引起爆炸。 3并聯(lián)電抗器 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，其主要功能是：吸 收容性電流，補(bǔ)償容性無功，使系統(tǒng)達(dá)到無功平衡；削弱電容效應(yīng)，限制系統(tǒng)的工頻 電壓升高及操作過電壓。其不足之處是容量固定的并聯(lián)電抗器，當(dāng)線路傳輸功率接近 自然功率時(shí)，會(huì)使線路電壓過分降低，且造成附加有功損耗，但若將其切除，則線路 在某些情況下又可能因失去補(bǔ)償而產(chǎn)生不能允許的過電壓。 4靜止無功補(bǔ)償器 靜止無功補(bǔ)償器(svc)是用戶電力技術(shù)(customer power，cuspow)的一種，是20世 紀(jì)70年代初期發(fā)展起來的新技術(shù)?！办o止”是針對(duì)旋轉(zhuǎn)的同步調(diào)相機(jī)而言的，國內(nèi)多稱 其為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器，這是針對(duì)固定電容器組(fixed capacitor，fc)而言。svc是通過 控制晶閘管的導(dǎo)通角來快速調(diào)節(jié)并聯(lián)電抗器的大小或投切電容器組。它對(duì)調(diào)節(jié)負(fù)荷功 率因數(shù)、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、平衡三相負(fù)荷等有顯 著的作用14j。將它裝設(shè)于高壓輸電系統(tǒng)可用以控制長(zhǎng)距離輸電線路甩負(fù)荷、空載效應(yīng) 等引起的動(dòng)態(tài)過電壓，改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)的無功功率及電壓振蕩。它 具有價(jià)格適中，性能可靠等特點(diǎn)。svc最基本的兩種類型結(jié)構(gòu)為晶閘管相控電抗器型 (thyristor phase controlled reactor，tcr)和晶閘管投切電容器型(thyristor switched capacitor，tsc)。tcr和tsc可以相互之間組成tcr+tsc，或者與fc組成tcr+fc和 tcr+tsc+fc等混合型結(jié)構(gòu)，對(duì)于負(fù)載補(bǔ)償絕大多數(shù)采用tcr+fc型。以下就各類型結(jié) 構(gòu)及其特點(diǎn)進(jìn)行說明。 5tcr型 tcr是由一對(duì)相反極性并聯(lián)的晶閘管(串)和控制的電抗器串聯(lián)組成。其電路原理圖 及電流波形如圖1.2所示。thl與th2為兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 圖 1.2 tcr 的電路圖和電流波形 在電壓的每個(gè)正的或負(fù)的半周期中，從電壓峰值到電壓過零點(diǎn)的問隔內(nèi)，觸發(fā)晶閘 管(串)，承受正向電壓的晶閘管(串)導(dǎo)通，電抗器進(jìn)入投入狀態(tài)。一般用控制角口來表 示晶閘管(串)的觸發(fā)瞬間，它是從電壓過零點(diǎn)到觸發(fā)時(shí)刻的角度，它的大小決定了流過 電抗器電流f的大小，相當(dāng)于改變電抗器的電抗值。如果晶閘管(串)在電源電壓峰值時(shí) 準(zhǔn)確地導(dǎo)通，即其脈沖觸發(fā)相角為90時(shí)，為完全導(dǎo)通，此時(shí)回路電流i與晶閘管短路 時(shí)相等，電流基本上是無功的。滯后于電壓約90，其中包含少量的同相分量，這是由 電抗器和晶閘管(串)的有功損耗引起的。當(dāng)為90180時(shí)晶閘管為部分導(dǎo)通，此時(shí)i 要小于90時(shí)的值以公式表達(dá)為： 00 ( )(coscos) 2/2 03 / 2 l t i ttuxt t 式中，utcr的交流端電壓有效值； 電抗器的基頻電抗，； l x l xl 晶閘管導(dǎo)通角； 將式(11)用傅立葉級(jí)數(shù)展開，可得f的基頻分量為: 1 2()sin2 l iu x 因此，改變的大小就控制了回路基頻電流的大小，即控制了回路的基頻感性無功 輸出的大小。對(duì)基波而言，晶閘管控制的電抗器可以看成一個(gè)可控電納，其等效的電 納值和控制角口的關(guān)系如下: 2()sin2 ( ) l l b x 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 圖 1.3 與之間的關(guān)系曲線 l b 與，之間的關(guān)系曲線如圖1.3所示?；谶@種關(guān)系的控制就叫做相控。 l b tcr通常有六脈沖電抗器及十二脈沖電抗器兩種類型。 6tsc 晶閘管投切電容器由一對(duì)相反極性并聯(lián)的晶閘管(串)與電容器以及一電抗器串聯(lián)而 成。其電路原理圖及工作特性如圖1.4所示，根據(jù)負(fù)載感性無功功率的變化，切除或投 入電容器組。 圖1.4 tsc電路原理及工作特性曲線 用反極性并聯(lián)的晶閘管(串)作為投切電容器組的開關(guān)，它比斷路器開關(guān)響應(yīng)更迅速， 可靠性更高。電抗的作用是防止電容器突然投入時(shí)電流變化率di/dt在晶閘管可以接受 的程度以內(nèi)。用晶閘管(串)投切電容器組時(shí)，通常選取晶閘管閥兩端電壓過零點(diǎn)作為觸 發(fā)晶閘管的時(shí)刻，大大降低合閘涌流和合閘過電壓。在晶閘管兩端電壓為零時(shí)刻給予 晶閘管觸發(fā)脈沖，使其導(dǎo)通，電容器被投入；停止發(fā)出脈沖，晶閘管在電流過零時(shí)自 然關(guān)斷，電容器被切除。tsc的優(yōu)點(diǎn)是tsc中的電容器只有投入(晶閘管導(dǎo)通)和切除(晶 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 閘管不導(dǎo)通)兩個(gè)狀態(tài)，所以不產(chǎn)生諧波，但無功功率的補(bǔ)償容量是跳躍的，大小等于 單個(gè)電容器組的容量，且響應(yīng)速度較差。在負(fù)荷產(chǎn)生諧波電流大的場(chǎng)合，如冶金企業(yè)、 電氣化鐵道等，tsc的運(yùn)行將是不可靠的，因?yàn)橹C波的注入使得并聯(lián)電容器出現(xiàn)過流、 過壓及過熱情況而導(dǎo)致電容器擊穿、“鼓肚”甚至爆炸事件。 7tcr+tsc混合型 tcr+tsc混合型svc裝置一般使用擰組電容器及一組晶閘管相控電抗器，其基本 運(yùn)行原理是：當(dāng)系統(tǒng)電壓低于設(shè)定的運(yùn)行電壓時(shí)，則需根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功量， 投入適當(dāng)組數(shù)的電容器組，并略有一點(diǎn)正偏差(即過補(bǔ)償)，此時(shí)再用晶閘管相控電抗器 的感性無功功率來抵消這部分過補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功功率；而當(dāng)系統(tǒng)電壓高于設(shè)定的運(yùn)行 電壓時(shí)，則切除所有的電容器組，tcr+tsc混合型svc裝置此時(shí)只有tcr運(yùn)行。其原 理及電壓電流特性曲線示于圖l.5所示。 這種型式的svc裝置，tcr的運(yùn)行特性會(huì)“插入”電容器特性之間。如果tcr的特性 有一個(gè)小的j下斜率，則合成的特性將如圖中的實(shí)線所示。從圖中可知，tcr的電流額 定值應(yīng)當(dāng)稍大于一組電容器在額定電壓下的值，否則就會(huì)得到圖中陰影所示的死區(qū)。 圖l.5 (tcr+tsc)原理圖和可能的工作特性曲線 8tct tct是一種特殊tcr，如圖1.6所示，由晶閘管控制高漏抗變壓器的二次側(cè)電流。 高漏抗變壓器的漏抗可達(dá)70以上，晶閘管接在變壓器二次側(cè)，并聯(lián)均流時(shí)可承受大 的電流，而變壓器一次側(cè)可接至高電壓的母線上。由于tct的漏磁很大，因此必須加 強(qiáng)變壓器箱體對(duì)漏磁的屏蔽。而當(dāng)tct用于電弧爐等三相不平衡負(fù)荷的無功補(bǔ)償、并 將tct作成三相變壓器型式時(shí)，其鐵芯必須有兩邊芯柱作為零序磁通的閉合鐵心磁路。 但由于高漏抗變壓器造價(jià)較高，在工程上一般大于30mvar的svc多不采用tct而采用 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 tcr。 圖l.6 tct原理圖 9靜止無功發(fā)生器 靜止無功發(fā)生器(static var generator，svg)也被稱為靜止同步補(bǔ)償器(statcom)， 是在20世紀(jì)80年代以來出現(xiàn)的更為先進(jìn)的靜止無功補(bǔ)償裝置。圖1.7所示，為svg的基 本構(gòu)成，它由直流電容、電壓型變流器和與系統(tǒng)連接的變壓器構(gòu)成。裝置中6個(gè)可關(guān)斷 晶閘管(gto/igbt)分別與6個(gè)二極管反向并聯(lián)，適當(dāng)控制gtolgbt的通斷，可以把 電容器c上的直流電壓轉(zhuǎn)變成為與電力系統(tǒng)電壓同步的三相交流電壓，裝置的交流側(cè)通 過電抗器或變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)。適當(dāng)控制逆變器的輸出電壓就可以靈活地改變svg 的運(yùn)行工況，使其處于容性負(fù)荷、感性負(fù)荷或零負(fù)荷狀態(tài)。與svc相比，svg的響應(yīng) 速度更快，運(yùn)行范圍更寬，諧波電流含量更小，尤其重要的是，電壓較低時(shí)svg仍可 向系統(tǒng)注入較大的無功電流。在穩(wěn)態(tài)情況下，svg的直流側(cè)和交流側(cè)之間沒有有功功 率交換，無功功率在三相之間流動(dòng)，因此它的直流儲(chǔ)能元件(電容器)只需要較小容量的 電容即可。 圖l.7 svg系統(tǒng)原理圖和電壓電流特性曲線 與svc相比，svg的調(diào)節(jié)速度更快且不需要大容量的電容、電感等儲(chǔ)能元件，諧波 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 含量小，同容量占地面積小，在系統(tǒng)欠壓條件下無功調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。此外，svg裝置用 銅和鐵較少，且有優(yōu)良的補(bǔ)償特性，因此是新一代無功補(bǔ)償裝置的代表，有很大的發(fā) 展前途。 1.3 課題來源及主要研究?jī)?nèi)容課題來源及主要研究?jī)?nèi)容 1.3.11.3.1 課題來源課題來源 本課題是針對(duì)國內(nèi)現(xiàn)有的電容器自動(dòng)投切裝置存在下列問題而提出的： （1）采用接觸器或斷路器作投切開關(guān)，無法實(shí)現(xiàn)零電壓（電網(wǎng)電壓與電容器電壓之 差）投切，這樣會(huì)產(chǎn)生很大的涌流沖擊，容易損壞電力電容器和投切開關(guān)等設(shè)備。 （2）采用機(jī)械開關(guān)投切無法實(shí)現(xiàn)分相投切，這樣在三相負(fù)荷不平衡時(shí)達(dá)不到補(bǔ)償效 果，并可能出現(xiàn)某些相過補(bǔ)償。 （3）投切判據(jù)單一，通常根據(jù)以下五種方法之一來對(duì)電容器進(jìn)行投切：電網(wǎng)電壓高 低、無功功率方向、功率因數(shù)大小、負(fù)荷電流大小、晝夜時(shí)間劃分。很明顯，這種投 切方式無法做到最優(yōu)化補(bǔ)償，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償。以功率因數(shù)作為投切判據(jù)的無功 補(bǔ)償裝置，在小負(fù)荷情況下會(huì)出現(xiàn)投切振蕩。 1.3.21.3.2 主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容 1.功率因數(shù)的檢測(cè)技術(shù)。 2.無功補(bǔ)償?shù)目刂品桨浮?3.專用芯片 dsp(att7022b)的技術(shù)性能、與單片機(jī)的接口及讀寫技術(shù)。 4.單片機(jī)自動(dòng)補(bǔ)償控制方案。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 2 功率因數(shù)功率因數(shù) 2.1 功率因數(shù)的定義功率因數(shù)的定義 在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào) cos 表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即功率因數(shù)的大小與電路 的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為 1，一般具有電感或 電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于 1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功 率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn) 換的無功功率大， 從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門 對(duì)用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。 (1) 最基本分析：拿設(shè)備作舉例。例如：設(shè)備功率為 100 個(gè)單位，也就是說，有 100 個(gè)單位的功率輸送到設(shè)備中。然而，因大部分電器系統(tǒng)存在固有的無功損耗，只能 使用 70 個(gè)單位的功率。很不幸，雖然僅僅使用 70 個(gè)單位，卻要付 100 個(gè)單位的費(fèi)用。 在這個(gè)例子中，功率因數(shù)是 0.7 (如果大部分設(shè)備的功率因數(shù)小于 0.9 時(shí)，將被罰款)， 這種無功損耗主要存在于電機(jī)設(shè)備中(如鼓風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)、壓縮機(jī)等)，又叫感性負(fù)載。 功率因數(shù)是電能的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。 (2) 基本分析：每種電機(jī)系統(tǒng)均消耗兩大功率，分別是真正的有功功率(叫千瓦)及 電抗性的無功功率。功率因數(shù)是有功功率與視在功率間的比率。功率因數(shù)越高，有功 功率與視在功率間的比率便越高，系統(tǒng)運(yùn)行則更有效率。 (3) 高級(jí)分析：在感性負(fù)載電路中，電流波形峰值在電壓波形峰值之后發(fā)生。兩種 波形峰值的分隔可用功率因數(shù)表示。功率因數(shù)越低，兩個(gè)波形峰值則分隔越大。無功 功率補(bǔ)償能使兩個(gè)峰值逐漸接近在一起，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。 2.2 功率因數(shù)的意義功率因數(shù)的意義 2.2.12.2.1 功率因數(shù)對(duì)電氣設(shè)備的影響功率因數(shù)對(duì)電氣設(shè)備的影響 功率因數(shù)是交流電路的重要技術(shù)數(shù)據(jù)之一。功率因數(shù)的高低，對(duì)于電氣設(shè)備的利 用率和分析、研究電能消耗等問題都有十分重要的意義。 在二端網(wǎng)絡(luò)中消耗的功率是指平均功率，也稱為有功功率，它等于 由此可以看出，電路中消耗的功率 p，不僅取決于電壓 v 與電流 i 的大小，還與功率 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 因數(shù)有關(guān)。而功率因數(shù)的大小，取決于電路中負(fù)載的性質(zhì)。對(duì)于電阻性負(fù)載，其電壓 與電流的位相差為 0，因此，電路的功率因數(shù)最大（） ；而純電感電路，電壓 與電流的位相差為 2，并且是電壓超前電流；在純電容電路中，電壓與電流的位相 差則為（2） ，即電流超前電壓。在后兩種電路中，功率因數(shù)都為 0。對(duì)于一般性 負(fù)載的電路，功率因數(shù)就介于 0 與 1 之間。 一般來說，在二端網(wǎng)絡(luò)中，提高用電器的功率因數(shù)有兩方面的意義，一是可以減小 輸電線路上的功率損失；二是可以充分發(fā)揮電力設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、變壓器等）的潛力。 因?yàn)橛秒娖骺偸窃谝欢妷?u 和一定有功功率 p 的條件下工作，由公式 可知，功率因數(shù)過低，就要用較大的電流來保障用電器正常工作，與此同時(shí)輸電線路 上輸電電流增大，從而導(dǎo)致線路上焦耳熱損耗增大。另外，在輸電線路的電阻上及電 源的內(nèi)組上的電壓降，都與用電器中的電流成正比，增大電流必然增大在輸電線路和 電源內(nèi)部的電壓損失。因此，提高用電器的功率因數(shù)，可以減小輸電電流，進(jìn)而減小 了輸電線路上的功率損失。 2.2.22.2.2 功率因數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的影響功率因數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)的影響 功率因數(shù)過低，對(duì)電力系統(tǒng)的影響很大，而尤其對(duì)電網(wǎng)企業(yè)影響最大： (1)當(dāng)用戶功率因數(shù)偏低時(shí)，需要從網(wǎng)上吸收無功功率，這樣發(fā)電機(jī)組就要多發(fā)無 功，而發(fā)無功也是需要能量的，它少發(fā)了有功，相當(dāng)于降低了發(fā)電機(jī)的出力； (2)無功負(fù)荷在網(wǎng)上傳送，白白占用了輸、變、配電設(shè)備的資源，使上述設(shè)備利用 率降低，而設(shè)備運(yùn)行效率是以有功計(jì)算的，因而它使設(shè)備達(dá)不到額定功率，功率降低； 為達(dá)到規(guī)定的功率，就要增大設(shè)備容量，提高了設(shè)備投資額； (3)無功影響電壓，無功的傳輸和大量消耗，使系統(tǒng)電壓不能滿足要求，線路未端 會(huì)電壓很低，造成設(shè)備不能起車或達(dá)不到額定功率； (4)無功的缺乏，會(huì)使線路及電氣設(shè)備中的電流增大，使損耗增大，即線損增加， 增大電費(fèi)支出。 用電者是 1 千瓦的負(fù)載，那么不管功率因數(shù)是 0.5，還是 0.9，他工作 1 小時(shí)實(shí)際 上電表顯示都是 1 度電，而國家規(guī)定是按有功電量收費(fèi)電費(fèi)。 正是因?yàn)樯厦?4 點(diǎn)原因，用戶功率因數(shù)是 0.5 或是 0.9，在線路上的損耗卻是不一 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 樣的，如果各個(gè)用戶功率因數(shù)都低，合在一起就不的了了，因而要求用戶無功功率“就 地補(bǔ)償”自己補(bǔ)償自己的。 2.2.32.2.3 補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果 根據(jù)檢測(cè)自然平均功率因數(shù)在 0.700.85 之間。企業(yè)消耗電網(wǎng)的無功功率約占消 耗有功功率的 60%90%,如果把功率因數(shù)提高到 0.95 左右，則無功消耗只占有功消耗 的 30%左右。由于減少了電網(wǎng)無功功率的輸入，會(huì)給用電企業(yè)帶來效益。 1、節(jié)省企業(yè)電費(fèi)開支。提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)的直接經(jīng)濟(jì)效益是明顯的，因?yàn)閲?電價(jià)制度中，從合理利用有限電能出發(fā)，對(duì)不同企業(yè)的功率因數(shù)規(guī)定了要求達(dá)到的不 同數(shù)值，低于規(guī)定的數(shù)值，需要多收電費(fèi)，高于規(guī)定數(shù)值，可相應(yīng)地減少電費(fèi)。可見， 提高功率因數(shù)對(duì)企業(yè)有著重要的經(jīng)濟(jì)意義。 2、提高設(shè)備的利用率。對(duì)于原有供電設(shè)備來講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù) 的提高，負(fù)荷電流減少，因此向負(fù)荷傳送功率所經(jīng)過的變壓器、開關(guān)和導(dǎo)線等供配電 設(shè)備都增加了功率儲(chǔ)備，從而滿足了負(fù)荷增長(zhǎng)的需要；如果原網(wǎng)絡(luò)已趨于過載，由于 功率因數(shù)的提高，輸送無功電流的減少，使系統(tǒng)不致于過載運(yùn)行，從而發(fā)揮原有設(shè)備 的潛力；對(duì)尚處于設(shè)計(jì)階段的新建企業(yè)來說則能降低設(shè)備容量，減少投資費(fèi)用，在一 定條件下，改善后的功率因數(shù)可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無功補(bǔ)償不但 減少初次投資費(fèi)用，而且減少了運(yùn)行后的基本電費(fèi)。 3、降低系統(tǒng)的能耗。補(bǔ)償前后線路傳送的有功功率不變，p= iucos，由于 cos 提高，補(bǔ)償后的電壓 u2 稍大于補(bǔ)償前電壓 u1,為分析問題方便，可認(rèn)為 u2u1 從而 導(dǎo)出。即,這樣線損 p 減少的百分?jǐn)?shù)為： 1122 coscosii 12 21 cos cos i i 當(dāng)功率因數(shù)從 0.700.85 提高到 0.95 時(shí)，由 221 122 cos2 %(1) 100%(1) 100% cos2 i p i (2)式可求得有功損耗將降低 20%45%。 4、改善電壓質(zhì)量。以線路末端只有一個(gè)集中負(fù)荷為例，假設(shè)線路電阻和電抗為 r、x,有功和無功為 p、q,則電壓損失 u 為：u=（pr qx）/ue10-3(kv) 兩部分損 失：pr/ ue輸送有功負(fù)荷 p 產(chǎn)生的；qx/ue輸送無功負(fù)荷 q 產(chǎn)生的；配電線路： x=（24）r，u 大部分為輸送無功負(fù)荷 q 產(chǎn)生的變壓器：x=（510）r qx/ue=(510) pr/ ue 變壓器u 幾乎全為輸送無功負(fù)荷 q 產(chǎn)生的。可以看出，若減少 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 無功功率 q,則有利于線路末端電壓的穩(wěn)定，有利于大電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。因此，無功補(bǔ)償 能改善電壓質(zhì)量（一般電壓穩(wěn)定不宜超過 3%） 。但是如果只追求改善電壓質(zhì)量來裝設(shè) 電容器是很不經(jīng)濟(jì)的，對(duì)于無功補(bǔ)償應(yīng)用的主要目的是改善功率因數(shù)，減少線損，調(diào) 壓只是一個(gè)輔助作用。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 3 系統(tǒng)的芯片介紹系統(tǒng)的芯片介紹 3.1 dsp(att7022b)芯片介紹芯片介紹 目前的常用的功率因數(shù)的檢測(cè)方法：任意兩相的電壓與另一相的電流之間的相位差 。存在的問題：因?yàn)榇嬖诟叽沃C波的作用，過零檢測(cè)時(shí)存在多個(gè)零點(diǎn)，使檢測(cè)的結(jié)果 不準(zhǔn)確，甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤的判斷。有的資料指出進(jìn)行濾波處理，但這樣會(huì)使電壓產(chǎn)生相 移，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。三相電能專用芯片 att7022b 采用的是 dsp 基波分離技術(shù)，能 夠精確測(cè)量三相的有功、無功、視在功率、功率因數(shù)等參數(shù)，無須計(jì)算，能夠滿足系 統(tǒng)的需要，利用已有的成果可以避免重復(fù)勞動(dòng)。 3.1.13.1.1 芯片特性芯片特性 高精度,在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍(1000:1)內(nèi),非線型測(cè)量誤差小于 0.1%；有功測(cè)量滿足 0.2s、0.5s，支持 iec 62053-22，gb/t17883-1998；無功測(cè)量滿足 2 級(jí)、3 級(jí)，支持 iec 620533-23，gb/t17882-1999；提供基波、諧波電能以及總電能測(cè)量功能；提供視 在電能測(cè)量功能；提供正向和反向有功/無功電能數(shù)據(jù)；提供有功、無功、視在功率參 數(shù)；提供功率因數(shù)、相角、線頻率參數(shù)；提供電壓和電流有效值參數(shù)；有效精度優(yōu)于 0.5%；提供電壓、電流相序檢測(cè)功能；提供三相電壓、電流矢量和之有效值輸出；提 供電壓相序檢測(cè)功能；提供電流相序檢測(cè)功能； 提供三相電流矢量和之有效值輸出； 提供三相電壓矢量和之有效值輸出；提供電壓夾角測(cè)量功能；提供失壓判斷功能；具 有反向功率指示；提供有功、無功、視在校表脈沖輸出；提供基波有功、基波無功校 表脈沖輸出；合相能量絕對(duì)值相加與代數(shù)相加可選；內(nèi)置溫度測(cè)量傳感器；可準(zhǔn)確測(cè) 量到含 21 次諧波的有功無功和視在功率；支持增益和相位補(bǔ)償；小電流非線性補(bǔ)償； 具有 spi 接口 方便與外部 mcu 通訊；適用于三相三線和三相四線模式；單+5v 供 電。 3.1.23.1.2 功能簡(jiǎn)介功能簡(jiǎn)介 (1) 是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片 適用于三相三線和三相四線應(yīng)用；（2） att7022b 集成了六路二階 sigma-delta adc 參考電壓電路以及所有功率、能量、有 效值、功率因數(shù)以及頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電。 （3）att7022b 能夠測(cè)量各相以 及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量各 相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 能表的需求。 （4）att7022b 支持全數(shù)字域的增益、相位校正、即純軟件校表。有功、 無功電能脈沖輸出 cf1、cf2 提供瞬時(shí)有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表， 進(jìn)行誤差校正。 （5）att7022b 可以對(duì)基波有功、無功功率進(jìn)行測(cè)量，提供脈沖輸出 cf3 和 cf4 提供瞬時(shí)基波有功功率以及基波無功功率信息，可直接用于基波的校。 （6）att7022b 提供兩類視在能量輸出，rms 視在能量以及 pqs 視在能量，cf3 和 cf4 也可被配置為視在能量脈沖輸。att7022b 提供一個(gè) spi 接口，方便與外部 mcu 之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。所有計(jì)量參數(shù)都可以通過 spi 接口讀出。 （7）att7022b 內(nèi)部的電壓監(jiān)測(cè)電路可以保證加電和斷電時(shí)正常工作。. 3.1.33.1.3 電源監(jiān)控電路電源監(jiān)控電路 att7022b 片內(nèi)包含一個(gè)電源監(jiān)控電路，連續(xù)對(duì)模擬電源 avcc 進(jìn)行監(jiān)控。電源電 壓低于 4v 時(shí)，芯片將被復(fù)位。這有利于電路上電和掉電時(shí)芯片的正確啟動(dòng)和正常工作。 電源監(jiān)控電路被安排在延時(shí)和濾波環(huán)節(jié)中，這在最大程度上防止了由電源噪聲引發(fā)的 錯(cuò)誤。如圖 3.1 所示，為保證芯片正常工作應(yīng)對(duì)電源去耦，使 avcc 的波動(dòng)不超過 5v。 圖 3.1 電源監(jiān)控原理圖 3.1.43.1.4 系統(tǒng)復(fù)位系統(tǒng)復(fù)位 att7022b 提供兩種復(fù)位方式，硬件復(fù)位和軟件復(fù)位。 硬件復(fù)位通過外部引腳 reset 完成，reset 引腳內(nèi)部有 47k 電阻上拉，所以 正常工作時(shí)為高電平，當(dāng) reset 出現(xiàn)大于 20us 的低電平時(shí)，att7022b 進(jìn)入復(fù)位狀 態(tài)，當(dāng) reset 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，att7022b 將從復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 軟件復(fù)位通過 spi 口完成，當(dāng)往 spi 口寫入 0xd3 命令后，系統(tǒng)進(jìn)行一次復(fù)位， 復(fù)位之后 att7022b 從初始狀態(tài)開始運(yùn)。 att7022b 在復(fù)位狀態(tài)下 sig 為高電平，當(dāng) att7022b 從復(fù)位到工作狀態(tài)之后， 大約經(jīng)過 500us 左右 sig 將從高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)芯片開始進(jìn)入正常工作狀態(tài)， 方可寫入校表數(shù)據(jù)，一旦寫入校表數(shù)據(jù)之后 sig 又會(huì)立刻變?yōu)楦唠娖健?如 3.2 圖所示，為 att7022b 的復(fù)位時(shí)序圖。 圖 3.2 att7022b 的復(fù)位時(shí)序圖 3.1.53.1.5 與單片機(jī)的接口技術(shù)與單片機(jī)的接口技術(shù) att7022b 內(nèi)部集成了一個(gè) spi 串行通訊接口。att7022b 的 spi 接口采用從屬方 式工作，使用 2 條控制線和 2 條數(shù)據(jù)線：cs、sclk、din 和 dout，如圖 3.3。 圖 3.3 att7022b 與單片機(jī)的接線圖 cs：片選（輸入腳） ，允許訪問串口的控制線。cs 由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)表示 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 spi 操作開始，cs 由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)表示 spi 操作結(jié)束。所以每次操作 spi 時(shí) cs 必須出現(xiàn)下降沿，cs 出現(xiàn)上升沿時(shí)表示 spi 操作結(jié)。 din：串行數(shù)據(jù)輸入(輸入腳)，用于把用戶的數(shù)據(jù)(如數(shù)據(jù)/命令/地址等)傳輸?shù)?att7022b。 dout：串行數(shù)據(jù)輸出(輸出腳)，用于從 att7022b 寄存器讀出數(shù)據(jù)。 sclk：串行時(shí)鐘(輸入腳)，控制數(shù)據(jù)移出或移入串行口的傳輸率。上升沿放數(shù)據(jù)， 下降沿取數(shù)據(jù)。sclk 下降沿時(shí)將 din 上的數(shù)據(jù)采樣到 att7022b 中，sclk 上升沿 時(shí)將 att7022b 的數(shù)據(jù)放置于 dout 上輸。 考慮 spi 傳輸信號(hào)線有可能受到干擾或者出現(xiàn)抖動(dòng)，所以在 spi 信號(hào)線上串聯(lián)一 個(gè)小電阻。這個(gè)電阻與 ic 輸入端的寄生電容 c 結(jié)合起來可構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，可以 消除 spi 接口信號(hào)上的任何振蕩，一般使用 10-100 的電阻。如果數(shù)字輸入端的內(nèi)部電 容不夠大，還可在這個(gè)輸入端加一個(gè)外接電容，可選 10pf 左右的電容。 芯片與單片機(jī)一般有 6 條線一條 reset 復(fù)位控制線，一條握手信號(hào) sig。上圖中 的四條使 spi 接口線，spi 通訊格式使相同的，當(dāng)通訊開始時(shí) sclk 為低電平，cs 由 高到低，經(jīng)過 32 個(gè)時(shí)鐘脈沖 sclk 表示送出 8 位地址，24 位數(shù)據(jù)，msb 在前，lsb 在后，cs由低變高，完成一個(gè)寄存器的讀或?qū)懖僮?。芯片在時(shí)鐘的下降沿從 din 線 上取單片機(jī)送出的數(shù)據(jù)，在上升沿從 dout 線上向單片機(jī)送出數(shù)據(jù)。 spi 讀操作的時(shí)序圖如 3.4 所示。 圖 3.4 att7022b 讀操作的時(shí)序圖 在 sclk 低于 200khz 時(shí)，可以不需要等待，即等待時(shí)間為 0s；當(dāng) sclk 頻率 高于 200khz 時(shí)。則需要等待大約 3us。 spi 寫操作的時(shí)序圖如 3.5 所示。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 圖 3.5 att7022b 寫操作的時(shí)序圖 3.2 單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹 單片機(jī)在集成度、功能、性能、體系結(jié)構(gòu)方面都有了飛速發(fā)展，已能集成一個(gè)完 整的功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。但目前國內(nèi)許多單片機(jī)應(yīng)用單位仍停留 在采用片內(nèi)無 rom 等低檔單片機(jī)的狀態(tài)，無論在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上、使用維護(hù)上、經(jīng)濟(jì)效益 上這都是不合算的。這種狀況必須改變。本文就單片機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，希望能 對(duì)提高國內(nèi)單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用水平有所促進(jìn)。 3.2.13.2.1 單片機(jī)的硬件單片機(jī)的硬件 單片微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支。它是在一塊芯片上集 成（嵌入）了 cpu、ram 和 rom 存儲(chǔ)器、io 接口等而構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)。因主 要用于工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，故又稱為微控制器或嵌入式控制器。單片機(jī)的核心是中央處理 器 cpu。用超大規(guī)模集成技術(shù)把 cpu 集成在一塊芯片上，稱為微處理器。微處理器、 微控制器和微型計(jì)算機(jī)三者的關(guān)系十分密切。目前，單片機(jī)在