電力諧波分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-01-08 15:30 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 框圖和工 作原理 目前，國(guó)內(nèi)研制的諧波分析儀大多為便攜式， 多數(shù) 采用 8051 單片機(jī)為核心構(gòu)成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，由于 一般的 8051 單片機(jī)速度慢，造成數(shù)據(jù)分析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使諧波分析儀的實(shí)時(shí)性降低。筆者研制的諧波分析系統(tǒng)既可做為便攜式諧波分析儀，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，又可將測(cè)量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，將數(shù)據(jù)傳入 PC 機(jī)中，利用諧波管理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及儲(chǔ)存，以便對(duì)諧波進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。 系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖 3所示。諧波分析儀以 CygnalC8051F005 為核心構(gòu)成微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，該芯片性?xún)r(jià)比高、速度快，大大提高諧波分析儀的實(shí)時(shí)性。測(cè) 量 時(shí)，從電壓互感器和 電流互感器的二次側(cè)引入輸入信號(hào)，對(duì)電壓和電流信號(hào)同時(shí)進(jìn)行 隔離、 采樣、保持，并送入 A／ D 轉(zhuǎn)換器變成離散 數(shù)據(jù)序列信號(hào) 。 微控制 CPU 對(duì) 離散數(shù)據(jù)序列信號(hào)分析和處理。將其處理的結(jié)果， 一方面，通過(guò) MGLS240128 液晶顯示器 將分析的 在顯示屏上顯示出 來(lái)，包括 電壓、電流 、頻率，有無(wú)功率，功率因數(shù)，諧波次數(shù)含量柱狀圖和采樣波形圖象 。 另一方面將測(cè)量的結(jié)果參數(shù)保存，并記錄特殊事件，以狀態(tài)燈的形式指示， 以便對(duì) 市電工頻信號(hào) 進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè) 和分析。再一面 還能通過(guò) 人機(jī)交換接口 實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)和控制邏輯設(shè)置， 并 對(duì)系統(tǒng)線路 控制 。 LCD： MGLS240128 鍵盤(pán)輸入 圖 3 系統(tǒng)框圖 電流互感器 隔離電路 電壓互感器 隔離電路 信號(hào)調(diào)整 模數(shù)轉(zhuǎn)換 多路開(kāi)關(guān) 微控制單元 C8051F005 狀態(tài)燈指示 與 PC機(jī)通訊 數(shù)據(jù)保存，特殊事件記錄 信號(hào)保持 11 、 C8051F005 單片機(jī)的特點(diǎn) C8051FXX 系列單片機(jī)是美國(guó) CYGNAL 公司推出的一種與 51 系列單片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī)。 （ 1）內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度可達(dá) 25MIPS（ 25MHZ 晶振），比普通的 51 單片機(jī)快 10 倍；其指令與標(biāo)準(zhǔn)系列 51 單片機(jī)兼容，因而掌握開(kāi)發(fā)過(guò)程非常容易；該芯片的 JTAG 調(diào)試方式支持在系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程 （無(wú)需仿真器） ， 支持?jǐn)帱c(diǎn)調(diào)試、單步、觀察點(diǎn)、堆棧監(jiān)視器、 且不占用片內(nèi)資源。 （ 2）片上集成有 32KB FLASH 、 2304 BTYE 內(nèi)部 RAM、 32 個(gè) I／Ｏ口、 8 通道 12 位 100KSPS 的可編程增益 ADC、 8 通道 10 位 100KSPS 可編程增益 ADC、２路12 位 DAC、 2 路模擬比較器、 VDD 監(jiān)視器 /降電壓檢測(cè)器、 內(nèi)部電壓基準(zhǔn)和看門(mén)狗等功能。由于 C8051F005 各功能模塊 高集成度，因而無(wú)需外擴(kuò) ROM、 RAM、 AD、 DA、WATCHDOG、可編程 I/O 口和 EEPROM（用片內(nèi) FLASH 實(shí)現(xiàn)），從而大大簡(jiǎn)化了硬件電路，并為構(gòu)成以 C8051F005 為核心的單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。 （ 3） 片內(nèi)集成有２個(gè) UART、 1 個(gè) SM（兼容 I2C）和 1 個(gè) SPI，在工業(yè)控制設(shè)計(jì)時(shí)更方便，控制可靠性也增強(qiáng)了。 （ 4） 可編程的 16 位計(jì)數(shù)器陣列 PCA 有 5 個(gè)捕捉／比較模塊和 4 個(gè)通用 16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器，這一為要求定時(shí)器／計(jì)數(shù)器具有較多的測(cè)控節(jié)點(diǎn)提供了方便。 （ 5） C80581F005 能滿足絕大多數(shù)工業(yè)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的要求，能夠形成以 C8051F005為核心的單片機(jī)系統(tǒng)，如果配以外圍測(cè)量單元，還可形成完整的測(cè)控 系統(tǒng)。把C8051F005 應(yīng)用于電力諧波分析系統(tǒng)，加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性、減少了硬件電路、抗干擾能力強(qiáng)、具有更強(qiáng)的信號(hào)動(dòng)態(tài)跟蹤能力、數(shù)據(jù)分析處理的能力、為系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行性和 適用性 提供了依據(jù)。 、隔離電路 考慮到儀器的廣泛適用性，儀器的輸入信號(hào)分別取自被測(cè)線路的電壓、電流互感器的二次側(cè)，為了提高儀器的抗干擾能力，保證操作人員的人身安全，用光電隔離電路將外部輸入信號(hào)與微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)電氣隔離。為精密測(cè)量諧波成分，該儀器采用瑞士萊姆（ LEM）公司生產(chǎn)的電壓、電流互感器模塊，這種變換器具有較好的頻率響應(yīng)且輸入范圍大。 精 密 電 流 型電壓互感器 將有效值為 0～ 220 V的電 壓流 信號(hào)變?yōu)?0～ 2mA 12 電流信號(hào) ， 精密電流型電流互感器 將 0～ 5 A 的電流信號(hào)變?yōu)?0～ 2mA 的電 流 信號(hào)。信號(hào)隔離電路如圖 4。 電流型精密互感器跟蹤電力系統(tǒng)信號(hào)，并把電力系統(tǒng)信號(hào)動(dòng)態(tài)情況以 0~2MA 的動(dòng)態(tài)跟蹤電流信號(hào)輸出?？紤]應(yīng)盡量減少頻率失真， 提高儀器的抗干擾能力 ， 所以并聯(lián) 2 個(gè) 的陶瓷電容，并將采樣后的動(dòng)態(tài)跟蹤電流信號(hào)串聯(lián)一個(gè) 1K 的電組（ 1K*2MA=2V）將其轉(zhuǎn)換成 +2V ~ 2V電壓形式，進(jìn)入信號(hào)調(diào)整電路。 、調(diào)整電路 調(diào)整電路主要由運(yùn)放 OP37 組成的加法電路和 RC 濾波電路構(gòu)成。 OP37 體積小、成本低、受干擾小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，與 RC 濾波電路配和使用，保證了 2021HZ 以下信號(hào)不失真通過(guò)，濾去了不必要的高次諧波（防止影響對(duì)諧波的測(cè)量），又避免了外界干擾，使噪聲降到最低。 采樣動(dòng)態(tài)跟蹤信號(hào)輸入范圍 2V ~ +2V，由于 C8051F005 內(nèi)部 AD 轉(zhuǎn)換最大允許輸入電壓范圍 0~ 并且只能對(duì)正電壓轉(zhuǎn)換，所以必須對(duì)信號(hào)調(diào)整（原理圖見(jiàn)圖 5）。調(diào)節(jié) R38 和 R39 可以使輸出信號(hào)保證在允許測(cè)量的范圍內(nèi)。調(diào)整前和調(diào)整后的波形對(duì)比如圖 。為了確保儀器正常工作 ，提高可靠性，所以輸出電壓的峰峰值不能超過(guò) 2V。 為了提高儀器的測(cè)量精度，必須對(duì)電壓、電流信號(hào)同時(shí)采樣。用采樣保持器 LF398 分兩路對(duì)被測(cè)電壓、電流信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣保持（圖 右 ） ，并將各自的輸出信號(hào)分別輸入到C8051F005 多路 AD 轉(zhuǎn)換 I/O 口，通過(guò)的定時(shí)中斷實(shí)現(xiàn)電壓、電流信號(hào)的輪流采樣 。 該 設(shè)計(jì) 對(duì)被測(cè)電壓、電流信號(hào)每周期采樣 256 點(diǎn)，因此，控制 采集 脈沖頻率為225650＝ kHz，輪流將兩個(gè)被測(cè)信號(hào)的采樣值送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換電 13 路 是 C8051F005CPU內(nèi)部自帶 AD 轉(zhuǎn)換 ，是一種高速 12 位 ADC， 100KSPS。 圖 5 信號(hào)調(diào)整電路 、 鍵盤(pán)和顯示單元（人機(jī)交換接口） 鍵盤(pán)設(shè)置 4 個(gè)按鍵，分別菜單鍵、設(shè)置鍵、返回鍵和確定鍵，采用中斷查詢(xún)方式掃描鍵盤(pán)，與 MGLS240128 液晶顯示器配合實(shí)現(xiàn)分層式菜單顯示，用戶可以方便地對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)（如過(guò)電壓、電流、頻率等）查看和系統(tǒng)動(dòng)作（如過(guò)壓）進(jìn)行設(shè)定。 另設(shè) 4 個(gè)狀態(tài)顯示燈，分別為： （ 1）紅 1 為電源狀態(tài)顯示燈，當(dāng)電壓過(guò)低和掉電時(shí)燈滅。 （ 2）紅 2 為分析儀工作狀態(tài)顯示燈，當(dāng)不正常工作時(shí)燈亮。 （ 3）紅 3 為過(guò)壓燈，當(dāng)電壓超出系統(tǒng)設(shè)置的允許最大電 壓時(shí)燈亮。 （ 4）紅 4 為諧波報(bào)警燈，當(dāng)諧波超過(guò)一定值后燈亮。在狀態(tài)燈亮的同時(shí)蜂鳴器每隔 1 分鐘發(fā)聲延時(shí) 1 秒。當(dāng)監(jiān)測(cè)信號(hào)正常時(shí)，狀態(tài)燈和蜂鳴器自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)。 14 、 控制單元 控制 單元 是通過(guò) C8051F005的 I/O口 對(duì) 相關(guān)的邏輯 輸出 和驅(qū)動(dòng)電路控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的（附錄圖 D） 。 因?yàn)?固態(tài)繼電器具有無(wú)火花、易驅(qū)動(dòng)、體積小等突出優(yōu)點(diǎn) 。 所以控制端口多采用固態(tài)繼電器連接 。 、電源 交流電壓正常時(shí)，各個(gè)分控單元的供電為用戶正常供電被測(cè)交流電源通
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