【正文】 6 退耦電路 ................................................................................................... 17 信號采集模塊 ..................................................................................................... 18 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介 ................................................................................... 19 信號采集電路總體設(shè)計 ........................................................................... 19 過零檢測電路設(shè)計 ................................................................................... 20 模擬信號采集電路 ................................................................................... 21 諧波檢測電路 ........................................................................................... 22 液晶顯示模塊 ..................................................................................................... 24 LCD1602 簡介 .......................................................................................... 24 LCD1602 引腳定義 .................................................................................. 25 1602 指令集 .............................................................................................. 26 第 4 章 交流電壓、電流有效值測試 ............................................................................. 28 測試方法： ......................................................................................................... 28 誤差產(chǎn)生原因分析 ............................................................................................. 28 第 5 章 結(jié)論與總結(jié) ......................................................................................................... 30 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 31 致 謝 ............................................................................................................................. 32 附錄 A 外文資料翻譯 ...................................................................................................... 33 ：英文 .................................................................................................................... 33 ：譯文 .................................................................................................................... 44 附錄 B MSP430F149 引腳分布 ...................................................................................... 51 附錄 C 硬件電路圖 .......................................................................................................... 54 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 第 1 章 緒論 引言 隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，在現(xiàn)代人類社會生活中電力已經(jīng)成為不可缺少的重要能源之一。尤其在近年來，電網(wǎng)中諸如煉鋼電弧爐、半導(dǎo)體變流裝置和電氣化鐵路等大型負(fù)荷及大量現(xiàn)代日常電氣設(shè)備不斷增加，電網(wǎng)中的電壓、電流波形受到諸如沖擊性、非線性及不平衡用電特性的影響，發(fā)生不同程度的畸變；三相不平衡以及電壓波動和閃變等一系列電能質(zhì)量問題不斷復(fù)雜化，電網(wǎng)遭到嚴(yán)重污染。公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流就是對電網(wǎng)環(huán)境最嚴(yán)重的一種污染之一。只有對電網(wǎng)中的諧波源分布和諧波狀態(tài)有了清楚的認(rèn)識才能有效地治理諧波。 據(jù)統(tǒng)計，電網(wǎng)用電負(fù)荷中異步電動機(jī)占的比例最大。電網(wǎng)電壓和頻率的偏差、諧波、三相電壓不平衡以及電壓波動和閃變等，均會直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速、力矩和發(fā)熱，從而影響生產(chǎn)工效和產(chǎn)品質(zhì)量。電網(wǎng)諧波含量增加，導(dǎo)致了電氣設(shè)備壽命縮短，網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加，并聯(lián)電容器不能正常運(yùn)行，同時可能引發(fā)繼電保護(hù)和自動裝置的非故障性動作，導(dǎo)致儀表指示和電能計量不準(zhǔn)以及計算機(jī)、通信受干擾等一系列問題。特別是隨著計算機(jī)、電力電子和信息技術(shù)等高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和普及，對電能質(zhì)量提出了越來越高的要求。 改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電氣設(shè) 備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障產(chǎn)品質(zhì)量和科學(xué)實驗以及人民生活和生產(chǎn)的正常等均有重要意義。電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。因此人們對電能質(zhì)量問題的重視并非近幾年的事，只不過早期對此認(rèn)識比較簡單，主要局限在保持電網(wǎng)頻率和電壓水平 (即靜態(tài)或平均偏差不過大 )上。隨著電力行業(yè)的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供電公司要提高自身的競爭力，其中一個最重要的部分就是提供高質(zhì)量的電能。因此，正確的檢測和分析諧波是有效抑制和補(bǔ)償諧波的基礎(chǔ)，也是提高電能質(zhì)量的基礎(chǔ)。 本設(shè)計重點研究電能質(zhì)量分析儀的硬件方法，實現(xiàn)對多項電能質(zhì)量評價指標(biāo)的綜合 監(jiān)測與分析，為提高電網(wǎng)電能質(zhì)量，保障其高質(zhì)量運(yùn)行提供有實際價值的理論與技術(shù)支持。 選題背景及設(shè)計意義 國外研究現(xiàn)狀 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 國外有關(guān)電能質(zhì)量監(jiān)測的研究正掀起高潮，從所適用的功率理論的擴(kuò)展 ,到電能質(zhì)量評價指標(biāo)體系的建立；從全國性的電能質(zhì)量普查、監(jiān)測到用戶終端電氣環(huán)境的定義；各種電能質(zhì)量問題分析方法的提出，以及用戶電力技術(shù)等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開發(fā)正深入進(jìn)行。 1996 年， IEEE 將每兩年召開一次的電力諧波國際學(xué)術(shù)會議更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會議，把電能質(zhì)量提高到一個新的高度來認(rèn)識 。 ①理論方面積極開展電能質(zhì)量指標(biāo)的評價體系研究。如何評價電能質(zhì)量的好壞，通常使用的幾種定量評價電能質(zhì)量的指標(biāo)如總諧波畸變率，功率因數(shù)等，但當(dāng)波形為非周期信號、頻率為分?jǐn)?shù)次諧波頻率時，上述評價指標(biāo)就有不協(xié)調(diào)的問題。這涉及到如何處理畸變、不平衡現(xiàn)象的功率定義問題，這方面國外已經(jīng)作了大量研究，并給出了一些建議，但至今尚未取得一致意見。 ②針對上述的電能質(zhì)量問題，國外已提出并開發(fā)了許多改善和提高電能質(zhì)量的裝置，包括：有源電力濾波器和無源濾波器、電池貯能系統(tǒng)、配電用靜態(tài)同步補(bǔ)償器、配電用串聯(lián)電容器、動態(tài)電壓恢復(fù)器、 功率因數(shù)校正電容器、避雷器、超導(dǎo)磁能貯存系統(tǒng)、靜態(tài)電子分接開關(guān)、固態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)、固態(tài)斷路器、靜止無功補(bǔ)償器、晶閘管開關(guān)電容器、不間斷電源等。這些裝置主要是采用電力電子技術(shù)，一些裝置已相當(dāng)成熟，其產(chǎn)品開始進(jìn)入大量實用化階段。如日本的有源電力濾波器使用很普遍，并聯(lián)型有源電力濾波器最大容量達(dá) 50MVA，采用的是 GTO、 SCR 器件，用于抑制電弧引起的閃變。 ③統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器或稱電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 (PQC)。它可快速補(bǔ)償供電電壓中的突升或突降、波動和閃變、諧波電流和電壓、各相電壓的不平衡以及故障時的短時電壓中斷等，是一 項具有綜合功能的電能質(zhì)量控制器。西門子公司已系列生產(chǎn)出 PQC裝置，基于 IGBT 的 PWM 換流器，是并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器的組合，是眾多此類研制品中較有代表性的產(chǎn)品。西門子的 PQC 與系統(tǒng)聯(lián)接有三種方式，并聯(lián)時，主要防止非正常負(fù)荷對系統(tǒng)的影響；串聯(lián)時，則用于防止系統(tǒng)對負(fù)荷的影響；而當(dāng)串并聯(lián)時，則將具有雙向補(bǔ)償?shù)墓δ堋? ④用戶電力技術(shù)。它是將電力電子技術(shù)、微處理機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)等高新技術(shù)運(yùn)用于中、低壓配電系統(tǒng)和用電系統(tǒng)中，以減小諧波畸變。消除電壓波動和閃變、各相電壓的不對稱和供電的短時中斷， 從而提高供電可靠性和電能質(zhì)量的新型綜合技術(shù)。用戶電力技術(shù)概念的提出，有助于供電部門提供高可靠性和高質(zhì)量的電力，也有助于滿足各種新工藝用戶對電力供應(yīng)的更高要求。用戶電力技術(shù)控制器包括上面介紹的動態(tài)電壓恢復(fù)器、固態(tài)斷路器、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器等。 我國的研究現(xiàn)狀 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 4 監(jiān)測和改善電能質(zhì)量的主要措施是采用電力電子技術(shù)。目前，國內(nèi)在電能質(zhì)量監(jiān)測方面的研究大多局限在諧波問題的范圍內(nèi)，也提出和開發(fā)了一些監(jiān)測和改善電能質(zhì)量的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，包括各種有源電力濾波器、動態(tài)無功補(bǔ)償裝置、電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置，以及動態(tài) 電壓恢復(fù)器等，與國外的差距是非常明顯的。 電能質(zhì)量監(jiān)測的基礎(chǔ)理論研究，包括統(tǒng)一的畸變波形下電能質(zhì)量的含義，電能質(zhì)量的界定方法、評價體系的研究，各功率成份的定義及物理意義研究等。目前為適應(yīng)不同需要提出了許多功率成份的定義方法，在其數(shù)學(xué)表達(dá)式、物理意義及實施方面各有所長，但距離理論上和實際上的統(tǒng)一的并易于接受的表達(dá)式尚有一定的差距。 本設(shè)計的主要工作 本文基于 MSP430F149 單片機(jī)，其最大采樣頻率為 25600 Hz， RS232 串行通信波特率為 9 600 bps 結(jié)合由四雙向模擬開關(guān) CD4066 與 RC 帶通濾波電路等構(gòu)成。分為單片機(jī)主控制模塊，電源模塊、信號采集模塊和液晶顯示模塊。待測的模擬信號是電網(wǎng)中的交流高電壓和交流大電流，為了隔離高電壓和大電流需要進(jìn)行幅值轉(zhuǎn)換變成低電壓和小電流，然而，這里不僅僅幅值是最重要的，為了不產(chǎn)生附加的畸變，變換過程中的頻率響應(yīng)也應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸?。設(shè)計選取了 DVDI001 臥式穿芯小型精密電壓互感器 (Potential Transformer， PT)和 TA14194 臥式穿芯小型精密交流電流互感器(Current Transformer， CT)來滿足以上要求。 220V 的高壓 電和大電流經(jīng)過互感器可轉(zhuǎn)化為幅值為－ ~+ V 的微信號。信號調(diào)理電路使－ ~+ V 的輸入信號進(jìn)行約3 倍的放大和 V 的抬升。而輸出數(shù)據(jù)由 1602 液晶顯示出來。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 第 2 章 系統(tǒng)原理設(shè)計 交流采樣原理 一般來說，對電力系統(tǒng)參數(shù)采樣和計算的方法主要有兩種：直流采樣法和交流采樣法。直流采樣法是采樣經(jīng)過整流后的直流量，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值，過程 設(shè)計簡單，計算方便。但直流采樣 法存在一些問題：測量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性的影響；整流電路參數(shù)調(diào)整困難且受波形因素影響較大；此外，用直流采樣法測量工頻電壓、電流是通過測量平均值來求出有效值的，當(dāng)電路中諧波含量不同時，平均值與有效值之間的關(guān)系也將發(fā)生變化，給計算結(jié)果帶來了誤差。因此，要獲得高精度、高穩(wěn)