毕业设计（论文）—基于AT89C52单片机控制的柔性低压无功功率补偿器的设计.pdf

毕业设计（论文）评阅书题目：基于AT89c52单片机控制的柔性低压无功功率补偿器的设计系（部）年级专业 _姓名评阅意见:成绩：指导教师：职 务：_年 月 日太原理工大学阳泉学院毕业设计（论文）答辩评定书年级专业班级：_姓名 答辩过程问题提问回答情况记录员：成绩评定指导教师答辩小组综合成绩专业答辩组组长：年 月 日太原理工大学阳泉学院毕业设计（论文）任务书第1页毕业设计（论文）题目：基于AT89C52单片机控制的柔性低压无功功率补偿器 的设计毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：该控制器选川AT89C52单片机为控制核心。采用数字逻辑检测电路来获取电网电压与电流的相位差，通过8253计数器 计算相位值。应川8255A端口 C的位控特点，设置八级电容器投切电路；功率因数显示采 用LED数码管显示，尽量采用静态显示，以减轻CPU的负担。控制开关采川过零型固态继电器，使投切控制实现等电压投入，零电流切除,真正实现柔性投切。该无功补偿器为60kvar,低压导线型号为LGJ50,相电压210220V,功率因数O 900.95 o该系统要求接合静态投切和动态投切电容器的补偿特点，又具有结构简单，性能价格比高的优点。要进行抗干扰性设计。（软件采川WATCHDOG抗干扰设计，硬件采川抗电磁干 扰设计）第2页毕业设计（论文）主要内容：毕业设计论文主要格式应符合学校的要求，论文内容应层次分明，数据 可靠，文字简练，说明透彻，推理严谨，立论正确。毕业设计应采川汉语撰写，一般由10部分组成，依次为：（1）封面及评 阅，（2）任务书，（3）中英文摘要及关键词，（4）目录，（5）正文，（6）参 考文献，（7）附录，（8）外文资料，（9）中文译文，（10）致谢。毕业设计论文水平是本科四年学习的综合反映，是非常重要的教学环节，希望同学们认真对待。学生应交出的设计文件（论文）：毕业设计论文一份毕业设计论文电子文档硬件电路图一份、软件流程图一份主要参考文献（资料）：数字电子技术基础微型计算机原理及应用 高等教育出版社 唐俊杰编著自动检测与传感器技术 中国电力出版社 赵巧娥主编电子检测技术国防工业出版社 卢文科编著王兆安 谐波抑制和无功功率补偿M 机械工业出版社，1998姚孟君 基于MATLAB仿真的无功补偿电容器投切控制研究J煤矿机 电，2003,6：同济大学电气工程系，工厂供电，北京，建筑工业出版社，1996年张正喜.一种新型功率因数补偿装置JL电力自动化设备，2002,22（11）：58-59.陈荣.动态功率因数补偿J.江苏电机工程,2003,22（1）：52-54.专业班级 03自动化 学生张贵明要求设计（论文）工作起止日期_指导教师签字 日期教研室主任审查签字 日期系主任批准签字 日期毕业设计（论文）说明书基于AT89C52单片机控制的柔性低压 无功功率补偿器的设计摘要在电力系统中，功率因数的提高是一项重要的技术工作，直接关系到输电线路 的电能损耗供电的经济性，供电质量。功率因数的补偿措施一直为人们所重视。研 制高性能的功率因数装置具有实际的社会，经济效益。本文介绍了基于AT89C52控制的高精度低压无功功率补偿器。该控制器采用数 字检测电路来获取电网电压与电流的相位差;控制开关采用过零型固态继电器，使投 切控制实现等电压投入，零电流切除；单片机AT89c52实现数据处理、输入、输出 控制等功能。通过实验监测功率因素分析，该控制器具有对电网冲击小，响应快，抗干扰能力强,精度高,可分相投切等优点,适用于目前企业用户进行无功功率补偿。本文运川AT89c52单片机，对电力系统中低压无功功率进行监测和控制，使功 率因数达到调整和优化，提高了电力系统的供电质量和经济运行。关键词：AT89C52 功率因数 补偿器 电容器I毕业设计（论文）说明书ABSTRACTThe article introduces passive power compensator based on AT89C52 controlling with high precision.It measures excess phase of voltage and circuit used digital circuit.The AC solid-state relay of passing zero is applied to the control switch.It is input when the voltage of the power system equals the voltage of the capacitor and elimination when the circuit is zero.A Microcomputer AT98C52 competes the Data process,input,output etc.The practical result shows the advantages of high precision,less influence on low-voltage power system,fast response,connecting capacitors with single-phase and the ability of antijamming.It is mainly used to compensate passive power in present factory and mine.In the power-system,the raise of the power-factor is a important technologic work.It matters the utility and quality of the power-system.The method of power-factor has always been taking seriouslyby people.The research of the high-quality power-factor compensationhas great social and economic meanings.This article utilizes the AT89C52 monolithic integrated circuit,thelow pressure reactive power carries on the monitor and the control tothe electrical power system in,enables the power factor to achievethe adjustment and the optimization,improved the electrical powersystem power supply quality and the economical movement.Keywords：AT89C52 Power-factor Compensator Capacitorii毕业设计（论文）说明书目录摘 要.错误！未定义书签。ABSTRACT.错误！未定义书签。第一章绪论.1第二章功率因数补偿系统的设计概述.52.1功率因数的计算.52.2低压无功功率设备安装的原则与方法.62.2.1电容器装置控制方式的选择.72.2.2各种无功补偿设备及补偿方式.72.3投切方式分类.92.3.1延时投切方式.92.3.2 瞬时投切方式.102.3.3混合投切方式.112.4无功功率补偿器设计的总体框图.11第三章功率补偿系统单元电路的设计.133.1 AT89c52 单片机.133.2 相位差检测单元电路的设计.203.2.1相电压、相电流输入电路.213.2.2 相位差的检测.223.2.3相位差的计算.243.3 投切电容电路的设计.283.3.1 8255A.283.3.2 柔性投切电路.303.3.3 过零投切电路与8255A的接口.333.4三相功率因数的显示电路设计.343.4.1 LED 显示器.343.4.2 8255A与LED显示器的接口.363.5 RS-232C串行通信接口.383.5.1 RS-232c 标准.383.5.2 MAX232 与 AT89C52 的接 口 电路.393.6“看门狗”单元电路设计.403.6.1 微处理器监控器MAX690A.403.6.2 MAX690A 与 AT89C52 的接 口.423.7 电源电路设计.44第四章 系统软件部分设计.454.1 主程序设计流程图.454.2 子程序设计流程图.46第五章系统抗干扰方法.47in毕业设计（论文）说明书5.1 干扰的形成.475.2 干扰的分类.475.3 干扰的耦合方式.475.4 硬件抗干扰措施.485.4.1抑制干扰源.485.4.2切断干扰传播路径.485.4.3提高敏感器件的抗干扰性能.495.4.4其它常用抗干扰措施.495.4.5印制板工艺抗干扰措施.505.5软件抗干扰措施.50.51文献.521 542 62论考录录谢 结参附附致IV毕业设计（论文）说明书第一章绪论随着我国经济发展和国际化能源紧张局势的加剧，加强电能质量和节能降耗的 影响十分重要，这其中采取无功补偿方式提高功率因数降等都是行之有效的措施。在电力供电系统中，功率因数的提高是一项重要的技术工作，直接关系到输电线路 的电能损耗及供电的经济性，供电质量。功率因数的补偿措施一直为人们所重视。研制高性能的功率因数补偿装置具有实际的社会，经济效益。而且在电力系统中，无功功率要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系 统瓦解。止匕外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网 络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极 为重要的意义。按电网无功功率补偿方式可分为串联补偿和并联补偿。并联补偿方式又可分为 电容器组补偿，调电感补偿，调相机补偿的移相补偿等。本设计我们将采用并连电 容器补偿，主要应用单片机技术，实现对低压电力系统的监控，完成功率因数的测 量，并根据所得数据进行电容组的投切，以实现对电力系统的功率因数的补偿。无功补偿控制器是无功补偿的核心,其性能直接影响补偿的效果。它是根据检测 的功率因数或无功功率,按照一定的控制规则投入/切除电容器,实现对线路进行无 功补偿。在低压配电网中有相当一部分是感性负荷，它不仅要消耗大量的有功功率,也要吸收很多的无功功率，从而使功率因数下降，导致无功电源不足，系统电压降 低，电能损耗增大，这大大影响了电网的供电能力。因此电力部门千方百计要提高 系统的功率因数，除本身采取相应的措施外，更要求每个用户在其母线上进行功率 因数的补偿。即借助于相关的无功功率补偿设备，及时、正确、必要的提供无功功 率补偿。由于这个课题涉及面广，且有较高的经济含量和技术附加量，因此无功功 率补偿设备的研究一直是国内外相关企业激烈竞争的项目之一。无功功率补偿技术 近年来己越来越引起人们的关注，它是涉及电力、电子技术、电气自动化技术和理 论电子等领域的重大课题。本设计着重论述了单片机和计算机控制组成控制系统进 行功率因数自动补偿装置。我国电网曾在20世纪70年代由于缺乏无功功率补偿设备而长期处于低电压运行 状态。有些地方想用调节变压器分接头的办法来解决本地区电压低的问题。开始，这种办法也有一些效果，某些供电点电压升高了，但这是以降低别处电压为代价的,因为总的无功电源不足，局部地区电压升高无功负荷增大，必然使别处无功功率更 少、电压更低。各处普遍采用调节变压器分接头的结果，不仅没能提高负荷的供电 电压，而是使得无功损耗加大，整个系统低电压问题更加严重。在这种情况下，首 要的问题应该是增加无功功率补偿设备。低压运行同时对电网安全带来巨大危害，系统稳定性差，十分脆弱，经受不起事故异常及负荷强烈变化对系统的冲击、十分 容易造成大面积的停电和系统瓦解的后果，国内外均有此先例。由此可见，合理配 置无功电源，进行无功补偿是非常重要，我们进行无功补偿研究是一个重要的课题。1毕业设计（论文）说明书由于人工投切电容不能及时跟踪无功负荷的变化，不能始终保持功率因数和电压质 量在规定范围，所以无功的自动控制是一个值得研究的课题无功功率问题，根据世界各个地区电力系统近数十年来的经验，积累了大量资 料。我国电力系统亦同样积累了很多宝贵的经验。广泛应用到生产实践中去是有一 定重要价值的。有效的无功补偿有非常大的经济效益和社会效益，主要表现在：1.减少线路损耗。就全国讲，线路损耗约占据12%,其中主要是无功分量引起 的损耗，若无功线损降低50%60%,一年便可节电500亿度左右，相当于半个三峡工 程的发电量。这种不消耗一次能源，便可增大发电量的工程是绝好的绿色工程。且 投资极小，见效快。2.避免罚款。我国电力部及物价局“关于颁发功率因数调整电费办法通知”中规定，功率因数0.94时，减少电费1.1%,功率因数0.6时增加电费15虬例如一个 315KVA的变压器，功率因数从0.6提高到0.94以上，年奖罚差34万元。3.不额外投资，便实现扩容。进行无功补偿后，便可提高用电承载率，变压器 可满负荷运行。例如一台315KVA的变压器，C0Sd）=0.6负荷的变压器只能提供优质服 务189KW的有功功率，不能承受300KW左右的容量，需购买一台500KVA的变压器替换。将功率因数由0.6提高到0.98,相当于扩大了63%,既有功由189KW提高到309KW可基本 满足需要的容量，便节省了一台500KVA的变压器，经费约三四十万元。4.改善电能质量，延长了电器寿命，提高了产品质量。电能质量川电压和步真率二个指标衡量，电压的稳定性取决于无功的平衡。频率 的稳定性取决于有功的平衡，而电压的稳定与否又直接影响电器寿命，影响机械加 工精度。如果电压稳定性提高5%仅照明灯（寿命延长50%）全国一年既可节约数亿 元。至于因电压不稳、供电不足而造成废品、次品、设备减寿、停产、停电损失更 是难以统计的。在电网运行中，因大量非线性负载的运行，除了要消耗有功功率外，还要消耗 一定的无功功率。负荷电流在通过线路、变压器时将会产生功率与电能损耗，由电 能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与功率因数 的平方成反比。功率因数越低电网所需无功就越多，线损就越大。因此，在受电端 安装无功补偿装置，可减少负荷的无功功率损耗，提高功率因数，降低线损耗。在电力系统中要设法减小相位差,提高cos。值，称为提高功率因数，以降低无功功率，减少电能损失。由0二arccosO-式 看出，若能使hxh（XXJ为零，则值为最小，功率因数最高，就是说如能使感抗和容抗最大限度地 相互抵消，则线路中功率因数为最高。由容抗抵消感抗（反之亦然）从而减小。的方 法称为功率因数补偿。进行功率因数补偿可以：2毕业设计（论文）说明书1.降低无功电流，减小线路及变电设备的损耗。线路损耗的功率与负载电流平 方成正比，功率因数提高了，无功电流大大减小，则线路上的损耗也大大减小了。2.可以改善供电电压质量。当功率因数提高后由于容性负载的加入，使线路末 端的电压平滑，起到了稳定电压的作用。3.提高系统的裕度。当系统的设备容量不变时，提高功率因数，相当于增加负 载的容量。4.提高电路的功率因数不是负载本身的功率因数有什么改变而是负载本身的 性能及指标将不受任何影响。由此可见，提高功率因数，不但是当今能源形势的缓兵之策，也是关系到国计 民生的长远政策。能源是有限的，既然是不可再生的，我们唯一能做的就是减少浪 费，高效合理的利用它们，这才是明智之举，是我们除了寻找代替能源以外的最有 价值的事情。因此我们必须重视电能的高效利用，不光在传输过程中，在使用过程中也是一 样。这不仅符合经济效率的规律，还是能源科学使用的具体表现。既然我们不能给 后代生产出不可再生资源，但我们可以高效使用它们，减少无谓的消耗，这跟我们 为后人创造能源是同出一辙的，具有相同的深远意义。单片机是此设计的核心所在。随着我国科技的进步，自动控制术也与巳俱进。而单片机的应用也日益普遍化，现在单片机的应用日益广泛深入，诸如在仪器仪表、家用电器和专用装备的智能化以及过程控制等方面，单片机扮演着重要的角色。此 外我们应该认识到，单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济 效益上。更重要的意义还在于，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设 计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能 使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术,称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全心概念的出现是对传统控制技术的一 次革命。随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展，日益完善，更加 充实。普遍来讲可以将单片机分为通用型和专用型两种类型。通用型单片机是一种 基本芯片，它的内部资源比较丰富，性能全面而且适用性强，能覆盖多种应用需求。用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个再设计的 过程，通过用户的进一步设计才能组成一个通用单片机芯片为核心再配以其他外围 电路的应用捽制系统。今后随着单片机应用的广泛和深入，各种专用单片机芯片将 会越来越多，并且必将成为今后单片机发展的重要方向。但是应当说明，无论专用 单片机在应用上多么专，其原理和结构是建立在通用单片机的基础之上。可以说单 片机在控制领域是功不可没的，我们要把它应用到工业，国防业等国民经济行业，提高我们自动化水平，提高我们的科技竞争力，显然这将是一件具有巨大意义的事。本次设计中采用了分相补偿的方法，三相电容自动补偿适用于三相负载平衡的 供配电系统。因三相回路平衡，回路中无功电流相同，所以在补偿时，调节无功功 率参数的信号取自三相中的任意一相，根据检测结果，三相同时投切可保证三相电 压的质量。三相电容自动补偿适用于有大量的三相用电设备的厂矿企业中。在民用 建筑中大量使用的是单相负荷，照明、空调等由于负荷变化的随机性大，容易造成 3毕业设计（论文）说明书三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。由于调节补 偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要 么欠补偿。如果过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制、保护元件等用电设备 因过电压而损坏；如果欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备由 于电流的增加而导致发热被烧坏。这种情况下用传统的三相无功补偿方式，不但不 节能，反而浪费资源，难以对系统的无功补偿进行有效补偿，补偿过程中所产生的 过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来了严重的危害。对于三相不平衡 及单相配电系统采用分相电容自动补偿是解决上述问题的种较好的办法，其原理 是通过调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，根据每相感性负载的大小和 功率因数的高低进行相应的补偿，对其它相不产生相互影响，故不会产生欠补偿和 过补偿的情况。本次设计主要是运用单片机技术实现电力系统的功率因数进行补偿，以实现电 力系统最优控制。其中包括数据的采集，电容组的投切控制、电力系统功率因数的 显示、看门狗设计等一系列环节，并采用了过零固态继电器以实现对电力系统的柔 性投切。应用51系列单片机实现对开关组电容模块的控制，达到调整功率因数的目 的。通过研究单片机在自动控制中的用途，熟悉它的引脚功能，会用单片机来满足 实际中的具体需要。利用单片机控制系统，实时采集电力系统的电力相关参数，计 算功率因数，并结合所学专业，依据电力系统要求进行功率因数补偿。其中主要涉 及美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CM0S8位单片机AT89c52。简单的硬件结构设 计使得整个系统的工作可靠性的抗干扰能力均大为提高。根据设计要求，川单片机实现对电容组的投切，川以调整功率因数，使电力系 统的功率因数大于0.90,这就是本次论文要实现的预期目标。4毕业设计(论文)说明书第二章 功率因数补偿系统的设计概述2.1功率因数的计算在交流输电线路中，由于负载特性的影响，电路中相电压，相电流之间存在相 位差，其角度大小取决于负载所呈现的感性或容性的程度。若以表示相位差，贝(P=arccos 0 1(2-1)+(xl-xc)2式中：R为负载电阻；凡为负载电抗，凡为负载容抗。负载中消耗的有功功率为P：兀 71(f_)5cos x=sin(-x)=(-x)-+-2 2 3!5!由(2-1)式可得:(2-2)p=UIcod)(2-3)如图2T所示，表示有功功率、无功功率和及视在功率之间的关系。式(2-3)中：U,I分别为电力线路中母线上的相电压和相电流的有效值，若令S二UI,称S为视在功率(其中包括有功功率和无功功率)，贝IJ(2-3)写作：p=Seos 5毕业设计（论文）说明书则:COS0 二一 S若川4Q表示补偿电容的容量，则4Q=PxK；其中P为有功功率;K=tan0tan02；外为改善前的功率因数角；2为改善后的功率因数角；在确定并联电容器的容量后，就可以选择并联电容器的型号和规格，并确定并 联电容器数量。如果为单相补偿，还应取为3的倍数，以便三相均衡分配。2.2低压无功功率补偿设备安装原则与方法1.在电力系统中，安装容性设备或装置以提高功率因数时，其安装位置应尽量 靠近负载端，以增大补偿的效率。2.容性装置安装在低压侧时，对低压用电设备容量较大的电器（如：感应电动 机、感应电炉、电焊机等），可以采用个别装设的办法，以补偿局部无功功率消耗的 情况；而对于低压小容量零星设备，则可以采用集中在低压配电柜母线侧加装低压 电容器的办法集中补偿，既经济又方便维护。3.对低压侧电动机做个别补偿时，电容器的开关与电动机同时运行（见图 2-2）,则效果最好。因为当电动机不工作时，则不必加装补偿电容，以避免由于补 偿过度，而导致线路中的无功电流反向增大的现象。4.补偿电容器的容量以提高功率因数至90%为宜，不需要提高太多，以节约投 资，同时避免由于补偿过度，而导致线路中过大的充放电电流。电源图2-2电容器位置与开关同步操作6毕业设计（论文）说明书2.2.1电容器装置控制方式的选择任何改善功率因数的装置，都是通过降低无功电流来达到减小总电流，但当电 容量补偿过大时，又会形成部分无功电流过大而导致总电流反而增大的现象。如何 才能达到最佳的补偿效果，这与用电设备的使用时间和连续性、非连续性有着很大 的关系。根据用电设备的使用情况，将补偿电容器进行设计分组，采用不同的控制 方式，以适应不同的电力设备，无功功率补偿装置在电子供电系统中所承担的作用 是提高电网的功率因数，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。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要 的位置。合理的选择补偿装置，可以做到最大限度的减少网络的损耗，使电网质量 提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多 因素。表2-3、2-4是通过研究得出的电容器装置分组情况及控制方式。表2-3补偿电容器装置分组情况用电设备运转特性电容器装置分组全部连续性部分连续运行型，部分为半连续型非连续运行型固定型补偿固定型补偿器一组，可切换补偿器一 组固定型补偿器椅子，补偿器三组表2-4补偿电容器装置控制方式控制方式用电设备特性计算机自动控制用电量较大，负载变动大，且各时段 设备开关率都不同计算机时间控制每巳定时变化川电量（工作时段较固 定）；每周设备的开关情况基本稳定手动控制24小时用电量差异不大，或偶尔变化 量较大时，且可以方便手动操作的场合2.2.2各种无功补偿设备及补偿方式下面我们介绍各种无功功率补偿设备及补偿方式。7毕业设计（论文）说明书2.2,2.1同步调相机同步调相机实质上是一种不带机械负载的同步电动机，它是最早采川的一种无 功补偿设备，在并联电容器得到大量采用后，它退居次要地位。其主要缺点是投资大,运行维护复杂。因此，许多国家不再新增同步调相机作为无功补偿设备。但是同步 调相机也有自身的优点：1.调相机可以随着系统负荷的变化，均匀调整电压，使电网电压保持规定的水 平。电容器只能分成若干个小组，进行阶梯式的调压。2.调相机可以根据系统无功的需要，调节励磁运行，过励磁时可以做到发出其 额定100%的无功功率，欠励磁时还可以吸收其额定的50%的无功功率。电容器只能 发出无功，不能吸收无功。3.调相机可以安装强行励磁装置，当电网发生故障时，电压剧烈降低，调相机 可以强行励磁，保持电网电压稳定，因而提高了系统运行的稳定性。电容器输出无 功功率与运行电压的平方成正比，电压降低，输出的无功将急剧下降，比如，当电 压下降10%,变为0.9Ue时，电容器输出的无功功率变为0.81Q,即其输出的无功功 率将下降19%,所以，电容器此时不能起到稳定系统电压的作用。2.2.2.2并联电容器作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点：1.电容器是最经济的设备。它的一次性投资和运行费用都比较低，且安装调试 简单。2.电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。调相机除了本身的损耗外，其附属设备还需用一定的所用电，损耗2%30%,大大 高于电容器。3.电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。调相机为旋转电机，运行维 护很复杂。4.电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配电 系统和厂矿用户。而调相机则只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限。2.2.2.3并联电抗器并联电抗器是一种感性无功补偿设备，它可以吸收系统中过剩的无功功率，避 免电网运行电压过高。为了防止超高压线路空载或轻负荷运行时，线路的充电功率 造成线路电压升高，一般装设并联电抗器吸收线路的充电功率，同时，并联电抗器 也用来限制由于突然甩负荷或接地故障引起的过电压从而危及系统的绝缘。并联电抗器可以直接接到超高压（275kV及以上）线路上，其优点是：可以限制高 压线路的过电压，与中性点小电抗配合，有利于超高压长距离输电线路单相重合闸 过程中故障相的消弧，从而提高单相重合闸的成功率。高压电抗器本身损耗小，但 造价较高。并联电抗器也可以接到低压侧或变压器三次侧，有干式的和油浸的两种,这种方式的优点是造价较低，操作方便。从发展趋势看，更多的将采用高压电抗器。8毕业设计（论文）说明书大型并联电抗器的技术、结构和标准与大型电力变压器类似，也有单相和三相，心 式和壳式之分，心式还可以分为带间隙柱的和空心式的，目前我国制造的高压大容 量并联电抗器只采用心式结构。心式电抗器的结构与心式变压器类似，但是只有一 个绕组，在磁路中加入间隙以保证不饱和，维持线性。2.2.2.4静止补偿器静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器、电抗器、调相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动 态冲击负荷的补偿。根据负荷变动情况，静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的 性质或保持母线电压恒定。静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。电容器可发出无功功率,可控电抗器可吸收无功功率。其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度远远 高于调相机，一般只有20ms。它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及 大型整流设备等。另外，在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来 提高系统的稳定性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。在我国 湖南、湖北、广东、河南等多个500kV枢纽变电站都采用了这种装置。例如我国某大型炼钢厂使用电弧炉炼钢，严重影响供电质量，电弧炉运行时使 电压下降15%20%,谐波的干扰使众多用户的电视不能收看，电器设备不能正常使 用,群众反应强烈。在装了静止纸偿装置后，供电质量显著改善，电压波动很小，完全在允许范围 内，谐波干扰明显降低。在周围广大用户普遍受益的同时，该厂也降低了线损，减 少了电费支出，提高了产品的产量和质量，获得了良好的经济效益。静止补偿器的最大特点是调节快速。为了充分发挥它在需要无功功率时的快速 调节能力，在正常情况下应经常运行在接近零功率的状态。但因正常负荷变动引起 的电压变化过程缓慢，用一般价格比较便宜的电容器与电抗器等投切配合，完全可 以满足要求，没有必要选用这种设备。本次设计主要采用并连电容器的方法来实现对功率因数的补偿。并联电容器是 电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90%的无功补偿 设备是并联电容器。2.3投切方式分类2.3.1延时投切方式延时投切方式即人们熟称的静态补偿方式。这种投切依靠于传统的接触器的 动作，当然用于投切电容的接触器专用的，它具有抑制电容的涌流作用，延时投切 的目的在于防止接触器过于频繁的动作时，电容器造成损坏，更重要的是防备电容 不停的投切导致供电系统振荡，这是很危险的。当电网的负荷呈感性时，如电动机、9毕业设计（论文）说明书电焊机等负载，这时电网的电流滞带后电压一个角度，当负荷呈容性时，如过量的 补偿装置的控制器，这是电网的电流超前于电压的一个角度，即功率因数超前或滞 后是指电流与电压的相位关系。通过补偿装置的控制器检测供电系统的物理量，来 决定电容器的投切，这个物理量可以是功率因数或无功电流或无功功率。下面就功率因数型举例说明。当这个物理量满足要求时，如cos中超前且0.98,滞后且0.95,在这个范围内，此时控制器没有控制信号发出，这时已投入的电容器 组不退出，没投入的电容器组也不投入。当检测到cos中不满足要求时，如cos中滞 后且0.95,那么将一组电容器投入，并继续监测cos如还不满足要求，控制器则 延时一段时间（延时时间可整定），再投入一组电容器，直到全部投入为止。当检测 到超前信号如cos0.98,即呈容性载荷时，那么控制器就逐一切除电容器组。要 遵循的原则就是：先投入的那组电容器组在切除时就要先切除。如果把延时时间整 定为300s,而这套补偿装置有十路电容器组，那么全部投入的时间就为30分钟，切除也这样。在这段时间内无功损失补只能是逐步到位。如果将延时时间整定的很 短，或没有设定延时时间，就可能会出现这样的情况。当控制器监测到cos中（0.95,迅速将电容器组逐一投入，而在投入期间，此时电网可能已是容性负载即过补偿了，控制器则控制电容器组逐一切除，周而复始，形成震荡，导致系统崩溃。是否能形 成振荡与负载的性质有密切关系，所以说这个参数需要根据现场情况整定，要在保 证系统安全的情况下，再考虑补偿效果。2.3.2瞬时投切方式瞬时投切方式即人们熟称的动态补偿方式，应该说它是半导体电力器件与数 字技术综合的技术结晶，实际就是一套快速随动系统，控制器一般能在半个周波至 1个周波内完成采样、计算，在2个周期到来时，控制器已经发出控制信号了。通 过脉冲信号使晶闸管导通，投切电容器组大约20-30毫秒内就完成一个全部动作，这种控制方式是机械动作的接触器类无法实现的。动态补偿方式作为新一代的补偿 装置有着广泛的应用前景。现在很多开关行业厂都试图生产、制造这类装置且有的 生产厂已经生产出很不错的装置。这种方式采用电感与电容的审联接法，调节电抗以达到补偿无功损耗的目的。从原理上分析，这种方式响应速度快，闭环使用时，可做到无差调节，使无功损耗 降为零。从元件的选择上来说，根据补偿量选择1组电容器即可，不需要再分成多 路。既然有这么多的优点，应该是非常理想的补偿装置了。但由于要求选用的电感 量值大，要在很大的动态范围内调节，所以体积也相对较大，价格也要高一些，再 加一些技术的原因，这项技术到目前来说还没有被广泛采用或使用者很少。作为补偿装置所采用的半导体器件一般都采用晶闸管，其优点是选材方便，电 路成熟又很经济。其不足之处是元件本身不能快速关断，在意外情况下容易烧毁，所以保护措施要完善。当解决了保护问题，作为电容器组投切开关应该是较理想的 器件。动态补偿的补偿效果还要看控制器是否有较高的性能及参数。很重要的一项 就是要求控制器要有良好的动态响应时间，准确的投切功率，还要有较高的自识别 10毕业设计（论文）说明书能力，这样才能达到最隹的补偿效果。当控制器采集到需要补偿的信号发出一个指令（投入一组或多组电容器的指 令），此时由触发脉冲去触发晶闸管导通，相应的电容器组也就并人线路运行。需要 强调的是晶闸管导通的条件必须满足其所在相的电容器的端电压为零，以避免涌流 造成元件的损坏，半导体器件应该是无涌流投切。当控制指令撤消时，触发脉冲随 即消失，晶闸管零电流自然关断。关断后的电容器电压为线路电压交流峰值，必须 由放电电阻尽快放电，以备电容器再次投入。元器件可以选单项晶闸管反并联或是双向晶闸管，也可选适合容性负载的固态 接触器，这样可以省去过零触发的脉冲电路，从而简化线路，元件的耐压及电流要 合理选择，散热器及冷却方式也要考虑周全。2.3.3混合投切方式实际上就是静态与动态补偿的混合，一部分电容器组使用接触器投切，而另一 部分电容器组使用电力半导体器件。这种方式在一定程度上可做到优势互补，但就 其控制技术，目前还见到完善的控制软件，该方式用于通常的网络如工矿、小区、域网改造，比起单一的投切方式拓宽了应用范围，节能效果更好。补偿装置选择非 等容电容器组，这种方式补偿效果更加细致，更为理想。还可采用分相补偿方式，可以解决由于线路三相不平行造成的损失。在无功功率补偿装置的应用方面，选择那一种补偿方式，还要依电网的状况而 定，首先对所补偿的线路要有所了解，对于负荷较大且变化较快的工况，电焊机、电动机的线路采用动态补偿，节能效果明显。对于负荷相对平稳的线路应采用静态 补偿方式，也可使用动态补偿装置。2.4无功功率补偿器设计的总体框图如图2-5是该系统硬件结构框图，单片机AT89c52是本系统的核心，实现数 据处理、输入、输出控制等功能。通过计数器8031计算出系统功率因数，并通过 LED显示电路显示出来。把计算出的功率因数与规定的因数比较看看是否符合要 求，当功率因数低于要求时，通过控制补偿电路实现对检测电路的补偿。功率补 偿器的外围电路还包括电压、电流相位差检测电路，此部分电路主要用来检测电 路现在的功率因数，通过比较器和由D触发电路鉴相电路把电压信号转化为数字 信号；三相功率因数显示电路，主要用到LED数码管。显示采用LED数码管显示,尽量采用静态显示，以减轻CPU的负担；投切电容电路中用过零固态继电器来作 为控制开关来实现柔性投切；还接上RS232c接口，向上位机传递系统运行状态 信息，以适应将来配电网控制发展趋势。为了减少外围芯片的数量，本系统也可 采用一块CPLD芯片一ispLSH048E,把74LS373、D触发器、与门、非门等外围器 件写入其中。11毕业设计（论文）说明书单片机 AT89c52-N V相位差数值计算C相电容B相电容A相电容图2-5系统硬件结构框图12毕业设计（论文）说明书第三章 功率补偿系统单元电路的设计单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等 特点，故此设计应用单片机来实现无功功率补偿器的各种功能。单片机作为最典型的嵌入式系统，它的成功应用推动了嵌入式系统的发展。近 年来，除了各种类型的工控机，各种以通用微处理器构成的计算机方板模块，以通 用微处理器为核，片内扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微处理器，甚至单 片形态的PC机等，都实现了嵌入式应用，成为嵌入式系统的庞大家族。16位单片机虽然拥有运算速度快、处理能力强、I/O接口较丰富等优点，但其 价格亦相对于8位单片机较昂贵，而此设计8位单片机已能够实现，故仍用8位单 片机。在众多的单片机系列中，AT89c52是一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K在系列可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制 造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可 编程，也适用于常规编程。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89c52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超高效的解决方案。AT89c52具有以