静止型动态无功补偿装置

静止型动态无功补偿装置 辽宁科技大学本科生毕业设计 第I页 静止型动态无功补偿装置 摘 要 随着经济的发展和人们生活水平的提高,各行各业对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。由于配电网处于电网的末端,用户多为低压用户,许多用电器的功率因数很低,且不带补偿装置,这给电网带来很大的功率负担和额外线损,为了维护电力系统稳定、保证电能质量和安全运行,对电网末端变压器进行就地无功补偿很有必要。本文利用专用三相电能专用芯片ATT7022B为核心构成的采样控制器,实时电网的电压、电流,有功、无功、功率因数,根据用电负荷情况,通过51单片机控制电容器组的自动投、切,实现无功功率的无功补偿,并利用12232液晶显示器显示当前的有功、无功、功率因数等参数。 关键字:功率因数,无功补偿,ATT7022B,单片机 辽宁科技大学本科生毕业设计 第II页 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 don't 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 辽宁科技大学本科生毕业设计 第III页 目录 摘 要 ................................................................................................................ I 1 绪论 ............................................................................................................... 1 1.1 无功补偿的意义 ..........................................................................................................1 1.2 静止无功补偿技术的发展 ...........................................................................................2 1.2.1 静止无功补偿的作用与类型 ................................................................................2 1.2.2 SVC装置的控制系统简介 ....................................................................................3 1.2.3无功补偿的类型.....................................................................................................4 1.3.1 课题来源 ............................................................................................................. 10 1.3.2 主要研究内容 ..................................................................................................... 11 2 功率因数 ..................................................................................................... 12 2.1 功率因数的定义 ........................................................................................................ 12 2.2 功率因数的意义 ........................................................................................................ 12 2.2.1功率因数对电气设备的影响 ............................................................................... 12 2.2.2功率因数对电力系统的影响 ............................................................................... 13 2.2.3 补偿的结果 ......................................................................................................... 14 3 系统的芯片介绍 .......................................................................................... 16 3.1 DSP(ATT7022B)芯片介绍 ......................................................................................... 16 3.1.1 芯片特性 ............................................................................................................. 16 3.1.2 功能简介 ............................................................................................................. 16 3.1.3 电源监控电路 ..................................................................................................... 17 3.1.4 系统复位 ............................................................................................................. 17 3.1.5 与单片机的接口技术 .......................................................................................... 18 辽宁科技大学本科生毕业设计 第IV页 3.2单片机介绍 ................................................................................................................ 20 3.2.1单片机的硬件 ...................................................................................................... 20 3.2.2单片机的总线 ...................................................................................................... 21 3.3 LCD 液晶显示器 ....................................................................................................... 22 3.3.1 液晶显示器的基本特性 ...................................................................................... 23 4 硬件的系统设计 .......................................................................................... 28 4.1数据采集系统的设计 ................................................................................................. 28 4.1.1 基本理论 ............................................................................................................. 28 4.1.2 ATT7022B的外围电路 ........................................................................................ 29 4.2 控制器的硬件设计 .................................................................................................... 30 4.2.1系统的基本工作原理 ........................................................................................... 31 4.2.2 无功电流的检测及补偿容量的确定 ................................................................... 31 4.2.3 时钟和复位电路的设计 ...................................................................................... 31 4.2.4 键盘和液晶显示电路 .......................................................................................... 32 4.2.5 电源电路的设计.................................................................................................. 34 4.2.6 投切电路的控制设计 .......................................................................................... 35 4.3系统的特点 ................................................................................................................ 36 结论 ................................................................................................................. 37 致谢 ................................................................................................................. 38 参考文献 ......................................................................................................... 39 辽宁科技大学本科生毕业设计 第V页 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1页 1 绪论 1.1 无功补偿的意义 国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高带来了电力负荷的高速增长。尤其是近两、三年来，由于电力负荷增长迅猛，而发电装机容量和输配电能力不足，造成全 [1]国近20个省市电力供应紧张，部分省市出现限电拉闸。与此同时，随着电力市场的开放，电力用户对电能质量的要求也在提高;电力生产与供应企业也比以往任何时候都重视电力系统运行的经济性。 电力系统运行的经济性和电能质量与无功功率有重大的关系。无功功率是电力系统一种不可缺少的功率。大量的感性负荷和电网中的无功功率损耗，要求系统提供足够的无功功率，否则电网电压将下降，电能质量得不到保证。同时，无功功率的不合理分配，也将造成线损增加，降低电力系统运行的经济性。 无功功率从何而来,显然，发电机提供的无功功率相对负荷和网络对无功功率的需求来说只是“杯水车薪”，仅仅依靠发电机提供无功功率也是极不经济的。无功功率最主要的来源是利用各种无功功率补偿(以下简称无功补偿)设备在电力系统的各个环节进行无功补偿。因此，无功补偿是电力系统的重要组成部分，它是保证电能质量和实现电力系统经济运行的基本手段。 低压电力用户量大面广，其负荷的功率因数又大都比较低，因此在低压电网中进行无功功率的就地补偿是整个电力系统无功补偿的重要环节。 低压电网的无功补偿主要采用并联电容器进行，它包括固定电容器(FC)补偿和自动投切电容器的动态补偿以及两者混合补偿等方式。 电力负荷是随时变化的，所需要的无功功率也是随时变化的，为了维持无功平衡，要求无功补偿设备实行补偿，即要根据无功负荷的变化及时投切电容器。以往的低压动态无功补偿设备以机械开关(接触器)作为电容器的投切开关，机械开关不仅动作速度慢，而且会产生诸如涌流冲击、过电压、电弧重燃等现象，开关本身和电容器都容易损坏。据调查，我国过去使用的自动投切电容器无功补偿装置在使用3年后损坏率达75,。 随着电力电子技术和微机控制技术的迅速发展和广泛应用，出现了智能型的动态无功补偿装置。这种以电力电子器件作为无功器件(电容器、电抗器)的控制或开关器件的动态无功补偿装置被称为静止无功补偿装置(SVC:Static Var Compensator)。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2页 SVC是动态无功补偿技术的发展方向，它正成为传统无功补偿装置的更新换代产品。正因为如此，本课题选择这一技术领域进行研究。 1.2 静止无功补偿技术的发展 1.2.1 静止无功补偿的作用与类型 对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿，可以实现如下的功能: (1)对动态无功负荷的功率因数校正。 (2)改善电压调整。 (3)提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。 (4)降低过电压。 (5)减少电压闪变。 (6)阻尼次同步振荡。 (7)减少电压和电流的不平衡。 应当指出，以上这些功能虽然是相互关联的，但实际的静止无功补偿装置往往只能以其中某一条或某几条为直接控制目标，其控制策略也因此而不同。此外，这些功能有的属于对一个或几个在一起的负载的补偿效果(负载补偿)，有的则是以整个输电系统性能的改善和传输能力的提高为目标(输电补偿)，而改善电压调整，提高电压的稳定度，则可以看作是两者的共同目标。在不同的应用场合，对补偿装置容量的要求也不一样。以电弧炉、电解、轧机等大容量工业冲击负荷为直接补偿对象的无功补偿装置，要求的容量较小，而以电力系统性能为直接控制目标的系统用无功补偿装置，则要求具有较大的容量，往往达到几十或几百兆乏。 早期的无功补偿装置的典型代是同步调相机。同步调相机能进行动态的无功补偿，至今在无功补偿领域中还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但同步调相机是一种旋转的机械，其损耗、噪声都很大，它正被静止无功补偿装置(SVC)所取代。 SVC近年来获得了很大发展，已广泛用于输电系统和供电系统的无功补偿。早期的SVC是饱和电抗器(SR)型的，尽管它具有静止型的优点，但它需要工作在饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的问题，因而未能占据SVC的主流。采用并联电容器进行无功补偿有一系列的优点，因而在电力系统的无功补偿中获得广泛应用。 并联电容器补偿可采用固定电容器(FC)补偿和开关投切电容器的自动补偿。前者 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3页 是不能调节的，不能进行动态补偿;后者用开关投切电容器，能进行动态无功补偿。传统的电容器动态无功补偿装置采用机械开关(接触器或断路器)投切电容器。机械开关的开关速度较慢，不可能快速跟踪负荷无功功率的变化;而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样开关触头易受电弧作用而损坏，而且可能使电容器承受过电压而击穿。 随着电力电子技术的迅速发展，晶闸管开始用于SVC装置中，出现了晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)这两种基本结构型式的SVC，以及它们的混合装置，如TCR，TSC、TCR，FC等。 使用晶闸管对无功器件(电容器和电抗器)进行投切或控制的优点是响应速度快，可以频繁投切。因此，使用晶闸管的静止无功补偿装置近年来发展很快，静止无功补偿装置(SVC)这个词往往专指使用晶闸管等电力电子开关器件的静止无功补偿装置。 1977年，美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院(EPRI)的支持下，西屋电气公司(Westing,house Electric Corp)制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套这类装置。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，自20世纪80年代以来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据静止无功补偿装置的主导地位。 1.2.2 SVC装置的控制系统简介 SVC控制系统由位于远程通过网络连接的远程主机、上位机、监控保护系统以及位于现场的下位机DSP控制器、TCR脉冲发生板、TSC脉冲发生板等组成，如图2(1所示。远程主机是指通过互联网络与上位机进行相连接的工控机，通过网络可以监控位于不同地域SVC运行状态、实时数据进行查看、修改、记录存盘。 上位机指的是一台远离现场的工控机，它通过串口与下位机进行通信，并且通过局域网与现场的监测系统进行相连，其主要作用就是根据用户或设备调试人员的要求，修改控制算法、计算控制参数、定制控制方式，并将这些信息传递给下位机:同时，上位机也可以通过和监测系统通信，对现场设备的运行情况进行实时监测，从而在远程对现场的SVC装置进行控制。 监控保护系统主要功能是通过与上位机进行实时通讯，并根据预先设定的保护阀值进行判断系统是否正常运行，如果有超过保护阀值的还有根据其保护的等级判断其是报 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4页 警、装置与系统脱离等。总之，监控保护系统就是时刻监控并保护整个SVC装置在正常的运行范围之内。 下位机指的是位于现场的SVC控制器，它是整个SVC控制系统的重中之重。SVC控制器由三个部分构成:DSP主控制板、TCR脉冲发生板和TSC过零触发板。其中DSP主控制板根据上位机的参考设定及系统运行状态确定SVC应当输出的TCR相位信号和TSC的投切指令;TCR脉冲发生板根据DSP主控制板输出的移相角信号和同步电压信号发出高频的电脉冲信号;TSC过零触发板则根据DSP主控制板输出的投切指令产生投切电容器的高频电脉冲信号。 图1.1 SVC装置的控制系统组成 1.2.3无功补偿的类型 1(同步调相机 调相机是电网中最早使用的无功补偿装置。调相机的基本原理与同步发电机没有区别，它不发有功功率只输出无功电流，因此不需要原动机拖动，没有启动电机的调相机 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5页 也没有轴伸，实质就是相当于一台在电网中空转的同步发电机。 调相机的工作是通过改变激磁电流的大小来实现无功功率的调节。当增加激磁电流时，其输出的容性无功电流增大。当减小激磁电流时，其输出的容性无功电流减小。当激磁电流减小到一定程度时，输出无功电流为零，只有很小的有功电流用于弥补调相机的损耗。当激磁电流进一步减小时，输出感性无功电流。在系统电压偏低时，过励磁运行供给无功功率而将系统电压调高;在系统电压偏高时，欠励磁运行吸收系统多余的无功功率而将电压调低。 调相机容量大、有较大的过负荷能力、对谐波不敏感、可以双向、连续调节:能独立地用调节励磁来调节无功的大小;并且具有当电网电压下降时输出无功电流自动增加的特点。但其价格高，效率低，运行成本高;起动、运行、维修复杂;动态调节响应慢:不适应太大或太小的补偿;发生失磁故障时将加重系统的电压波动。 2(并联电容器补偿 并联电容器补偿是目前应用最广的一种无功补偿方式，其电压等级和补偿容量可以通过电容器的串联、并联来实现，理论上可以达到任何的电压等级和补偿容量。由于没有旋转部件，因此运行时基本上没有噪声。并且目前随着无功补偿电容器技术的发展，高压电容器的损耗率已降至0.05,以下，又有调相机的有功损耗满载时所占额定功率的1.8,5.5,，50,额定负载时占2.9,9,，25,额定负载时高达5,15,，而且自愈式电容器其自身都有自愈能力使得其可靠性大大提高。1999年底全国电网调相机与并联电容器容量之比已达l:25.6左右。 由于电容器阻抗与频率成反比，因此对于系统中的高次谐波呈现低阻抗，易于系统阻抗形成串并联谐振，对系统中的谐波进行放大。同时由于大量谐波的流入易引起电容器的过负荷运行，使电容器发热超过设计值，减少电容器的使用寿命。 并联电容器补偿具有功率损耗小、投资少、可自动投切、维护简易、容量可任意选择等特点，但不能连续调节、负荷调节特性差，这是由于当无功负荷增大，电容器的补 2偿容量与电压的平方成正比(QCU,,,)，因电压下降而无功输出减小，故调压效果下C 降:对系统中的高次谐波有放大作用，在谐波电流过大时，可能引起内部过热，严重时甚至引起爆炸。 3(并联电抗器 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6页 并联电抗器调压主要用在超高压(330kV及以上)系统的线路上，其主要功能是:吸收容性电流，补偿容性无功，使系统达到无功平衡;削弱电容效应，限制系统的工频电压升高及操作过电压。其不足之处是容量固定的并联电抗器，当线路传输功率接近自然功率时，会使线路电压过分降低，且造成附加有功损耗，但若将其切除，则线路在某些情况下又可能因失去补偿而产生不能允许的过电压。 4(静止无功补偿器 静止无功补偿器(SVC)是用户电力技术(Customer Power，CusPow)的一种，是20世纪70年代初期发展起来的新技术。“静止”是针对旋转的同步调相机而言的，国内多称其为动态无功补偿器，这是针对固定电容器组(Fixed Capacitor，FC)而言。SVC是通过控制晶闸管的导通角来快速调节并联电抗器的大小或投切电容器组。它对调节负荷功率因数、稳定和平衡系统电压、消除流向系统的高次谐波电流、平衡三相负荷等有显著的作用14J。将它装设于高压输电系统可用以控制长距离输电线路甩负荷、空载效应等引起的动态过电压，改善系统的暂态稳定性，抑制系统的无功功率及电压振荡。它具有价格适中，性能可靠等特点。SVC最基本的两种类型结构为晶闸管相控电抗器型(Thyristor Phase Controlled Reactor，TCR)和晶闸管投切电容器型(Thyristor Switched Capacitor，TSC)。TCR和TSC可以相互之间组成TCR+TSC，或者与FC组成TCR+FC和TCR+TSC+FC等混合型结构，对于负载补偿绝大多数采用TCR+FC型。以下就各类型结构及其特点进行说明。 5(TCR型 TCR是由一对相反极性并联的晶闸管(串)和控制的电抗器串联组成。其电路原理图及电流波形如图1.2所示。Thl与Th2为两个反并联的晶闸管。 图1.2 TCR的电路图和电流波形 在电压的每个正的或负的半周期中，从电压峰值到电压过零点的问隔内，触发晶闸管(串)，承受正向电压的晶闸管(串)导通，电抗器进入投入状态。一般用控制角口来表示晶闸管(串)的触发瞬间，它是从电压过零点到触发时刻的角度，它的大小决定了流过 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7页 电抗器电流f的大小，相当于改变电抗器的电抗值。如果晶闸管(串)在电源电压峰值时准确地导通，即其脉冲触发相角为90?时，为完全导通，此时回路电流i与晶闸管短路时, 相等，电流基本上是无功的。滞后于电压约90?，其中包含少量的同相分量，这是由电抗器和晶闸管(串)的有功损耗引起的。当为90?,180?时晶闸管为部分导通，此时i要小, 于90?时的值以公式表达为: ,,00t,,, ,ittUXt()(coscos)2/2,, ,,,,,,,,,,L , ,,,,,,,03/2t,, 式中，U——TCR的交流端电压有效值; XXL,,LL——电抗器的基频电抗，; ,——晶闸管导通角; 将式(1(1)用傅立叶级数展开，可得f的基频分量为: 2()sin2,,,,，IU ,1X,L 因此，改变的大小就控制了回路基频电流的大小，即控制了回路的基频感性无功, 输出的大小。对基波而言，晶闸管控制的电抗器可以看成一个可控电纳，其等效的电纳值和控制角口的关系如下: 2()sin2,，,,,B(),, ,LX,L B,L图1.3 与之间的关系曲线 BL,与，之间的关系曲线如图1.3所示。基于这种关系的控制就叫做相控。 TCR通常有六脉冲电抗器及十二脉冲电抗器两种类型。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8页 6(TSC 晶闸管投切电容器由一对相反极性并联的晶闸管(串)与电容器以及一电抗器串联而成。其电路原理图及工作特性如图1.4所示，根据负载感性无功功率的变化，切除或投入电容器组。 图1.4 TSC电路原理及工作特性曲线 用反极性并联的晶闸管(串)作为投切电容器组的开关，它比断路器开关响应更迅速，可靠性更高。电抗的作用是防止电容器突然投入时电流变化率di/dt在晶闸管可以接受的程度以内。用晶闸管(串)投切电容器组时，通常选取晶闸管阀两端电压过零点作为触发晶闸管的时刻，大大降低合闸涌流和合闸过电压。在晶闸管两端电压为零时刻给予晶闸管触发脉冲，使其导通，电容器被投入;停止发出脉冲，晶闸管在电流过零时自然关断，电容器被切除。TSC的优点是TSC中的电容器只有投入(晶闸管导通)和切除(晶闸管不导通)两个状态，所以不产生谐波，但无功功率的补偿容量是跳跃的，大小等于单个电容器组的容量，且响应速度较差。在负荷产生谐波电流大的场合，如冶金企业、电气化铁道等，TSC的运行将是不可靠的，因为谐波的注入使得并联电容器出现过流、过压及过热情况而导致电容器击穿、“鼓肚”甚至爆炸事件。 7(TCR+TSC混合型 TCR+TSC混合型SVC装置一般使用拧组电容器及一组晶闸管相控电抗器，其基本运行原理是:当系统电压低于设定的运行电压时，则需根据需要补偿的容性无功量，投入适当组数的电容器组，并略有一点正偏差(即过补偿)，此时再用晶闸管相控电抗器的感性无功功率来抵消这部分过补偿的容性无功功率;而当系统电压高于设定的运行电压时，则切除所有的电容器组，TCR+TSC混合型SVC装置此时只有TCR运行。其原理及电 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9页 压(电流特性曲线示于图l.5所示。 这种型式的SVC装置，TCR的运行特性会“插入”电容器特性之间。如果TCR的特性有一个小的J下斜率，则合成的特性将如图中的实线所示。从图中可知，TCR的电流额定值应当稍大于一组电容器在额定电压下的值，否则就会得到图中阴影所示的死区。 图l.5 (TCR+TSC)原理图和可能的工作特性曲线 8(TCT TCT是一种特殊TCR，如图1.6所示，由晶闸管控制高漏抗变压器的二次侧电流。高漏抗变压器的漏抗可达70,以上，晶闸管接在变压器二次侧，并联均流时可承受大的电流，而变压器一次侧可接至高电压的母线上。由于TCT的漏磁很大，因此必须加强变压器箱体对漏磁的屏蔽。而当TCT用于电弧炉等三相不平衡负荷的无功补偿、并将TCT作成三相变压器型式时，其铁芯必须有两边芯柱作为零序磁通的闭合铁心磁路。但由于高漏抗变压器造价较高，在工程上一般大于30MVar的SvC多不采用TCT而采用TCR。 图l.6 TCT原理图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10页 9(静止无功发生器 静止无功发生器(Static var Generator，SVG)也被称为静止同步补偿器(STATCOM)，是在20世纪80年代以来出现的更为先进的静止无功补偿装置。图1.7所示，为SVG的基本构成，它由直流电容、电压型变流器和与系统连接的变压器构成。装置中6个可关断晶闸管(GTO/IGBT)分别与6个二极管反向并联，适当控制GTO,lGBT的通断，可以把电容器C上的直流电压转变成为与电力系统电压同步的三相交流电压，装置的交流侧通过电抗器或变压器并联接入系统。适当控制逆变器的输出电压就可以灵活地改变SVG的运行工况，使其处于容性负荷、感性负荷或零负荷状态。与SVC相比，SVG的响应速度更快，运行范围更宽，谐波电流含量更小，尤其重要的是，电压较低时SVG仍可向系统注入较大的无功电流。在稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流动，因此它的直流储能元件(电容器)只需要较小容量的电容即可。 图l.7 SVG系统原理图和电压(电流特性曲线 与SVC相比，SVG的调节速度更快且不需要大容量的电容、电感等储能元件，谐波含量小，同容量占地面积小，在系统欠压条件下无功调节能力强。此外，SVG装置用铜和铁较少，且有优良的补偿特性，因此是新一代无功补偿装置的代表，有很大的发展前途。 1.3 课题来源及主要研究内容 1.3.1 课题来源 本课题是针对国内现有的电容器自动投切装置存在下列问题而提出的: (1)采用接触器或断路器作投切开关，无法实现零电压(电网电压与电容器电压之差)投切，这样会产生很大的涌流冲击，容易损坏电力电容器和投切开关等设备。 (2)采用机械开关投切无法实现分相投切，这样在三相负荷不平衡时达不到补偿效果，并可能出现某些相过补偿。 (3)投切判据单一，通常根据以下五种方法之一来对电容器进行投切:电网电压高 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11页 低、无功功率方向、功率因数大小、负荷电流大小、昼夜时间划分。很明显，这种投切方式无法做到最优化补偿，有时还会出现过补偿。以功率因数作为投切判据的无功补偿装置，在小负荷情况下会出现投切振荡。 1.3.2 主要研究内容 1.功率因数的检测技术。 2.无功补偿的控制。 3.专用芯片DSP(ATT7022B)的技术性能、与单片机的接口及读写技术。 4.单片机自动补偿控制方案。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12页 2 功率因数 2.1 功率因数的定义 在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 (1) 最基本分析:拿设备作举例。例如:设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。在这个例子中，功率因数是0.7 (如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是电能的计量标准。 (2) 基本分析:每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有功功率(叫千瓦)及电抗性的无功功率。功率因数是有功功率与视在功率间的比率。功率因数越高，有功功率与视在功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。 (3) 高级分析:在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。无功功率补偿能使两个峰值逐渐接近在一起，从而提高系统运行效率。 2.2 功率因数的意义 2.2.1功率因数对电气设备的影响 功率因数是交流电路的重要技术数据之一。功率因数的高低，对于电气设备的利用率和分析、研究电能消耗等问题都有十分重要的意义。 在二端网络中消耗的功率是指平均功率，也称为有功功率，它等于 由此可以看出，电路中消耗的功率P，不仅取决于电压V与电流I的大小，还与功率因 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13页 数有关。而功率因数的大小，取决于电路中负载的性质。对于电阻性负载，其电压与电流的位相差为0，因此，电路的功率因数最大();而纯电感电路，电压与电流的位相差为π,2，并且是电压超前电流;在纯电容电路中，电压与电流的位相差则为,(π,2)，即电流超前电压。在后两种电路中，功率因数都为0。对于一般性负载的电路，功率因数就介于0与1之间。 一般来说，在二端网络中，提高用电器的功率因数有两方面的意义，一是可以减小输电线路上的功率损失;二是可以充分发挥电力设备(如发电机、变压器等)的潜力。因为用电器总是在一定电压U和一定有功功率P的条件下工作，由公式 可知，功率因数过低，就要用较大的电流来保障用电器正常工作，与此同时输电线路上输电电流增大，从而导致线路上焦耳热损耗增大。另外，在输电线路的电阻上及电源的内组上的电压降，都与用电器中的电流成正比，增大电流必然增大在输电线路和电源内部的电压损失。因此，提高用电器的功率因数，可以减小输电电流，进而减小了输电线路上的功率损失。 2.2.2功率因数对电力系统的影响 功率因数过低，对电力系统的影响很大，而尤其对电网企业影响最大: (1)当用户功率因数偏低时，需要从网上吸收无功功率，这样发电机组就要多发无功，而发无功也是需要能量的，它少发了有功，相当于降低了发电机的出力; (2)无功负荷在网上传送，白白占用了输、变、配电设备的资源，使上述设备利用率降低，而设备运行效率是以有功计算的，因而它使设备达不到额定功率，功率降低;为达到规定的功率，就要增大设备容量，提高了设备投资额; (3)无功影响电压，无功的传输和大量消耗，使系统电压不能满足要求，线路未端会电压很低，造成设备不能起车或达不到额定功率; (4)无功的缺乏，会使线路及电气设备中的电流增大，使损耗增大，即线损增加，增大电费支出。 用电者是1千瓦的负载，那么不管功率因数是0.5，还是0.9，他工作1小时实际上电表显示都是1度电，而国家规定是按有功电量收费电费。 正是因为上面4点原因，用户功率因数是0.5或是0.9，在线路上的损耗却是不一样 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14页 的，如果各个用户功率因数都低，合在一起就不的了了，因而要求用户无功功率“就地补偿”自己补偿自己的。 2.2.3 补偿的结果 根据检测自然平均功率因数在0.70,0.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%,90%,如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。 1、节省企业电费开支。提高功率因数对企业的直接经济效益是明显的，因为国家电价中，从合理利用有限电能出发，对不同企业的功率因数规定了要求达到的不同数值，低于规定的数值，需要多收电费，高于规定数值，可相应地减少电费。可见，提高功率因数对企业有着重要的经济意义。 2、提高设备的利用率。对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足了负荷增长的需要;如果原网络已趋于过载，由于功率因数的提高，输送无功电流的减少，使系统不致于过载运行，从而发挥原有设备的潜力;对尚处于设计阶段的新建企业来说则能降低设备容量，减少投资费用，在一定条件下，改善后的功率因数可以使所选变压器容量降低。因此，使用无功补偿不但减少初次投资费用，而且减少了运行后的基本电费。 3、降低系统的能耗。补偿前后线路传送的有功功率不变，P= IUCOSφ，由于COSφ提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1,为分析问题方便，可认为U2?U1从而导 Icos,12,出。即,这样线损 P减少的百分数为:IIcoscos,,,1122Icos,21 Icos2,221,,,，,,，P%(1)100%(1)100%当功率因数从0.70,0.85提高到0.95时，由Icos2,122 (2)式可求得有功损耗将降低20%,45%。 4、改善电压质量。以线路末端只有一个集中负荷为例，假设线路电阻和电抗为R、X,有功和无功为P、Q,则电压损失ΔU为:?U=(PR QX)/Ue×10-3(KV) 两部分损失:PR/ Ue?输送有功负荷P产生的;QX/Ue?输送无功负荷Q产生的;配电线路:X=(2~4)R，?U大部分为输送无功负荷Q产生的变压器:X=(5~10)R QX/Ue=(5~10) PR/ Ue 变压器?U几乎全为输送无功负荷Q产生的。可以看出，若减少无功功率Q,则有利于线 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 15页 路末端电压的稳定，有利于大电动机的起动。因此，无功补偿能改善电压质量(一般电压稳定不宜超过3%)。但是如果只追求改善电压质量来装设电容器是很不经济的，对于无功补偿应用的主要目的是改善功率因数，减少线损，调压只是一个辅助作用。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16页 3 系统的芯片介绍 3.1 DSP(ATT7022B)芯片介绍 目前的常用的功率因数的检测方法:任意两相的电压与另一相的电流之间的相位差φ。存在的问题:因为存在高次谐波的作用，过零检测时存在多个零点，使检测的结果不准确，甚至导致错误的判断。有的资料指出进行滤波处理，但这样会使电压产生相移，导致结果不准确。三相电能专用芯片ATT7022B采用的是DSP基波分离技术，能够精确测量三相的有功、无功、视在功率、功率因数等参数，无须计算，能够满足系统的需要，利用已有的成果可以避免重复劳动。 3.1.1 芯片特性 高精度,在输入动态工作范围(1000:1)内,非线型测量误差小于0.1%;有功测量满足0.2S、0.5S，支持IEC 62053-22，GB/T17883-1998;无功测量满足2级、3级，支持IEC 620533-23，GB/T17882-1999;提供基波、谐波电能以及总电能测量功能;提供视在电能测量功能;提供正向和反向有功/无功电能数据;提供有功、无功、视在功率参数;提供功率因数、相角、线频率参数;提供电压和电流有效值参数;有效精度优于0.5%;提供电压、电流相序检测功能;提供三相电压、电流矢量和之有效值输出;提供电压相序检测功能;提供电流相序检测功能; 提供三相电流矢量和之有效值输出;提供三相电压矢量和之有效值输出;提供电压夹角测量功能;提供失压判断功能;具有反向功率指示;提供有功、无功、视在校表脉冲输出;提供基波有功、基波无功校表脉冲输出;合相能量绝对值相加与代数相加可选;内置温度测量传感器;可准确测量到含21 次谐波的有功无功和视在功率;支持增益和相位补偿;小电流非线性补偿;具有SPI 接口 方便与外部 MCU 通讯;适用于三相三线和三相四线模式;单+5V供电。 3.1.2 功能简介 (1) 是一颗高精度三相电能专用计量芯片 适用于三相三线和三相四线应用;(2)ATT7022B 集成了六路二阶 sigma-delta ADC 参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电。(3)ATT7022B 能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。(4)ATT7022B 支持全数字域的增益、相位校正、即纯软件校表。有功、无功电能脉 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 17页 冲输出CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。(5)ATT7022B可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出CF3和CF4提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校。(6)ATT7022B 提供两类视在能量输出，RMS视在能量以及PQS视在能量，CF3和CF4 也可被配置为视在能量脉冲输。ATT7022B提供一个 SPI 接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。所有计量参数都可以通过SPI 接口读出。(7)ATT7022B内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。. 3.1.3 电源监控电路 ATT7022B片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源AVcc进行监控。电源电压低于4V时，芯片将被复位。这有利于电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。电源监控电路被安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。如图3.1所示，为保证芯片正常工作应对电源去耦，使AVCC的波动不超过5V。 图3.1 电源监控原理图 3.1.4 系统复位 ATT7022B提供两种复位方式，硬件复位和软件复位。 硬件复位通过外部引脚 RESET完成，RESET引脚内部有47K电阻上拉，所以正常工作时为高电平，当RESET出现大于20us的低电平时，ATT7022B进入复位状态，当RESET变为高电平时，ATT7022B将从复位状态，进入正常工作状态。 软件复位通过SPI口完成，当往SPI口写入0xD3命令后，系统进行一次复位，复位之后ATT7022B从初始状态开始运。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18页 ATT7022B在复位状态下SIG为高电平，当ATT7022B从复位到工作状态之后，大约经过500us左右SIG将从高电平变为低电平，此时芯片开始进入正常工作状态，方可写入校表数据，一旦写入校表数据之后SIG又会立刻变为高电平。 如3.2图所示，为ATT7022B的复位时序图。 图3.2 ATT7022B的复位时序图 3.1.5 与单片机的接口技术 ATT7022B内部集成了一个SPI串行通讯接口。ATT7022B的SPI接口采用从属方式工作，使用2条控制线和2条数据线:CS、SCLK、DIN和DOUT，如图3.3。 图3.3 ATT7022B与单片机的接线图 CS:片选(输入脚)，允许访问串口的控制线。CS 由高电平变为低电平时表示SPI 操作开始，CS由低电平变为高电平时表示SPI操作结束。所以每次操作SPI时CS必须出现下降沿，CS出现上升沿时表示SPI操作结。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19页 DIN:串行数据输入(输入脚)，用于把用户的数据(如数据/命令/地址等)传输到ATT7022B。 DOUT:串行数据输出(输出脚)，用于从ATT7022B寄存器读出数据。 SCLK:串行时钟(输入脚)，控制数据移出或移入串行口的传输率。上升沿放数据，下降沿取数据。SCLK下降沿时将DIN上的数据采样到ATT7022B中，SCLK上升沿时将ATT7022B的数据放置于DOUT上输。 考虑SPI传输信号线有可能受到干扰或者出现抖动，所以在SPI信号线上串联一个小电阻。这个电阻与IC输入端的寄生电容C结合起来可构成一个低通滤波器，可以消除SPI接口信号上的任何振荡，一般使用10-100的电阻。如果数字输入端的内部电容不够大，还可在这个输入端加一个外接电容，可选10pF左右的电容。 芯片与单片机一般有6条线一条RESET复位控制线，一条握手信号SIG。上图中的四条使SPI接口线，SPI通讯格式使相同的，当通讯开始时SCLK为低电平，CS由高到低，经过32个时钟脉冲SCLK表示送出8位地址，24位数据，MSB在前，LSB在后，CS 由低变高，完成一个寄存器的读或写操作。芯片在时钟的下降沿从DIN线上取单片机送出的数据，在上升沿从DOUT线上向单片机送出数据。 SPI读操作的时序图如3.4所示。 图3.4 ATT7022B读操作的时序图 在SCLK低于200KHz 时，可以不需要等待，即等待时间为0s;当SCLK频率高于200KHz时。则需要等待大约3us。 SPI写操作的时序图如3.5所示。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20页 图3.5 ATT7022B写操作的时序图 3.2单片机介绍 单片机在集成度、功能、性能、体系结构方面都有了飞速发展，已能集成一个完整的功能强大、性能优良的计算机应用系统。但目前国内许多单片机应用单位仍停留在采用片内无ROM等低档单片机的状态，无论在系统设计上、使用维护上、经济效益上这都是不合算的。这种状况必须改变。本文就单片机的发展现状进行综述，希望能对提高国内单片机技术的应用水平有所促进。 3.2.1单片机的硬件 单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。它是在一块芯片上集成(嵌入)了CPU、RAM和ROM存储器、I,O接口等而构成的微型计算机。因主要用于工业测控领域，故又称为微控制器或嵌入式控制器。单片机的核心是中央处理器CPU。用超大规模集成技术把CPU集成在一块芯片上，称为微处理器。微处理器、微控制器和微型计算机三者的关系十分密切。目前，单片机在工业测控领域中已占重要地位。各电气厂商、机电行业和测控企业都把单片机作为本部门产品更新换代、产品智能化的重要工具。全世界单片机的生产厂家有30多家，能生产60多个系列，1000多个型号的产品。产量大，仅1996年的产量就达18亿片。 1、单片机的特点 单片机问世以来所走的路与微处理器是不同的。微处理器向着高速运算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用计算机的性能。其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的。单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。因此，单片机有着自已的特点，主要是: •品种多样，型号繁多。品种型号逐年扩充以适应各种需要。使系统开发者有很大 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 21页 的选择自由。CPU从4、8、16、32到64位，有些还采用RISC技术; •提高性能，扩大容量。集成度已达200万个晶体管以上。总线工作速度已达数十微秒。工作频率达到30MHz甚至40MHz。指令执行周期减到数十微秒。存储器容量RAM发展到1K、2K，RO M发展到32K、64K; •增加控制功能，向外部接口延伸。把原属外围芯片的功能集成到本芯片内。现今的单片机已发展到在一块含有CPU的芯片上，除嵌入RAM、ROM存储器和I,O接口外，还有A,D、PWM、U ART、Timer,Counter、DMA、Watchdog、Serial Port、Sensor、driver、还有显示驱动、键盘控制、函数发生器、比较器等，构成一个完整的功能强的计算机应用系统; •低功耗。供电电压从5V降到3V、2V甚至1V左右。工作电流从mA级降到μA级。在生产工艺上以CMOS代替NMOS，并向HCMOS过渡; •应用软件配套。提供了软件库，包括标准应用软件，示范设计方法。使用户开发单片机应用系统时更快速、方便。使有可能做到用一周时间开发一个新的应用产品; •系统扩展与配置。有供扩展外部电路用的三总线结构DB、AB、CB，以方便构成各种应用系统。根据单片机网络系统、多机系统的特点专门开发出单片机串行总线。此外，还特别配置有传感器，人机对话 、网络多通道等接口，以便构成网络和多机系统。 3.2.2单片机的总线 一直以来，单片机没有自己的专门的总线标准，通常是由著名厂家推出自己产品时配套设计的。如MC S,51系列单片机就设计有完善的三总线结构(地址总线AB，数据总线DB，控制总线CB)，要构成不同的单片机应用系统是方便的。虽然，单片机可以归结为工控机的一种，而工控机的成熟主流总线是STD总线，但单片机却没有完全执行STD总线标(IEEE961)，而以控制总线差别较大。 这里只论及完全根据单片机的特点，按照控制系统网络及多机系统的需要而设计的串行接口总线。有了此总线，多个单片机就能以一定的拓朴结构组成多种系统，弥补了在网络控制方面的不足。 单片机应用系统涉及多种多样的外部设备或系统的互连和通信，有必要在单片机与外部芯片间插入有通信功能的接口。这样做的好处是:(1)串行总线连线少，结构简单，安装调整方便。在传送速度不太高的场合，串行总线是可取的;(2)总线接口部分已集成到芯片中，系统可以按功能模块直接联接;(3)故障诊断排除十分简单;(4)可利用 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 22页 软件库进行安装，减少软件开发时间;(5)取消外部接口电路，外部接线少，体积小，可靠，价廉。目前已生产出多种产品，但仍未有正式批准的国际标准。常见的有以下几种总线: •IIC总线(Inter,Integrated Circuit)。这是Philips开发的一种内部双向二线串行总线。一为串行数据总线。另一为串行时钟总线。线上设备可用软件寻址，且可自动冲突仲裁 。标准传送速率100kbit,s，最大400kbit,s(适于非高速系统。 •BIT总线。这是Intel开发的一种分布式机间通信的串行总线。通过RUPI,44系列的串行接口单元，可实现点对点、多点主从、环形网三种链路结构的通信。外同步速率2(4MB,s(点对点，多点)，1(0MB,s(环形网)。 •MicroWire总线。这是国家半导体开发的一种三线串行接口总线。一为数据输出线，二为数据输入线，三为时钟线。线上只有一台机为主机，其余为从机。MicroWire,plus是增强型。各型号功能各异。 •SPI,SCI总线(串行输入接口,串行通信口)。由Motorola开发。SPI为并行同步总线(两条串行数据线，一条串行时钟线)通过SPI的互连可构成各种应用系统。SCI为异步通信接口。 •VESA总线(Video Electronics StandardAssociation)。由视频电子标准协会等多家公司联合推出的全开放模块式的局部总线。又称VESALocal总线，简称VL。此总线支 s。适于多持高速视频处理，总线宽32位，数据线可扩至64位。数据传输率132MB,媒体场合。 •CAN总线(Controller Area Network)。这是一种单片机外部串行总线。采用多元竞争式结构。按设定仲裁字的方式进行总线仲裁。是网络系统的一种重要总线型式。 此外，还有Signetics公司的芯片内部的DDB总线等。 1995年末，世界上最新开发的Intel公司的总线产品compact PCI被介绍给我国的工控，而该类产品在我国目前仍处于初创研发阶段。作为归结为工控机类的单片机，如何彻底解决设备共享问题 ，从而加入现场控制系统(FCS)中，一直是工控界关注的问题。 在当今社会，单片机还是十分流行的MCU，经过不断的完善功能比以前更加强大，并且价格便宜，实用性强。 3.3 LCD 液晶显示器 在本系统中采用的是12232 液晶显示器来显示各个参数，其比LED数码管显示有 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 23页 以下优点:1.数码管显示在有的情况下显示不清楚，而LCD在光照较强的情况下显示的更清楚，在光暗的情况下有液晶功能，也能够看清显示的数据。2.数码管容易损坏，经常更换，而液晶显示可靠性高，稳定性好，比较耐用。 3.3.1 液晶显示器的基本特性 1、液晶驱动IC基本特性 1、具有低功耗、供应电压范围宽等特点。 2、具有16common和61segment输出，并可外接驱动IC扩展驱动。 3、具有2560位显示RAM(DD RAM)，即80×8×4位。 4、具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能，并有专用的指令集，可完成文本显示或图形显示的功能设置。 2、模块基本特性 视域尺寸:，60.5×18.0mm(12232-1/-2),54.8×18.3mm(12232-3); 显示类型:黄底黑字; LCD显示角度:6点钟直观; 驱动方式:1/32 duty，1/6 bias; 连接方式:导电胶条，铁框; 补充说明:模块外观尺寸可根据用户的要求进行适度调整。 3、工作参数 1、逻辑工作电压(VDD-VSS):2.4,6.0V 2、LCD驱动电压(Vdd-Vlcd):3.0,13.5V 3、工作温度(Ta):0,55?(常温) / -20,70?(宽温) 4、保存温度(Tstg):-10,70? 4、电气特性 1、输入高电平(Vih):3.5Vmin 2、输入低电平(Vil):0.55Vmax 3、输出高电平(Voh):3.75Vmin 4、输出低电平(Vol):1.0Vmax 5、工作电流:2.0mAmax 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 24页 5、接口说明 管脚说明: , VDD:逻辑电源正 , GND(VSS): 逻辑电源地 , VLCD(VEE,V0):LCD驱动电源 , RET:复位端,对于68系列MPU:上升沿(L-H)复位，且复位后电平须保持为高电平 (H);对于80系列MPU:下降沿(H-L)复位，且复位后电平须保持为低电平(L)。 , E1:读写使能。对于68系列MPU，连接使能信号引脚，高电平有效;对于80系 列MPU，连接/RD引脚，低电平有效。 , E2:同E1引脚。 , /RD:读允许，低电平有效。 , /WR:写允许，低电平有效。 , R/W:读写选择，对于68系列MPU，高电平时读数据，低电平时写数据;对于80 系列MPU，低电平时允许数据传输，上升沿时锁定数据。 , A0:数据/指令选择。高电平:数据D0-D7将送入显示RAM; 低电平:数据D0-D7将送入指令执行器执行。 , D0-D7:数据输入输出引脚。 6、指令描述 1、显示模式设置 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L H L H L H L H H H D 功能:开/关屏幕显示,不改变显示RAM(DD RAM)中的内容,也不影响内部状态。D=0，开显示;D=1，关显示。如果在显示关闭的状态下选择静态驱动模式，那么内部电路将处于安全模式。 2、设置显示起始行 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L H L H H L A4 A3 A2 A1 A0 功能:执行该命令后，所设置的行将显示在屏幕的第一行。起始地址可以是0-31范围内任意一行。行地址计数器具有循环计数功能，用于显示行扫描同步，当扫描完一行 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 25页 后自动加一。 3、页地址设置 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L H L H L H H H L A1 A0 功能:设置页地址。当MPU要对DD RAM进行读写操作时，首先要设置页地址和列地址。本指令不影响显示。 A1 A0 页地址 0 0 0 0 1 1 1 0 2 1 1 3 4、列地址设置 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L H L L A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 功能:设置DD RAM中的列地址。当MPU要对DD RAM进行读写操作前，首先要设置页地址和列地址。执行读写命令后，列地址会自动加1，直到达到50H才会停止，但页地址不变。 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 列地址 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 4E 1 0 0 1 1 1 1 4F 5、读状态指令 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L L H BUSADOM/OFRESEL L L L Y C F T 功能:检测内部状态。 BUSY为忙信号位，BUSY =1:内部正在执行操作;BUSY =0:空闲状态。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 26页 ADC为显示方向位，ADC=0:反向显示;ADC=1:正向显示。 ON/OFF显示开关状态，ON/OFF=0:显示打开，ON/OFF=1:显示关闭。 RESET复位状态，RESET=0:正常，RESET=1:内部正处于复位初始化状态。 6、写显示数据 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 H H L Write Data 功能:将8位数据写入DD RAM，该指令执行后，列地址自动加1，所以可以连续将数据写入DD RAM而不用重新设置列地址。 7、读显示数据 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 H L H Read Data 功能:读出页地址和列地址限定的DD RAM地址内的数据。当“读-修改-写模式”关闭时，每执行一次读指令，列地址自动加1，所以可以连续从DD RAM读出数据而不用设置列地址。 注意:再设置完列地址后，首次读显示数据前必须执行一次空的“读显示数据”。这是因为设置完列地址后，第一次读数据时，出现在数据总线上的数据是列地址而不是所要读出的数据。 8、设置显示方向 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L H L H L H L L L L D 功能:该指令设置DD RAM中的列地址与段驱动输出的对应关系显示当设置D=0时，反向;D=1时，正向。 9、开/关静态驱动模式设置 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L H L H L H L L H L D 功能:D=0表示关闭静态显示，D=1表示打开静态显示。如果在打开静态显示时，执行关闭显示指令，内部电路将被置为安全模式。 10、DUTY选择 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 27页 L H L H L H L H L L D 功能:设置D=0 表示1/16DUTY，D=1表示1/32DUTY。 11、“读-修改-写”模式设置 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L H L H H H L L L L L 功能:执行该指令以后，每执行一次写数据指令列地址自动加1;但执行读数据指令时列地址不会改变。这个状态一直持续到执行“END”指令。 注意:在“读-修改-写”模式下，除列地址设置指令之外，其他指令照常执行。 12、END指令 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L H L H H H L H H H L 功能:关闭“读-修改-写”模式，并把列地址指针恢复到打开“读-修改-写”模式前的位置。 13、复位指令 A0 /RD /WR D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 L H L H H H L L L H L 功能:使模块内部初始化。 初始化内容:? 设置显示初始行为第一行; ?页地址设置为第三页。 复位指令对显示RAM没有影响。 14、设置安全模式 通过关闭显示并打开静态显示的方法，可以设置安全模式，以减小功耗。 安全模式下的内部状态: 停止LCD驱动。Segment和Common输出VDD电平。 停止晶体震荡并禁止外部时钟输入，晶振输入OSC2引脚处于不确定状态。 显示数据和内部模式不变。 可通过打开显示或关闭静态显示的方法关闭安全模式。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 28页 4 硬件的系统设计 4.1数据采集系统的设计 4.1.1 基本理论 ATT7022B是一种为处理三相电能专门设计的高速芯片，采用的是DSP基波分离技术，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，无需计算，充分满足系统设计的需求.并且价格便宜，所以选取ATT7022B作为本系统的采样控制器非常的合适。 由于ATT7022B内含16K闪烁存储器,简化了DSP的外围电路，极大地提高了数据的处理速度。本系统DSP的外围电路由三部分组成:?模数转换接口电路;?开关量输入、输出接口电路?与上位机通信的接口电路 交流电参量的测量方法主要分为两大类:模拟电路测量方法和采样计算式测量方法。其中模拟电路测量方法准确度高，稳定性好，但不太适用于多参数测量。采样计算式测量方法比较适用于多参数测量，尤其随着计算机和电子技术的飞速发展，高性能微处理器和A,D转换器，给采样计算式测量方法，提供了有力的硬件支持。目前采样计算式测量实现了同步采样法，准同步采样法等。 软件同步采样法是首先测出被测信号的周期T，则用该周期除以一周期内采样点数N，得采样间隔并确定定时器的技术值，用定时器中断方式实现同步采样。软件同步采样省去了硬件电路锁相环节，结构简单，避免了锁相环设计调试的复杂和失锁现象。但由于信号的频率是在一定范围内变化，对其周期T不能准确测量，按不准确的周期T计算的采样间隔进行N次采样后，不能与实际信号的周期同步，即存在同步误差，为减小同步误差，提高测量精度，后采用自适应调整采样间隔的方法。 快速傅立叶变换要求将一个采样周期均分成N等分。不满足这个条件会给变换后的结果带来较大的误差。因此在傅立叶变换中根据频率的变化，采用自适应变步长可取得较高的精度。 利用DSP芯片自带的捕获功能。捕获功能是指当捕获引脚出现指定电平时，DSP能捕获指定定时器的读数。因此将跟踪频率的方波信号作为捕获引脚的输入信号，令连续两次捕获信号在定时器上的读数之差为N，DSP定时器的频率为fs，则交流信号的频率 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 29页 f,fs,N。由于定时器的最大频率为20MHz，所以测量的误差极小。 本系统以ATT1022B芯片为采样核心，充分利用它高速的运算能力和先进的体系结构来完成有功功率和无功功率的快速检测。通过单片机的适时处理，从而有效地进行无功补偿。由于三相电网满足下面的关系式 只需采样两相的相电流和线电压，即uac、ubc、ia、ib四路电网参量，通过电压、电流变换，经放大、滤波，使输出电压范围在0,5V，再经过数模转换(A,D)进行离散采样。每周期采样64点，将其数字量送入DSP，进行FFT变换。完成一次数据采集的时间(包括多路开关的开关时间、采样保持时间、A,D转换时间还有其他延迟时间)为:0(02,1000000,(64,4),75μs。 ATT7022B内含7路10位A,D转换器，转换速度达100kHz，每个A,D最大转换时间为6(6μs，每次触发后依次对模拟量进行采样。在读取转换数据时，采用DSP的外部中断方式。当ADC转换结束时，产生一个结束信号，以此信号引起DSP中断，通知DSP把数据存入数据存储器RAM。数据采集完成后，将每个通道数据逐点采集到内存缓冲区中进行处理。 4.1.2 ATT7022B的外围电路 一、数模转换的前端接线图 ATT7022B 片内集成了 7 路 16 位的 ADC，采用双端差分信号输入。输入最大的正弦信号有效值是 1v。建议将电压通道 Un 对应到 ADC 的输入选在 0.5v 左右，而电流通道 Ib 时的 ADC输入选在 0.1v 左右。参考电压Refcap 与 Refout 典型值是2.4v。ATT7022B的ADC的典型前端接线如4.1所示。 图 4.1 ATT7022B的ADC前端接线图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 30页 上图所示的是A相的电压电流的接线图，图中互感器的作用就是将强电压，强电流转换成弱电压弱电流，如图 220V电压转换成0.5V，1.5A电流转换成5ms，经过电阻电容的滤波作用接到芯片的特定接口，B相C相的原理和接线同A相一致，故不再做解释。 二、采样电路的外围电路总图: 如图4.2所示为采样电路的外围总图。 图4.2采样电路的外围电路总图 图中上面三个CON口分别是三相的电流输入端，电流输入端经过电流互感器的作用把较强的电流转换成5mA的弱电流，与20欧姆的电阻产生100mV的电压信号经过阻容电路的滤波作用输入到ATT7022B的数摸转换后采样处理.下面三个CON口分别是三相的电压输入端，电压经过电压互感器的作用将220V的电压转换成0.5V的弱电压，经过阻容电路的滤波作用输入到ATT7022B的数摸转换后采样处理，如果输入的是高压则先将高压变成220V后再接入电路。因为该DSP(AYY7022B)芯片有三相四相选择模式，本系统是三相无功补偿，故SEL接口是低电平接地。 4.2 控制器的硬件设计 整个系统的硬件结构简单，主要芯片有8051、HY12232A和74LS07N，而且串行口电平转换芯片ADM202在程序写入并调试成功后可以取掉。简单的硬件结构设计使得整个系统的工作可靠性的抗干扰能力均大为提高。另一方面，电容器的投切控制元件采用大功率的过零型固态继电器SSR，由于该元件本身封装有过零触发模块且自行工作 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 31页 不需CPU控制，既满足了补偿电容无冲击电流投切的要求，同时也有效地克服了执行元件采用晶闸管控制模块所带来的控制复杂及易受干扰而产生误动作的弊端，提高了系统的可靠性。 4.2.1系统的基本工作原理 控制器在上电初始化后即打开INT0中断，检测模块在A相电压正向过零时刻产生中断触发脉冲的下降沿，系统进入中断。系统在中断程序运动过程中测得电网无功电流及基波电压的有效值，从而计算出电网无功功率的盈缺量。系统以此盈缺量并辅之以电网电压作为投切判据，控制固态继电器动作，投入或切除补偿电容器，从而达到补偿无功功率的目。 4.2.2 无功电流的检测及补偿容量的确定 无功电流的检测原理很简单，负载电流il(t)=ip(t)+iq(t)，其中ip(t)和iq(t)分别是有功电流分量和无功电流分量。当ωt=2kπ时，il(2kπ)=Iqm，即只要测量在相电压正向过零时的负载电流，就知对应的无功电流的最大值IqM。将该IqM换算成有效值Iq即可计算出一相的无功分量进而得到总的无功分量。这种无功电流的检测方法简单、快速，各相在一个周期内只要采样一次即可满足基波动态补偿的要求。 系统对Iq的处理原理:当某一电容器组被投入电网后，负载的电流就由网端电流is和电容器补偿电流ic共同承担。Ic为一纯无功电流，若能使ic=iq，则is=il-ic=ip，实现了无功功率的完全补偿。由无功补偿原理可知，全补偿所需投或切的电容器容量为，式中ω=314，U为电网电压有效值。若IqM为正，则ΔC为负，表明系统处于过补偿状态，应切除相应容量的电容器;若IqM为负，则ΔC为正，表明系统处于欠补偿状态，应增投相应容量的电容器。需要注意的是，要根据ΔC确定需投入或切断的电容器组时，为提高动态补偿的精确性，应将电容器的标称容量换算成实际电网电压下的实际容量。 4.2.3 时钟和复位电路的设计 XTAL1:芯片内部反相放大输入端。 XYAL2:芯片内部反相放大输出端。 当震荡器工作时，复位端上连续出现两个机器周期的高电平，就会实现复位操作，单片机恢复到初始状态。复位有上电复位和电平开关复位两种，由于复位端内部有下拉电阻，所以只需在本端和VCC之间接一个电容，就可以做到上电复位。本系统选用电平开关复位，复位端保持高电平时间的长短与振荡器起振的时间有关而振荡时间与频率 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 32页 有关。只要保持复位端高电平的时间不少于20ms，就能使单片机很可靠的复位。设计如图4.3所示。 图4.3 复位电路原理图 4.2.4 键盘和液晶显示电路 本系统控制器的键盘采用中断工作方式，这四个按键分别是“设置”、“加”、“减”和“切换”，通过“与”门电路把这些低电平触发信号合成一起输入到8051单片机的INT1端口。有键按下时，系统进入键盘中断服务程序，判断哪个键被按下，并执行相应的操作。通过按“设置”键可以查询系统的工作状态、电流和电压的超限保护值、电网参数及系统的工作模式(即根据电网的实际情况，设置为三相共补或分相补偿)等;按“切换”键可进行手动/自动补偿切换;相应时刻按“加”、“减”键可以修改电流和电压的保护值，以及投切电容。 图4.4液晶显示器与MCU接口读写操作时序图 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 33页 液晶显示电路采用串行输入的4字节数码显示器。在无按键按下时，显示电网的功率因数;有按键按下时根据其功能不同而显示不同的数据。 一、液晶显示器与MCU接口读写操作时序图 表4.1 时序参数表 名称 符号 最小值 最大值 单位 Taw6 20 ns 地址建立时间 Tah6 10 ns 地址保持时间 Tcycs 1000 ns 系统时钟周期 Tew 100 ns E脉冲宽度 读 80 ns 写 Tds6 80 ns 数据建立时间 Tdh6 10 ns 写数据保持时间 Tacc6 90 ns 存取时间 Tch6 10 60 ns 读数据保持时间 二、键盘设计 按键设计一般有两种方式，即独立式设计和矩阵式设计，其应用一般根据需要的案件的多少和单片机系统的资源状况确定，一般来说，独立式按键设计简单，但占用单片机的硬件资源较;矩阵式按键设计复杂，但能很大程度地节省单片机地硬件资源。本系统的按键数量较少，所以采用的是独立式按键。 独立式按键的特点就是各按键在电路设计上各自独立，每个按键一条信号线，只需对此信号线进行判别就能完成该按键的判别。该按键输入线上的状态不会影响其他输入线上的状态，因而判别容易下图展示了四按键的独立式设计图，图中四个按键分别连接到的那片机的P1.0-P1.3的I/O口上。 四个按键的作用:一个用来选择要设置的参数，两个用来设置参数的大小，当设置完成时，另一个按键用来确认设置完成。这样四个按键就可以完成对标准功率因数、每一组电容器控制投切的电容的大小以及投切的时间间隔等参数。 通常按键为机械式结构，受外力键帽按下，外力去除后有按键内部的弹性装置将键帽弹起。因此，一个按键包括了机械触点的闭合与断开。但由于按键机械触点的弹性作用，一个按键在按下时不会马上闭合，在松开时也不会马上断开，而是有一串的抖动， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 34页 抖动时间的长短一般为5-10ms。由于有按键抖动的原因，所以判断按键与否，就必须要有消抖的措施。 按键消抖一般有两种措施，一是电路消抖，二是软件消抖。这两种消抖方法各有其特点，一般来说，硬件电路消抖的设计制作复杂，而软件消抖在硬件电路设计上简洁，但在软件编程上要有专门的软件消抖程序，编程比较复杂。本系统采用的是软件消抖，当按键按下时，延时10ms后再运行以后的程序，从而避免了由于程序的快速执行而对一次按键按多次按键处理的现象。 三、MCU与显示器键盘的原理图 图4.5 MCU与显示器键盘的原理图 4.2.5 电源电路的设计 220V交流电经过变压器的作用变成9V经过整流电路后，由7805芯片变成+5V直流电，本系统因为采样芯片DSP(ATT7022B)的需要，所以有数字电源和模拟电源两种，但两种电源的理论使一样的。图中的桥电路对输入信号进行整流处理，电容C29、C30、C31、C32约1000uF滤除电路的低频信号，C33、C34、C35、C36约10pF滤除电路的高频信号。上面的电源为数字电源，下面的电源是模拟电源。如图4.6所示。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 35页 图4.6 电源电路的原理图 4.2.6 投切电路的控制设计 图4.7 投切电容的控制原理图 投切电容的控制设计，包含了10组继电器，分别连接在单片机的P1.6、P1.7和P2.0口，根据ATT7022B的采样数据可以计算出投切电容的大小，根据投切电容单片机相应的I/O口发出低电平信 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 36页 号时，光偶离合器的左侧导通，发光二极管亮，光信号使右侧的三极管导通，启动器被拉至低电平，继电器吸合，开始投切电容。投切电路的控制原理图如图4.7所示。 4.3系统的特点 本系统有以下特点: (1)结构简单，采用高度集度芯片简化了电路，缩小了控制器的体积，便于加工安装。 (2)操作方便，使用四个按键，根据液晶显示器的提示就可以完成多种功能操作。 (3)运动可靠，抗干扰的能力强，不会产生误动作，在电网波动较大时有自保护功能。 (4)适用范围广，考虑三相不平衡情况，三相共补与三相分补相统一，不需改变硬件和软件的结构，只要根据实际需要进行设置并在外部接线方式上做简单改动即可实现。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 37页 结论 随着DSP技术的发展，DSP在配电网自动化系统终端中的应用已越来越广泛，采用DSP芯片ATT7022B设计成的无功补偿采样电路，采样的速度快，精度高，误差小，投资少结构简单。 控制器采用了高性能的单片机，其丰富的片内资源，使得外围扩展器件少，体积小，降低了成本，也降低了故障率，减少了设备的维护量。系统配置灵活、功能齐全，投、切控制安全，适应性强。 本课题设计的智能无功补偿器可以方便地用于电网的功率因数补偿，对改善电能质量、降低损耗具有重要作用。 由于本人能力有限,所做的设计还有很大的缺陷,比如说当系统断电以后采样控制器ATT7022B将不能保存当前的数据,可以外扩一个存储器将当前数据保存到存储器中,当断电时数据能够保存在外部存储器中，在再次通电后，可将数据取出，不必重新校表。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 38页 致谢 经过近半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，里面难免有许多考虑不周全的地方。如果没有导师的督促与指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师 教授。张老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，如开题报告的撰写、设计方案的确定与完善、期中检查、后期详细设计、撰写毕业论文等过程中，张老师都给予了我悉心的指导。由于我的设计较为复杂烦琐，因而在设计过程中出现过不少错误，但是张老师仍然细心的帮我一一加以纠正。除了敬佩张老师的专业水平外，他那严谨的治学态度和孜孜不倦的科研精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 然后还要感谢大学四年来所有的老师，他们帮我打下了自动化方面专业知识的坚实基础;同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了他们的支持和帮助，此次毕业设计才会顺利完成。 最后感谢我的父母，他们是我坚实的后盾，使我感觉安定幸福，这是对我学业最好的支持。 再一次衷心的谢谢你们～～～ 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 39页 参考文献 [1] 邱关源.电路[M].第三版.北京:高等教育出版社.1989，50-55 [2] 阎石.数字电子技术基础[M].第四版.北京:高等教育出版社.1996，135-140 [3] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].第二版.北京:高等教育出版社.1988，9 [4] 刘迎春.MCS-51单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社.2005，1-5 [5] 李群芳,肖看.单片机原理、接口及应用[M].北京:清华大学出版社.2005，5-8 [6] 韩安太.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用[M].北京清华大学出版 社.2003，180-190 [7] Kenichi Suzuki,Masashi Yajima,Mikiya Nohara,etal[J].Control Mothodfor50MVA Self-commutated StaticVARCompensator.IEE-Bjapan,1997，22-24 [8] Luis Moran,phoivos K.Ziogs,Geza joo[J].A Solid State High Performance Reactive Power Compensator,’IEEETrans.OnIndustry Applications. 1993，76-80