【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電容器組的投切， 確保電壓和功率因數(shù)在設(shè)定范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)就地平衡無(wú)功、維持電網(wǎng) 電壓穩(wěn)定 。 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 方案要求及總體方案 7 電壓互感器 AD 轉(zhuǎn)換裝置 AT89C51 鍵盤(pán)及 LED 顯示 投切控制電路 通訊模塊 復(fù)合開(kāi)關(guān) 復(fù)合開(kāi)關(guān) 。 復(fù)合開(kāi)關(guān) 電容器組 電容器組 電容器組 RXD TXD 相位檢測(cè) 電流互感器 圖11 控制器總體結(jié)構(gòu)圖 控制器總體結(jié)構(gòu)圖 : ?? ８組 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件部分 8 2. 硬件部分 對(duì)于硬件部分的設(shè)計(jì)，我本著簡(jiǎn)單可靠的思想來(lái)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的對(duì)象是針對(duì)一個(gè)電力系統(tǒng)，一切當(dāng)然以穩(wěn)定安全為前提。在設(shè)計(jì)中我盡量精簡(jiǎn)所需的單片機(jī) I/O 口，如A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī) [13]的串聯(lián)接法， LED 串聯(lián)接法等 等，這都極大的減少了單片機(jī)所需的 I/O 口，這樣使我的設(shè)計(jì)中所用芯片的數(shù)目得到減少，大大的增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)更加安全可靠。 控制面板 對(duì)于整個(gè)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)其控制的方式有兩種，一種是利用通訊模塊將單片機(jī)與上位機(jī)相連，通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制，另一種是利用控制面板來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的控制，也就是對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制。上位機(jī)因?yàn)樽约罕旧碛墟I盤(pán)，有自己的輸入輸出設(shè)備，因此只要能夠通訊上就能輕松的完成對(duì)單片機(jī)的控制，完成對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制。面板控制是利用其他與單片 機(jī)的匹配的輸入設(shè)備直接對(duì)單片機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制，對(duì)于面板的設(shè)計(jì)就顯得猶為重要了，要使它功能齊全，操作方便，同時(shí)又不繁復(fù)。 電壓、電流檢測(cè)電路 由 于需要采集電流與電壓值來(lái)計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償量，互感器 [2]就是必不可少的了。 互感器與變壓器類似也是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作 ， 變壓器變換的是電壓而電流互感器變換的是電流罷了 。 互感器大致可分為兩類 ： 測(cè)量用電流互感器和保護(hù)用電流互感器 。 運(yùn)算放大匹配電路 由電流電壓互感器得到的電流電壓值可能并不適合直接接入硬件電路中，因此我在互感器的輸出端加了一 個(gè)運(yùn)算放大匹配電路以匹配硬件電路。 運(yùn)算放大電路在測(cè)量控制系統(tǒng)中，用來(lái)放大傳感器輸出的微弱電壓，電流或電荷信號(hào)的放大電路稱為測(cè)量放大電路。對(duì)其基本要求是： ① 輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配； ② 一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益； ③ 低噪聲； ④ 低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移； ⑤ 足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率（無(wú)畸變的放大瞬態(tài)信號(hào)）； ⑥ 高輸入共模范圍（如達(dá)幾百伏）和高共模抑制比； ⑦ 可調(diào)的閉環(huán)增益； ⑧ 線性好、精度高； ⑨ 成本低。 十二位 A/D轉(zhuǎn)換電路 單片機(jī)的輸入信號(hào)需要的是數(shù)字信號(hào)，但是由傳感器出來(lái)并經(jīng)過(guò)處理的 信號(hào)是模擬信號(hào)， A/D 轉(zhuǎn)換裝置就是為這個(gè)難題孕育而生的， TLC2543 是 其中的代表 。 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件部分 9 TLC2543 是德州儀器公司生產(chǎn)的 12 位開(kāi)關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡(jiǎn)單的 3線 SPI 串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接，是 12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器是過(guò)程及儀器儀表、設(shè)備等檢測(cè)與控制裝置中應(yīng)用比較廣泛的器件。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種高精度、低功耗、可編程 [3]、低成本的 A/D 轉(zhuǎn)換器不斷推出，使得微機(jī)控制系統(tǒng)的電路更加簡(jiǎn)潔，可靠性更高。 相位判別 檢測(cè)電路 功率因數(shù) (cosφ )值是電網(wǎng)電壓和電流相位差的余弦值。電網(wǎng)線電壓與相應(yīng)的線電流之間具有一定的向量關(guān)系。對(duì)于三相對(duì)稱電源，若電網(wǎng)的功率因數(shù)值為 1，即等效總負(fù)載為純阻性，則各相電源的相電流必定與其相電壓同相，相位差 Φ =0176。 ，并與某一線電壓正交，而當(dāng)電網(wǎng)的功率因數(shù)值不為 1時(shí)，電流向量與電壓向量之間將存在一定的夾角 φ 。感性負(fù)載時(shí) φ 角滯后 0176。 ～ 90176。 ，容性負(fù)載時(shí) φ 角超前 0176。 ～ 90176。 。因此準(zhǔn)確檢測(cè)線電壓與線電流之間的相位差，即可測(cè)量出電網(wǎng)的功率因數(shù)角。 單片機(jī) AT89C51 主體芯片我用的是 AT MEL 公司開(kāi)發(fā)的 AT89C51 單片機(jī) [11]。它不僅繼承了 INTEL公司 80C51 單片機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，還嫁接了 ATMEL 公司先進(jìn)的 FLASH 技術(shù)，從而成為一種特殊的內(nèi)部含 FLASH 存儲(chǔ)器的單片機(jī)。它帶有 4KB 閃速式存儲(chǔ)器， 128B 內(nèi)存，最大工作頻率 24MHz，具有 32 條輸入輸出線， 16 定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 5 中斷源， 1 個(gè)串行口該單片機(jī)性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，開(kāi)發(fā)周期短，且價(jià)格低廉，非常適合于對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行智能化改造。 LED 顯示電路及鍵盤(pán) LED 顯示電路 在 前面的控制面板設(shè)計(jì)中有對(duì)當(dāng)前 電壓電流及功率因數(shù)的顯示，也有對(duì)當(dāng)前投切狀態(tài)的顯示，在這節(jié)中我給出了顯示電路圖。 對(duì)于當(dāng)前電壓電流及功率因數(shù)的顯示我采用了 LED顯示電路。 它利用半導(dǎo)體發(fā)光的器件作為光源，具有體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低、瞬時(shí)啟動(dòng)、顏色豐富等特點(diǎn)，是一種環(huán)保節(jié)能的冷光源。 為盡量減少所需占用的單片機(jī) I/O 口 [6]我采用了 LED 串聯(lián)顯示電路。 對(duì)于當(dāng)前的投切狀態(tài)，即投入了幾級(jí)的電容，我利用 了 8個(gè)發(fā)光 二極管來(lái)顯示。 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件部分 10 鍵盤(pán) 前面設(shè)計(jì)的控制面板中帶一個(gè)鍵 盤(pán)，這里的鍵盤(pán)我并沒(méi)有用專業(yè)的鍵盤(pán)。因?yàn)槿绻猛ㄓ嵔涌谶B接上了帶有專業(yè)鍵盤(pán)的上位機(jī)，這里設(shè)計(jì)的專業(yè)鍵盤(pán)就顯得華而不實(shí)，因此我用了幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鍵將它們拼成了一個(gè)簡(jiǎn)易的鍵盤(pán)。下面是按鍵對(duì)單片機(jī)的接口電路圖。 復(fù)位電路 幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對(duì)復(fù)位電路 [12]的基本要求是：在單片機(jī)上電時(shí)能可靠復(fù)位，在下電時(shí)能防止程序亂飛導(dǎo)致 EEPROM 中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正Key7 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 AT89C51 Key1 +5v +5v ……… 圖 21發(fā)光二極管與單片機(jī)的連接圖 圖 22 按鍵對(duì)單片機(jī)的接口電路圖 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件部分 11 常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充 分利用單片機(jī)本身的看門(mén)狗定時(shí)器（有些單片機(jī)無(wú)看門(mén)狗定時(shí)器）外，還需外加個(gè)看門(mén)狗電路；除此以外，有些單片機(jī)系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來(lái)，因掉電的發(fā)生往往是很隨機(jī)的，因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時(shí)能告知單片機(jī)。 直 流穩(wěn)壓電源電路 在設(shè)計(jì)中我用到的單片機(jī)，運(yùn)算放大器芯片 [13]以及各種芯片都需要 5V或 5V的直流穩(wěn)壓電源來(lái)供應(yīng)電源，而在實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有可以直接利用的直流穩(wěn)壓電源供給，因此我利用 CW7905分別設(shè)計(jì) +5V和 5V兩個(gè)直流穩(wěn)壓電源。 CW7905 + VO — + Vi — 3 2 1 CO 1μ F C1 022μ F 圖２ 3 5V直流穩(wěn)壓電源電路圖 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件部分 12 無(wú)功補(bǔ)償投切電容 晶閘管觸發(fā)電路 晶體管觸發(fā)電路 [5]的作用是產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管 [8]的觸發(fā)電路一般應(yīng)滿足一下要求： （ 1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通； （ 2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度； （ 3 所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過(guò)晶閘管門(mén)極的電壓、電流和功率額定，且在門(mén)極伏案特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)； （ 4) 應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電器隔離。 圖示晶閘管觸發(fā)電路，它由 V V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖 變壓器 TM 及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng) V V2導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門(mén)極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。 VD1和 R3是為了 V V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器 TM釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)定的。 圖２ 4 無(wú)功 補(bǔ)償投切電容 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬件部分 13 圖２ 5 晶體管觸發(fā)電路 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 軟件設(shè)計(jì) 14 3. 軟件 設(shè)計(jì) 主程序流程 整個(gè)軟件部分的主程序包含有以下子程序： 相位判別檢測(cè)電路子程序 [3]， LED 顯示子程序，看門(mén)狗子程序， RS485 通訊子程序，無(wú)功補(bǔ)償量計(jì)算子程序，控制策略子程序，電容投切子程序，以及一個(gè)起穩(wěn)定作用的 CPU抗干擾子程序。 主流程圖 如下： 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 軟件設(shè)計(jì) 15 控制策略 投切控制不以功率因數(shù)為判據(jù)（可以以功率因數(shù)為判據(jù)），因?qū)嶋H補(bǔ)償是通過(guò)無(wú)功功率的投入來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所 以以無(wú)功功率為判據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償更為科學(xué)。 為使控制更為合理，依據(jù)低壓測(cè)總無(wú)功功率的大小，實(shí)現(xiàn)電容器的自動(dòng)投入和切除。 從下圖 32可以看出，相位檢測(cè) 調(diào)看門(mén)狗子程序 Φ 00 ? 采樣電網(wǎng)參數(shù) Φ =00? 切電容 Ｎ Y 調(diào) A/D 轉(zhuǎn)換子程序 取 cosΦ設(shè)定值 調(diào)相位檢測(cè)中斷程序 參數(shù)顯示和按 鍵查詢 有鍵按？下？ 鍵處理程序 Y 參 數(shù) 變？化？ N 寫(xiě)入?yún)?shù)并更新系統(tǒng) Y 調(diào)計(jì)算子程序 N 判斷并做出控制決策 調(diào)投切子程序 啟動(dòng)下次采樣 圖 31 主程序流程圖 系統(tǒng)初始化 東華理 工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 軟件設(shè)計(jì) 16 控制器工作在陰影區(qū)時(shí)控制器不動(dòng)作，當(dāng)不滿足此條件時(shí)，控制器靠投切一定數(shù)量的電容器來(lái)滿足此條件，使控制器工作在 陰影區(qū)，達(dá)到平衡無(wú)功的目的。投切原則：三相優(yōu)先，單相互補(bǔ)；電壓缺相自動(dòng)切除全部電容器；電壓超過(guò)設(shè)定值，由小到大逐級(jí)切除電容器；電容器因電壓超限分閘后，再次投入時(shí)，必須具備以下三個(gè)條件： (1)電壓和無(wú)功功率滿足投切定值要求， (2)延時(shí)一定的時(shí)間間隔（ 0～ 30 秒可調(diào)）， (3)根據(jù)投切前后的電壓差值，對(duì)當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)（ PQI）進(jìn)行綜合分析，確保再次投入后不超過(guò)上限電壓，并且要有一個(gè)電壓富余值。 圖 32 控制策略圖 U上、 U下分別為 電壓約束上、下限， Q上、 Q下分別為無(wú)功約束上、下限，各區(qū)動(dòng)作方案如下 ： 1區(qū)： 電壓超 過(guò) 上限，無(wú)功超下限。 發(fā)出電容器切除指令，當(dāng)電容器全部切除后，電壓仍高于 U上時(shí)，再發(fā)出變壓器分接頭降壓調(diào)節(jié)指令。 2區(qū)： 電壓超 過(guò) 上限，無(wú)功超上限。 發(fā)出變壓器分接頭降壓調(diào)節(jié)指令；當(dāng)有載調(diào)壓已處于下限時(shí)，再發(fā)出上一級(jí)變壓器分接頭調(diào)節(jié)指令。 3區(qū)： 電壓超 過(guò) 上限，無(wú)功合格。 動(dòng)作方案同 2 區(qū)。 4區(qū)：電壓合格，無(wú)功超下限。發(fā)出電容器切除指令，當(dāng)電容器全部切除后，運(yùn)行點(diǎn)仍在該區(qū)，則維持該運(yùn)行點(diǎn)。 5區(qū)：電壓合格，無(wú)功超上限。發(fā)出電容器投入指 令，當(dāng)電容器全部投入后運(yùn)行點(diǎn)仍在該區(qū)，則維持運(yùn)行點(diǎn)。 6區(qū)： 電壓超 過(guò) 下限，無(wú)功超下限。 發(fā)出變壓器分接頭升壓調(diào)節(jié)指令，當(dāng)有載調(diào)壓已處于上限時(shí)，再發(fā)出電容器投入指令。 7