1、摘 要I本科毕业论文（20 届）电机起动无功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 要随着我国经济的发展，我国的电力工业也有了长足的发展，越来越多的感性用电设备接入电网，造成了功率因数低、电压波动、谐波污染等诸多问题，无功功率日益受到广泛的关注。电动机作为感性负载，启动期间需要大量的无功电流，而从电网吸收大量的无功功率，导致电网功率因数和电能质量的降低，它需要安装补偿装置，减少电源向感性负荷输送的无功功率，从而提高电能质量。无功补偿控制器作为无功补偿装置的核心部件和电力供电系统中的重要部分，对电网质量有很大影响，用来提高电网
2、的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。对三相异步电动机进行无功补偿后，将会减少供电线路的损耗，提高功率因数，减少相应的电费，增加电功率，减少用电贴费，改善电动机的运行状况，减少电器开关和供电线路负荷，提高系统的安全性。研究电机起动无功补偿装置控制器的设计具有重要的价值意义。在 分 析 了 电 机 起 动 的 特 点 以 及 进 行 无 功 补 偿 的 必 要 性 后 ， 本 文 提 出 了 以单 片 机 AT89S51 控 制 为 核 心 的 电 机 软 起 动 设 计 和 FC+TCR 无 功 补 偿 装 置 的控 制 器 设 计 。 本文以功率因数为直接控
3、制目标，通过控制晶闸管的导通，实现对电动机的无功补偿。关 键 词 ： 无 功 功 率 ， 电 机 ， 软 启 动 ， 无 功 补 偿 ， 控 制 器AbstractIIIAbstractWith Chinas economic development, Chinas power industry has made great progress, more and more emotional electrical equipment connected to the grid, resulting in a low power factor, voltage fluctuation, harm
4、onic pollution and many other issues, the reactive power increasingly receives widespread attention.As the inductive load, the motor during start-up requires a large amount of reactive current from the grid to absorb a large amount of reactive power, resulting in reduced grid power factor and power
5、quality, it needs to install a compensation device to reduce power reactive power to the inductive load transport, thereby improving the power quality. Reactive power compensation controller as an important part of the core component of the reactive power compensation device and power supply system,
6、 it have a significant impact on the grid quality, it can be used to improve the power factor of the grid, reducing the supply transformer and transmission line losses, improve the efficiency of power supply, improve the supply environment. Reactive power compensation on the three-phase asynchronous
7、 motor, it will reduce the loss of the power lines, and improve power factor, reduce the corresponding electricity, increase in electric power, reducing electricity paste fees, and improve the health of the motor, reducing the load of electrical switches and power lines, improve system security. The
8、 motor starting controller design of reactive power compensation device has an important value significance.In the analysis of motor starting characteristics and the need for reactive power compensation, This paper presents the MCU AT89S51 control as the core of the motor soft starting design and FC
9、+TCR reactive power compensation device controller design. Based on the power factor is a direct target of control, by controlling the thyristor conduction, realizes to the electric motor reactive power compensation.Key words: reactive power, motor, soft start, reactive power compensation, the contr
10、oller目 录IV目 录摘 要 .1ABSTRACT .2目 录 .3第一章 绪论 .11.1 课题意义 .11.2 无功补偿装置的发展 .21.3 主要研究内容 .4第二章 电机起动无功补偿装置设计 .52.1 电机软启动系统 .62.1.1 主电路 .62.1.2 控制电路 .82.1.3 触发电路 .112.1.4 电源模块设计 .112.2 电机无功补偿系统 .122.2.1 信号采集 .132.2.2 数据处理 .162.2.3 无功补偿装置 .19第三章 电机起动无功补偿系统软件设计 .213.1 电机软起动系统软件设计 .213.1.1 同步信号采集设计 .213.1.2 触发
11、次序设计 .223.1.3 故障保护子程序设计 .223.2 电机无功补偿系统软件设计 .233.2.1 信号采样程序设计 .233.2.2 信号处理程序设计 .263.2.3 晶闸管控制模块程序设计 .263.2.4 无功补偿算法设计 .26目 录V3.2.5 PID 控制算法 .27第四章 总结 .30参 考 文 献 .31致 谢 .33第一章 绪论第 一 章 绪 论1.1 课题意义随着我国经济的发展，越来越多的电力电子装置应用于电力设备，由于它们的功率因数很低，需要消耗电网中大量的无功功率。无功功率的大量吸收，会在公共电网中产生以下几点主要的影响：(1)增加设备容量。无功功率的增加会使电
12、流和视在功率增大，从而使电机等电气设备以及导线容量的增加，从而使设备体积增大以及电力用户运行的成本增加。(2)增加设备及线路损耗。无功功率的增加，会使设备以及线路的损耗增加，从而降低电气设备的运行效率。假设线路总电流 ，线路电阻为 R，qpIjI则线路的有功损耗为 ，其中 为无功功率引起的有功损耗。在qpPq线路的负载中存在着大量感性负载，在输送同样的有功功率下，会增加负载电流，使损耗增加。(3)增大了线路及变压器的压降。如果是冲击性的无功功率负荷，还会引起电压的剧烈波动，严重影响电能质量。(4)有谐波引起的无功，同样会带来一系列的问题，如谐波损耗，影响设备的正常工作，造成震动、噪声而会导致自
13、动装置的误动作，对通信系统产生干扰等。因 此 ， 无 功 功 率 对 电 网 和 负 载 的 运 行 都 是 十 分 重 要 的 。 电 动 机 作 为 感性 负 载 ， 起 动 时 会 产 生 较 大 的 起 动 电 流 ， 期 间 在 电 路 中 需 要 大 量 的 无 功 电 流的 存 在 ， 而 会 从 电 网 中 吸 收 大 量 的 无 功 功 率 ， 导 致 电 网 功 率 因 数 、 电 能 质 量降 低 ， 所 以 需 要 通 过 安 装 无 功 补 偿 装 置 ， 来 减 少 电 源 向 感 性 负 荷 输 送 的 无功 功 率 。 对 三 相 异 步 电 动 机 进 行 无
14、 功 补 偿 后 ， 将 会 在 减 少 供 电 线 路 的 损 耗 、提 高 功 率 因 数 、 减 少 相 应 的 电 费 、 改 善 电 动 机 的 运 行 状 况 以 及 提 高 安 全 性 等方 面 起 到 一 定 的 作 用 。第一章 绪论1.2 无功补偿装置的发展随 着 电 力 设 备 的 发 展 和 各 种 新 型 控 制 方 法 的 提 出 ， 无 功 补 偿 装 置 经 历 了一 个 由 无 源 到 有 源 ， 由 分 级 到 平 滑 调 节 ， 由 单 纯 补 偿 无 功 到 无 功 补 偿 和 滤 波相 结 合 的 发 展 过 程 ， 同 时 设 备 的 体 积 和 成
15、 本 也 在 不 断 降 低 。早 期 采 用 的 机 械 开 关 的 补 偿 装 置 ， 不 仅 动 作 速 度 慢 、 寿 命 短 ， 而 且 在 操作 时 会 引 起 严 重 的 冲 击 电 流 和 操 作 的 过 电 压 ， 造 成 设 备 的 毁 坏 。 随 着 电 力 电子 技 术 的 发 展 及 其 在 电 力 系 统 中 的 应 用 ， 使 用 可 控 硅 技 术 的 静 止 无 功 补 偿 装置 成 为 了 主 流 。 随 着 变 流 技 术 的 发 展 以 及 理 论 的 应 用 ， 无 功 发 生 器 和 有 源 滤波 器 己 成 为 研 究 的 热 点 。 无 功 补
16、偿 装 置 的 发 展 可 以 分 为 以 下 几 个 阶 段 ：(1)并 联 电 容 器 阶 段 。 它 具 有 结 构 简 单 、 运 行 灵 活 、 维 护 方 便 等 优 点 。缺 点 是 只 能 补 偿 感 性 无 功 ， 不 能 对 无 功 进 行 动 态 补 偿 。 另 外 ， 在 系 统 有 谐 波时 ， 它 还 可 能 发 生 并 联 谐 振 ， 使 谐 波 电 流 放 大 ， 甚 至 造 成 电 容 器 损 坏 。(2)同 步 调 相 机 阶 段 。 它 是 专 门 用 来 产 生 无 功 功 率 的 同 步 电 机 ， 早 期 无功 功 率 动 态 补 偿 装 置 的 典
17、 型 代 表 ， 在 过 激 磁 或 欠 激 磁 的 情 况 下 ， 可 以 分 别发 出 大 小 不 同 的 感 性 或 容 性 无 功 ， 既 能 够 补 偿 固 定 的 无 功 ， 也 能 补 偿 动 态 的无 功 。 缺 点 是 噪 声 大 、 损 耗 大 、 维 护 复 杂 ， 控 制 复 杂 、 响 应 速 度 慢 ， 已 经 无法 适 应 快 速 控 制 无 功 功 率 的 要 求 。(3)SVC 阶 段 。 上 世 纪 七 十 年 代 ， 静 止 无 功 补 偿 器 取 代 同 步 调 相 机 ， 成为 无 功 补 偿 的 新 生 代 力 量 。 早 期 的 静 止 无 功 补
18、 偿 装 置 是 饱 和 电 抗 器 ， 与 同步 调 相 机 相 比 ， 响 应 速 度 快 ， 缺 点 是 噪 声 很 大 、 损 耗 很 大 、 存 在 非 线 性 电路 的 一 些 特 殊 问 题 、 不 能 分 相 调 节 。 随 着 电 力 电 子 技 术 的 发 展 及 其 在 电 力系 统 中 的 应 用 ， 使 用 晶 闸 管 器 件 的 静 止 无 功 补 偿 装 置 开 始 应 用 于 电 力 系 统的 无 功 功 率 控 制 ， 并 占 据 了 静 止 无 功 补 偿 装 置 的 主 流 。 它 优 点 是 能 连 续 调节 无 功 功 率 ， 响 应 快 速 ， 价
19、格 适 中 。 缺 点 是 谐 波 成 分 大 ， 需 要 大 电 感 、 大电 容 ， 而 且 只 有 在 感 性 情 况 下 才 连 续 可 调 。(4)SVG 阶 段 。 随 着 电 力 电 子 技 术 的 进 一 步 发 展 ， 八 十 年 代 以 来 ， 一 种更 为 先 进 的 静 止 型 无 功 补 偿 装 置 出 现 采 用 自 换 相 变 流 电 路 的 静 止 无 功第一章 绪论补 偿 装 置 ， 即 静 止 无 功 发 生 器 (Static Var GeneratorSVG)， 也 称 新 型 静 止无 功 发 生 器 (ASVG)、 静 止 同 步 补 偿 器 (ST
20、ATCOM)或 者 静 止 调 相 器(STATCOM)。 SVG 通 过 不 同 的 控 制 ， 既 可 使 其 发 出 无 功 功 率 ， 呈 电 容 性 ，也 可 使 其 吸 收 无 功 功 率 ， 呈 电 感 性 。 它 分 为 电 压 型 桥 式 电 路 和 电 流 型 桥 式电 路 两 种 类 型 。 电 压 型 桥 式 电 路 ， 其 直 流 侧 采 用 电 容 作 为 储 能 元 件 ， 交 流 侧通 过 串 联 电 抗 器 并 入 电 网 ； 电 流 型 桥 式 电 路 ， 直 流 侧 则 采 用 电 感 作 为 储 能元 件 ， 交 流 侧 则 并 联 上 电 容 器 后
21、接 入 电 网 。 迄 今 投 入 实 用 的 SVG 大 都 采用 电 压 型 桥 式 电 路 。 SVG 不 需 要 大 电 容 、 大 电 感 等 储 能 元 件 ， 具 有 响 应 速 度 快 、 调 节 性 能好 ， 综 合 补 偿 无 功 、 三 相 不 平 衡 和 谐 波 的 特 点 ， 在 改 善 电 能 质 量 、 提 高 稳定 性 方 面 ， 具 有 SVC 无 法 比 拟 的 优 点 ， 成 为 无 功 补 偿 的 重 要 发 展 方 向 。但 限 于 目 前 全 控 型 电 力 电 子 器 件 的 电 压 、 电 流 水 平 ， 要 做 到 大 容 量 的 补 偿 ，成
22、 本 太 高 。 因 此 ， 目 前 广 泛 应 用 于 国 内 外 输 配 电 系 统 的 依 然 是 性 价 比 高 的SVC。(5)统 一 潮 流 控 制 器 （ UPFC)。 将 SVG 中 与 电 网 并 联 的 电 压 器 改 为 与 电网 串 联 的 变 压 器 ， 就 成 为 静 止 同 步 串 联 补 偿 器 (Static Synchoronous Series Compensator-SSSC)， 它 能 实 现 对 线 路 潮 流 的 快 速 控 制 。 把 一 台 SVG 与 一台 SSSC 的 直 流 侧 通 过 直 流 电 容 耦 合 ， 就 构 成 了 统 一
23、潮 流 控 制 器UPFC。 UPFC 的 基 本 思 想 是 ， 用 一 种 统 一 的 电 力 电 子 控 制 装 置 ， 仅 通 过 控制 规 律 的 变 化 ， 就 能 对 线 路 电 压 、 阻 抗 、 相 位 等 电 力 系 统 基 本 参 数 同 时 进 行控 制 。 它 的 优 点 是 控 制 范 围 大 ， 控 制 方 式 灵 活 。(6)可 转 换 静 止 补 偿 器 (CSC)可 转 换 静 止 补 偿 器 (CSC)属 于 强 功 能 新 型 控 制 器 ， 由 多 个 同 步 电 压 源 逆变 器 构 成 ， 是 一 种 UPFC 的 多 重 组 合 ， 可 同 时
24、控 制 2 条 以 上 线 路 潮 流 (有 功 、无 功 )、 电 压 、 阻 抗 和 相 角 ， 实 现 线 路 间 的 功 率 转 换 。目 前 ， 许 多 地 方 电 力 系 统 的 无 功 补 偿 依 然 采 用 传 统 的 调 节 方 式 ， 有 载 调压 变 压 器 只 能 手 动 调 节 ， 静 电 电 容 器 的 投 切 不 能 实 现 实 时 无 功 补 偿 。 因 此 ，加 强 对 无 功 补 偿 的 研 究 、 保 证 电 力 系 统 电 压 的 连 续 稳 定 是 现 代 电 力 研 究 中 一第一章 绪论个 重 要 的 课 题 。 目 前 对 SVC 的 研 究 主
25、 要 集 中 在 控 制 策 略 上 。 模 糊 控 制 、 人工 神 经 网 络 和 专 家 系 统 等 智 能 控 制 手 段 被 引 入 SVC 控 制 系 统 ， 使 SVC 系统 的 性 能 更 加 提 高 。 但 随 着 造 价 的 降 低 和 技 术 的 完 善 ， 在 不 远 的 将 来SVG、 UPFC 及 CSC 将 成 为 无 功 补 偿 技 术 的 发 展 方 向 。1.3 主要研究内容静止无功补偿装置主要有三种类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置(SR: Saturated Reactor)，一类是晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC ），一类
26、是采用自换相变流技术的高级静止无功发器。基于国内目前无功补偿装置的发展现状，论文将展开一种TCR与FC 并联型的SVC无功补偿控制器的研究工作，主要的工作任务如下：(1)阐明无功补偿的意义以及电动机进行无功补偿的必要性，并简介无功补偿装置的发展历程和国内外研究现状。(2)根据电机起动时的工作特性，选择电机起动的方式，设计出电机软起动的主电路；根据电机负载的特点，结合各种无功补偿装置的优缺点，选择合适的无功补偿装置，并设计出SVC无功补偿装置的主电路；选用适当的检测方法检测采样信号， 计算出每相需要补偿的无功功率，并给出每相的补偿导纳和晶闸管的触发角，来补偿三相不平衡的无功功率；设计SVC无功补
27、偿装置控制器硬件电路，通过控制SVC 的晶闸管触发角来调节系统的基波补偿电流，实现无功补偿。设计SVC保护系统的软硬件，使无功补偿装置在非正常情况下（如过压过流，晶闸管击穿等）能及时的跳闸报警。(3)设计系统的软件流程图，制定系统的控制策略，根据模块程序的方法，写出部分模块的软件程序。第二章 电机起动无功补偿装置设计第 二 章 电 机 起 动 无 功 补 偿 装 置 设 计电力网中的变压器和电动机是根据电磁感应原理工作的。磁场所具有的磁场能是由电源供给的。在电动机和变压器能量转换过程中，存储于电感和电容的无功功率用来建立磁场和静电场，通过电网往返于电源、电感和电容之间，引起电压和功率损耗，降低
28、电网的电压质量。电动机作为感性负载，起动时会产生较大的起动电流，期间需要大量无功电流的存在。为防止过电流，故需要对电机进行减压起动。而无功电流的大量存在，则需要对电机进行无功补偿。显而易见，本设计需要两个控制系统，为方便起见，采用两片单片机，其中一片用于控制电机的软启动，另一片则用于控制电机的无功补偿。电机起动无功补偿装置系统的结构框图如图2-1所示。A C 3 8 0 V 三相交流电压软起动装置电机电流采样电压采样抗混叠谐波电路过零检测电路A / D 转换A T 8 9 S 5 1 单片机锁相环同步脉冲工作电路同步工作脉冲信号信号隔离放大电路晶闸管触发电路光电隔离L C D 显示 P C 机A / D 转换同步工作脉冲信号A T 8 9 S 5 1 单片机存储器信号隔离放大电路L C D 显示电源电路 键盘P C 机通信接口电路晶闸管触发电路F C + T C R 型无功补偿装置图2-1 电机起动无功补偿装置系统结构框图
