【正文】 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 簡易電能質(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)Design of Simple Power Quality Analyzer 2012 屆 電氣與電子工程 學(xué)院專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 號 20082341 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成日期 2012年 5 月 30 日畢業(yè)設(shè)計(jì)成績單姓名學(xué)號班級專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目簡易電能質(zhì)量分析儀指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱副教授講師評 定 成 績指導(dǎo)教師得分評閱人得分答辯小組組長得分成績： 院長 簽字： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書題　目 簡易電能質(zhì)量分析儀學(xué)生姓名學(xué)號班級專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化承擔(dān)指導(dǎo)任務(wù)單位電氣與電子工程學(xué)院導(dǎo)師姓名導(dǎo)師職稱副教授講師一、主要內(nèi)容 采用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)簡易電能質(zhì)量檢測儀，可以實(shí)現(xiàn)9次諧波電氣值的測量。 基本要求1. 能得到電壓、電流有效值、功率、功率因數(shù)；2. 諧波電路設(shè)計(jì)要合理，可以得到相應(yīng)的諧波值；3. 硬件成果數(shù)據(jù)測試；4. 用Protel完成電路圖繪制。三、研究方法 。2. 通過比較和計(jì)算完成各種設(shè)備的選擇；3. 通過實(shí)驗(yàn)，調(diào)試完成各模塊電路設(shè)計(jì)。四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)1. 有關(guān)MSP430f149單片機(jī)方面的文獻(xiàn)資料；2. 有關(guān)濾波方面的文獻(xiàn)資料；3. 有關(guān)電源模塊方面的文獻(xiàn)資料；4. 有關(guān)諧波分析的資料。五、進(jìn)度計(jì)劃1. 第1周第3周 收集相關(guān)文獻(xiàn)資料，完成開題報(bào)告；2. 第4周第7周 進(jìn)行方案論證，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：3. 第8周第13周 完成硬件電路設(shè)計(jì)； 4. 第14周第16周 整理設(shè)計(jì)說明書，準(zhǔn)備答辯。教研室主任簽字時(shí)　間 　　 年　 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題　目簡易電能質(zhì)量分析儀設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號班級專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化一、研究背景 隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，在現(xiàn)代人類社會(huì)生活中電力已經(jīng)成為不可缺少的重要能源之一。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(shí)驗(yàn)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，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)。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 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(jià)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(huì)議更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會(huì)議，把電能質(zhì)量提高到一個(gè)新的高度來認(rèn)識。 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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置、電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償裝置，以及動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等，與國外的差距是非常明顯的。三、課題進(jìn)行的主要工作及采用的方法 本文基于MSP430F149單片機(jī)，其最大采樣頻率為25 600 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)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膸?。設(shè)計(jì)選取了DVDI001臥式穿芯小型精密電壓互感器和TA14194臥式穿芯小型精密交流電流互感器來來滿足以上要求。而輸出數(shù)據(jù)由1602液晶顯示出來。四、預(yù)期達(dá)到的結(jié)果 可實(shí)現(xiàn)對工頻交流電低次諧波的簡單電氣特性測量。并可以通過LCD1602將檢測數(shù)據(jù)顯示出來。指導(dǎo)教師簽字時(shí) 間 　　 年　 月 日摘 要隨著我國科技的進(jìn)步和生產(chǎn)技術(shù)自動(dòng)化水平的提高，電力已經(jīng)成為現(xiàn)代人類社會(huì)中非常重要且必須的能源，因此對于電 能質(zhì)量的研究就顯得越來越重要。電能質(zhì)量監(jiān)測作為電能質(zhì)量監(jiān)控的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理和技術(shù)監(jiān)督中起著很重要的作用，同時(shí)也是保證電力系統(tǒng)良好供電質(zhì)量的必要手段。文章在對電能質(zhì)量指標(biāo)及其綜合評價(jià)方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種電能質(zhì)量檢測裝置。本文著重介紹了該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分。在以單片機(jī)MSP430F149構(gòu)成的主控制模塊為基礎(chǔ)的前提下，分別設(shè)計(jì)了電源模塊、信號采集模塊、輸出顯示模塊。電源模塊通過對交流市電進(jìn)行變壓整流及穩(wěn)壓輸出為系統(tǒng)提供電源。信號采集模塊實(shí)現(xiàn)對模擬信號的采集處理。各種電氣參數(shù)則通過輸出顯示模塊1602顯示出來。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 MSP430F149 選頻電路 諧波測量 Abstract With our advances in technology and production technology level of automation, power has bee very important and must be the energy of the modern human ociety, the quality of electricity has bee increasingly important. Power quality monitoring as a key link in the power quality monitoring plays an important role in power system operation and management and technical supervision, but also the necessary means to ensure good quality of power supply of the power system.Designed on the basis of analyzing the indicators of power quality and its prehensive evaluation method, a power quality detection device. This article focuses on the hardware part of the design system. Microcontroller MSP430F149 constitute the main control module based on the premise, namely, design a power supply module, the signal acquisition module, the output display module. AC mains transformer rectifier and voltage regulator output, the power supply module provides power for the system. Signal acquisition module for analog signal acquisition and processing. Various electrical parameters displayed in the output display module 1602.Key words: power quality MSP430F149 selected frequency circuit harmonic measurement目 錄第1章 緒論 1 引言 1 選題背景及設(shè)計(jì)意義 1 國外研究現(xiàn)狀 1 我國的研究現(xiàn)狀 2 本文的主要工作 3第2章 系統(tǒng)原理設(shè)計(jì) 4 交流采樣原理 4 電能質(zhì)量參數(shù)算法 5 快速傅里葉變換算法原理 5 基本交流電參數(shù)計(jì)算原理 8第3章 裝置硬件設(shè)計(jì) 11 單片機(jī)主控制模塊 11 MSP430F149單片機(jī)簡介 12 MSP430F149引腳分布及工作方式 13 電源模塊 15 交直轉(zhuǎn)換模塊 15 退耦電路 16 信號采集模塊 17 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介 18 信號采集電路總體設(shè)計(jì) 18 過零檢測電路設(shè)計(jì) 19 模擬信號采集電路 20 諧波檢測電路 21 液晶顯示模塊 23 LCD1602簡介 23 LCD1602引腳定義 24 1602指令集 25第4章 交流電壓、電流有效值測試 27 測試方法： 27 誤差產(chǎn)生原因分析 27第5章 結(jié)論與總結(jié) 29參考文獻(xiàn) 30致 謝 31附錄A 外文資料翻譯 32：英文 32：譯文 43附錄B MSP430F149引腳分布 50附錄C 硬件電路圖 53石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(huì)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(dòng)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(jì)，電網(wǎng)用電負(fù)荷中異步電動(dòng)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(dòng)和閃變等，均會(huì)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(shí)可能引發(fā)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的非故障性動(dòng)作，導(dǎo)致儀表指示和電能計(jì)量不準(zhǔn)以及計(jì)算機(jī)、通信受干擾等一系列問題。特別是隨著計(jì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)重點(diǎn)研究電能質(zhì)量分析儀的硬件方法，實(shí)現(xiàn)對多項(xiàng)電能質(zhì)量評價(jià)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(shí)際價(jià)值的理論與技術(shù)支持。 選題背景及設(shè)計(jì)意義 國外研究現(xiàn)狀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(jià)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(huì)議更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會(huì)議，把電能質(zhì)量提高到一個(gè)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(jià)體系研究。如何評價(jià)電能質(zhì)量的好壞，通常使用的幾種定量評價(jià)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(shí)，上述評價(jià)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(dòng)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(shí)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(dòng)和閃變、諧波電流和電壓、各相電壓的不平衡以及故障時(shí)的短時(shí)電壓中斷等，是一項(xiàng)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