無功功率補償控制器設計 畢業(yè)論文

1、<p>　　xxxxxxxx 本 科 畢 業(yè) 設 計（論 文）</p><p>　　無功功率補償控制器設計</p><p>　　學 院（系）： xxxxxxxxxxxxxx </p><p>　　專 業(yè)： xxxxxxxxxxxx </p><p>　　學 生 姓 名： xxxx

2、 </p><p>　　學 號： xxxxxxxx </p><p>　　指 導 教 師： xxxx </p><p>　　評 閱 教 師： xxxxxxx </p><p>　　完 成 日 期： xxxxxx

3、x </p><p><b>　　xxxxxxx</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題研究以低壓電網無功補償改造為背景，研制了一種低壓無功功率補償控制器。作為一種非實時的無功補償裝置，該裝置以定時的電網監(jiān)測數據為依據，以城鎮(zhèn)低壓網(220V)的無功補償為對象

4、。本文主要研究了無功補償對電網性能的改善，以及控制器的軟硬件的配置。</p><p>　　系統(tǒng)采用AT89C51單片機，該單片機是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能的CMOS 8位單片機，具有運算速度高，實時性好的特點；軟件則使用匯編語言進行編譯；人機操作界面采用LCD顯示，顯示效果較好；A/D轉換采用ADC0809，是一款比較實用的A/D轉換裝置。該裝置可跟蹤電網無功功率的變化并自動補償，實現(xiàn)了無功補償裝置

5、的優(yōu)化運行，具有體積小、原理簡單、智能投切等優(yōu)點。</p><p>　　關鍵詞：無功補償 單片機 功率因數 </p><p>　　Reactive power compensation controller design </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　What th

6、is article studies is based on the alteration of reactive power compensation of low voltage， then design an equipment for reactive power compensation of low voltage. As a kind of reactive power compensation， this equipme

7、nt is basis on the electrical network monitor data ，and provides reactive power for city’s low voltage power grids. This thesis has discussed the importance of the reactive power compensation for the power grids ，and int

8、roduced the hardware and software of the controller.</p><p>　　This device's hardware core is AT89C51 SCM ， which has many merits such as high operating speed. This monolithic integrated circuit is the lo

9、w voltage which American ATMEL Corporation produces， a high performance CMOS 8 monolithic integrated circuits; The software uses the assembly language to carry on the translation; The man-machine operation contact surfac

10、e uses the LCD demonstration， the demonstration effect is quite good; A/D transformation uses ADC0809 ， it is a section of quite practical </p><p>　　Key Words： reactive power compensation；SCM(Single Chip Mic

11、yoco)；power factor </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>

12、　　1.1 課題的應用背景1</p><p>　　1.2 國內研究動態(tài)2</p><p>　　1.3 本課題主要研究的內容2</p><p>　　1.4 無功補償的原理2</p><p>　　1.5低壓電網中的幾種無功補償的方式3</p><p><b>　　2 芯片簡介5</b>&l

13、t;/p><p>　　2.1 51系列單片機簡介5</p><p>　　2.2 51系列單片機的特點5</p><p>　　2.3 AT89C51單片機5</p><p>　　2.3.1 AT89C51特性5</p><p>　　2.3.2 AT89C51的功能6</p><p>　　2.

14、4 MAX813L芯片8</p><p>　　2.5 LCD1602芯片9</p><p>　　2.6 74HC59510</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件電路的設計12</p><p>　　3.1 電源電路12</p><p>　　3.2 A/D轉換電路13</p><p>　　3

15、.3 看門狗電路15</p><p>　　3.4 LCD顯示16</p><p>　　3.5 模擬信號處理電路18</p><p>　　3.5.1電流和電壓相位檢測電路18</p><p>　　3.5.2 D觸發(fā)器控制電路19</p><p>　　3.5.2電流和電壓信號采集電路20</p>

16、<p>　　3.6電容補償控制電路21</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件的設計23</p><p>　　4.1主程序設計23</p><p>　　4.2中A/D轉換軟件設計23</p><p>　　4.3電容補償控制電路軟件設計24</p><p><b>　　結 論26</

17、b></p><p>　　參 考 文 獻27</p><p>　　附錄 系統(tǒng)硬件原理圖28</p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的應用背景</p>&l

18、t;p>　　目前，我國的電網，特別是廣大的低壓電網，普遍存在功率因數較低、電網線損較大的情況。導致此現(xiàn)象的主要原因是眾多的感性負載用電設備設計落后，功率因數較低。比如我國的電動機消耗的電能占全部發(fā)電量的70%，而由于設計和使用等方面的原因我國電動機的功率因數往往較低，一般約為。</p><p>　　在這種情況下，采用無功補償節(jié)能技術，對提高電能質量和挖掘電網潛力是十分必要的，世界各國都把無功補償作為電網規(guī)劃

19、的重要組成部分[1]。從我國電網功率因數和補償深度來看，我國與世界發(fā)達國家有不小差距。因此大力推廣無功補償技術是非常必要的，并且從以下數據，我們也能看出發(fā)展無功補償所能帶來的巨大經濟效益。2007年 ，我國年總發(fā)電量為32559億千瓦時，統(tǒng)計線損率為8.77%，但是這個數字沒有包含相當大的110千伏、35千伏、10千伏的輸電線損及0.38千伏的低壓電網線損。據報道，估計實際的統(tǒng)計線損率約為15%，即2007年全國年線損量約為4800億千

20、瓦時。設全國的理論線損與統(tǒng)計線損相一致，其中可變線損約占理論總線損的80%，則年可變線損電量約為3900億千瓦時。設當前全國電力網總負荷的當前功率因數，采用無功功率補償后，把電力網總負荷的功率因數提高到，則每年可以降低線損約為390億千瓦時，按0.5元每千瓦時計，價值約為185億元。設2007年全國電網的最大負荷利用小時數為5000小時，則電網的最大負荷約為2億千瓦，當用無功功率補償法把功率因數，提高到，全國電網需總補償容量約為0.58

21、億千瓦。當</p><p>　　綜上所述 ，無功補償不僅具有如上所述的節(jié)省投資、節(jié)省電力、節(jié)省燃煤及污染等作用[2]，同時還可以提高電力系統(tǒng)設備的供電能力，改善電壓質量，減少用戶電費開支，延緩用戶的增容改造等作用。</p><p>　　1.2 國內研究動態(tài)</p><p>　　在電力系統(tǒng)中，電壓和頻率是衡量電能質量的兩個最基本、最重要的指標。為確保電力系統(tǒng)的正常運行

22、，供電電壓和頻率必須穩(wěn)定在一定的范圍內。頻率的控制與有功功率的控制密切相關，而電壓控制的重要方法之一是對電力系統(tǒng)的無功功率進行控制。</p><p>　　早期的無功補償裝置為并聯(lián)電容器和同步補償器，多用在系統(tǒng)的高壓側進行集中補償。至今并聯(lián)電容器仍是一種主要補償方式，應用范圍廣泛，只是控制器在不斷的更新發(fā)展。同步補償器的實質是同步電機，當勵磁電流發(fā)生改變時，電動機可隨之平滑的改變輸出無功電流的大小和方向，對電力系統(tǒng)

23、的穩(wěn)定運行有好處。但同步補償器成本高，安裝復雜，維護困難，使其推廣使用受到限制。</p><p>　　隨著近代電力電子技術的出現(xiàn)和發(fā)展，無功補償技術也隨之發(fā)展。在第一個工業(yè)用晶閘管出現(xiàn)之前，電子半導體由于功率過小，在直流傳動，交流傳動，電磁合閘，交流不間斷電源和無功補償等領域內一直沒有得到應有的推廣使用[3]。晶閘管的出現(xiàn)標志著電力電子技術的誕生，并以此為起點，隨著半導體制造技術和變流技術的發(fā)展，新型的電力電子器

24、件不斷問世，由此引發(fā)了眾多行業(yè)的變革，如交流變頻調速技術的蓬勃發(fā)展。同樣電力電子技術對無功補償技術也帶來了新的發(fā)展契機。</p><p>　　1.3 本課題主要研究的內容</p><p>　　本文研究的主要有兩方面：一是無功補償的基本理論和電網中最佳補償方式的探討。首先是對無功補償中一般問題進行分析，其次是對無功補償計算方案的分析。二是在傳統(tǒng)的無功補償裝置的基礎上，對其控制器和動作執(zhí)行機構

25、進行改進，從而開發(fā)出一種智能無功補償器。文中對補償器的控制器的硬件設計和軟件設計作了較詳盡的分析。</p><p>　　1.4 無功補償的原理</p><p>　　將電容器和電感并連在同一電路中，電感吸收能量時，正好電容器釋放能量，而電感放出能量時，電容器卻在吸收能量。能量就在它們之間交換，即感性負荷(電動機、變壓器等)所吸收的無功功率，可由電容器所輸出的無功功率中得到補償[4]。因此，把

26、由電容器組成的裝置稱為無功補償裝置。此外，同步電動機等也可以作為無功補償裝置。</p><p>　　無功補償的作用和原理可由圖1.1解釋：</p><p>　　設電感性負荷需要從電源吸取的無功功率為，裝設無功補償裝置后，補償無功功率為，使電源輸出的無功功率減少為，功率因數由提高到，視在功率減少到。</p><p>　　圖1.1無功補償補償原理示意圖</p>

27、;<p>　　視在功率的減少可相應減少供電線路的截面和變壓器的容量，降低供用電設備的投資。例如一臺1000千伏安的變壓器，當負荷的功率因數為0.7 時，可供700千瓦的有功負荷，當負荷的功率因數提高到0.9時，可供900千瓦的有功功率[5]。同一臺變壓器，因為負荷的功率因數的提高而可多供200千瓦負荷，是相當可觀的。</p><p>　　1.5低壓電網中的幾種無功補償的方式</p>&

28、lt;p>　　廣大市電低壓電網處于電網的最末端，因此補償低壓無功負荷是電網補償的關鍵。搞好低壓補償，不但可以減輕上一級電網補償的壓力，而且可以提高用戶配電變壓器的利用率，改善用戶功率因數和電壓質量，并有效降低電能損失。低壓補償對用戶及供電部門都有利。</p><p>　　低壓無功補償的目標是實現(xiàn)無功的就地平衡，通常采用地方式有三種： 隨機補償、隨器補償、跟蹤補償。</p><p>　

29、　隨機補償就是將低壓電容器組與電動機并聯(lián)，通過控制、保護裝置與電機共同投切。隨機補償地優(yōu)點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停止運補償裝置也退出，不需要頻繁調整補償容量[6]。且具有投資少，配置靈活，維修簡單等優(yōu)點。為防止電機推出時產生自激過電壓，補償容量一般不大于電機的空載無功。</p><p>　　隨器補償是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。有很多的低

30、壓配電網中的變壓器，尤其是農網配電變壓器，普遍存在負荷輕的現(xiàn)象[7]。在負荷時接近空載，此時配電變壓器的空載無功是電網無功負荷的主要部分。隨器補償由于補在低壓側，可有效地補償配變空載無功， 且連線簡單， 做到無功地就地補償。</p><p>　　跟蹤補償是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4kV母線上的補償方式。補償電容器組的固定連接可起到相當于隨器補償的作用，補償用戶的固定無功

31、基荷；可投電容器組用于補償無功峰荷部分。由于用戶負荷有一定的波動性，故推薦選用自動投切方式[8]。此法對電容器的保護比前二種要更可靠。</p><p>　　上述三種補償方式均可對特定種類無功負荷實現(xiàn)“就地平衡”的無功補償，降損節(jié)能效果好。本次設計使用第一種補償方式。</p><p><b>　　2 芯片簡介 </b></p><p>　　2.1

32、 51系列單片機簡介</p><p>　　51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flash rom技術的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進展，成為目前應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中[9]。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內將

33、占有大量市場。51單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。需要注意的是51系列的單片機一般不具備自編程能力。</p><p>　　2.2 51系列單片機的特點</p><p>　?。?）51片內存儲容量較?。?原因是受集成度的限制。ROM一般小于8KB，RAM 一般小于256B，但可以在外部擴展。通常ROM，RAM可分別擴展至64KB。</p><p>

34、　?。?）可靠性高： 因為芯片是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，故抗干擾的能力優(yōu)于 PC 機。 系統(tǒng)軟件(如:程序指令，常數，表格)固化在 ROM 中，不易受病毒破壞。 許多信號的通道均在一個芯片內，故運作時系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 </p><p>　?。?）便于擴展： 片內具有計算機正常運行所必需的部件，片外有很多供擴展用的(總線，并行和串行的輸入/輸 出)管腳，很容易組成一定規(guī)模的計算機應用系統(tǒng)。 </p>

35、<p>　?。?）控制功能強：具有豐富的控制指令：如條件分支轉移指令，I/O 口的邏輯操作指令，位處理指令。 </p><p>　?。?）實用性好：體積小，功耗低，價格便宜，易于產品化。 </p><p>　　2.3 AT89C51單片機</p><p>　　2.3.1 AT89C51特性 </p><p>　　AT89C51是美國

36、ATMEL公司生產的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機，片內含4K bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲（PEROM）和128bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS—51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元[10]。</p><p>　　AT89C51引腳圖</p><p>　　圖2.1為

37、AT89C51的40根接腳圖。每根接腳都有其特定功能，而有些接腳有兩種甚至三種以上功能，也可經由程序規(guī)劃為數字輸出輸入接腳。</p><p>　　圖2.1 AT89C51引腳圖</p><p>　　2.3.2 AT89C51的功能</p><p>　　AT89C51屬于內嵌功能較多的單片機，包括以下各種功能。</p><p><b&g

38、t;　　簡介如下：</b></p><p><b>　　VCC：供電電壓。</b></p><p><b>　　GND：接地。</b></p><p>　　P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流，當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以

39、被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。</p><p>　　P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。

40、</p><p>　　P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫

41、時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：</p>

42、<p>　　口管腳         備選功能</p><p>　　P3.0       RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1       TXD（串行輸出口）</p><p>　　P3.2 

43、      /INT0（外部中斷0）</p><p>　　P3.3       /INT1（外部中斷1）</p><p>　　P3.4       T0（記時器0外部輸入）</p><p>　　P3.5       T

44、1（記時器1外部輸入）</p><p>　　P3.6        /WR（外部數據存儲器寫選通）</p><p>　　P3.7        /RD（外部數據存儲器讀選通）</p><p>　　P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。&l

45、t;/p><p>　　RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。</p><p>　　ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作

46、外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。</p><p>　　/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。</

47、p><p>　　/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的

48、輸出。</p><p><b>　　振蕩器特性:</b></p><p>　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p&g

49、t;<p>　　2.4 MAX813L芯片</p><p>　　1MAX813L加電、掉電以及供電電壓下降情況下的復位輸出，復位脈沖寬度典型值為200 ms。獨立的看門狗輸出，如果看門狗輸入在1．6 s內未被觸發(fā)，其輸出將變?yōu)楦唠娖健?1.25 V門限值檢測器，用于電源故障報警、電池低電壓檢測或＋5 V以外的電源。門限電壓為4.65V低電平有效的手動復位輸入[11]。</p><

50、p><b>　　簡介如下：</b></p><p><b>　　手動復位輸入端（）</b></p><p>　　當該端輸入低電平保持140 ms以上，MAX813L就輸出復位信號.該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效地消除開關的抖動。與TTL/CMOS兼容。</p><p>　　工作電源端（VCC）：接+5V電源。&l

51、t;/p><p>　　電源接地端（GND）：接0 V參考電平。</p><p>　　電源故障輸入端（PFI）：當該端輸入電壓低于1．25 V時，5號引腳輸出端的信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>　　電源故障輸出端（)：電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>　　看門狗信號輸入端（WDI）：程

52、序正常運行時，必須在小于1．6 s的時間間隔內向該輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內部的看門狗定時器。若超過1．6 s該輸入端收不到脈沖信號，則內部定時器溢出，8號引腳由高電平變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>　　復位信號輸出端（RST）:上電時，自動產生200 ms的復位脈沖；手動復位端輸入低電平時，該端也產生復位信號輸出。</p><p>　　看門狗信號輸出端（）:正常工作時輸出保持高電

53、平，看門狗輸出時，該端輸出信號由高電平變?yōu)榈碗娖健?lt;/p><p>　　2.5 LCD1602芯片</p><p>　　所謂1602是指顯示的內容為16*2,即可以顯示兩行，每行16個字符。目前市面上字符液晶絕大多數是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的[12]。因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。</p><p&

54、gt;　　字符型LCD1602通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，引腳定義如表2.1所示：</p><p>　　表2.1 LCD1602引腳定義</p><p>　　其地址和屏幕的對應關系如表2.2：</p><p>　　表2.2地址與屏幕對應關系</p

55、><p>　　2.6 74HC595</p><p>　　74HC595 是一款漏極開路輸出的CMOS 移位寄存器，輸出端口為可控的三態(tài)輸出 端，亦能串行輸出控制下一級級聯(lián)芯片[13]。管腳功能如表2.3所示</p><p>　　表2.3 74HC595引腳功能表</p><p>　　真值表如表2.4所示</p><

56、p>　　表2.4 74HC595真值表 </p><p>　　3 系統(tǒng)硬件電路的設計</p><p>　　在一系列的理論分析之后，本次設計將采用根據功率因數來確定補償容量的方法，再根據當前無功補償技術的發(fā)展狀況，我們采用并聯(lián)電容器型的無功補償裝置。它具有連線和控制方式簡單，電容使用效率高及不產生諧波污染等優(yōu)點。</p><p>　　電壓互感器和電流互感器將信號

57、轉成小電流，經過電路處理后發(fā)給ADC0809。ACD0809再將模擬信號轉成數字信號。再將此信號傳給單片機。單片機控制電容投入或切除。并將結果送入顯示器顯示。圖3.1為無功功率補償控制器系統(tǒng)的框圖。</p><p><b>　　圖3.1 系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　3.1 電源電路</b></p><p>

58、;　　系統(tǒng)需要+5V直流電源。從外部引進的一路220V交流電壓經過變壓器TF3變換成AC9V電壓，橋整BRIDGE1整流成+12V的直流電壓，穩(wěn)壓塊7805將+12V穩(wěn)壓到+5V輸出，供需要的器件使用[14]。系統(tǒng)的供電電源原理如圖3.2所示。+5V在原理圖中標注為VCC。</p><p>　　圖3.2 AT89C51接腳說明</p><p>　　3.2 A/D轉換電路</p>

59、;<p>　　ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝。下面說明各引腳功能。 </p><p>　　IN0～IN7：8路模擬量輸入端。 </p><p>　　2-1～2-8：8位數字量輸出端。 </p><p>　　ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 </p><p>　　ALE

60、：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 </p><p>　　START： A／D轉換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動A/D轉換）。 </p><p>　　EOC： A／D轉換結束信號，輸出，當A／D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。 </p><p>　　OE：數據輸出允許信號，

61、輸入，高電平有效。當A／D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數字量。 </p><p>　　CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 </p><p>　　REF（+）、REF（-）：基準電壓。 </p><p>　　Vcc：電源，單一＋5V。 </p><p><b>　　GND：地。<

62、/b></p><p>　　3路模擬開關與輸入通道如表3.1所示</p><p>　　表3.1 3路模擬開關與輸入通道的關系表</p><p>　　ADC0809芯片可以分時處理8路模擬量輸入信號，使用模擬開關切換。在某一時刻，模擬開關只能與一路模擬量通道接通，對該通道進行A/D轉換。表3.1中C、B、A是三條通道的地址線[15]。當地址所存信號ALE為高電平

63、時，C、B、A 三條線上的數據送入ADC0809內部的地址鎖存器中，經過譯碼器譯碼后選中某一通道[16]。當ALE=0時，地址鎖存器處于鎖存狀態(tài)，模擬開關始終與剛才選中的輸入通道接通。</p><p>　　選中通道的模擬量到達A/D轉換器時，A/D轉換器并未對其進行A/D轉換。只有當轉換啟動信號端START出現(xiàn)下降沿并延遲后，才啟動芯片進行A/D轉換，START的上升沿復位ADC0809[17]。</p&g

64、t;<p>　　ADC0809的A/D轉換過程是在時鐘信號的協(xié)調下進行的，ADC0809的時鐘信號由CLOCK端送入，其最高頻率為640MHz，在這個最高頻率下ADC0809的A/D轉換時間為100uS左右[18]。當ADC0809用于AT89C51單片機系統(tǒng)時，若AT89C51用12MHz的晶振，ALE輸出為1/6，即2MHz。則ADC0809的時鐘信號可以由AT89C51的ALE經過一個四分頻電路獲取。這時ADC080

65、9的時鐘頻率為500KHz，A/D轉換時間為130uS。ADC0809常用的時鐘電路如圖3.3 ，A/D轉換電路如圖3.4。 </p><p>　　圖3.3 ADC0809常用的時鐘電路圖（4分頻）</p><p>　　A/D轉換結束后，A/D轉換的結果(8位數字量)送到三態(tài)鎖存輸出緩沖器，此時A/D轉換結果還沒有現(xiàn)在DB0-DB7八條數字量輸出線上，單片機不能獲取之[19]。單片機要想

66、讀到A/D轉換結果，必須使ADC0809的允許輸出控制端OE為高電平，打開三態(tài)輸了鎖存器，A/D轉換結果出現(xiàn)在DB0-DB7上。</p><p>　　單片機讀取A／D轉換結果的方法有三種</p><p>　　(1)延遲法單片機啟動ADC0809后，延時130uS以上，可以讀到正確的A/D轉換結果。</p><p>　　(2)查詢法EOC必須接到AT89C51的一條I

67、/O線上。單片機啟動ADC0809后，延遲10uS，檢測EOC，若EOC=0則A/D轉換沒有結束，繼續(xù)檢測EOC直到EOC=1。當EOC=1時，A/D轉換已經結束，單片機讀取A/D轉換結果。</p><p>　　(3)中斷法EOC必須經過非門接到AT89C51的中斷請求輸入線INT0或INT1上，AT89C51的中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。單片機啟動A/D轉換后可以做其它工作，當A/D轉換結束時，EOC由0—1經過

68、非門傳到INT端，AT89C51收到中斷請求信號，若AT89C51開著中斷，則進入中斷服務程序，在中斷服務程序中單片機讀取A/D轉換的結果。本設計中即采用這種方法。</p><p>　　圖3.4 A/D轉換電路</p><p><b>　　3.3 看門狗電路</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用MAXIM公司的低成本微處理器監(jiān)控芯片MAX81

69、3L構成硬件狗與AT89C51的接口電路如圖3.5所示。MR與WDO經過一個二極管連接起來，WDI接單片機的P2.7口，RESET接單片機的復位輸入腳RESET，MR經過一個復位按鈕接地。該監(jiān)控電路的主要功能如下：</p><p>　?。?）系統(tǒng)正常上電復位：電源上電時，當電源電壓超過復位門限電壓4.65V，RESET端輸出200ms的復位信號，使系統(tǒng)復位。</p><p>　　（2）對+

70、5V電源進行監(jiān)視：當+5V電源正常時，RESET為低電平，單片機正常工作；當+5V電源電壓降至+4.65V以下時，RESET輸出高電平，對單片機進行復位。</p><p>　　（3）看門狗定時器被清零，WDO維持高電平；當程序跑飛或死機時，CPU不能在1.6s內給出“喂狗”信號，WDO跳變?yōu)榈碗娖?，由于MR端有一個內部250mA的上拉電流，D導通MR獲得有效低電平，RESET端輸出復位脈沖，單片機復位，看門狗定時

71、器清零，WDO又恢復成高電平。</p><p>　　（4）手動復位：如果需要對系統(tǒng)進行手動復位，只要按下手動復位按鈕，就能對系統(tǒng)進行有效的復位。</p><p>　　圖3.5 MAX813L與89c51接口圖</p><p><b>　　3.4 LCD顯示</b></p><p>　　本次設計采用1602型LCD顯示，

72、現(xiàn)在的字符型液晶模塊已經是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件了。1602型LCD顯示模塊具有體積小，功耗低，顯示內容豐富等特點[20]。</p><p>　　1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數據總線D0～D7和RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調節(jié)和背光功能。</p><p>　　1．外型尺寸：80X36X13（LXWXH）</p>

73、;<p><b>　　2．接口信號說明</b></p><p>　　接口信號說明如表3.2所示。</p><p>　　表3.2 1602型LCD接口信號說明</p><p><b>　　3．主要技術參數</b></p><p>　　表3.3 1602型LCD的主要技術參數</p&

74、gt;<p>　　4．與8051接口電路</p><p>　　M-162液晶顯示模塊可以和單片機AT89C51直接接口，電路如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 AT89C51與DM-162接口電路</p><p>　　3.5 模擬信號處理電路</p><p>　　3.5.1電流和電壓相位檢測電路 </p>

75、;<p>　　當電流和電壓波形一致，即電流和電壓的相位差為零時，此時的功率因數最高，無功功率為零。當電流和電壓的波形不一致時，存在兩種情況：一種是電流的波形在電壓的波形之前到達，這種情況稱為電流超前于電壓；另一種是電流的波形在電壓波形之后到達，這種情況稱為電流滯后于電壓。電壓與電流的相位差的余弦稱為功率因數。</p><p>　　相位檢測電路就是要檢測到電流和電壓的相位差，并且要檢測電流是超前還是滯

76、后。只要檢測到這兩個數據即可控制電力電容的投入或者切除。根據檢測的相位差余弦查表來求得當前的功率因數，再根據當前功率因數與設定的功率因數比較，如果當的功率因數大于設定的功率因數，并且為滯后或者功率因數等于1.00，則不進行投入，如果為超前，則切除電力電容；如果當前的功率因數小于設定的功率因數，則進行電容補償容量的判斷是否投入電容來提高功率因數，減少無功功率。</p><p>　　功率因數是否等于1.00由單片機計

77、算而得。如果為1.00則不進行任何操作。如果不為1.00且大于設定功率因數，則將電壓電流得出的信號輸入D觸發(fā)器，再將觸發(fā)得出的結果送入單片機[21]。由單片機處理是否投入或者切除電容。</p><p>　　從圖3.7可以看到，電壓波形的采樣是采用一個變壓器TF1，TF1把交流220V電壓變換成12V的交流電壓，經過R27限流以及D4和D5的箝位送到LM393的第6腳負輸入端。LM393的第5腳正輸入端接地。需要注

78、意的是，此時LM393是一個電壓比較器。因為LM393的第5腳正輸入端接地，所以它是一個過零比較器，當電壓波形過零時，LM393的第7腳輸出端電平反轉。LM393的第7腳輸出端接到ADC0809的IN1端口和D觸發(fā)器CLK端。</p><p>　　圖3.7電壓轉換電路</p><p>　　如流波形的采樣如圖3.8所示，通過一個電流互感器把0到5A的交流信號變換成0到50mA的交流小信號，再

79、經過R19限流以及D2和D3的箝位送到LM393的第2腳負輸入端。LM393的第3腳正輸入端接地。LM393在這里是一個電壓比較器。因為LM393的第3腳正輸入端接地，所以它是一個過零比較器，當電流波形過零時，LM393的第1腳輸出端電平反轉。LM393的第1腳輸出端接到ADC0809的IN0口和D觸發(fā)器D端。</p><p>　　圖3.8電流轉換電路</p><p>　　3.5.2 D觸

80、發(fā)器控制電路 </p><p>　　D觸發(fā)器如圖3.9所示，控制切斷或者投入電容。電流信號接入D觸發(fā)的CLK端。當電流滯后電壓時，D觸發(fā)時鐘為上升沿。D端為“0”。Q端輸出為“0”。將Q端輸出送入單片機的I/O口。單片機根據功率因數情況決定是否切斷電容。若電流超前電壓，D端置“1”，當電壓信號來到時，CLK為上升沿，Q輸出高電平“1”。并送入單片機處理。單片機根據功率因數情況決定是否切斷電容。</p>

81、<p>　　圖3.9 D觸發(fā)器控制電路</p><p>　　3.5.2電流和電壓信號采集電路 </p><p>　　電流互感器把0到5A的交流信號變換成0到50mA的小信號，此處100R是假負載，0.05AX100R=5V。經過二極管整流和C20和C21電容濾波，R20和R22分壓后，再傳給0809的IN0端進行A/D轉換。電路圖如圖3.10所示。</p>&l

82、t;p>　　圖3.10 電流采集電路</p><p>　　電壓變壓器把交流220V變成交流9V的小信號電壓，經過橋整，C23的濾波，以及R25和R24的分壓后，再送到0809的IN1進行A/D轉換。電路圖如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 電壓采集電路</p><p>　　3.6電容補償控制電路</p><p>　　本電

83、路主要功能是投入或者切除電容。為了讓電路用較小的電流去控制較大電流，繼電器起一種“自動開關”的作用。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。而啟動繼電器則使動ULN芯片，它內部集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。</p><p>　　電容補償分為兩組，每一組由單片機一個I/O口控制。每一個I/O口又控制8組電容。單片機發(fā)串行數據給74HC595的串行輸入端口，由74HC595實現(xiàn)串并轉換

84、。74HC595的CLK由單片機的I/0發(fā)送控制。由QA到QH輸出給發(fā)光二極管。二極管燈亮，表示此路電容投入工作。再由發(fā)光二極管傳入TLP521_4芯片。TLP521光耦導通，并將信號再傳至ULN2003的輸入端。再由ULN2003輸出端發(fā)信號啟動繼電器IN4007。繼電器通電導通，電容連入電路進行補償。補償后的功率因數經單片機計算后判斷是否投入更多電容，或者切除部分電容。硬件連接如圖3.12所示。</p><p&g

85、t;　　圖3.12電容補償控制電路</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件的設計</b></p><p>　　在軟件設計上我們采用匯編語言，用匯編語言用來編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件，其目標程序占用內存空間少，運行速度快，有著高級語言不可替代的用途。</p><p><b>　　4.1主程序設計</b></p>

86、<p>　　本次設計的裝置主要的投切標準是功率因數和測量電壓，本裝置采用默認的標準功率因數為。</p><p>　　隨器補償應以配變容量的6%～8%選擇電容器容量效果較好，因為這大約相當于配電變壓器空載時的無功功率，又電容器補償容量可近似為，則本次設計一共設了2組容量為100nj400電容器組，方便控制和調節(jié)補償容量，采用2相共同補償。</p><p>　　首先檢測電壓電流數

87、值。經計算后，若功率因數為1，則無需補償。再次檢測，直至功率因數不為1。</p><p>　　當檢測到到的功率因數小于0.90時，投入第一組電容器組；再進行第二次檢測，計算得到功率因數再于默認值進行比較，若實際功率因數仍然小于0.90的話，繼續(xù)投入第二組電容器組。</p><p>　　當檢測到功率因數大于0.90時，若電流滯后電壓，即電網處于容性狀態(tài)，無功補償過量，則立即切除第一組電容；繼

88、續(xù)檢測電壓，若電壓仍然高于標準的話，則切除第二組電容器組。</p><p>　　補償完畢后，將功率因數、電壓、電流送入顯示電路顯示。</p><p>　　主要的程序流程如圖4.1所示。</p><p>　　4.2中A/D轉換軟件設計</p><p>　　A/D轉換分為兩部分：電壓與電流轉換。電壓與電流轉換相似。如圖4.2以電壓轉換為例。首先運

89、行主程序，單片機P2.1口向ALE發(fā)送“1”，允許地址輸入。P2.0口向ADDA發(fā)送“1”，選中電壓口IN1。單片機P2.1口向ALE發(fā)送“0”，開啟0809的地址鎖存。檢測后的電壓數據送入0809。P2.2口向0809START發(fā)送下降沿信號，開啟A/D轉換。若轉換結束，即EOC=1，EOC由一個非門向單片機的中斷INTO，則進入延時程序，在中斷服務程序中單片機讀取A/D轉換的結果。讀取后，由P2.2向START發(fā)上升沿復位0809。

90、</p><p>　　圖4.1主程序流程圖 圖4.2 電壓轉換流程圖</p><p>　　4.3電容補償控制電路軟件設計</p><p>　　電容補償是在A/D轉換結束后，單片機由采到的數據控制投入或切除電容。如圖4.3所示。若計算結果，說明電壓與電流相位差為0，功率因數最高，不需要補償，系統(tǒng)跳回檢測狀態(tài)。若不

91、為1，則需要判斷是否大于0.9。若小于0.9，則按計算結果再次計算，應該投入多少電容，將2組電容投入電路。若大于0.9，則跟據D觸發(fā)器控制電路的Q輸出結果，若為“0”，說明電路程感性，不需要操作。若為“1”，說明電路呈容性。再由單片機計算切除多少電容。最后啟動顯示電路，顯示結果。程序跳回檢測狀態(tài)。</p><p>　　圖4.3電容補償電路軟件設計流程圖</p><p><b>　

92、　結 論</b></p><p>　　無功補償技術在邊沿科學如電力電子技術和微電子技術發(fā)展的推動下，在電力系統(tǒng)領域取得了很大的發(fā)展，形成了多種補償方式。本文在對無功補償技術進行分析的基礎上，針對傳統(tǒng)無功補償裝置的缺點提出了一種新型的智能無功補償控制器,該裝置適合對大用戶進行無功補償,也就是隨器補償,其優(yōu)點如下:</p><p>　　1、裝置結構簡單，通過硬件軟件配合，穩(wěn)定

93、性高，用單片機控制，可實現(xiàn)真正的智能控制，具有很高的性價比。</p><p>　　2、采用LCD顯示，可實時顯示電壓、電流和功率因數等數據。</p><p>　　3、 控制策略比較合理。該策略既考慮到無功補償對電容容量需求，又考慮到穩(wěn)定電壓質量的要求，比如在高電壓區(qū)間的只切不投原則和在低壓區(qū)間的只投不切原則。</p><p>　　今后本控制器在以下幾方面還有待提高:

94、</p><p>　　1、優(yōu)化采樣電路，使采樣數據更為精確。</p><p>　　2、采用較高檔的CPU系統(tǒng)，升級A/D位數，使控制器的電網監(jiān)測功能到進一步的完善，也可使控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時檢測實時控制。</p><p>　　3、采用更簡便準確的無功計算方案和更多組數的電容器組，使軟件更為簡便，控制更加精確。</p><p>　　4、可外接存儲裝

95、置，用于存儲電壓、電流等數據，這樣有助于對電網的電能質量進行評估。</p><p>　　總之，無功補償目前在我國還是很有發(fā)展?jié)摿Φ男袠I(yè)，其技術還有待于進一步的深究和提高。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 方向暉．中低壓配電網規(guī)劃與設計基礎［M］．北京：中國水利水電出版社，2004：56~89．&

96、lt;/p><p>　　[2] 劉黎明，劉滌塵，史進．智能式動態(tài)無功補償裝置的研究[J]．電力情報，1998，22(3)：45～89.</p><p>　　[3] 南余榮，李剛，魯聰達．基于單片機的復合開關及其在低壓無功補償中的應用[J]．現(xiàn)代電子技術2004，28(15)：15～67.</p><p>　　[4] 吳啟富，王主丁．配電網無功綜合優(yōu)化的補償模型及其應

97、用[J]．四川電力技術, 1994：106~110．</p><p>　　[5] 劉鳳君．市電電能質量補償技術［M］．北京：科學出版社，2005：69~111．</p><p>　　[6] 胡秀娟．淺議低壓電網無功補償的幾種方法[J]．電力與能源．2007年35期．</p><p>　　[7] 梅麗鳳，王艷秋．單片機原理及接口技術[M]．北京：清華大學出版社，20

98、04：55~102．</p><p>　　[8] 劉煥平，韓樹新．ADC0809和AT89C51的一種接口方法[J]．石家莊師范?？茖W校學報．2002-6．</p><p>　　[9] 丁毓山．單片機與無功補償[M]．南京：南京大學出版社，2006：86~121．</p><p>　　[10] 康華光，陳大欽．電子技術基礎［M］．高等教育出版社，2004：10~

99、15</p><p>　　[11] 彭沛夫，張桂芳．微機控制技術與實驗指導[M]．北京：清華大學出版社.，2005：152~ 157．</p><p>　　[12] 胡漢才．單片機原理及其接口技術［M］．清華大學出版社，2004：155~159．</p><p>　　[13]徐君毅.單片微型計算機原理及應用[M].上海:上?？萍即髮W出版社，2002.</p&g

100、t;<p>　　[14]王正洪，蔣益興。一種新的功率因數補償算法及實現(xiàn)[J].電子技術應用，1998，11：35-36.</p><p>　　[15]陳建澤.單片微型計算機原理及其應用[M]北京：北京師范大學出版社，1987. </p><p>　　[16]賀康益.電力電子技術基礎[M].杭州：浙江大學出版社，1995.</p><p>　　[17]韓

101、富春.電力系統(tǒng)自動化技術[M].中國水利水電出版社，2003. </p><p>　　[18]苑舜，韓水.配電網無功優(yōu)化及無功補償裝置[M].中國電力出版社，2003. </p><p>　　[19]郭培源.電力系統(tǒng)自動控制新技術[M].科學出版社，2001.</p><p>　　[20]宵紅兵，胡輝，郭建學.跟我學用單片機[M].北京航空航天大學出版社，2002，

102、8.</p><p>　　[21]姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè).電力系統(tǒng)并聯(lián)補償-結構、原理、控制及應用[M].機械工業(yè)出版社，2004，8.</p><p>　　[22] Kundur，Tom．Power system stability and control[M]．New York, USA：McGraw-Hill, 1994：124～241．</p><p>　

103、　附錄 系統(tǒng)硬件原理圖</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文是在老師精心指導和大力支持下完成的。**老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產生重要影響。她淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。我從她那里不僅學到了專業(yè)知識，還學到了分析問題、解決問題的思考方法，以及忘我