1、無功功率補償控制器設計學 院（系） ： xxxxxxxxxx 專 業 ： xxxxxxx 學 生 姓 名 ： xxxxxxxxxx 學 號 ： xxxxxxxxxx 指 導 教 師 ： xxxxxxxxxx 論文框架緒論 芯片資料硬件設計軟件設計12341.1課題的應用背景目前，我國的電網，特別是廣大的低壓電網，普遍存在功率因數較低、電網線損較大的情況。導致此現象的主要原因是眾多的感性負載用電設備設計落后，功率因數較低。比如我國的電動機消耗的電能占全部發電量的70%，而由于設計和使用等方面的原因我國電動機的功率因數往往較低，一般約為0.7。無功補償不僅應具有如上所述的節省投資、節省電力、節省燃

2、煤及污染等作用，同時還應該提高電力系統設備的供電能力，改善電壓質量，減少用戶電費開支，延緩用戶的增容改造等作用。 1緒論 1.2 國內研究動態在電力系統中，電壓和頻率是衡量電能質量的兩個最基本、最重要的指標。為確保電力系統的正常運行，供電電壓和頻率必須穩定在一定的范圍內。頻率的控制與有功功率的控制密切相關，而電壓控制的重要方法之一是對電力系統的無功功率進行控制。隨著近代電力電子技術的出現和發展，無功補償技術也隨之發展。在第一個工業用晶閘管出現之前，電子半導體由于功率過小，在直流傳動，交流傳動，電磁合閘，交流不間斷電源和無功補償等領域內一直沒有得到應有的推廣使用。晶閘管的出現標志著電力電子技術的

3、誕生，并以此為起點，隨著半導體制造技術和變流技術的發展。新型的電力電子器件不斷問世，由此引發了眾多行業的變革，如交流變頻調速技術的蓬勃發展。同樣電力電子技術對無功補償技術也帶來了新的發展契機。1.3本課題主要研究的內容 本文研究的主要有兩方面：一是無功補償的基本理論和電網中最佳補償方式的探討。首先是對無功補償中一般問題進行分析，其次是對無功補償計算方案的分析。二是在傳統的無功補償裝置的基礎上，對其控制器和動作執行機構進行改進，從而開發出一種智能無功補償器。文中對補償器的控制器的硬件設計和軟件設計作了較詳盡的分析。 視在功率的減少可相應減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設備的投資。例如

4、一臺1000千伏安的變壓器，當負荷的功率因數為0.7 時，可供700千瓦的有功負荷，當負荷的功率因數提高到0.9時，可供900千瓦的有功功率。同一臺變壓器，因為負荷的功率因數的提高而可多供200千瓦負荷，是相當可觀的。 圖1.1無功補償補償原理示意圖1.5低壓電網中的幾種無功補償的方式廣大市電低壓電網處于電網的最末端，因此補償低壓無功負荷是電網補償的關鍵。搞好低壓補償，不但可以減輕上一級電網補償的壓力，而且可以提高用戶配電變壓器的利用率，改善用戶功率因數和電壓質量，并有效降低電能損失。低壓補償對用戶及供電部門都有利。低壓無功補償的目標是實現無功的就地平衡，通常采用地方式有三種： 隨機補償、隨器

5、補償、跟蹤補償。隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并聯，通過控制、保護裝置與電機共同投切。隨機補償地優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停止運補償裝置也退出，不需要頻繁調整補償容量。且具有投資少，配置靈活，維修簡單等優點。為防止電機推出時產生自激過電壓，補償容量一般不大于電機的空載無功。 2.1 51系列單片機簡介51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flash rom技術的發展，8031單片機取得了長足的進展，成為目前應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應

6、用于工業測控系統之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內將占有大量市場。51單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。需要注意的是51系列的單片機一般不具備自編程能力。 2 芯片簡介 2.2 51系列單片機的特點（1）51片內存儲容量較小： 原因是受集成度的限制。ROM一般小于8KB，RAM 一般小于256B，但可以在外部擴展。通常ROM，RAM可分別擴展至64KB。（2）可靠性高： 因為芯片是按工業測控環境要求設計的，故抗干擾的能力優于 PC 機。 系統軟件(如:程序指令，常數，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破壞。 許多信號的通道均在一個芯

7、片內，故運作時系統穩定可靠。 （3）便于擴展： 片內具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線，并行和串行的輸入/輸 出)管腳，很容易組成一定規模的計算機應用系統。 （4）控制功能強：具有豐富的控制指令：如條件分支轉移指令，I/O 口的邏輯操作指令，位處理指令。 （5）實用性好：體積小，功耗低，價格便宜，易于產品化。 2.3 AT89C51單片機AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，片內含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲（PEROM）和128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技

8、術生產，兼容標準MCS51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。2.3.1 AT89C51特性 2.5 LCD1602芯片所謂1602是指顯示的內容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個字符。目前市面上字符液晶絕大多數是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的。因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。 3 系統硬件電路的設計 在一系列的理論分析之后，本次設計

9、將采用根據功率因數來確定補償容量的方法，再根據當前無功補償技術的發展狀況，我們采用并聯電容器型的無功補償裝置。它具有連線和控制方式簡單，電容使用效率高及不產生諧波污染等優點。電壓互感器和電流互感器將信號轉成小電流，經過電路處理后發給ADC0809。ACD0809再將模擬信號轉成數字信號。再將此信號傳給單片機。單片機控制電容投入或切除。并將結果送入顯示器顯示。圖3.1為無功功率補償控制器系統的框圖。3.1 電源電路系統需要+5V直流電源。從外部引進的一路220V交流電壓經過變壓器TF3變換成AC9V電壓，橋整BRIDGE1整流成+12V的直流電壓，穩壓塊7805將+12V穩壓到+5V輸出，供需要

10、的器件使用14。系統的供電電源原理如圖3.2所示。+5V在原理圖中標注為VCC。 圖3.2 AT89C51接腳說明3.2 A/D轉換電路選中通道的模擬量到達A/D轉換器時，A/D轉換器并未對其進行A/D轉換。只有當轉換啟動信號端START出現下降沿并延遲后，才啟動芯片進行A/D轉換，START的上升沿復位ADC0809。A/D轉換結束后，A/D轉換的結果(8位數字量)送到三態鎖存輸出緩沖器，此時A/D轉換結果還沒有現在DB0-DB7八條數字量輸出線上，單片機不能獲取之。單片機要想讀到A/D轉換結果，必須使ADC0809的允許輸出控制端OE為高電平，打開三態輸了鎖存器，A/D轉換結果出現在DB0

11、-DB7上。ADC0809的A/D轉換過程是在時鐘信號的協調下進行的，ADC0809的時鐘信號由CLOCK端送入，其最高頻率為640MHz，在這個最高頻率下ADC0809的A/D轉換時間為100uS左右18。當ADC0809用于AT89C51單片機系統時，若AT89C51用12MHz的晶振，ALE輸出為1/6，即2MHz。則ADC0809的時鐘信號可以由AT89C51的ALE經過一個四分頻電路獲取。這時ADC0809的時鐘頻率為500KHz，A/D轉換時間為130uS。ADC0809常用的時鐘電路如圖3.3 ，A/D轉換電路如圖3.4。 圖3.3 ADC0809常用的時鐘電路圖（4分頻）單片機

12、讀取AD轉換結果的方法有三種(1)延遲法單片機啟動ADC0809后，延時130uS以上，可以讀到正確的A/D轉換結果。本設計中即采用這種方法。(2)查詢法EOC必須接到AT89C51的一條I/O線上。單片機啟動ADC0809后，延遲10uS，檢測EOC，若EOC=0則A/D轉換沒有結束，繼續檢測EOC直到EOC=1。當EOC=1時，A/D轉換已經結束，單片機讀取A/D轉換結果。(3)中斷法EOC必須經過非門接到AT89C51的中斷請求輸入線INT0或INT1上，AT89C51的中斷觸發方式為下降沿觸發。單片機啟動A/D轉換后可以做其它工作，當A/D轉換結束時，EOC由01經過非門傳到INT端，

13、AT89C51收到中斷請求信號，若AT89C51開著中斷，則進入中斷服務程序，在中斷服務程序中單片機讀取A/D轉換的結果。圖3.4 A/D轉換電路3.3 看門狗電路本系統采用MAXIM公司的低成本微處理器監控芯片MAX813L構成硬件狗與AT89C51的接口電路如圖3.5所示。MR與WDO經過一個二極管連接起來，WDI接單片機的P2.7口，RESET接單片機的復位輸入腳RESET，MR經過一個復位按鈕接地。該監控電路的主要功能如下：（1）看門狗定時器被清零，WDO維持高電平；當程序跑飛或死機時，CPU不能在1.6s內給出“喂狗”信號，WDO跳變為低電平，由于MR端有一個內部250mA的上拉電流

14、，D導通MR獲得有效低電平，RESET端輸出復位脈沖，單片機復位，看門狗定時器清零，WDO又恢復成高電平。（2）手動復位：MR保持140ms以上低電平，MAX813L輸出復位信號。如果需要對系統進行手動復位，只要按下手動復位按鈕，就能對系統進行有效的復位。圖3.5 MAX813L與89c51接口圖3.5 模擬信號處理電路當電流和電壓波形一致，即電流和電壓的相位差為零時，此時的功率因數最高，無功功率為零。當電流和電壓的波形不一致時，存在兩種情況：一種是電流的波形在電壓的波形之前到達，這種情況稱為電流超前于電壓；另一種是電流的波形在電壓波形之后到達，這種情況稱為電流滯后于電壓。電壓與電流的相位差的

15、余弦稱為功率因數。相位檢測電路就是要檢測到電流和電壓的相位差，并且要檢測電流是超前還是滯后。只要檢測到這兩個數據即可控制電力電容的投入或者切除。根據檢測的相位差余弦查表來求得當前的功率因數，再根據當前功率因數與設定的功率因數比較，如果當的功率因數大于設定的功率因數，并且為滯后或者功率因數等于1.00，則不進行投入，如果為超前，則切除電力電容；如果當前的功率因數小于設定的功率因數，則進行電容補償容量的判斷是否投入電容來提高功率因數，減少無功功率。 3.5.1電流和電壓相位檢測電路 功率因數是否等于1.00由單片機計算而得。如果為1.00則不進行任何操作。如果不為1.00且大于設定功率因數，則將電

16、壓電流得出的信號輸入D觸發器，再將觸發得出的結果送入單片機。由單片機處理是否投入或者切除電容。從圖3.7可以看到，電壓波形的采樣是采用一個變壓器TF1，TF1把交流220V電壓變換成12V的交流電壓，經過R27限流以及D4和D5的箝位送到LM393的第6腳負輸入端。LM393的第5腳正輸入端接地。需要注意的是，此時LM393是一個電壓比較器。因為LM393的第5腳正輸入端接地，所以它是一個過零比較器，當電壓波形過零時，LM393的第7腳輸出端電平反轉。LM393的第7腳輸出端接到ADC0809的IN1端口和D觸發器CLK端。如流波形的采樣如圖3.8所示，通過一個電流互感器把0到5A的交流信號變

17、換成0到50mA的交流小信號，再經過R19限流以及D2和D3的箝位送到LM393的第2腳負輸入端。LM393的第3腳正輸入端接地。LM393在這里是一個電壓比較器。因為LM393的第3腳正輸入端接地，所以它是一個過零比較器，當電流波形過零時，LM393的第1腳輸出端電平反轉。LM393的第1腳輸出端接到ADC0809的IN0口和D觸發器D端。3.5.2 D觸發器控制電路 D觸發器如圖3.9所示，控制切斷或者投入電容。電流信號接入D觸發的CLK端。當電流滯后電壓時，D觸發時鐘為上升沿。D端為“0”。Q端輸出為“0”。將Q端輸出送入單片機的I/O口。單片機根據功率因數情況決定是否切斷電容。若電流超

18、前電壓，D端置“1”，當電壓信號來到時，CLK為上升沿，Q輸出高電平“1”。并送入單片機處理。單片機根據功率因數情況決定是否切斷電容。圖3.9 D觸發器控制電路3.5.2電流和電壓信號采集電路 電流互感器把0到5A的交流信號變換成0到50mA的小信號，此處100R是假負載，0.05AX100R=5V。經過二極管整流和C20和C21電容濾波，R20和R22分壓后，再傳給0809的IN0端進行A/D轉換。電路圖如圖3.10所示。 圖3.10 電流采集電路電壓變壓器把交流220V變成交流9V的小信號電壓，經過橋整，C23的濾波，以及R25和R24的分壓后，再送到0809的IN1進行A/D轉換。電路圖

19、如圖3.11所示。圖3.11 電壓采集電路3.6電容補償控制電路本電路主要功能是投入或者切除電容。為了讓電路用較小的電流去控制較大電流，繼電器起一種“自動開關”的作用。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。而啟動繼電器則使動ULN芯片，它內部集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。電容補償分為兩組，每一組由單片機一個I/O口控制。每一個I/O口又控制8組電容。單片機發串行數據給74HC595的串行輸入端口，由74HC595實現串并轉換。由QA到QH輸出給發光二極管。二極管燈亮，表示此路電容投入工作。再由發光二極管傳入TLP521_4芯片。TLP521光耦導通，并將信號再

20、傳至ULN2003的輸入端。再由ULN2003輸出端發信號啟動繼電器IN4007。繼電器通電導通，電容連入電路進行補償。補償后的功率因數經單片機計算后判斷是否投入更多電容，或者切除部分電容。硬件連接如圖3.12所示。圖3.12電容補償控制電路4.1主程序設計本次設計的裝置主要的投切標準是功率因數和測量電壓，本裝置采用默認的標準功率因數為。隨器補償應以配變容量的6%8%選擇電容器容量效果較好，因為這大約相當于配電變壓器空載時的無功功率，又電容器補償容量可近似為，則本次設計一共設了2組容量為100nj400電容器組，方便控制和調節補償容量，采用2相共同補償。首先檢測電壓電流數值。經計算后，若功率因

21、數為1，則無需補償。再次檢測，直至功率因數不為1。當檢測到到的功率因數小于0.90時，投入第一組電容器組；再進行第二次檢測，計算得到功率因數再于默認值進行比較，若實際功率因數仍然小于0.90的話，繼續投入第二組電容器組。當檢測到功率因數大于0.90時，若電流滯后電壓，即電網處于容性狀態，無功補償過量，則立即切除第一組電容；繼續檢測電壓，若電壓仍然高于標準的話，則切除第二組電容器組。補償完畢后，將功率因數、電壓、電流送入顯示電路顯示。主要的程序流程如圖4.1所示。4 系統軟件的設計 4.2中A/D轉換軟件設計A/D轉換分為兩部分：電壓與電流轉換。電壓與電流轉換相似。如圖4.2以電壓轉換為例。首先

22、運行主程序，單片機P2.1口向ALE發送“1”，允許地址輸入。P2.0口向ADDA發送“1”，選中電壓口IN1。單片機P2.1口向ALE發送“0”，開啟0809的地址鎖存。檢測后的電壓數據送入0809。P2.2口向0809START發送下降沿信號，開啟A/D轉換。若轉換結束，即EOC=1，EOC由一個非門向單片機的中斷INTO，則進入延時程序，在中斷服務程序中單片機讀取A/D轉換的結果。讀取后，由P2.2向START發上升沿復位0809。圖4.1主程序流程圖 圖4.2 電壓轉換流程圖4.3電容補償控制電路軟件設計電容補償是在A/D轉換結束后，單片機由采到的數據控制投入或切除電容。如圖4.3所示。若計算結果，說明電壓與電流相位差為0，功率因數最高，不需要補償，系統跳回檢測狀態。若不為1，則需要判斷是否大于0.9。若小于0.9，則按計算結果再次計算，應該投入多少電容，將2組電容投入電路。若大于0.9，則跟據D觸發器控制電路的Q輸出結果，若為“0”，說明電路程感性，不需要操作。若為“1”，說明電路呈容性。再由單片機計算切除多少電容。最后啟動顯示電路，顯示結果。程序跳回檢測狀態。圖4.3電容補償電路軟件設計流程圖結 論無功補償技術在邊沿科學如電力電子技術和微電子技術發展的推動下，在電力系統領域取得了很大的發展，形成了多種補償