【導(dǎo)讀】較大，造成電力能量比較差，所以，在實(shí)際中，無功補(bǔ)償很完美的運(yùn)用在各行各業(yè)。在電力系統(tǒng)本身來說,如果需要保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和它的經(jīng)濟(jì)性，那么保證。中，我們都要加裝一些裝置，用來補(bǔ)償無功功率。針對(duì)這種情況，本課題設(shè)計(jì)了一種全。自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。主要采用ST89C52單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制。系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓和電流進(jìn)行。采樣、計(jì)算，從而獲得COS∮和有功功率。本裝置可實(shí)現(xiàn)功率因素從很低到??

　　

【正文】 STC14 第 22 頁 共 65 頁 圖 14 系統(tǒng)電源電路 如圖 14 所示，電路圖的原理如下， 220V 交流電經(jīng)過線性變壓器 T1 變壓后轉(zhuǎn)換成一個(gè)峰值比較小的交流信號(hào)，通過整流橋后，交流小信號(hào)變換成一個(gè)脈動(dòng)的直流信號(hào)，經(jīng)過后級(jí)的電容 C14 和 C11 的濾波，信號(hào)變換成一個(gè)脈動(dòng)很小的直流信號(hào)，通過 5V 的穩(wěn)壓器構(gòu)成的穩(wěn)壓電路后，輸出 5V 的直流電壓，后級(jí)接兩個(gè)電容用于穩(wěn)壓以及減少輸出電壓的的脈動(dòng)。建立起這個(gè)一個(gè)系統(tǒng)供電電源后，便可以向存儲(chǔ)單元，單片機(jī)以及液晶，還有 ADC和運(yùn)放供電，使他們正常的工作。 在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是對(duì)于 220V 交流電的無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)，由于系統(tǒng)要計(jì)算電容的補(bǔ)償量，需要對(duì)系統(tǒng)的各種阻抗分析，所以這個(gè)輔助電源最好不能接到電網(wǎng)中，接到電網(wǎng)中將給電網(wǎng)帶來很大的不確定因素，導(dǎo)致不能定量的分析，但是當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)完成后，可以將這個(gè)輔助電源上掛到系統(tǒng)中。 第 23 頁 共 65 頁 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 本設(shè)計(jì)中選用德國 KEIL 公司推出的 uVision4 集成開發(fā)環(huán)境作為主機(jī)程序設(shè)計(jì)的編譯器。在這個(gè)軟件中，我們可以用 C語言編寫程序，生成 HEX 文件用在其他的仿真軟件中進(jìn)行仿真。 C 語言介紹 C 語言在發(fā)展初就是為了方便人們使用的，所以，在開始就讓它結(jié)構(gòu)化。其次，它豐富的運(yùn)算和數(shù)據(jù)類型，便于實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜的數(shù)據(jù)解耦。不僅可用于系統(tǒng)軟件的開發(fā)，同時(shí)也適用于應(yīng)用軟件的開發(fā)。另外， C 語言還有效率高的，可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。例如，原來使用的匯編語言編寫的程序，由于別人編寫的程序不易被讀懂，在一段時(shí)間后再去做升級(jí)和維護(hù)就會(huì)感覺非常的不方便。但 在使用和維護(hù) C 語言編寫的程序時(shí)，就不會(huì)遇到這樣的困擾，這時(shí)候 C語言的優(yōu)勢(shì)就大大的體現(xiàn)出來了。 軟件總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)兩大部分。其中主程序主要完成電容的投切，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及顯示，中斷程序?yàn)閮蓚€(gè)外部中斷，分別用于 ADC0832 測(cè)量系統(tǒng)的電壓以及電流，最主要的是測(cè)量電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位差。本節(jié)將分別對(duì)系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)作詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明。同時(shí)對(duì)于電容投切理論以及程序設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中主程序流程圖如圖 13 所示。系統(tǒng)開機(jī)后首 先進(jìn)行初始化 ,包括定時(shí)器 ,中斷 ,ADC，存儲(chǔ)器以及液晶顯示器的初始化。通過初始化，將系統(tǒng)的一切外設(shè)配置好。將定時(shí)器的定時(shí)值配置好，初始化完成后，開啟中斷。此時(shí) ADC 開始實(shí)時(shí)電壓電流的數(shù)據(jù)，并將電壓電流數(shù)據(jù)顯示到液晶顯示器上。同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的功率因數(shù)，并且將系統(tǒng)的功率因數(shù)校正到 以上。具體如圖 15 所示。 第 24 頁 共 65 頁 開 始定 時(shí) 器 初 始 化存 儲(chǔ) 器 初 始 化液 晶 初 始 化ADC初 始 化開 啟 中 斷顯 示 界 面檢 測(cè) 功 率 因 數(shù)小 于 循 環(huán) 投 切 電 容 程 序儲(chǔ) 存 功 率 因 數(shù)結(jié) 束NY 圖 15 系統(tǒng)主程序流程圖 用戶設(shè)置完成后，開啟中斷，實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的功率因數(shù)角以及電壓電流的信號(hào)，當(dāng)功率因數(shù)不滿足要求的時(shí)候，開啟系統(tǒng)電容投切程序，將系統(tǒng)的功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)? 以上， 第 25 頁 共 65 頁 當(dāng)滿足要求后，將 補(bǔ)償前的功率因數(shù)角存入到存儲(chǔ)器中，并且實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的電壓值電流值以及功率因數(shù)角。 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中的中斷程序是一個(gè)非常重要的程序，程序功能包括功能因數(shù)測(cè)量和電流電壓的采集，這個(gè)程序相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的眼睛的作用。該中斷程序包括兩個(gè)外部中斷，以及定時(shí)器 1工作在定時(shí)模式，用于計(jì)量功率因數(shù)角度。兩個(gè)外部中斷分別工作在下降沿模式，用兩個(gè)外部中斷程序來控制定時(shí)器 1 的啟停，這樣根據(jù)圖 3 所示原理，就可以很方便的測(cè)量出系統(tǒng)的功率因數(shù)角度。 中斷程序流程圖如圖 16 所示。 進(jìn) 入 外 部 中 斷 0定 時(shí) 器 1 清 零啟 動(dòng) 定 時(shí) 器 1使 中 斷 指 示 燈 閃 爍跳 出 中 斷進(jìn) 入 外 部 中 斷 1關(guān) 閉 定 時(shí) 器 1轉(zhuǎn) 換 計(jì) 數(shù) 值測(cè) 量 電 壓 電 流跳 出 中 斷 圖 16 外部中斷流程圖 為了方便運(yùn) 算，本設(shè)計(jì)中定時(shí)器工作于方式 1，采用 16 位定時(shí)的方式。計(jì)數(shù)最大值為65535。定時(shí)器初值計(jì)算方法為：由于選用的 16位定時(shí)法。當(dāng)通過外部中斷控制定時(shí)器開啟時(shí)，定時(shí)器開始定時(shí)計(jì)數(shù)，一直等到另外一個(gè)中斷來停止計(jì)數(shù)器，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，定時(shí)向上累加的值便是兩個(gè)下降沿的時(shí)間差，由于系統(tǒng)的時(shí)鐘是沒 1us 計(jì)數(shù)一次，便可以方便的計(jì)算出系統(tǒng)的兩個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位差。每次使用定時(shí)器后需要使定時(shí)器清零，如下： TH1 = 0 第 26 頁 共 65 頁 TL1 = 0 使用外部中斷可以方便控制定時(shí)器 1 的使能 TR1 的值，從而方便的控制定時(shí)器是否開始計(jì)數(shù)，是否清零 ，使用這種辦法測(cè)量?jī)蓚€(gè)方波信號(hào)的相位差，具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，并且系統(tǒng)占用的自然較少，且精度較高。 在實(shí)際的測(cè)量電力系統(tǒng)的功率因數(shù)的時(shí)候，這也是一種最為簡(jiǎn)單最為方便的方法，特別是對(duì)于在系統(tǒng)中對(duì)于控制器成本要求比較高的環(huán)境中，這也可以很大程度上節(jié)約成本。 電容投切程序設(shè)計(jì) 電容控制透氣程序是本次程序設(shè)計(jì)中的核心程序，其中包括電容的智能增減，電容投切多少的問題。 在計(jì)算投切的過程中需要理論依據(jù)， 1? 為補(bǔ)償前的功率因數(shù) ， 2? 是補(bǔ)償后的功率因素， P是系統(tǒng)的功率，則計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)碾娙菘梢杂檬?1和式 2計(jì)算得到公式 3. )2ta n1ta n( ?? ?? PQ （ 1） CUQ ?2? （ 2） ? ??2 )2ta n1ta n( UPC ?? （ 3） 通過用公式 3 就可以通過測(cè)量出需要補(bǔ)償?shù)碾娙葜担趯?shí)際的計(jì)算中將電容的值分別設(shè)計(jì)為 25uF, 50uF, 100uF, 200uF, 400uF, 800uF, 1600F, 3200uF 八組電容值，計(jì)算出電容 C 后， 用得到的電容 C除以 25uF 就可得到一個(gè)數(shù)值 N,將這個(gè) N直接賦給控制端 P2便可以得到相應(yīng)的電容值。 在程序設(shè)計(jì)中，通過兩個(gè)定時(shí)器中斷測(cè)得的這兩個(gè)等效方波的時(shí)間差可以通過讀取定時(shí)器的 TH1 和 TL0 來實(shí)現(xiàn)，計(jì)算公式如下： 11*256tim e TLTH ?? (4) 當(dāng)計(jì)算出兩個(gè)方波的時(shí)間差以后，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的定時(shí)周期是 ?1T 1 m? ，而工頻電壓電流信號(hào)的周期為 ST ? ,所以可以通過以下算式算出相位差 ? ： ?? 2**time21T T? (5) 例如：當(dāng)電感取用 5mH 的時(shí)候，此時(shí)可以通過仿真然間求得補(bǔ)償前的功率因數(shù)為 ， 第 27 頁 共 65 頁 補(bǔ)償完成后的功率因數(shù)為： 而此系統(tǒng)的電流為 100A，電壓為 220V，則系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)碾娙轂椋? FUPC u11 20)2ta n1ta n( 2 ??? ? ?? 而在仿真中，我們選擇 1200uF 進(jìn)行投切，防止一些誤差。 所以 ，在仿真中我們需要補(bǔ)償?shù)碾娙萑缦卤? 表 1 需求補(bǔ)償電容值 電感 (mH) 5 7 9 11 13 15功率因數(shù)補(bǔ)償前 補(bǔ)償后 需求電容值 1200uF 800uF 550uF 400uF 300uF 200uF 第 28 頁 共 65 頁 5 系統(tǒng)建模與仿真結(jié)果分析 通過第 3 章和第 4 章設(shè)計(jì)，本文完成了系統(tǒng)硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在本章節(jié)，本文將通過 PROTEUS 建模仿真。完成本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)調(diào)試，已驗(yàn)證本設(shè)計(jì)軟硬件設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求。 系統(tǒng)仿真環(huán)境介紹 仿真軟件 又稱作為 EDA 工具，而其中一 個(gè)很有名的軟件就是 proteus，在這個(gè)軟件里面我們可以從最開始的布置原理圖，到調(diào)試下所需要的程序和讓一些外面的硬件與 單片機(jī) 組合起來進(jìn)行仿真，最后到設(shè)計(jì)一個(gè) PCB 板，也就是說這個(gè)軟件可以真正的讓一個(gè)虛擬的概念變?yōu)橐粋€(gè)真正的電子器件，完成了由虛變實(shí)的的過程，而且 proteus 也是當(dāng)前仿真軟件領(lǐng)域中唯一的一個(gè) 3合 1的平臺(tái)，它將原理電路軟件， PCB 板布置軟件，模仿現(xiàn)實(shí)仿真這 3個(gè)非常有用 的軟件組合起來了，并且 8051,8086， ARM,AVR 等等單片機(jī)都能被這個(gè)軟件的處理器支持。而且，proteus 也在不斷的進(jìn)步中，它在 2020 年的時(shí)候，又在軟件里面添加了一些功能，比如數(shù)字信號(hào)處理， Cortex 等系列的處理器?；?Proteus 強(qiáng)大的仿真功能和多編譯環(huán)境的兼容性。本文選用 Proteus 作為本系統(tǒng)的建模仿真環(huán)境。 系統(tǒng)建模 系統(tǒng)的模型如圖 17 所示，一般系統(tǒng)都是感性負(fù)載，系統(tǒng)可以用一個(gè)電阻和電感串聯(lián)起來表示，模擬正常系統(tǒng)的運(yùn)行，系統(tǒng)有 220V 交流源電阻，電感，電容構(gòu)成。 在系統(tǒng)中，在節(jié) 點(diǎn) HH 處，補(bǔ)償電容 C1，實(shí)際中 C1 是電容投切電路，通過改變電容大小可以方便測(cè)量出系統(tǒng)的功率因數(shù)，由于系統(tǒng)的要求電壓為 220V，電流為 100A，所以在系統(tǒng)中，由于要求系統(tǒng)電流為 100A，所以當(dāng)補(bǔ)償完成后，系統(tǒng)的相當(dāng)于阻性負(fù)載 RUI /? ,則可以取電阻為 ? ，而功率因數(shù)通過計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)的電感為 5mH 時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)為 ，當(dāng)系統(tǒng)的電感為 15mH 時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)為 ,滿足系統(tǒng)的從功率因素 補(bǔ)償?shù)? 的要求。這樣系統(tǒng)是跟實(shí)際情況相類似的，不過在仿真中沒有現(xiàn)實(shí)中的霍爾傳感器，所以系統(tǒng)中用一個(gè)變壓器來側(cè)系統(tǒng)的電壓來換算得到系統(tǒng)的電壓電流的相位，所以串聯(lián)到系 第 29 頁 共 65 頁 統(tǒng)中的變壓器的后級(jí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)有一定的影響，但是由于本系統(tǒng)采用的是循環(huán)掃描8組電容的方法，挑選一組最恰當(dāng)?shù)碾娙萃肚械较到y(tǒng)中，不會(huì)影響系統(tǒng)的功率因數(shù)校正。詳細(xì)的仿真圖見圖 17 中所示，電壓電流均用變壓器來采取，然后通過換算得到系統(tǒng)的功率因數(shù)腳。 20mH L150Hz220GNDR1HH100uFC1 圖 17傳系統(tǒng)建模電路圖 圖 18 傳感器建模仿 真圖 根據(jù)無功補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?，本設(shè)計(jì)在 Proteus 建模仿真中，通過并聯(lián)電容可以輕松的改變系統(tǒng)的功率因數(shù)，也可以通過電壓表和電流表清楚的知道系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓電流值?；?51 單片機(jī)的無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)的 Proteus 建模圖如圖 18所示。 根據(jù)硬件原理圖，我們可以在 Proteus 軟件中調(diào)出同樣型號(hào)的器件組成仿真系統(tǒng)。 Proteus 仿真建模原理圖詳見附錄。建立好原理圖后，將預(yù)先編譯通過的 第 30 頁 共 65 頁 程序代碼中的 HEX 文件下載如單片機(jī)中即完成整個(gè)系統(tǒng)的建模。 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 通過上一節(jié)的分析可以知道，通過液晶可以輕松的知 道，當(dāng)前的運(yùn)行狀況，通過不斷的改變系統(tǒng)中的電感值，可以很方便的看到系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，以及系統(tǒng)的工作情況。下面分別介紹系統(tǒng)的歡迎界面，在閃爍兩次后，進(jìn)入到系統(tǒng)測(cè)量顯示程序中，通過改變電感值，分別設(shè)計(jì)在歡迎界面，5mH,7mH,9mH,11mH,13mH,15mH 的仿真界面。如下圖 19，圖 20，圖 21，圖 22，圖 23，圖 24，圖 25。 圖 19 歡迎界面 圖 20 電感 5mH 的時(shí)候補(bǔ)償顯示 第 31 頁 共 65 頁 圖 21 電感 7mH 的時(shí)候補(bǔ)償顯示 圖 22 電感 9mH 的時(shí)候補(bǔ)償顯示 圖 23 電感 11mH 的時(shí)候顯示補(bǔ)償 圖 24 電感 13mH 的時(shí)候補(bǔ)償顯示 第 32 頁 共 65 頁 圖 25 電感 15mH 的時(shí)候補(bǔ)償顯示 通過上面 6個(gè)圖，我們可以分析得到，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行功率因數(shù)適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)的時(shí)候，系統(tǒng)可以通過循環(huán)的投切電容控制系統(tǒng)的功率因數(shù)時(shí)鐘保持在 以上，并且可以測(cè)的系統(tǒng)的母線電壓既系統(tǒng) 的供電電壓為 216V 與給定值220V 近似相等，這是由于 ADC0832 采樣電路引起的誤差，不可避免，只能減少不能消除。