1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 集中式无功功率补偿器的硬件电路设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 本课题以无功补偿原理为基础，设计了一种集中式无功功率补偿器。该装置以电网所监测到的数据为依据，以城镇低压网 220V 电压的无功补偿为对象，对相应装置的感、容性进行判断，通过投切以完成无功功率的补偿。本文主要研究了无功补偿对电网性能的改善，以及控制器的硬件的配置。 系统采用的是 89C52 单片机， 89C52 是 INTEL 公司 MCS-51 系列单片机中 比较 基本的产品，采用 了 INTEL公司可靠的 CHMOS 工
2、艺技术制造的高性能 8位单片机， 是 属于标准的 MCS-51 的 HCMOS 产品。 此 软件使用 C 语言进行编译。 A/D 转换采用了 MAX197， MAX197 是 Maxim 公司推出的具有 12 位测量精度的高速 A/D转换芯片， 他 只需单一电源供电， 而 且转换 时间很短 (6ms)， 并且 具有 8 路输入通道，还提供了标准并行接口 8位三态数据 I/O口，可以和大部分 的 单片机直接接口，使用 相当 方便。 8255 乃 是 Intel 公司生产的可编程并行 I/O 接口芯片， 它 有 3个 8位并行 I/O口。 而且 具有 3个通道 3种工作方式的可编程并行接口芯片（
3、40引脚）。 其各口 的 功能可由软 件 选择，使用 相当 灵活，通用性 很 强。 关键词： 无功补偿 ,单片机， A/D 转换器， 8255 II The Design of Hardware Circuit of Centralized Reactive Power Compensator Abstract This topic in reactive compensation principle as the foundation, design a kind of centralized reactive power compensator. This device with grid
4、 based on the data to monitor, 220V voltage in town of reactive power compensation for object, the corresponding device feeling, capacitive judge, through the vote to accomplish the cutting of reactive power compensation. This article mainly researches for grid reactive power compensation, and impro
5、ve the performance of the hardware and software configurations. Controller System through 89C52. 89C52 is the INTEL corporation, in 51 series microcontroller MCS - basic products, it USES the INTEL company reliable CHMOS technology manufacturing high performance 8-bit microcontroller, belongs to the
6、 standards of the MCS - 51 HCMOS products. Using C language software compilation. A/D conversion MAX197, Maxim MAX197 is adopted with 12 out the measurement precision of the high speed A/D conversion chip, just A single power supply, and the conversion time is very short (6ms), which has eight road
7、input channel, also provides standard parallel interface - eight three states data I/O port, can directly interface, with most SCM is so easy to use. The Intel company 8255 is production programmable parallel I/O interface chip, there are 3 eight parallel the I/O port. Have three channels 3 kinds of
8、 method of working programmable parallel interface chip (40 pins). Its each mouth function can be used by the software options, flexible, strong commonality. Keywords: reactive power compensation, A/D conversion,8255 III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1研究背景 . 1 1.2无功功率补偿的发展状况 . 2 1.3 课题研究的主要内容
9、. 4 2设备方案设计与总体设计 . 5 2.1无功功率补偿的原理 . 5 2.2 系统总体框图 . 7 3 硬件设计 . 8 3.1 硬件设计框图及说明 . 8 3.2单片机芯片选择 . 9 3.3 电压互感器、电流互感器 . 10 3.3.1 电压互感器 . 10 3.2.2 电流互感器 . 11 3.2 A/D转换器 MAX197与单片机接口电路 . 11 3.3可编程并行接口芯片 8255接口电路 . 13 3.3.1 8255 与单片机接口电路 . 13 3.3.1 8255 与数码管接口电路 . 14 3.3.1 8255 与发光二极管接口电路 . 15 3.4 外部数据存储器扩展
10、 . 15 3.5地址锁存器 74LS373、译码器 74HC138. 16 3.5.1 地址锁存器 74LS373 . 16 3.5.2 译码器 74HC138 . 17 4软件设计 . 18 4.1设计核心 . 18 4.2程序流程图 . 18 4.2.1判断电压过零点 . 18 4.2.2检测电流信号、确定功率因数及负载特性 . 19 4.3查表 程序代码 . 19 结论 . 21 参考文献 . 22 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 24 IV 附录图 1 查询表表一 I1 为正， I2 为负 . 24 附录图 2 查询表 表二 I1 为正， I2 为正 . 26 附录图 3
11、系统硬件连线图 . 29 集中式无功功率补偿器的硬件电路设计 1 1 绪论 1.1 研究背景 目前，我国的大部分电网，普遍存在着功率 因数低、电网线损大的情况。然而导致此现象的主要原因就在于是功率因数较低，而功率因数又是由于众多的感性负载用电设备设计落后。比如我国的电动机消耗的电能占全部发电量的70%，而功率因数一般却只有 cos=0. 7左右。 我国的互联电网已然进入了大电网、大机组的时代，对电网的质量和系统的稳定的要求也日益地提高，对于解决终端用户的无功补偿设备综合控制的问题也越显紧要。然而目前我国绝大部分终端用户依然采用传统的补偿装置，控制方式落后，无法达到远距离和总体控制的要求，所以提
12、高补偿设备整体性、效率和灵活性成了工作重点。通过 智能化电网的建设，利用现代化的通信技术，整合用户资源，实现终端无功平衡，可有效地提高系统的功率因数，有效降低损耗，从而改善电网质量。 提高功率因数，合理选择用电设备以提高自然功率数，广泛采用并联电容性负载的方法补偿无功功率。以前传统的方法是采用固定电容补偿的方法，但是它仅使用于负载相对固定、无功功率相对稳定的静态用电装置；随着微机控制技术以及半导体器件的发展，利用电脑对电网进行实时的检测、控制，并根据无功功率的变化，自动切换补偿电容，能够准确且快速地实现动态的无功补偿，达到降低消耗、改善供电质量的目的。 往 往在这种情况下，采用无功补偿的节能技
13、术，对于提高电能质量和挖掘电网潜力是相当必要的，世界各国都把无功补偿当作电网规划的重要组成部分。 综上所述 ，无功补偿不仅具有节省投资、节省电力、节省燃煤以及污染等等作用，同时还能够提高电力系统设备的供电能力，提高电压的质量，减少用户用电费用等等作用。无功补偿技术的发展，他存在以下意义。 (1)补偿无功功率 ,能够使 电网中有功功率的比例常数 增加； (2)能够 减少供电设备的设计容量 ,从而 减少投资 ,例如当功率因数 cos=0.8 增加到 cos4=0.95时 ,装 有 1Kvar电容器 可 以 节省设备容量 达到 0.52KW之多 ;相反 ,增加 0.52KW.对原有设备 来说 ,相当
14、于增大了供电设备 的 容量 。所以 ,对于新建以及 改建 的 工程 .应当 充分考虑到 无功补偿 ,因为这样 可以减少设计 的 容量 ,从而减少投资 . (3)有效 降低线损 ,从 公式 P%=(1 -cos/cos)X100% 中可以 得出 cos 是 补偿后的功率因数 ,cos 是 补偿前的功率因数 ，可得 coscos, 所以提高功率因数后 ,线损率也 相对 下降了 不少。因此 减少设计 的 容量 ,减少投资 ,增加电网中有功功率的输送比例 ,及降低线损都直接影响 了 供电企业的经济效益 ，也起到决定性的作集中式无功功率补偿器的硬件电路设计 2 用。 所以 说 ,功率因数是考核经济效益的
15、 一项 重要指标 ,实施无功补偿 是符合时代要求的一种技术。 在第一个晶闸管出现以前，电子半导体因为功率过小，所以在直流传动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源以及无功补偿等领域内一直没有得到相应的推广使用。晶闸管的诞生标志着电力电子技术的出现，并因此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的相应发展，新型的电力电子器件不断出现，由此引发了很多行业的变革，比如交流变频调速技术的发展。同样，电力电子技术对于无功补偿技术也同样带来了新的发展契机。 1.2 无功功率补偿的 发展状况 近 20 年 以 来，世界各地 所 发生的由电压稳定 以及 电压崩溃引发的大面积停电事故引起了各国（包括美国、法国、意大利
16、、英国、俄罗斯、日本等国）的高度重视。 曾经 持续了短短 72 小时的 8.14 美加大停电给美国造成了巨大的经济损失 ，产生了不良的 社会影响，这次事故提醒 了大家 ，电网运行要有足够的无功备用容量，无功不能 仅仅 靠 着 远距离 的 传输，在电力市场 的 环境下，必须制定 一个 统一的法规以激励独立发电商和运营商从维护整个系统安全性的角度提供充足的无功备用。在我国也曾多次发生电压崩溃 的 事故， 比 如 说1993 年和 1996 年 的 南方电网的几次 严重 事故，这些事故都 警告 人们 要 采取各种措施 来 维持电网 的 稳定。 随着近代电力电子技术的出现和发展，无功补偿技术也随之发展
17、。在第一个工业用晶闸管出现之前，电子半导体由于功率过小，在直流传动，交流传动，电磁合闸，交流不间断电源和无功补偿等领域内一直没有得到应有的推广使用。晶闸管的出现标志着电力电子技术的诞生，并以此为起点，随着半导体制造技术和变流技术的发展，新型的电力电子器件不断问世，由此引发了众多行业的变革，如交流变频调速技术的蓬勃发展。同样电力电子技术对无功补偿技术也带来了新的发展契机。 早期的 无功补偿装置为并联电容器和同步补偿器，多用在系统的高压侧进行集中补偿。至今并联电容器仍是一种主要补偿方式，应用范围广泛，只是控制器在不断的更新发展。同步补偿器的实质是同步电机，当励磁电流发生改变时，电动机可随之平滑的改
18、变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行有好处。但同步补偿器成本高，安装复杂，维护困难，使其推广使用受到限制。 无功补偿技术和电力电子技术的结合主要有以下三方面： 1是引入电力电子变流技术，将变流器作为无功电源来调节无功的输入和集中式无功功率补偿器的硬件电路设计 3 输出，起到补偿负载无功的作用。经常用的是静止调相机和有源 滤波器。 2是作为投切电容器的开关。因为电力半导体开关的响应时间短 (PS 级 )，所以能够选择电容的投切角度，实现零电压投切，避免了涌流的产生，提高了电容器使用的可靠性和电力系统的稳定性。现代并联电容器补偿装置中的输出回路就引进了该项技术。 3是作为无功输出的调节
19、开关。由于电力电子器件的高开关频率，使其能够方便地控制电容器电流的导通角，从而实现无功的连续调节，快速跟踪负载无功的变化。静止型无功补偿器是其中的代表。 由无功补偿源在主电路回路中连接方式的不同，无功补偿器可分为并联型和串联型两种结构。依据电力电子 技术在无功补偿中应用的方式不同，现代无功补偿装置 4大致可分为以下几种类型： 1 FC - TCR( Fixed capacitor-Thyristor Controlled Reactor)型无功补偿装置，它属于并联型无功补偿装置。其主回路如图 1-2 所示。由于 TCR 中除可控硅全导通或关断之外器电流都是非正弦的，所以它是一个电流谐波源，对电
20、网有一定的危害。该装置在电容和电感之间形成无功损耗，电容利用率低并且电抗器体积较大，花费更高。 FC-TCR 方式是用双相可控硅的相位控制，调整电抗器的电流，从而 调整无功功率的方式。当以电压零相位为基准时，调节 TCR 中的可控硅的引燃角 。 可以从 090 到 0180 范围内变化。补偿器的电流 LC iii ，此电流可随 角的变化而变化为感性或容性，这样就改变了 FC-TCR 的无功功率，并可连续均匀的调节。 2 TSC (Thyristor Switched Cpacitor)型无功补偿装置，它属于并联型无功补偿装置。主回路如图 1-1 所示，是由多台电力电容器并联以及由可控硅构成的执
21、行机构组成。装置根据无功电流的大小来决定投入电容组数。由此可见 TSC的无功调节是有级的，它的优点也明显，即结构简单，控制方便，电容器利用率高，使用中不存在谐波污染等。但它无法连续的输出无功，这使其在使用中存在合理选择电容，适当分级的问题。 3静止调相机 ASVC (Advantage Static Var Compensator),属于串联型补偿器。它由于输出电压可 超前或滞后系统电压，因此可以和系统进行有功、无功之间的交换。它可以连续调节无功，并且能够抑制谐波，补偿特性较好。但该系统存在结构复杂，控制难度大，制造和维护都不便，成本高等问题，不便在全国推广使用。 集中式无功功率补偿器的硬件电
22、路设计 4 1.3 课题研究的主要内容 本设计 的 主要 内容 是 通过电压互感器、电流互感器、 A/D 转换器 MAX197、单片机 AT89C52、译码器 74LS373和 8255芯片来 完成系统设计 。按照 电力供电系统的要求设计功率因数补偿器 ， 总体方案设计重点 是通过 I1、 I2 的值计算出功率因素角 的值，并且查询相对应的 cos 的值 ，假如 cos 不大于 0.95，则要对电容进行相应的投切来使功率因素提高。 设计分 三 部分 ： 1、数据的采集：通过电压互感器和电流互感器从高压线路上对补偿系统中的电压和电流信号进行测量，检测出需要的电压和电流信号，再通过 A/D 转换器
23、将所测得的电压、电流信号的模拟量转换为计算机相应可以识别的数字信号。 2、单片机 89C52 对数据进行处理，主要是通过 89C52对前部分所收集到的数据信号进行运算处理，此部分的处理主要有现行电力线路无功功率的计算和功率因素补偿值。总的来说，这部分是根据得到的电压和电流信号的值对所需要 的补偿的容量进行计算。 3、执行环节，计算出结果后就到了这个阶段，此阶段主要是单片机输出的信号去具体执行，这部分主要是根据计算所得的无功补偿量，将之转化为对应的补偿电容的投切控制，通过电容的投切来完成最后的补偿。 集中式无功功率补偿器的硬件电路设计 5 2 设备方案设计与总体设计 2.1 无功功率补偿的原理
24、电网 的 输出的功率 总共 包括两部分 ;一是有功功率 ， 二是无功功率 。 直接消耗电能 ,把电能转变为机械能 ,热能 ,化学能 等等 ,利用这些能 来做 功 ,这部分功率 则是 有功功率 ;不消耗电能 ;只是把电能转换为另一种形式的能 ,这种能作为电气设备能够 做 功的必备条件 ,并且 ,这种能是在电网中与电能进行周期性转换 ,这部分功率称为无功功率 ,如电磁元件建立磁场占用的电能 ,电容器建立电场所占的电能 .电流在电感元件中 做 功时 ,电流超前于电压 90 。但是 电流在电容元件中 做 功时 ,电流滞后电压 90 。 在同一电路中 ,电感电流与电容电流方向 是 相反 的 ,大约 互差
25、 180 。假如 在电磁元件电路中有比例地安装电容元件 ,可以 使两者的电流相抵消 ,使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小 ,从而提高电能 做 功的能力 ,这就是无功补偿的 原理。 无功补偿的作用及原理可以通过由图 2-1来解释： 假设电感性负荷需从电源吸取的无功功率 是 Q ，装上无功补偿装置之后，补偿无功功率为 CQ ，电源输出的无功功率减少为 CQQQ ，功率因数由 cos 提高到 cos ，视在功率 S 减少到 S 。 sspQ 1Q cQ图 2-1 无功补偿原理示意图 S的减少可相应减少供电线路截面和变压器的容量，降低了供用电设备的投资。比方说一台 1000千伏安的变压器，负荷的功率因数为 0.7 时，可以供 700千瓦的有功负荷，但是，当负荷的功率因数提高到 0.9，却可使有功功率达到 900千瓦。对于同一台变压器，由于负荷的功率因数的提高而可多供 200千瓦负荷，
