基于单片机的无功补偿装置毕业设计论文Word格式.docx
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1.引言
本章介绍了本研究课题的背景及意义，阐述了其发展状况。
目前市面上传统的无功补偿装置大多数是手动投切，体积大，精度低，不能合理的实现武功补偿，易产生震荡。
针对于现有装置的缺点，本文介绍的基于单片机的的无功功率补偿装置克服了以上缺点，具有准确度高，能迅速投切，符合需要的经济的优点。
在本章中还详细介绍了本课题的任务要求以及论文结构的安排。
1.1选题背景
随着持续增长的中国国民经济GDP（中国人民生产总值）,在这个过程中，我国的电力工业取得了很大的进步，这个进步在平常的生活中是显而易注的。
并且电网的无功功率补偿问题也逐渐吸引了广泛的关注,特别是我国的电力行业，这是由于电力技术和各种电力电子装置的快速发展，并且它们在电力系统、生产业、服务业及家庭中的运用越来越普遍，因为这些技术和装置让这些过程越来越简单。
但是大多数电力电子装置在运行的时候的功率因数都比较低、他们消耗大部分了的无功功率，并且这些功率在电力系统占了很大的比例。
而且消耗无功功率的增加将会使电流和当前的设备及线路损耗也一起增加,从而会失去大量的有功能量。
接下来就使功率因数降低,系统的电压下降。
无功补偿如果不能进行就地补偿,负荷要消耗的无功功率都靠其他设备远距离的供给，那么就会让发电等一些设施不会完全有效的工作,恶化了电网供电质量,在严重的情况下可能会导致系统电压完全的崩溃,造成了大面积停电的情况。
电力系统的网络元件的阻抗元件主要是电感性的，因为电感性的本身特性，所以，为了提供有效的有功功率，就会需要传输端和电气终端的电压有一个相位差，它可以实现在较宽的范围里面，为了提供无功功率，则需要它们两端的电压有1个幅值差，但是这只可以实现在一个非常窄的范围里面。
并且不止大多数的元件需要消耗无功功率，大多数的负载同样也需要消耗无功功率，因此，最大的不合理的地方就是这么多的无功功率如果都让发电设备供给并让它长距离的输送，而且通常这种情况也不大可能。
很多人都知道以前的无功功率补偿装置为并联电容器和同步调相机。
而同步调相机的原理可以认为是产生无功功率的同步电动机。
在实际的工作中，如果我们需要一些大小不同的感性或者容性的无功功率的时候，我们可以通过这个同步电动机的励磁来调节，这个调节并不难，只要让它工作在欠励磁或者过励磁的状态就可以了。
所以同步调相机是个不错的工具，但是同步调相机属于旋转类的设备,它的噪音和损耗在运行中都是比较大的,并且运行和维护复杂,而且反应慢,很难满足要求的快速动态补偿。
但并联电容器就简单多了，它的经济性、灵活性、方便性都是不错的,唯一的有点不好的地方是它的阻抗是一定的,不能够按照负载无功功率需求变化,也就是说无法实现动态无功功率补偿。
随着电力电子器件快速的发展，无功补偿控制器在也在某种意义上体现了不同的发展阶段。
无功补偿控制器己由基于SCR的静止无功补偿器（StaticVarCompensator-SVC）、晶闸管控制串联电容补偿器（ThyristorControlledSeriesCompensator-TCSC）发展到基于GTO的静止无功发生器（StaticVarGenerator-SVG）、静止同步串联补偿器（StaticSynchoronousSeriesCompensator-SSSC）。
针对以上背景，以及现有产品的一些缺陷，本文提出一种新型简单的技术方案以实现基于51单片机无功功率补偿装置，以51单片机为主控芯片，控制继电器组控制补偿电容的大小，然后通过功率因数检测电路，电压电流检测模数转换电路，液晶显示电路，键盘控制电路，数据储存电路构成的补偿装置，实现电网的功率因数补偿，这种补偿具有简单，灵活，不容易引起电网的震荡。
1.2本设计的要求
本次设计所需要做的工作是：
在无功功率补偿装置要求和电网（220,100A）情况下，设计了基于51单片机的无功功率补偿装置。
本系统的硬件设计内容包括：
功率因数检测电路，电容自动投切电路，模数转换电路，控制电路单元和人机交互单元的设计六个部分。
其中控制系统采用STC89C52作为核心控制器。
软件系统包括人机交互界面设计以及功率因数检测，电容投切等设计三大部分程序设计。
最后，通过系统仿真测试系统的使用性。
本设计的详细任务要求是：
（1）了解51单片机的特点，使用方法以及相关应用系统开发技术；
（2）掌握无功补偿装置的工作原理；
（3）设计出基于单片机的无功功率补偿电路，设计出装置的总体方案；
（4）该电路能实现对电路的功率因数检测，控制电容组投切功能；
（5）该电路能实现对电路的电压电流测量，测量数据存储功能
（6）该电路要求有友好的人机交互界面，能方便显示当前电路的电压电流值，以及当前的无功功率因数值，以及需要补偿电容值和实际补偿电容值。
（7）完成该电路的系统仿真已验证所设计产品是否满足以上要求
1.3论文的内容和论文的结构安排
1）通过任务要求分析，本文主要完成如下几个设计内容：
A设计出基于电压电流互感器的功率因数测量电路；
B设计出信号调理电路以及AD转换电路；
C设计出电容组投切控制电路以及控制电路；
D设计出人机交互电路；
E设计出满足整个任务要求的系统的软件开发；
F设计出基于PROTUSE的控制系统仿真电路。
2）论文结构安排如下：
第一部分，介绍本设计的背景，分析无功功率补偿装置电路背景及实用意义，同时阐明本文的机构安排。
第二部分，分析基于单片机无功功率补偿的原理，并对所用控制器芯片进行介绍。
第三部分，完成整个系统的硬件电路设计。
第四部分，完成系统的软件系统设计。
第五部分，完成本设计的系统调试，并分析解决调试中遇到的问题。
最后，对文章进行了总结与展望
2系统方案总体设计
2.1系统需求分析
根据任务书要求：
本文要设计出一套基于单片机的无功功率补偿装置。
并完成对系统电路的仿真。
该系统的技术指标为：
1）该电路能实现电网电压电流测量；
2）该电路能实现无功功率因数检测，电容组自动投切功能；
3）该电路要求有友好的人机交互界面，能方便显示当前电路的电压电流值，以及当前的无功功率因数值，以及需要补偿电容值和实际补偿电容值。
通过建模仿真验证该系统的可靠性和实用性。
2.2无功功率装置原理
电网的输出功率由两部分组成；
一个是有功功率,一个是无功功率。
在同一个电路里面，电容和电感中的电流矢量的方向是完全相反的，基本是一个向东一个向西。
所以在电路中可以使电感和电容的电流相互抵消，使电压和电流的矢量之间的夹角缩小，要实现这些就可以在电路中安装一些电容元件进行投切到电网中。
无功补偿的事项方式是，将感性元器件电感和容性元器件电容并联在一起，使他们之间的能量进行互换，可以使他们之间的能量相互补充。
2.2.1无功补偿的意义
⑴补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。
⑵可以减少设计发电机的运行中需要的最大容量，并且消减制作的成本，当功率因数从低向高增加的时候，如果要节约设计中的设备容量，只要装设容性的器件就可以了，基本上相当与0.52KW的设备容量等于1Kvar的容性器件的容量，相反的，增加了发供电的容量，对原来设备就是增加了0.52KW的设备容量。
⑶还可以降低线路损耗，由公式
得出前后的功率因数，
为补偿前的系统的原有功率因数，而
为补偿后的系统功率。
则：
，所以只要将功率因数提升后，不止能减少容量大小的设计，减少了花费，在同时还能减少它的线路损耗，这样就可以提高电网中发电设备对负荷输送的有功功率比例。
还有供电行业的运行效益主要是被线路损耗的大小所影响着。
所以，考核运行效益的其中一个重要指标就是功率因素，那么，无功补偿的计划和进行在当前情况下是一定要进行的
2.3系统方案选择
基于任务需求，无功功率补偿装置检测中的各种电路有很多方案，下面将分析各方案优缺点。
2.3.1基于单片机的功率因数检测方案选择
方案一：
利用单片机外部中断测量。
利用电压电流互感器将电网中的电压电流转换成信号调理电路可以处理的电压电流值，利用比较器构成的过零比较电路将正弦波转换成同相位的电路，将两个方波信号分别接入到单片机的外部中断中，通过测量相位差
，来测量该电路的功率因数为
。
该方案实用性和可靠性强，能够简单的实现功率因数测量，同时便于安装。
本方案实现起来硬件简单，软件比较容易实现，并且软件计算比较简单，对于处理器的要求不高，在实际应用中可以选用比较便宜的单片机来处理，可以很大程度上降低成本以及难度，然而精度不是很高。
方案二：
利用AD0809测量方案。
该方案中利用AD0809多通道并行采样的特点，测量采集实时电压电流的信号，采用两点乘积算法对各信号进行计算。
具体方法是用电气角度
为采样间隔的样本去采集一个周期循环内的两个数据，所以它所要求的数据窗宽度是四分之一个周期。
对于50Hz的工频来说就是5ms。
在一个周期内所采集的两个数据需要保证在5ms的间隔。
这个时间一般由单片机的定时器来实现。
按照这个方法来计算电压电流的有效值和电路的有效值
和阻抗
，则
该方案电路结构简单，可以同时测量电网的电压电流值以及功率因数。
但是由于在电路中拥有大量的计算，包括平方运算，开方运算以及复数运算，对于单片机的要求比较高，并且拥有大量的要数据存储，明显提升了电路成本以及软件开发难度。
方案三：
专业的芯片ADE7763测量方案。
利用多功能计量芯片ADE7763来实现功率因数的测量。
该芯片将AD转换器和数字信号处理功能集成到单个芯片内，能能够完成有功电能，视在电能等菜蔬的准确测量，依据有功电能和视在电能，就可以有微控制器计算出功率因数
该方案结构简单，测量精度很高。
然而，由于使用专业的测量芯片，在电路中与微控制器连接起来比较简单，但是电路成本比较高，并且在控制过程中，对于微控制器要求也比较高，数据量存储要求也比较多，在实际中使用成本较高，软件难度也比较大。
综合以上方案对比分析，本设计功率因数测量选用方案一。
2.3.2无功功率补偿方案选择
在测量功率因数方案确定为基于单片机的中断法测量后，确定利用测量的功率因数来进行无功功率补偿方案如下。
并联电容器进行无功功率补偿方案。
静止电容器供给的无功功率
与所在借点的电压V的平方成正比。
静止电容器的的结构还是比较简单的，因为它就是由几个部件组成的，而装机的体积可以大点也可以根据情况搞小一点，而且又可以一起使用或者分开装来实现就地补偿无功功率。
在运行中，如果我们要实现对电网的无功功率补偿，我们可以调节电容器的功率，方法有很多种，常见的是可以将电容器组合成几组，分成不同的大小组，然后可以根据负荷和电路中的变化，按需求分组切除或者投入各组，那样，通过继电器投切电容器就可以实现补偿功率的调节了。
我们可以根据这个原理来简单的实现我们这个设计的需求。
该方法很有经济性和灵活性，而且它的损耗低，并且安装和维护都很方便，所以，在实际中我们也经常用到。
同步调相机无功补偿方案。
该方案下，调相机就相当于一台不带载运行的电动机。
在过励磁运行时，它想让系统供给感性无功功率而起无功电源作用，能够提供系统电压；
在欠励运行时，它想让系统提供感性无功功率而用来起到无功负荷作用，可降低系统电压。
在本次设计中，在欠励运行的时候，系统发出感性的无功功率给它吸收而起到了无功负荷的作用，可降低系统电压。
该方案因为在运行中的实际需要还有稳定性的要求，过励磁的最大容量的一半左右才是欠励磁的最大容量。
综合以上方案的优缺点，联系本课题研究的对象，基于51单片机的无功补偿装置设计，结合实际情况，选择方案一为无功功率补偿方案。
2.4系统总体设计
2.4.1系统整体结构组成
图1系统框图
通过2.2节方案选择，本文已经确定了系统总体的方案设计。
如图1所示为系统总体框架结构。
整个系统硬件电路系统硬件电路包括功率因数测量电路，信号调理电路，AD数模转换模块，电容投切电路，液晶显示器（lcd1602字符型液晶），数据存储电路6大部分。
2.4.2系统原理
系统原理，系统是基于51单片机的无功功率补偿装置设计，在系统中，利用51单片机作为主控制器，利用电压电流互感器将电网上的电压电流变换成在
以内的小信号，经过过零比较电路将信号转换成与原信号正弦波同相位的方波，然后分别将这两个方波信号输送给51单片机两个外部中断，分别利用着两个外部中断控制51单片机的定时器/计数器1的启动和停止，利用两个方波的下降沿来测量两个方波的之间的时间差
，通过时间差就可以求出相位差
，功率因数就是
；
测量出功率应属后通过利用单片机的内部运算计算出需要补偿的电容值，通过单片机驱动继电器来控制并联电容的投切，从而使电网的功率因数达到0.95以上。
另外在系统中，还对系统的电压电流进行了测量，利用幅值检测电路将正弦波信号幅值检测出来，通过利用AD0832分别测量电网电压以及电流值，并且计算出当前电网的有功功率和武功功率。
系统还设置了包括以液晶LCD1602和键盘构成的人及交互电路，在人机交互电路中，利用指示灯指示系统功率因数的测量是否在正确的运行，利用液晶1602来显示电网的电压，电流以及功率因数等参数，也可以显示对比补偿前后的功率因数的变化，用于这些测量可以方便的得出补偿前后系统的特性。
3系统硬件电路设计
如图1所示中，本设计硬件电路设计包括6大部分电路。
3.1功率因数测量电路
3.1.1功率因数测量原理
本设计中采用51单片机的INT0和INT1接收的信号的时间差来测量功率因数，下面介绍功率因数测量的原理。
功率因数是交流电路中电压与电流之间的相位差
的余弦。
在我国，电网的交流信号的频率f和周期T都是知道得，所以功率因数可以根据电压，电流之间相位差对应的时间差t计算求得。
其计算公式为：
周期
（1）
相位差
（2）
功率因数
（3）
交流电频率为50Hz，则周期为20ms。
由于功率因数的大小在零到一之间，因此t会在0到5ms。
当
大于5ms，假设时间差为
，则处理方法为：
可以根据计数值T确定负载特性。
当计数值T小于10ms，电压信号超前电流信号，负载呈感性；
当计数值T大于10ms，电压信号滞后电流信号，负载呈容性。
3.1.2基于单片机的测量原理分析
本设计中利用测量方法如图2所示。
在改系统中主要由单片机电路，显示电路，两个过零比较电路构成。
图2系统硬件电路组成框图
在本次设计中，模块采用两个比较器使交流小信号变换成同相位的方波信号，在信号中，利用两个外部中断的中断函数来控制定时器1或者2的的启动或者停止，因为变换来的方波信号和原来的交流小信号具有相同的相位和周期，都是50Hz的信号，通过运用定时器来计算出两个交流信号下降沿的的时间差，就可以计算出两个信号的相位差，通过公式
（1）
（2）（3）可以换算得到系统的功率因数。
在得到系统的功率因素时，使用系统的显示液晶1602可以轻松的讲功率因数显示在相应的系统中。
在本设计中外部中断都采用下降沿来开启中断，进入中断后一个外部中断用来开启定时器，另一个用来管段定时器，计算出这个时间差就完成了功率因数的测量。
图3外部中断的时序图
3.1.3基于单片机的无功功率因数测量电路设计
在本系统中，采用电流传感器和电压传感器将单相交流信号上的电压信号和电流信号采集出来，经过由运放组成的过零比较器，将电压型号和电流信号分别变换成同频率的方波。
过零比较器的工作原理是当信号在0之上的时候，高电平就是它的输出，而当信号的值在0之下的时候，低电平就是它的输出了，这样输入的信号就可以转换成原来频率的方波信号。
在电压互感器中，电压互感器测量过程中将电压互感器并联到单相交流电源的两端，由于运放供电的电压不是很高，所以在输入给运放的电压不易过高，由于整个系统需用的是5V电压作为供电电源，所以在本设计中选取电压互感器的次级端串接两个分压电阻R23和R24，大小分别为59k和1k，采样比为1/60,这样将0-220V电压信号U1变换得到0-3.67V的交流电压小信号U2，用变比公式为
可以求得上面的变化比。
然后经过过零比较器器把交流电压信号变换同相位，同频率的方波信号，并且把这个方波信号提供单片机的外部中端口0使用。
如图4所示。
图4电压信号测量相位电路图
在电流互感器中，电流互感器测量过程中将电流互感器串联到单相交流电源的负载中在电压互感器的次级端串接两个分压电阻R22和R33，大小分别为9k和1k,采样比为1/10,
并且电流互感器的变比K=10，则将电流信号通过次级的电阻转换成电压信号后可以将系统的0-100A的电流信号I1转换成0-5V的电压小信号U2。
然后经过LM339组成的过零比较器器将此交流电流信号转换成同相位方波信号，供给单片机的外部中端口1使用。
如图5所示。
图5电流号测量相位电路图
3.2模数转换电路设计
交流信号的峰值检测电路有很多种，它的作用是将交流信号的峰值通过检测电路将交流信号变换成为一个直流信号，直流信号的电压值为交流信号的峰值。
详细的电路设计如图6所示：
图6峰值检测电路
在图6所示电路中所示，此电路原理是通过二极管的单向导通特性，用交流信号不断的给后级电容充电，当交流信号的电压大于电容的电压时，二极管导通，给电容充电，电容的电压不断升高，当交流信号的电压小于电容电压的时候，二极管的截止，电容电压保持在前一刻值，最终使电容电压保持在交流信号的峰值。
电容两侧并联100M电阻的作用是，在交流信号峰值变化时，可以使用这个旁路将电容的电放掉，但是这个电阻不能够取的太小，太小电容放电太快，电容两端的电压不稳定，输出的直流电压将是一个三角波；
太大，电容放电太慢，当交流信号的峰值变化时，电路反应时间很慢，甚至电容两端电压在相当长的时间内保持在原来的值上，从而不便于信号值的测量。
而这一个电路中由于二极管的压降为0.4V，所以利用这个原理使电容两侧电压始终保持为交流信号的峰值减去二极管的压降。
模数转换电路如图7所示，为了充分的利用控制器I\O端口资源，本社就选用通用串行ADC0832作为本设计的模数转换器，图中的两个ADC分别是测量电压和电流的信号，具体控制信号详见途中的网络标号。
如图7所示，CS端口接P30是控制ADC0832的使能的，当为高电平时，ADC0832不工作，当为低电平的时候，ADC0832开始工作；
CLK端口接P31为它的时钟，为数据读写提供时钟源；
DI端口接P34为它的写输入口，用来通过单片机向它写入一些控制命令；
DO端口接P35为输出端口，用来向单片机输出采样的结果，由于本次设计中采用的是STC89C52，它的I/O口既可以读也可以写，所以当端口不够用的时候可以将DI和DO用一个引脚控制。
图7ADC0832采样电路电路
在完成图6的信号处理后，将输出的信号送给ADC0832来采样，通过前级的信号调理电路中信号处理，将输入给ADC0832
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