1、摘 要I本科毕业论文（20 届）磁控调压式无功自动补偿装置控制器设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要在用电量逐渐提高及电网建设不断发展的情况下，电网的安全性、稳定性及运行的可靠性逐渐受到重视，而解决这一问题的关键就是协调无功功率的平衡。因为用电设备不仅要从电网取得有功功率，同时还需要取得无功功率。当电网中的无功功率不足以供应用电设备时，用电设备就不能建立正常的电磁场，也就是不能保证维持在额定情况下进行正常工作，用电设备的端电压就会下降，因而影响到用电设备的正常运行。 因 为 发 电 机 和 输 电 线 所 供 给 的 无 功 功 率
2、 达不 到 负 荷 所 需 的 要 求 ， 因 而 在 电 网 中 需 要 设 置 无 功 补 偿 装 置 来 补 充 用 电 设备 需 要 的 无 功 功 率 ， 来 保 证 用 户 对 无 功 功 率 的 需 要 ， 保 证 电 网 的 稳 定 性 以及 用 电 设 备 在 额 定 电 压 下 工 作 。磁饱和式可控电抗器是一种新型的无功补偿装置，因为它的结构简单、损耗小、响应速度较快且具有近似线性的伏安特性，因此在电网进行无功补偿和电压调整方面发挥了很大的作用。本文在分析现有各种无功补偿方法的基础上，采用磁饱和式可控电抗器进行无功补偿，通过分析磁饱和式可控电抗器在各个状态下工作过程，得出
3、了晶闸管控制电压和线路电压之间的关系，设计了饱和电抗器的控制部分，主要包括控 制 核 心 AT89C52 单 片 机 、 信 号 采 集 电 路 、 晶 闸 管 触 发 脉 冲 输 出 电 路 、显 示 电 路 、 硬 件 抗 干 扰 电 路 等 ； 最 后 设 计 了 系 统 的 软 件 部 分 。关键词：无功补偿，磁饱和可控电抗器，控制器，AT89C52 单片机AbstractIIIAbstractWith modern power consumption gradually improve and the development of the power grid constructio
4、n, grid stability, safety and reliability of the operation more attention, and reactive power balance is the key problem. In normal circumstances, electrical equipment from power not only to get active power, which needs to be obtained from the power supply reactive power. If in the grid reactive po
5、wer demand exceeds supply, power equipment is not enough reactive power to establish normal electromagnetic fields, the electric equipment cannot be maintained in the rated work, electrical equipment will decline voltage, which affects the normal operation of the power equipment. But from the genera
6、tor and the high voltage power supply of reactive power far cant satisfy the need of the load, so in the power grid to set some of the reactive power compensation device to supplement the reactive power, in order to ensure that the user to the reactive power needed, so that power equipment can work
7、under rated voltage.Magnetic saturation type controlled reactor is a new type of reactive power compensation devices, its simple structure, consumption is small, fast response with approximate linear current-voltage characters, is the power grid in reactive compensation and voltage adjustment of ver
8、y good choice.Based on the analysis of the existing ones of reactive power compensation method based on the magnetic saturation type controlled reactor in reactive compensation, through the analysis of magnetic saturation type controlled reactor in each state work process, it is concluded that the t
9、hyristor controlled voltage and line voltage, the relationship between the saturable reactor design the control part, mainly including AT89C52 single chip microcomputer control core, signal acquisition circuit, thyristor trigger pulse output circuit, show circuit, the hardware circuit and other anti
10、-interference; The last part of the system design software.Key words: the reactive power compensation, magnetic saturation controlled reactor, microcontroller AT89C52 Microcontroller目 录IV目 录摘 要 .IABSTRACT .目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 课题的意义 .11.2 国内外研究现状及发展趋势 .11.2.1 无功补偿装置分类 .21.2.2 可控电抗器分类 .31.3 磁饱和式可控电抗
11、器控制电路的实现方式 .4第二章 磁控电抗器的设计 .52.1 系统总体框图 .52.2 磁饱和可控电抗器基本结构 .52.3 磁饱和可控电抗器的工作原理 .62.4 磁饱和可控电抗器应用于无功补偿中 .82.5 控制系统硬件设计 .102.6 系统电源设计 .112.6.1 降压整流滤波电路 .112.6.2 稳压输出电路的设计 .112.7 单片机工作系统 .132.7.1 AT89C52 单片机简介 .132.7.2 复位电路 .142.7.3 时钟电路 .142.7.4 AT89C52 主控制电路 .152.8 信号采集电路 .162.8.1 电压采集电路 .162.8.2 采样保持电
12、路: .172.8.3 电流采集电路 .192.8.4 A/D 采样电路 .20目 录V2.9 晶闸管触发电路 .212.10 辅助电路 .222.10.1 键盘电路 .222.10.2 显示电路 .222.10.3 通信电路 .232.10.4 硬件抗干扰措施 .242.11 本章小结 .25第三章 系统的软件设计 .263.1 主程序设计 .263.2 晶闸管同步触发程序的设计 .263.3 触发电路的程序设计 .283.4 通信程序设计 .303.5 本章小节 .30总 结 .31参考文献 .32致 谢 .33第一章 绪论- 1 -第 一 章 绪 论 1.1 课题的意义近年来，我国电力工
13、业得到不断发展，无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能质量、降低电网损耗以及保证安全运行所不可缺少的部分。因为用电设备不仅要从电网中获取有功功率，同时还需要取得无功功率。当电网中的无功功率不足以供应用电设备时，用电设备就不能建立正常的电磁场，用电设备也就是不能进行正常情况工作，这就导致用电设备两端的电压下降，因而影响到用电设备的工作。本课题设计的目的就是实现动态的无功补偿，通过减少传输线中的无功电流，来减少线路损耗，避免电压的巨大波动，防止出现电压崩溃和稳定破坏事故。提高用电功率因数可以提高电力系统和用电企业设备的利用率，使得在同样发电设备条件下，提高发电的能力，减小电能的损耗、提高用电
14、质量。1.2 国内外研究现状及发展趋势由于电力系统的需求，可控电抗器逐渐发展起来。国外，由前苏联科学家提出了应用直流控制磁饱和型可控电抗器的饱和程度逐渐被推广和应用 1。该类补偿装置是利用铁芯的饱和特性来控制发出或吸收无功功率的大小。磁饱和电抗器组成的静止无功功率补偿装置属于第一代 SVC。早在 1916 年就由美国的 E.F.W 亚历山德逊提出了“磁放大器”的报告 2。20 世纪 40 年代，应用高磁感应强度及低损耗来调整电压，达到保证系统无功功率平衡，减少损耗，提高供电可靠性的目的。1955 年由美国的 HF斯托姆编写的磁放大器一书以及 1956 年苏联的 MA罗津布拉特著的磁放大器 3，
15、推动着磁放大器的发展，使磁放大器在自动化的各个应用领域得到了充分的应用。随着控制系统的逐渐发展，科技工作者尝试将磁放大器的工作原理应用到电力系统的自动无功控制中。1955 年，英国制造了世界上第一台可控电抗器，其额定容量为100MVA，工作电压为 6.6kV，后来美国通用电气公司也制成了这样的 SVC。在 1986 年，原苏联学者提出了一种新型结构的磁阀式可控电抗器 5，这种第一章 绪论- 2 -新型结构的磁阀式可控电抗器在很多方面得到了突破。与以往的只能应用于低电压电抗器相比，它可以应用于高压 1150kW 的电网，而且可直接接于超高压线路侧，这样就发挥同步补偿机和并联电抗器的作用。国内磁阀
16、式可控电抗器研究工作开展的较早的是在武汉大学，他已研制出磁阀式动态无功补偿装置，经过检测，运行效果良好。浙江大学对交流可控电抗器进行了较为深入的研究，在直流型可控电抗器方面，上海交大和华北电力等大学有较深的研究。1.2.1 无功补偿装置分类常见的自动无功补偿装置主要分为以下六种，下面简要介绍了各种无功补偿装置的优点以及不同装置所应用的场合，同时将不同补偿装置进行了比较。（1）同步调相机同步调相机在电力系统的无功补偿装置中应用较早，它的工作相当于空载运行的同步电动机。在欠励磁运行时，它从系统吸取感性无功功率，会降低系统的电压；在过励磁运行的情况时，它就会根据需要向系统提供感性的无功功率，从而提高
17、系统电压。但是因为它应用旋转电机，工作时产生很大的噪声并存在损耗的问题，而且运行维护也比较困难，响应速度较慢，所以正逐渐被淘汰。（2）开关投切电容器组使用交流接触器控制投切电容器，在应用中会遇到许多的问题，比如：接触器经常动作，故障频率很高；可靠性差；响应的速度很慢等，同时它无法进行无极调节，因而应用较少。（3）TCR 型静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)由 TCR 和 LC 滤波器组成的 TCR 型静止无功补偿装置在电力系统正发挥巨大作用。TCR 为 SVC 中的重要部分，主要起可变电感的作用，实现感性无功功率的快速、平滑调节。工作过程是通过调节 TCR
18、中可控晶闸管的导通角的大小使得电网的无功功率大小能够连续可调，TCR 等效于一个连续可变的电感第一章 绪论- 3 -器。（4）TSC 型静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)由并联电容器与之串联的双向晶闸管组成 TSC 型补偿器。通过测得的电压、电流和功率因数等参数，然后在电容组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一次到位。因为电容按组的投切，对电网会产生冲击电流。实际工作中通常会采取投入零电压，退出零电流的方法，来实现无功电流的平滑调节，从而减少对电网的冲击。（5）静止无功发生器静止无功发生器又称静止无功调相机(Static Synchr
19、onous Compcnsator， STATCOM)。SVG 是指自换向的电力半导体桥式变流器来进行发生和吸收无功功率的无功功率的动态补偿装置。它由交流环节和直流环节组成，自身有明显的优势：响应的速度快，高次谐波量小，能连续吸收无功功率；可分相调节，损耗与噪音小。SVG 较 SVC 有趋势，但 SVG 的控制的方法和控制系统要比 SVC 复杂的多，而且 SVG 要使用大量较大容量的全控型元件，对电网的恒阻抗性、连续可调性差。由于这些原因，使得 SVG 的应用得到了限制。（6）MCR 型静止无功补偿器 (Static Var Compensator，SVC)MCR 型静止无功补偿器(Stati
20、c Var Compensator，SVC)是由可控电抗器和固定电容器组成。可控电抗器是通过借助控制直流回路的电流实现对铁心磁饱和度的控制，从而改变其电抗值以达到平滑调节无功输出的目的 10。和 TCR相比，MCR 型静止无功补偿器 (Static Var Compensator，SVC)的优势在于，磁控饱和电抗器控制晶闸管承受的电压只有额定电压的 2%左右，而其主回路的电压电流是由电抗器本身承受，所以不存在晶闸管容量限制这一问题，同时磁饱和可控电抗器输出电流特性较 TCR 好。1.2.2 可控电抗器分类（1）调匝式的可控电抗器第一章 绪论- 4 -它是通过调节电抗器的匝数来调节电抗值，这种方
21、法控制起来不方便，而且只能是有级调节；（2）磁阀式可控电抗器磁阀式可控电抗器是通过改变磁路的磁阻来改变电感值。调节的方法是在磁路中添加一个可调的气隙，通过调节气隙的大小来改变电感。但是这种方法控制的精度不高，且控制起来较困难；（3）晶闸管控制型这种控制方法是将一个双向晶闸管串在主电路中，控制电路中电流的导通时间的来改变电感值。它虽然保证了电感连续变化，但要求晶闸管的功率大、耐压高，因而没有得到很大的推广。（4）磁饱和式可控电抗器这种可控电抗器的研究在我国还处于起步阶段，因为它控制方便、截面小、制造工艺简单，具有良好的机械性、工艺性以及控制的灵活性。这种可控电抗器在俄罗斯已得到广泛的应用。由于它
22、的响应速度快、制作工艺简单、维护方便、易于控制等优点，正逐步被研究与应用。1.3 磁饱和式可控电抗器控制电路的实现方式磁饱和式可控电抗器的工作是通过调节它的可控硅的触发导通角来改变直流激磁电流的大小，改变铁芯的饱和程度，进而控制它的电抗值，从而连续地调节电抗器的容量。控制过程为：采集电网电压负载电流的大小，分别经相应的电压互感器和电流互感器后，作为信号接入控制柜。在控制柜内通过控制模块对信号进行采集、分析，计算出相应的有功功率、无功功率、电流、以及功率因数等参数，然后与所要求的无功功率比较，输出适当的触发脉冲。输出的触发脉冲经过光电变换然后通过光纤送到主电路经过放大，触发晶闸管从而实现对可控电
23、抗器的控制。这样，可控电抗器就可以根据电压的变化和所需的无功，自动调节投入各相的补偿点抗。第二章 磁饱和可控电抗器的设计- 5 -第 二 章 磁 控 电 抗 器 的 设 计磁饱和可控电抗器是基于偏磁可调原理，控制方便，成本较低，具有功率自动连续平滑调节的特点，能实现在较短的时间内，从空载功率调节到额定功率，大大的提高了系统的输电能力和稳定性。2.1 系统总体框图电力系统二次侧电压电压采样 采样保持电路单片机AT89C52晶闸管触发脉冲放大与驱动电路磁饱和可控电抗器无功补偿电流采样AD574模数转换液晶显示电路键盘电路通信电路图 2-1 系统总体结构框图2.2 磁饱和可控电抗器基本结构图 2-2 为磁饱和式可控电抗器的结构图 9-10。磁饱和可控电抗器是由两个等截面、等长度的主铁芯 1、2 和两个等截面、等长度的旁轭 1、2 组成的 7。主铁芯的截面积小于旁轭的截面积。上、下两个绕组分别绕在每个主铁芯上，。晶闸管 和 分别与每个绕组的一个抽头相连。不同铁芯的上、12W1T2
