功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)器設計

1、 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第38頁 共47頁引言隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和國際化能源緊張局勢的加劇，加強電能質(zhì)量和節(jié)能降耗的影響十分重要，這其中采取無功補償方式提高功率因數(shù)降等都是行之有效的措施。在電力供電系統(tǒng)中，功率因數(shù)的提高是一項重要的技術工作，直接關系到輸電線路的電能損耗及供電的經(jīng)濟性，供電質(zhì)量。功率因數(shù)的補償措施一直為人們所重視。研制高性能的功率因數(shù)補償裝置具有實際的社會，經(jīng)濟效益。而且在電力系統(tǒng)中，無功功率要保持平衡，否則，將會使系統(tǒng)電壓下降，嚴重時，會導致設備損壞，系統(tǒng)瓦解。此外，網(wǎng)絡的功率因數(shù)和電壓降低，使電氣設備得不到充分利用，促使網(wǎng)絡傳輸能力下降，損耗增加。因此，解

2、決好網(wǎng)絡補償問題，對網(wǎng)絡降損節(jié)能有著極為重要的意義。按電網(wǎng)無功功率補償方式可分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償。并聯(lián)補償方式又可分為電容器組補償，調(diào)電感補償，調(diào)相機補償?shù)囊葡嘌a償?shù)?。本設計我們將采用并連電容器補償，主要應用單片機技術，實現(xiàn)對低壓電力系統(tǒng)的監(jiān)控，完成功率因數(shù)的測量，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)進行電容組的投切，以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的功率因數(shù)的補償。無功補償控制器是無功補償?shù)暮诵?，其性能直接影響補償?shù)男Ч?。它是根?jù)檢測的功率因數(shù)或無功功率，按照一定的控制規(guī)則投入/切除電容器，實現(xiàn)對線路進行無功補償。在低壓配電網(wǎng)中有相當一部分是感性負荷，它不僅要消耗大量的有功功率，也要吸收很多的無功功率，從而使功率因數(shù)下降，導致

3、無功電源不足，系統(tǒng)電壓降低，電能損耗增大，這大大影響了電網(wǎng)的供電能力。因此電力部門千方百計要提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，除本身采取相應的措施外，更要求每個用戶在其母線上進行功率因數(shù)的補償。即借助于相關的無功功率補償設備，及時、正確、必要的提供無功功率補償。由于這個課題涉及面廣，且有較高的經(jīng)濟含量和技術附加量，因此無功功率補償設備的研究一直是國內(nèi)外相關企業(yè)激烈競爭的項目之一。無功功率補償技術近年來己越來越引起人們的關注，它是涉及電力、電子技術、電氣自動化技術和理論電子等領域的重大課題。本設計著重論述了單片機和計算機控制組成控制系統(tǒng)進行功率因數(shù)自動補償裝置。根據(jù)部分學者對電網(wǎng)運行狀態(tài)的調(diào)查研究得知，我國電

4、網(wǎng)曾在20世紀70年代由于缺乏無功功率補償設備而長期處于低電壓運行狀態(tài)。有些地方想用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的辦法來解決本地區(qū)電壓低的問題。開始，這種辦法也有一些效果，某些供電點電壓升高了，但這是以降低別處電壓為代價的，因為總的無功電源不足，局部地區(qū)電壓升高無功負荷增大，必然使別處無功功率更少、電壓更低。各處普遍采用調(diào)節(jié)變壓器分接頭的結(jié)果，不僅沒能提高負荷的供電電壓，而是使得無功損耗加大，整個系統(tǒng)低電壓問題更加嚴重。在這種情況下，首要的問題應該是增加無功功率補償設備。低壓運行同時對電網(wǎng)安全帶來巨大危害，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，十分脆弱，經(jīng)受不起事故異常及負荷強烈變化對系統(tǒng)的沖擊、十分容易造成大面積的停電和系統(tǒng)瓦

5、解的后果，國內(nèi)外均有此先例。由此可見，合理配置無功電源，進行無功補償是非常重要的，我們進行無功補償研究是一個重要的課題。由于人工投切電容不能及時跟蹤無功負荷的變化，不能始終保持功率因數(shù)和電壓質(zhì)量在規(guī)定的范圍，所以無功的自動控制是一個值得研究的課題。無功功率問題，根據(jù)世界各個地區(qū)電力系統(tǒng)近數(shù)十年來的經(jīng)驗，積累了大量資料，我國電力系統(tǒng)亦同樣積累了很多寶貴的經(jīng)驗，廣泛應用到生產(chǎn)實踐中去是有一定重要價值的。有效的無功補償有非常大的經(jīng)濟效益和社會效益，主要表現(xiàn)在:a.減少線路損耗。就全國講，線路損耗約占據(jù)12%，其中主要是無功分量引起的損耗，若無功線損降低50-60%，一年便可節(jié)電500億度左右，相當于

6、半個三峽工程的發(fā)電量。這種不消耗一次能源，便可增大發(fā)電量的工程是絕好的綠色工程。且投資極小，見效快。b.避免罰款。我國電力部及物價局“關于頒發(fā)功率因數(shù)調(diào)整電費辦法通知”中規(guī)定，功率因數(shù)0.94時，減少電費1 .1%，功率因數(shù)0.6時增加電費15%。例如一個315kva的變壓器，功率因數(shù)從0.6提高到0.94以上，年獎罰差3-4萬元。c.不需額外投資，便可以實現(xiàn)擴容。進行無功補償后，便可提高用電承載率，變壓器可滿負荷運行。例如一臺315kva的變壓器，cos=0 .6負荷的變壓器只能提供優(yōu)質(zhì)服務189kw的有功功率，不能承受300kw左右的容量，需要購買一臺500kva的變壓器替換。將功率因數(shù)由

7、0.6提高到0.98，相當于擴大了63%，即有功由189kw提高到309kw可基本滿足需要的容量，便節(jié)省了一臺500kva的變壓器，經(jīng)費約三四十萬元。d.改善電能質(zhì)量，延長了電器壽命，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。電能質(zhì)量用電壓和頻率二個指標來進行衡量，電壓的穩(wěn)定性取決于無功功率的平衡。頻率的穩(wěn)定性取決于有功功率的平衡，而電壓的穩(wěn)定與否又直接影響電器壽命，影響機械加工精度。如果電壓穩(wěn)定性提高5%，則僅照明燈(壽命延長50%)全國一年既可節(jié)約數(shù)億元。至于因電壓不穩(wěn)、供電不足而造成廢品、次品、設備減壽、停產(chǎn)、停電等各種損失更是難以統(tǒng)計的。在電網(wǎng)運行中，因大量非線性負載的運行，除了要消耗有功功率外，還要消耗一定的

8、無功功率。負荷電流在通過線路、變壓器時將會產(chǎn)生功率與電能的損耗，由電能損耗公式可知，當線路或變壓器輸送的有功功率和電壓不變時，線路損耗與線路功率因數(shù)的平方成反比。功率因數(shù)越低，電網(wǎng)所需要的無功功率就越多，線路損耗就越大。因此，在受電端安裝無功補償裝置，可以減少負荷的無功功率損耗，提高功率因數(shù)，降低線路損耗。在電力系統(tǒng)中要設法減小相位差，提高cos的值，稱為提高功率因數(shù)；提高功率因數(shù)，以降低無功功率，減少電能損失。由下式可以看出：=若能使x1-xc為零，則值為最小，功率因數(shù)最高，就是說如能使感抗和容抗最大限度地相互抵消，則線路中功率因數(shù)為最高。由容抗抵消感抗(反之亦然)從而減小的方法稱為功率因數(shù)

9、補償。進行功率因數(shù)補償可以：a.降低無功電流，減小線路及變電設備的損耗。線路損耗的功率與負載電流平方成正比，功率因數(shù)提高了，無功電流大大減小，則線路上的損耗也大大減小了。b.可以改善供電電壓質(zhì)量。當功率因數(shù)提高后由于容性負載的加入，使線路末端的電壓比較平滑，起到了穩(wěn)定電壓的作用。c.提高系統(tǒng)的裕度。當系統(tǒng)的設備容量不變時，提高功率因數(shù)，相當于增加負載的容量。d.提高電路的功率因數(shù)不是負載本身的功率因數(shù)有什么改變而是負載本身的性能及指標將不受任何影響。由此可見，提高功率因數(shù)，不但是當今能源形勢的緩解之策，也是關系到國計民生的長遠政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我們唯一能做的就是減少浪費，高

10、效合理的利用它們，這才是明智之舉，是我們除了尋找代替能源以外的最有價值的事情。因此我們必須重視電能的高效利用，不光在傳輸過程中，在使用過程中也是一樣。這不僅符合經(jīng)濟效率的規(guī)律，還是能源科學使用的具體表現(xiàn)。既然我們不能給后代生產(chǎn)出不可再生資源，但我們可以高效使用它們，減少無謂的消耗，這跟我們?yōu)楹笕藙?chuàng)造能源是同出一轍的，具有相同的深遠意義。1 功率因數(shù)調(diào)控及意義本章首先介紹無功功率及功率因數(shù)的相關知識，利用理論指導簡單說明了功率因數(shù)的意義，引出了無功補償?shù)母拍?。接著闡述了無功補償裝置的發(fā)展概況及無功補償技術的發(fā)展趨勢。1.1 無功功率在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種：一種是有功功率，一種

11、是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（機械能、光能、熱能）的電功率,。比如，5.5kw的電動機就是把5.5kw的電能轉(zhuǎn)換為機械能，帶動水泵抽水或脫粒機脫粒；各種照明設備將電能轉(zhuǎn)換為光能，供人們生活和工作照明。有功功率的符號用p表示，單位有瓦（w）、千瓦（kw）、兆瓦（mw）。無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外做功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40w的日光燈，除需40多瓦有功功率（鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率）來發(fā)光外，還需

12、80var 左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外做功，才稱之為“無功”。無功功率的符號用q表示，單位為乏（var）或者千乏（kvar）。無功功率決不是無用功率，對于主要靠電磁轉(zhuǎn)換工作的電器設備，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而帶動機械運動，電動機的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，若沒有無功功率，則電動機就不能轉(zhuǎn)動，變壓器也不能變壓，交流接觸器也不能吸合。在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不

13、應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。無功功率對供、用電產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在：a當視在功率一定時，降低了發(fā)電機有功功率的輸出；b.降低了輸、變電設備的供電能力；c.造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加；d.造成低功率因數(shù)運行和電壓下降，使電氣設備容量得不到充分發(fā)揮。從發(fā)電機和高壓輸電線供給的無功功率，遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這就是電網(wǎng)需要裝設無功補償裝置的道理。1.2 功率因數(shù)電網(wǎng)中的電力負荷

14、如電動機、變壓器等，屬于既有電阻又有電感的電感性負載， 電感性負載的電壓和電流的相量間存在著一個相位差，通常用相位角來表示。cos則稱為功率因數(shù)。功率因數(shù)是反映電力用戶用電設備合理使用狀況、電能利用程度和用電管理水平的一項重要指標，三相交流電路功率因數(shù)的計算公式如式（1-1）所示： = （1-1）式中cos為功率因數(shù)；p-有功功率，kw；q-無功功率，kvar；s-視在功率，kva；u-用電設備的額定電壓，v；i-用電設備的運行電流，a。功率因數(shù)分為自然功率因數(shù)、瞬時功率因數(shù)和加權平均功率因數(shù)。a.自然功率因數(shù)是指用電設備沒有安裝無功補償設備時的功率因數(shù)，或者說用電設備本身所具有的功率因數(shù)。自

15、然功率因數(shù)的高低主要取決于用電設備的負荷性質(zhì)，電阻性負荷（白熾燈、電阻爐）的功率因數(shù)較高，等于1，而電感性負荷（電動機、電焊機）的功率因數(shù)比較低，都小于1。b.瞬時功率因數(shù)是指在某一瞬間由功率因數(shù)表讀出的功率因數(shù)。瞬時功率因數(shù)是隨著用電設備的類型、負荷的大小和電壓的高低而時刻在變化。c.加權平均功率因數(shù)是指在一定時間段內(nèi)功率因數(shù)的平均值，其計算公式如式（1-2）所示： = （1-2）1.3 提高功率因數(shù)及其意義提高功率因數(shù)的方法有兩種：一種是改善自然功率因數(shù)；另一種是安裝人工補償裝置。要改變自然功率因數(shù)，需要從改進電氣設備和結(jié)構(gòu)、性能等方面入手，這是生產(chǎn)廠家要做的事。安裝人工補償裝置，這是可以

16、辦到的，比如一臺發(fā)電機，其容量se一定，當發(fā)電機的電壓和電流達到額定值時，假如電路的功率因數(shù)為cos1，則發(fā)電機輸出的有功功率為下式（1-3）所示： p=se cos1=0.5 se （1-3）由式（1-3）可以看出，輸出功率僅占發(fā)電機容量的50%，發(fā)電機未能得到充分利用。但若為了增大功率的輸出，再在電路中接入一些純電阻或電感性的負載，則又將導致發(fā)電機的輸出電流超過額定值，這是不能容許的，但如在負載的兩端并聯(lián)一個適當?shù)碾娙萜鱟（如圖1.1），則總電流i1 將減小到i（如圖1.2），電路的功率因數(shù)就可以提高到cos（因為cos1），如果并聯(lián)一個合適的電容，則功率因數(shù)可達到0.9，其輸出的有功功率

17、可提高到電機容量的90%，這樣發(fā)電機的利用程度就大大增高了。圖1.1 并聯(lián)電容連接圖 圖1.2 電壓、電流相位關系在電力系統(tǒng)中要設法減小相位差，提高cos值，稱為提高功率因數(shù)，以降低無功功率，減少電能損失。進行功率因數(shù)補償可以：a.降低無功電流，減小線路及變電設備的損耗。線路損耗的功率與負載電流平方成正比，功率因數(shù)提高了，無功電流大大減小，則線路上的損耗也大大減小了。b.可以改善供電電壓質(zhì)量。當功率因數(shù)提高后由于容性負載的加入，使線路末端的電壓平滑，起到了穩(wěn)定電壓的作用。c.提高系統(tǒng)的裕度。當系統(tǒng)的設備容量不變時，提高功率因數(shù)，相當于增加負載的容量。d.提高電路的功率因數(shù)不是負載本身的功率因數(shù)

18、有什么改變而是負載本身的性能及指標將不受任何影響。由此可見，提高功率因數(shù)，不但是當今能源形勢的緩解之策，也是關系到國計民生的長遠政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我們唯一能做的就是減少浪費，高效合理的利用它們，這才是明智之舉，是我們除了尋找代替能源以外的最有價值的事情。因此我們必須重視電能的高效利用，不光在傳輸過程中，在使用過程中也是一樣。這不僅符合經(jīng)濟效率的規(guī)律，還是能源科學使用的具體表現(xiàn)。既然我們不能給后代生產(chǎn)出不可再生資源，但我們可以高效使用它們，減少無謂的消耗，這跟我們?yōu)楹笕藙?chuàng)造能源是同出一轍的，具有相同的深遠意義。1.4 無功補償裝置的發(fā)展概況1.4.1同步調(diào)相機傳統(tǒng)的無功功率補

19、償裝置是同步調(diào)相機(synchronous condenser-sc)。它是專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機，在過勵磁或欠勵磁的不同情況下，可以分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。自20世紀30年代以來的幾十年中，同步調(diào)相機在電力系統(tǒng)無功功率控制中一度發(fā)揮著主要作用。然而，由于它是旋轉(zhuǎn)電機，因此損耗和噪聲都較大，運行、維護復雜，而且響應速度慢，在很多情況下已無法適應快速無功功率控制的要求。所以，現(xiàn)在同步調(diào)相的容量所占容性補償容量的比例日益減少。1.4.2并聯(lián)電容器無功補償電容器也是傳統(tǒng)的無功補償裝置，但它具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟、投切方便、靈活等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了廣泛應用。如今，電力企業(yè)安裝的并聯(lián)

20、電容器比例逐年有所增加。由于電力電容器的容量是固定的，它并不隨負載要求的變化而變化，所以就要將電容器按一定的容量分組(目前有等容量分組和非等容量分組兩種情況)，有了電容器分組之后，就必須引入分組投切的策略，使電容器按照無功功率或功率因數(shù)的大小進行適當?shù)耐肚小?.4.3靜止無功補償裝置早期的靜止無功補償裝置(static var compensator-svc)是飽和電抗器(saturated reactor-sr)型的。從60年代開始，我國已有許多電力科技工作者從事低壓配電網(wǎng)無功補償這一課題的研究，并設計了早期的無功補償控制器。自80年代中期以來，頒布實施按功率因數(shù)調(diào)整電費的政策后，我國電力用

21、戶在380伏配電室廣泛采用了以交流接觸器投切電容器的成套裝置。隨著電力電子技術的發(fā)展，80年代后期出現(xiàn)了以微處理器為核心的智能化產(chǎn)品，晶閘管投切電容器無功補償裝置在國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)?，F(xiàn)在國內(nèi)低壓配電網(wǎng)無功補償仍然以并聯(lián)電容器為主，晶閘管投切電容器也得到了較多的應用，而采用自換相的電力半導體橋式變流器來進行動態(tài)無功補償?shù)难b置dstatcom引起了越來越多國內(nèi)研究者的關注，但因其控制復雜、成本高昂等諸多因素，其實際應用還有待時日。1.5 無功補償技術的發(fā)展趨勢隨著電力電子技術的日新月異以及各門學科的交叉影響，無功補償技術的發(fā)展趨勢主要有以下幾點：a.在城網(wǎng)改造中，運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同

22、時加裝無功補償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補償控制器和配電綜合測試儀的一體化的問題。b.快速準確地檢測系統(tǒng)的無功參數(shù)，提高動態(tài)響應時間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況(如大的沖擊負荷或負荷波動較頻繁的場合)。隨著計算機數(shù)字控制技術和智能控制理論的發(fā)展，可以在無功補償中引入一些先進的控制方一法，如模糊控制等。c.目前無功補償技術還主要用于低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)由于受到晶閘管耐壓水平的限制，無功補償裝置不能得到廣泛的應用。因此，研制高壓動態(tài)無功補償?shù)难b置則具有重要的意義，關鍵是解決補償裝置晶閘管和二極管的耐壓問題。d.由單一的無功功率補償?shù)骄哂袨V波以及抑制諧波的功能。隨著電力電子

23、技術的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應用，供電系統(tǒng)或負荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功補償與電力濾波器雙重優(yōu)點的晶閘管開關濾波器，將成為改善系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。2 本課題任務及整體設計方案2.1 本課題的主要任務本課題的任務書如下：低壓電力網(wǎng)中合理控制無功功率對降低線路損耗、維持電壓水平、提高線路輸送容量有重要的作用，廣泛了解目前進行無功調(diào)節(jié)的主要技術手段及當前的應用情況，分析和設計無功功率調(diào)節(jié)的原理和實現(xiàn)，在設計中深入了解無功功率與電壓調(diào)節(jié)的制約關系。根據(jù)配電系統(tǒng)的基本運行要求，設計一套無功功率控制裝置：以單片機作為核心，設計無功功率控制器，用于對配電系

24、統(tǒng)的功率因數(shù)進行監(jiān)視、具有無功功率調(diào)節(jié)功能，當無功功率不足時，采取并聯(lián)靜電電容補償；設計電容器通過自動開關控制投切的系統(tǒng)圖，設計電容器投切控制電路原理圖；設計實現(xiàn)靜止無功自動調(diào)控的控制流程，使系統(tǒng)功率因數(shù)維持0.90-0.95之間。制作演示裝置，選擇實現(xiàn)控制器的某項典型功能，例如功率因數(shù)測量或電壓檢測，設計相應數(shù)據(jù)輸出的人機接口等，自行完成裝置的制作調(diào)試，提供較詳細的軟件流程圖和硬件設計圖紙。2.2 整體設計方案根據(jù)要求，本設計以10kv配電系統(tǒng)為對象，其簡單的系統(tǒng)模型如下圖2.1所示：圖2.1 10kv配電系統(tǒng)圖課題任務中主要任務為設計一套無功功率控制裝置，此裝置以單片機為核心，具有對配電系

25、統(tǒng)功率因數(shù)進行測量，功率因數(shù)顯示和投切電力電容器進行無功功率補償?shù)墓δ堋?jù)此要求，可以設想該方案的整體框架為下圖2.2所示。圖2.2無功補償控制裝置整體設計框圖圖2.2所示該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖中，單片機at89c51是本系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、輸入、輸出控制等功能。通過8051計算出系統(tǒng)功率因數(shù)，并通過lcd顯示電路顯示出來。把計算出的功率因數(shù)與規(guī)定的因數(shù)比較看看是否符合要求，當功率因數(shù)低于要求時，通過控制補償電路實現(xiàn)對檢測電路的補償。功率補償器的外圍電路還包括電壓、電流相位差檢測電路，此部分電路主要用來檢測電路現(xiàn)在的功率因數(shù)，通過比較器和由d觸發(fā)電路鑒相電路把電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；三相功率

26、因數(shù)顯示電路，主要用到lcd液晶顯示器。投切電容電路中用晶閘管來作為控制開關實現(xiàn)柔性投切；還接上rs-232c接口，向上位機傳遞系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，以適應將來配電網(wǎng)控制發(fā)展趨勢。為了減少外圍芯片的數(shù)量，本系統(tǒng)也可采用一塊cpld芯片ispls1048e，把74ls373、d觸發(fā)器、與門、非門等外圍器件寫入其中本設計框圖主要包括四大組成部分：相位差檢測電路、三相功率因數(shù)顯示電路、電容器組及其投切控制電路、rs-232c串行通信接口電路。其中相位差檢測電路的作用是檢測配電線路電壓和電流之間的相位差值，結(jié)果送入單片機中進行功率因數(shù)的計算，得出當前配電線路的功率因數(shù)值。三相功率因數(shù)顯示電路的作用是通過l

27、cd來顯示各相功率因數(shù)的值。電容器組及其投切控制電路的作用是電容器按照不同的容量進行分組，通過電容器組投切控制電路控制其適當容量的電容器組的投切。rs-232c串行通信接口電路的作用是留出的一個擴展接口，方便日后可能進行的與上位機進行串行通信。根據(jù)此設計框架，在下面的設計中將分章節(jié)來分別介紹相位差檢測電路、三相功率因數(shù)顯示電路、電容器組及其投切控制電路、rs-232c串行通信接口電路四大組成部分。2.3 單片機介紹本設計中各電路的核心器件是8051單片機，下面就單片機的主要結(jié)構(gòu)及功能作一個簡要的說明。a.單片機at89c51的硬件結(jié)構(gòu)下圖2.3為at89c51的硬件結(jié)構(gòu)圖。at89c51單片機

28、的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與mcs-51系列單片機的構(gòu)成基本相同。cpu是由運算器和控制器所構(gòu)成的。運算器主要用來對操作數(shù)進行算術、邏輯運算和位操作的?？刂破魇菃纹瑱C的指揮控制部件，主要任務的識別指令，并根據(jù)指令的性質(zhì)控制單片機各功能部件，從而保證單片機各部分能自動而協(xié)調(diào)地工作。它的程序存儲器為8k字節(jié)可重擦寫flash閃速存儲器，閃爍存儲器允許在線+5v電擦除、電寫入或使用編程器對其重復編程。數(shù)據(jù)存儲器比51系列的單片機相比大了許多為256字節(jié)ram。at89c51單片機的指令系統(tǒng)和引腳功能與mcs-51的完全兼容。圖2.3 單片機結(jié)構(gòu)框圖單片機主要性能參數(shù)如下：8k字節(jié)可重擦寫flash閃速存儲器1000

29、次可擦寫周期傘靜態(tài)操作:0hz-24mhz三級加密程序存儲器2568字節(jié)內(nèi)部ram32個可編程i/0口線3個16位定時/計數(shù)器8個中斷源可編程串行dart通道低功耗空閑和掉電模式b.單片機at89c51的外部引腳圖如下圖2.4所示：圖2.4 at89c51外部引腳圖at89c51部分管腳的說明:p0口:p0口是一個8位漏極開路的雙向i/0口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個ttl邏輯電平。對p0口端口寫“1”時，引腳作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，p0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，p0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，p0口也用來接受指令字節(jié):在程序效驗時，輸出指令字

30、節(jié)。程序效驗時，需要外部上拉電阻。p1口:pl口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位是雙向i/0口，p1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個ttl邏輯電平。對p1口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流ill。此外，與at89c51不同之處是，pl.0和pl.1還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入(pl.0/t2)和輸出(pl.1/t2ex)，具體如下表2-1所示。表2-1 p1.0和p1.1的第二功能引腳號功能特性p1.0t2（定時/計數(shù)器2外部技術脈沖輸入），時鐘輸出p1.1t2ex定時/計數(shù)2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制在flash編程和校驗時，p1口接收低8位地址字節(jié)。p2口:p2口

31、是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/0口，p2輸出緩沖級可驅(qū)動吸收或輸出電流4個ttl邏輯電平。對p2口寫“1”時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ill。在訪問外部存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2口送出高8位地址。在這種應用中，p2口使用很強的內(nèi)部上拉電阻發(fā)送1。在使用8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，p2口接收低8位地址字節(jié)和一些控制信號。p3口:p3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/0口，p3輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個ttl邏輯

32、電平。對p3口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入端口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ill。p3口除了作為一般的i/0口線外，更重要的是它的第二功能，如下表2-2所示。表2-2 p3口引腳第二功能引腳號第二功能p3.0rxd（串行輸入）p3.1txd（串行輸出）p3.2int0（外部中斷0）p3.3int1（外部中斷1）p3.4t0（定時器0外部輸入）p3.5t1（定時器1外部輸入）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）在flash編程和校驗時，p3口也接收一些控制信號。c.定時器.定時器0和定時器1在at

33、89c51中，定時器0和定時器1都是16位加法計數(shù)結(jié)構(gòu)，分別由th0(地址8ch)和tl0(地址8ah)及thi(地址8dh)和tli(地址8bh)兩個8位計數(shù)器組成。這4個計數(shù)器均屬于專用寄存器之列。每個定時器/計數(shù)器都有定時和計數(shù)兩種功能。.計數(shù)功能所謂的計數(shù)功能是指對外部事件進行計數(shù)。外部事件的發(fā)生以輸入脈沖表示，因此計數(shù)功能的實質(zhì)就是對外脈沖進行計數(shù)。mcs-51系列的芯片有t0(p3.4)和t1(p3 .5)兩個信號引腳，分別就是這兩個計數(shù)器的計數(shù)輸入端。外部輸入的脈沖在負跳變時有效，進行計數(shù)器加1。計數(shù)方式下，單片機在每個機器周期的s5p2拍節(jié)對外部計數(shù)脈沖進行采樣。如果前一個機器

34、周期采樣為高電平，后一個機器周期采樣為低電平，即為一個有效計數(shù)脈沖。在下一個機器周期的s3p1進行計數(shù)?？梢姴蓸佑嫈?shù)脈沖是在2個機器周期進行的。鑒于此，計數(shù)脈沖的頻率不能高于振蕩脈沖的頻率不能高于振蕩脈沖頻率的1/24。.定時功能定時器也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，不過此時的計數(shù)脈沖來自單片機的內(nèi)部，即每個機器周期產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖。也就是每個機器周期計數(shù)加1。由于一個機器周期等于12個振蕩脈沖周期，因此計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12。如果單片機采用12mhz晶體，則計數(shù)頻率為1mhz。即每微秒計數(shù)器加1。這樣不但可以根據(jù)計數(shù)值計算出定時時間，也可以反過來按定時時間的要求計算出計數(shù)器的預置值。.定

35、時器2定時器2是一個16位定時器/計數(shù)器，它既可以作定時器，又可以做事件計數(shù)器。其工作方式由特殊寄存器t2con中的c/t2位選擇(如表2-3所示)。定時器2有三種工作模式:捕捉方式、自動重載(向上或向下計數(shù))和波特率發(fā)生器。如表2-4所示，工作模式由t2con中的相關為選擇。定時器2有2個8位寄存器:th2和tl2。在定時工作方式中，每個機器周期，tl2寄存器都會加1。由于一個機器周期由12個晶振周期構(gòu)成，因此，計數(shù)頻率就是晶振頻率的1/12。表2-3 定時器2工作模式rclk+tclkcp/rl2tr2mode00116位自動重載01116位捕捉11波特率發(fā)生器0不用在計數(shù)工作方式下，寄存

36、器在相關外部輸入角t2發(fā)生1至0的下降沿時增加1。在這種方式下，每個機器周期的s5p2期間采樣外部輸入。一個周期采樣到高電平，而下一個周期采樣到低電平，計數(shù)器加1。在檢測到跳變的這個周期的s3p1期間，新的計數(shù)值出現(xiàn)在寄存器中。因為識別10的跳變需要2個機器周期(24個晶振周期)，所以，最大的計數(shù)頻率不高于晶振頻率的1/24。為了確保給定的電平在采樣前采樣到一次，電平應該至少在一個完整的機器周期內(nèi)保持不變。表2-4 t2mod-定時器2控制寄存器t2mod地址：0c9h 復位值：00b-t20edcen76543210符號功能無定義，預留擴展t20e定時器2輸出允許位dcen置1后，定時器2可

37、配置向上或向下計數(shù)(4).中斷at89c51有6個中斷源:兩個外部中斷(int0和int1)，三個定時中斷定時器0、1、2和一個串行中斷。每個中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器ie中的相關中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。ie還包括一個中斷總控制位ea，它能禁止所有中斷。如表2-5所示，ie.6位是不可用的。對于at89c51，ie.5位也是不能用的。用戶軟件不應給這些位寫1。它們?yōu)閍t89系列新產(chǎn)品預留。定時器2可以被寄存器t2con中的tf2和exf2的或邏輯觸發(fā)。程序進入中斷服務后，這些標志位都可以由硬件清0。實際上，中斷服務程序必須判定是否是tf2或exf2激活中斷。標志位也必

38、須由軟件清0。定時器0和定時器1標志位tf0和tf1在計數(shù)溢出的那個周期的s5p2被置位。它們的值一直到下一個周期被電路捕捉下來。然而，定時器2的標志位tf2在計數(shù)溢出的那個周期被置位，在同一個周期被電路捕捉下來。表2-5 中斷允許控制位符號位地址功能eaie.7中斷允許控制位，ea=0，中斷總禁止；ea=1，各中斷由各自的控制位設定-ie.6預留et2ie.5定時器2中斷允許控制位esie.4串行口中斷允許控制位et1ie.3定時器1中斷允許控制位ex1ie.2外部中斷1允許控制位et0ie.1定時器0中斷允許控制位ex0ie.0外部中斷0允許控制位3 相位差檢測電路3.1 功率因數(shù)測量原理

39、分析為了測量電網(wǎng)功率因數(shù)值，首先進行測量原理分析。在三線電路中，我們所檢測的輸入信號為線電壓和線電流，如uca和ib，或ubc和ia，或uab和ic，這是它們之間的夾角和待測量角之間具有線性對用關系?，F(xiàn)在已uca和ib為例表明其夾角和相角之間對應關系的矢量圖如下面的圖3.1、圖3.2和圖3.3所示。圖3.1 相角與關系為r性圖3.2 相角與關系為l性圖3.3 相角與關系為c性從圖3.1-3.3中很容易看出：純阻性時：=0，=90；感性時：=090，=90180 純感性時：=90，=180；容性時：=0-90，=900 純?nèi)菪詴r：=-90，=0。從圖3.4所示中可以看出，角的大小又和uca和ib

40、同時為負的時間長短又具有線性對應關系，并且可以得出：純阻性時：=90，=t/4（t為電網(wǎng)周期時間）；感性時：=90180，=t/40 純感性時：=180，=0；容性時：=900，=t/4t/2 純?nèi)菪詴r：=0，=t/2。從以上分析可以知道：只要測量出時間，便可以間接測量出相角。圖3.4 r、l、c性波形圖3.2 接口電路由以上分析可以知道，只要測出時間，便可以間接測量出相角。為了測量時間，而又保證測量的角有一定的精度，設計的電路圖如下圖3.5所示。圖3.5 相位差檢測接口電路由變壓器tr取得uca線電壓信號和由電流互感器取得線電流ib信號均由檢查器轉(zhuǎn)換成相應的方波信號，電壓方波信號經(jīng)g1門反相

41、后作為測量t/2脈沖的門控脈沖加至g3門輸入端，由或非門g2得到uca與ib同時為負的正極性方波脈沖作為測量時間的門控脈沖加至g4門輸入端。計數(shù)脈沖是用8051的ale脈沖四分頻后獲得。因ale脈沖頻率在8051執(zhí)行非movx類指令時是穩(wěn)定的，且為1/6晶振頻率，用8051內(nèi)部定時器/計數(shù)器t0和t1對g3與g4門輸出脈沖進行計數(shù)。上述各點的波形及對應關系已經(jīng)表示于圖8中。圖9中8051的p3.0位用來檢測uca電壓過零點。當uca從正到負過零點時，對應圖8中uc（即p3.0）由0變1，兩個計數(shù)器t0、t1同時開始計數(shù)；當uca到了由負到正過零點時，uc則由1變0，計數(shù)器t0與t1同時停止計數(shù)

42、，設t0計數(shù)器計數(shù)值為n，t1計數(shù)器計數(shù)值為n，不難得出所測的相角可按下式（3-1）計算出： =90=90 （3-1）由8051很容易完成上述計算，若進一步再完成查表程序，按角查正弦或余弦表，即可得功率因數(shù)cos。圖9中a，b，c，d，e，f各點處的波形可用雙線示波器觀看到。用兩線同時觀測c和d點波形時，應與圖8中uc和ud的相對應關系一致，即uc和ud的后沿是對齊的，當角改變時，它們的后沿始終對齊，僅ud的前沿隨角大小改變，表明線電壓、線電流間信號極性配合正確。若發(fā)現(xiàn)uc和ud是前沿對齊，uc后沿隨角而變化，則表示極性配合不正確，只要將變壓器或者電流互感器中之一反相即可糾正。3.3 測量電路

43、程序流程圖測量電路程序流程圖見下圖3.6所示。程序設計時，設計成了子程序的形式，執(zhí)行完成后角的二進制整數(shù)在31h中，小數(shù)部分在30h中，符號在33h中；00h表示阻性或感性；80h表示容性，角的十進制結(jié)果則在32h中。cos在34h、35h中。開始執(zhí)行程序時，不論uca處于正半周、負半周、是否過零點，均可確保是從uca由正變負過零點時開始計數(shù)，由負變正過零點時停止計數(shù)。圖3.6 測量電路程序流程圖4 三相功率因數(shù)顯示電路4.1 lcd液晶顯示器在日常生活中，我們對液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是

44、數(shù)字、專用符號和圖形。在單片機的人機交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、led數(shù)碼管、液晶顯示器。由于lcd顯示器在單片機系統(tǒng)中作為輸出器件有良好的優(yōu)點，因此本設計中的顯示電路部分采用lcd進行顯示。其優(yōu)點主要有以下幾點：a.顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器的每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（crt）那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器的畫質(zhì)高且不會閃爍。b數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。c體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比具有相同顯示面積

45、的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。d功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動ic上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。4.2 lcd顯示器原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點。液晶顯示器中各種圖形的顯示原理：線段的顯示：點陣圖形式液晶由mn個顯示單元組成，假設lcd顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個點組成，屏上6416個顯示單元與顯示ram區(qū)1024字節(jié)相對應，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上

46、相應位置的亮暗對應。例如屏的第一行的亮暗由ram區(qū)的000h00fh的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當（000h）=ffh時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3ffh）=ffh時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當（000h）=ffh，（001h）=00h，（002h）=00h，（00eh）=00h，（00fh）=00h時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是lcd顯示的基本原理。字符的顯示：用lcd顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由68或88點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示ram區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1

47、”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但對于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在lcd上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示ram對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。4.3 lcd參數(shù)功能及初始化此設計采用的是1602lcd字符型液晶顯示器顯示。1602lcd的主要技術參數(shù)如下：顯示容量：162個字符；芯片工作電壓：4.55.5v；工作電流：2.0ma(5.0v)；模塊最佳工作電壓：5.0v；字符尺寸：2.954.35(wh)mm。引腳功能說明：1602lcd采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口

48、說明如表4-1所示：表4-11602引腳說明表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1vss電源地9d2數(shù)據(jù)2vdd電源正極10d3數(shù)據(jù)3vl液晶顯示偏壓11d4數(shù)據(jù)4rs數(shù)據(jù)/命令選擇12d5數(shù)據(jù)5r/w讀/寫選擇13d6數(shù)據(jù)6e使能信號14d7數(shù)據(jù)7d0數(shù)據(jù)15bla背光燈正極8d1數(shù)據(jù)16blk背光燈負極1602lcd的指令說明：1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表4-2所示：表4-2 lcd控制指令表序號指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d01清顯示0000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001i/ds4顯示開/關控制0000001dcb

49、5光標或字符移位000001s/cr/l*6置功能00001dlnf*7置字符發(fā)生存儲器地址0001字符發(fā)生存儲器地址8置數(shù)據(jù)存儲器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲器地址9讀忙標志或地址01bf計數(shù)器地址10寫數(shù)到cgram10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從cgram讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容1602lcd的一般初始化（復位）過程如下:延時15ms；寫指令38h（不檢測忙信號）；延時5ms；寫指令38h（不檢測忙信號）；延時5ms；寫指令38h（不檢測忙信號）；以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測忙信號；寫指令38h：顯示模式設置；寫指令08h：顯示關閉；寫指令01h：顯示清屏；寫指令06h：顯示光標移動設置；寫

50、指令0ch：顯示開及光標設置。1602lcd與單片機連接接口電路圖如下圖4.1所示：圖4.1 lcd與at89c51連接接口電路圖本設計中l(wèi)cd初始化程序為：void init_lcd(void)write_command(0x3c)；write_command(0x06)；write_command(0x01)；write_command(0x0c)；5 電容器組及其投切控制電路5.1 無功補償方式的選擇電容器的補償容量與采用的補償方式有關。補償方式不同，補償容量的計算公式也不相同。按電容器安裝的位置不同，低壓電網(wǎng)利用并聯(lián)電容器進行無功補償?shù)姆绞接腥N:低壓集中補償方式、分散補償方式和用戶終

51、端就地補償方式。如下圖5.1所示：圖5.1 無功補償裝設方式a.低壓集中補償方式目前國內(nèi)較普遍采用的一種無功補償方式是在用戶專用變壓器的低壓母線上進行集中補償(如圖12的方式1) 。通常采用微機控制的低壓并聯(lián)電容器柜，容量在幾十至幾百干乏不等，根據(jù)用戶負荷水平的波動投入相應數(shù)量的電容器進行跟蹤補償。主要目的是提高專用變壓器用戶的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功的就地平衡，對配電網(wǎng)和配電變壓器的降損有一定的作用，也有助于保證該用戶的電壓水平，這種補償方式的投資及維護均由專用變壓器用戶承擔。b.分散補償方式將電容器組按需求的無功容量，分別裝設在相應的母線上，或者直接與低壓干線相連，形成內(nèi)部的分散補償方式(如圖1

52、2中的方式2)。由于電容器分散在各用戶旁，可以就近補償主要用電設備的無功功率。由于這部分無功功率不再通過線路向上傳送，從而使用戶上的變壓器和配電線路的無功功率損耗相應地減少，當變壓器下用戶較多，用戶配電線路分路多而且距離較遠時，補償效益最高。c.用戶終端就地補償方式就地補償將電容器裝設在異步電動機或電感性用電設備附近，就地進行無功補償，也稱為單獨補償或個別補償方式(如圖12中的方式3)。這種方式既可提高為用電設備供電回路的功率因數(shù)，又能改善用電設備的電壓質(zhì)量，對中、小型設備十分適用。但這種補償方式也有缺點。因為這種補償電容器組的容量只能按電動機的空載電流選擇，因而在電動機帶負荷運行時長期處于欠

53、補償狀態(tài)，仍需由電源端向受電端輸送無功功率，配電網(wǎng)的無功損耗仍然存在。綜合以上三種無功功率補償方式的比較，根據(jù)分析，本設計選擇采用低壓集中補償方式。5.2 無功補償容量及分組方式的確定由前面設定的10kv配電系統(tǒng)知，配電系統(tǒng)的總?cè)萘繛?000kva。依據(jù)補償容量計算式子計算電容器容量，計算式如5-1下： q=s（） （5-1）由測量電路可以測出當前功率因數(shù)值，根據(jù)功率因數(shù)為0.900.95的要求，當功率因數(shù)低于0.90時，將功率因數(shù)提高到0.95，補償電容器容量情況如下表5-1所示：表5-1補償容量補償前cos補償后cos=0.95，補償電容量（單位：kvar）0.706480.726100.

54、745720.765320.784900.804460.824000.843520.863000.882440.901840.921180.9442根據(jù)上述計算結(jié)果和常規(guī)要求，此設計采用了10組電容器組作為投切裝置，其分組方式見表5-2所示。從表可以看到，容量最大的一組電容為160kvar，最小的一組10kvar，通過不同大小電容器組合可得到不同功率因素所需的不同容量。電容器組的容量分為以下幾個等級：160kvar、100kvar、40kvar、20kvar和10kvar。容量最小的一組為10kvar，一般用作分相投切，也適合實際中配電網(wǎng)不平衡較低的情況。由于電容器的接法有多種方式，因此要先確定電容器組的接法。目前電容器組的接線方式有3種