【正文】 (235)第3章 裝置硬件設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和采集到的數(shù)據(jù)的可靠性等問題。它們是由各次諧波含量及諧波總量大小決定的。每當(dāng)外部倍頻后的方波信號的上升沿過來時(shí)，都會觸發(fā)定時(shí)器中斷，在定時(shí)器中斷中，我們記下捕獲時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，當(dāng)下一次捕獲時(shí)，記下新一次的捕獲值，兩次值相減便可以得到脈沖的周期長度。對于使用采樣數(shù)據(jù)來進(jìn)行FFT運(yùn)算更是如此，由于FFT隱含著周期性因素，如果沒有精確地測頻，也會導(dǎo)致測量出現(xiàn)很大的誤差。那我們選擇另一種方法。首先我們來看一下視在功率的測量方法。采樣后得到的離散序列表達(dá)式為： (210)N為一個(gè)周期采樣的點(diǎn)數(shù)。將的序列先按的奇偶分為以下兩組： (21)則可以將DFT化為： (22)利用系數(shù)的可約性和對稱性，上式可以表示成兩個(gè)部分：前半部分： (23)后半部分： (24)本設(shè)計(jì)中，我們對電壓電流兩個(gè)信號同時(shí)進(jìn)行采樣，同時(shí)做頻譜分析，他們的頻譜序列分別為和，采用復(fù)序列FFT計(jì)算。 快速傅里葉變換算法原理傅立葉變換是一種將信號從時(shí)域變換到頻域的變換形式，是電信和信號處理等領(lǐng)域中的一種重要工具。處于開環(huán)狀態(tài)的集成運(yùn)放是一種簡單的過零比較器，如上圖。(1)硬件同步法 硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測信號的采樣脈沖。交流采樣法包括同步采樣法、準(zhǔn)同步采樣法、非同步采樣法等種，我們重點(diǎn)介紹同步采樣法。因此，要獲得高精度、高穩(wěn)定性的測量結(jié)果，須采用交流采樣技術(shù)。而輸出數(shù)據(jù)由1602液晶顯示出來。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挕ｋ娔苜|(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(jià)體系的研究，各功率成份的定義及物理意義研究等。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。西門子的PQC與系統(tǒng)聯(lián)接有三種方式，并聯(lián)時(shí)，主要防止非正常負(fù)荷對系統(tǒng)的影響；串聯(lián)時(shí)，則用于防止系統(tǒng)對負(fù)荷的影響；而當(dāng)串并聯(lián)時(shí)，則將具有雙向補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｈ缛毡镜挠性措娏V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。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。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。電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。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。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。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。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。而輸出數(shù)據(jù)由1602液晶顯示出來。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。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。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)代人類社會生活中電力已經(jīng)成為不可缺少的重要能源之一。三、研究方法 。 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。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。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)。 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。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。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。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。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)代人類社會生活中電力已經(jīng)成為不可缺少的重要能源之一。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。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。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)。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。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。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。消除電壓波動(dòng)和閃變、各相電壓的不對稱和供電的短時(shí)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)。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。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。信號調(diào)理電路使－~+ V的抬升。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(shí)，平均值與有效值之間的關(guān)系也將發(fā)生變化，給計(jì)算結(jié)果帶來了誤差。目前，DSP、高速M(fèi)CU及高速A/D轉(zhuǎn)換器的大量涌現(xiàn)，為交流采樣技術(shù)提供了強(qiáng)有力的硬件支持。本文主要涉及硬件同步法。比較器的輸入信號是連續(xù)變化的模擬量，而輸出信號是數(shù)字量1和0，因此可以為采樣電路提供硬件中斷。 電能質(zhì)量參數(shù)算法針對電能質(zhì)量的六項(xiàng)國家衡量標(biāo)準(zhǔn)，可以將其歸類為以下幾個(gè)方面來計(jì)算，其基本思路是將連續(xù)信號的計(jì)算公式離散化并近似轉(zhuǎn)變成采樣信號的計(jì)算公式。在本系統(tǒng)中，對電壓和電流兩個(gè)信號同時(shí)進(jìn)行采樣，同時(shí)作頻譜分析，以便快速給出它們的頻譜序列和各次諧波的幅值和相角。假設(shè)有周期信號： (29)其中：=，是信號的周期。(2)功率的計(jì)算功率的測量主要有有功功率，無功功率，視在功率三個(gè)方面的參數(shù)測量。實(shí)際中，由于諧波等因素的影響，我們很難得到的準(zhǔn)確值，因而利用(223)式很難進(jìn)行有功功率的測量。從而功率因數(shù)我們可以根據(jù)式(223)和式(226)得到：cos= (227) (3)頻率的計(jì)算眾所周知，由于系統(tǒng)采用整周期的均方根算法計(jì)算被測量的有效值，如果用于計(jì)算的采樣數(shù)據(jù)不是整周期采樣得到的，或者不是整周期的倍數(shù)時(shí)，那么測量值便會產(chǎn)生很大的誤差。MSP430F149單片機(jī)集成了具有脈沖捕獲/比較功能的定時(shí)器，通過設(shè)置定時(shí)器的相關(guān)寄存器，我們可以讓單片機(jī)工作在上升沿捕獲狀態(tài)。用公式表示為： (228)式中：——系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 ——待測電網(wǎng)頻率(4)公用電網(wǎng)諧波為了定量表示電力系統(tǒng)正弦波形的畸變程度，GBT 145491993中定義了一些波形畸變的指標(biāo)。(5)電壓波動(dòng)電壓波動(dòng)是指一系列電壓變動(dòng)或工頻電壓包絡(luò)線的周期性變化。此外，微控制器芯片應(yīng)選擇