【正文】 重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 1 目 錄 Ａ bstract ............................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 摘 要 .................................................3 第一章 緒論 ............................................4 課題介紹 ........................................4 國內(nèi)外研究景況 .................................4 總體方案 ........................................5 第二章 測量原理 ......................................6 功率因素的確定 ..................................6 交流采樣 ........................................7 電壓電流的計(jì)算 ..................................8 第三章 硬件部分 ......................................9 單片機(jī)的選擇（控制單元） ........................9 A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù) ...................................12 A/D 轉(zhuǎn)換概念 .............................12 8098 內(nèi)帶 A/D 轉(zhuǎn)換器 .....................13 次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 .......................14 集成穩(wěn)壓 .......................................15 橋式整流電路 .............................15 濾波電路 .................................16 線性穩(wěn)壓器 78XX， 79XX 的運(yùn)用 ..............17 檢測部分 .......................................18 電壓檢測 .................................18 電流檢測 .................................19 執(zhí)行部分 .......................................20 控制電路 .................................22 補(bǔ)償電力電容器 ? /Y 型的選擇 .............22 電力電容器的故障 .........................23 相位數(shù)字化測量 ................................24 相位測量的基本原理 .......................25 功率 檢測 ................................27 顯示端 ........................................29 控制電路 .......................................31 系統(tǒng)時(shí)鐘 .......................................33 復(fù)位電路 ......................................34 硬件抗干擾 ....................................34 重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 2 第 4 章 軟件部分 .....................................37 ( 圖 ) .............39 控制子程序流程圖 ( 圖 ) ...................39 余弦函數(shù)子程序 .................................39 軟件抗 干擾設(shè)計(jì) .................................39 結(jié)束語 ................................................41 參考文獻(xiàn) ..............................................43 致 謝 .................................................44 附 錄 ..............................................45 重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 3 摘 要 本文介紹了無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器。其主要面向 220V 工業(yè)電力網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)基于單片機(jī) 8098 的運(yùn)用來對所采樣的電壓和電流進(jìn)行測量和比較，并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，結(jié)果通過四個(gè) LED 數(shù)碼管顯示出來。 本次以 16 位 8098 單片機(jī)為核心，其中運(yùn)用到單片機(jī) 8098 中的 A/D 轉(zhuǎn)換的單元，可編程高速輸入端口單元，以及監(jiān)測單元看門狗系統(tǒng)。 本次設(shè)計(jì)的硬件部 分由四個(gè)部分：檢測部分，控制部分，執(zhí)行部分，單片機(jī)部分組成。在檢測部分中直接采用了交流采樣，將得到的信號送入主控部分，再由單片機(jī)進(jìn)行處理，最后由顯示單元顯示。 [關(guān)鍵詞 ] 單片機(jī) 8098 A/D 轉(zhuǎn)換 電力電子器件 無功功率 重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 4 第一章 緒論 課題介紹 電力系統(tǒng)中，無功功率主要用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用以在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的公路。無功功率對外不作功，只是轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。凡是電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場就要消耗無功功率。由于他不對外作功，故又叫 無功功率。 無功電源 如同有功電源一樣，是保證電力系統(tǒng)能量，電壓質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運(yùn)行所不可缺少的部分。在電力系統(tǒng)中，無功要保持平衡，否則，將會(huì)使系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備得不到充分利用，促使網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降，損耗增加。因此，解決好網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償問題，對網(wǎng)絡(luò)降損節(jié)能有著極為重要的意義。 國內(nèi)外研究景況 無功功率近二、三十年代來，由于大變電站和起高遠(yuǎn)距離線路的建成，變壓等級的增加，使電網(wǎng)的無功功率消耗比例日益增大。美國主網(wǎng)的功率因素已接近于 1，原 蘇聯(lián)的法 規(guī)定功率因素大于 ，日本戰(zhàn)后大力提高功率因素，以度過供電難 關(guān)。我國電力工作部門過去對無功問題不夠重視。近年來，電力工業(yè)部辦法了有關(guān)條例，并著手研究解決無功補(bǔ)償方面的有關(guān)問題，尤其是在提高電力電容器制造質(zhì)量和新產(chǎn)品制造等方面，無功功率不足的問題，已逐步得以改善。對于一般工業(yè)用戶而言，要求功率因素為 ，即供應(yīng)每兆瓦時(shí)有功電量，則免費(fèi)供應(yīng)電量為619kvar。這種搭配比例已不適應(yīng)大電力系統(tǒng)的發(fā)展，因?yàn)榇箅娋W(wǎng)的起高壓輸變電設(shè)備，輸送無功的損耗很高，并且隨負(fù)載波動(dòng)變重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 5 化很大。要考慮自動(dòng)調(diào)整的無功補(bǔ)償。目前，就我國農(nóng)村和城市的生活用電而言，電量不斷的增長，但民用電器的功率 φ 因素很低，因此，供電部門和政府有關(guān)部門應(yīng)對民用電器生產(chǎn)實(shí)行嚴(yán)格的監(jiān)督，要求 cosφ 應(yīng)對不低于 ，否則將不頒發(fā)產(chǎn)品合格證。在我們的設(shè)計(jì)中，補(bǔ)償要求是 cosφ 應(yīng)不低于 。 總體方案 采樣方法： 1）在一個(gè)交流采樣周期 20 s? 中，采樣點(diǎn)一般為大于 12，精確度較高。在這里，我們進(jìn)行軟件多次采樣，采樣點(diǎn)不斷的循環(huán)逼近波峰值并以次計(jì)算出所采電壓電流的有效值。 2) 在一個(gè)顯示周期 1s 中，經(jīng)過 50 個(gè)采樣周期，將每一個(gè)采樣周期所采的電壓電流有效值計(jì)算出平均值。 顯示方法： 用 LED 七段顯示，在接口處設(shè)按鈕開關(guān)，可以控制顯示電路的功能選擇。依據(jù)按的次數(shù)不同依次顯示：電壓，電流，和功率因數(shù)，并可以自動(dòng)復(fù)位。 投切方法： 單片機(jī) 8098 芯片輸出端，當(dāng)需要投切時(shí)輸出為 1，接通相應(yīng)的繼電器。通過繼電器與之相匹配的觸頭，來控制投切端的電力電容器的投切。電力電容器并聯(lián)保護(hù)裝置的發(fā)光二極管用以放電保護(hù)。 單片機(jī)選擇： 選用帶自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng) WTD， A/D 轉(zhuǎn)化器以及高速可編程輸入輸出口的 16 位微機(jī)芯片。 重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 6 第二章 測量原理 功率因素的確定 電力網(wǎng)除了要負(fù)擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率 P， 還要負(fù)擔(dān)負(fù)荷的 無功功率 。有功功率 無功功率以及視在功率之間存在下述關(guān)系 即 S= 22 QP ? ，而 ?cos?sp 被定義為電力網(wǎng)的功率因素，其物理意義是在線路的視在功率 S 供給有功功率的消耗百分比。在電力網(wǎng)中運(yùn)行。我仍希望功率因素越大越好。這樣可以減少無功功率的消耗，電路中的大部分都被用于供給有功功率。 功率因素是衡量交流設(shè)備做功情況的重要參數(shù)。它的大小決定于相位差 ? 。 ? 越大， cos? 越大。當(dāng) ? =0 時(shí)，電路為純電阻電路， cos? =1。但在工業(yè)中大多數(shù)都是電感性負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)等，使得相位差是 ? 〈 =900 ，功率因素會(huì)很低。 當(dāng)負(fù)載所需功率 P 一定及供電電壓 U一定時(shí)，負(fù)載的功率因素 cos? 越低， 電源供給負(fù)載的電流 I 越大。這樣，使輸電線上的損耗增大，線路電壓降增大，不但影響供電質(zhì)量，而且還多占用電源容量，對節(jié)能和充分利用電源的生產(chǎn)能力不利。在電路中功率因素的提出，起主要因素是 ? ， ? 是電壓與電流之間的超前滯后相位差。在三相負(fù)荷平衡時(shí)， AU 與 AI 的相位夾角是阻抗角，：如下圖所示 我們要測的腳是AI和 BU 之間的夾角 ? 。當(dāng)他足夠小的時(shí)重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 7 候， cos? 接近于 1，滿足我們對功率因素大于等于 的要求；當(dāng)相位差偏大，從而使功率因素在（ 0— ）之間，則需要補(bǔ)償。這是我們本次設(shè)計(jì)的目的。 AU AI ? BCU CU BU cos? 檢測原理圖 交流采樣 在采樣之前首先要確定一個(gè)周期內(nèi)采樣的次數(shù)，系統(tǒng)的精度很大程度上由采樣 次數(shù)決定。采樣次數(shù)越多，精度越高，但同時(shí)也要考慮單片機(jī)執(zhí)行指令時(shí)間及程序運(yùn)行時(shí)間。 香農(nóng)采樣定理指出：如果模擬信號，包括噪音干擾在內(nèi)，頻譜的最高頻率為 maxf ,只要按照采樣頻率 f2 maxf 進(jìn)行采樣，那么采樣信號 y(t)就能唯一的復(fù)現(xiàn) y(t)所必須的最低采樣頻率。實(shí)際運(yùn)用中，常取 f(510) maxf ，甚至更高。 目前，電力運(yùn)行參數(shù)為 50HZ 的公頻量，即三相電流，電壓的一個(gè)周期為 20ms（工 頻 0360 ） ,1ms 對應(yīng)的角度為 018 ,1? s 對應(yīng)的角度為 .根據(jù)采樣定理，電力系統(tǒng)中采用的是 12 點(diǎn)采重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 8 樣，即每隔 s? ,對三相電流電壓同時(shí)采樣一次。通過對我國電力電網(wǎng)的分析，只要對電網(wǎng)電壓和電流信號每個(gè)周期均勻采樣16 個(gè)點(diǎn)以上就能滿足測量要求。所以在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用一個(gè) 16點(diǎn)的周期樣。 電壓電流的計(jì)算 將電壓的有效值： U= ?T dtUT 0 21離散化，以一個(gè)周期內(nèi)有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來代替一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則有 ?? ?? Ni ii TuTU 0 21 式中 IT? —— 相鄰的兩次采樣時(shí)間間隔 iU —— 第 i1 個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值 N—— 一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù) 若相鄰的兩次采樣的時(shí)間間隔都相等， IT? 為常數(shù) T? ，考慮到 N= 1??TT ，則： U= ???Ni iUN 1211 同理，也可以根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)各采樣瞬時(shí)值及各周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算電壓信號有效值的公式： I= ???Ni iIN 121`1 iI —— 瞬時(shí)電流值 重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 9 第三章 硬件部分 單片機(jī)的選擇（控制單元） 測量控制方面的應(yīng)用與測量儀器方面的應(yīng)用的主要區(qū)別是，前者不但要有檢測處理任務(wù)而且還應(yīng)能根據(jù)測量的計(jì)算結(jié)果快速的在線完成控制任務(wù)，而后者無需快速在線的輸出控制信號。測量控制應(yīng)用要求單片機(jī)要有定時(shí)數(shù)據(jù)采樣功能和實(shí)時(shí)輸出控制功能，而 8098 單片機(jī)可滿足上述應(yīng)用要求，在工業(yè)過程控制應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)數(shù)字式單回路 /多回路調(diào)節(jié)器的功能，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)過程的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，能穩(wěn)定生產(chǎn)過程中各重要參數(shù) 設(shè)定值，使生產(chǎn)逼近最佳的工況狀態(tài)。 8098 單片機(jī)的高集成度，高性能價(jià)格比和高抗干擾能力使 MCS— 51 系列單片機(jī)相形見。尤其是他組成智能化儀器儀表時(shí)，集測量，控制，處理，記錄，顯示于一體。 8098 管腳圖 重慶工學(xué)院畢