基于单片机的功率补偿系统设计毕业设计

基于单片机的功率补偿系统设计毕业设计内容摘要：

容器组 相位检测 共 9 组 图 11 控制器总体结构 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 硬件设计 ８ 2. 硬件设计 对于硬件部分的设计，我本着简单可靠的思想来设计。 本次设计的对象是针对一个电力系统，一切当然以稳定安全为前提。 在设计中我尽量精简所需的单片机 I/O口，这样使我的设计中所用芯片的 数目得到减少，大大的增加了系统的稳定性，使系统更加安全可靠。 控制面板 对于整个无功补偿装置对其控制的方式有两种，一种是利用通讯模块将单片机与上位机相连，通过上位机实现对单片机的远程监控，从而实现对无功补偿装置的控制，另一种是利用控制面板来实现对单片机的控制，也就是对无功补偿装置的控制。 面板控制是利用其他与单片机的匹配的输入设备直接对单片机控制来实现对无功补偿装置的控制， 要使它功能齐全，操作方便，同时又不繁复，对于面板的设计就显得犹为重要了。 以下是我设计的控制面板： 1 2 3 5 6 4 7 8 9 10 2 3 4 5 6 7 图 21 控制面板外观图 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 硬件设计 ９ 根据设计的功能需要它大体需要有以下几个功能： 1. 对当前电流电压及功率因数的显示 2. 对当前投切状态的显示。 3. 对理想功率因数的范围设置。 图中各编号功能如下： 1. 电网状态 LED 显示：用于显示当前电压值，当前电流值，当前功率因数值。 2. 外壳：控制面板主容器。 3. 投切状态 LED 显示：用于显示当前的投切状态，每一级电容的投切对应一节二极管发光。 4. 按键 1：改变电网状态 LED 的显示状态。 可使显示状态在当前电压值，当前电流值，当前功率因数之间切换。 5. 按键 2：切换到预设功率因数模式，并对 预设功率因数的上限进行设定。 6. 按键 3：切换到预设功率因数模式，并对预设功率因数的下限进行设定。 7. 按键 4：用于对功率因数进行设定的操作按键，每按键一次功率因数预设值加 1。 8. 按键 5：用于对功率因数进行设定的操作按键，每按键一次功率因数预设值减 1。 9. 按键 6：用于对功率因数进行设定的操作按键，每按键一次功率因数预设值加。 键 7：用于对功率因数进行设定的操作按键，每按键一次功率因数预设值减。 直流稳压电源电路 在设计中我用到的单片机，运算放大器芯片以及各种芯片都需 要 +5V或 5V的直流稳压电源来供应电源，而在实际生产中没有可以直接利用的直流稳压电源供给，因此我利用 CW7805及 CW7905分别设计 +5V和 5V两个直流稳压电源。 [8] 以上为 +5V 及 5V 的电路图。 其中， CW7805 是 能输出固定的正电压的稳压器，CW7805 输出为 +5V； CW7809 是 能输出固定的负电压的稳压器， CW7905 输出为 5V。 输图 22 直流稳压电源电路图 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 硬件设计 １０ 入端接电容 C1可以进一步滤除纹波，输出端接电容 C0能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。 C C0最好采用漏电流小 的 电容，如果采用电解电容，则电容量要比图中数值增加 10 倍。 电压电流互感器转换电路 由 于需要采集电流与电压值用于计算无功补偿量，互感器就是必不可少的了。 互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作 ， 变压器变换的是电压而电流互感器变换的是电流罢了。 互感器大致可分为两类 ： 测量用电流互感器和保护用电流互感器。 测量用电流互感器 :测量用电流互感器主要与测量仪表配合，在线路正常工作状态下，用来测量电流、电压、功率等。 测量用微型电流互感器主要要求： 绝缘可靠， 足够高的测量精度， 当被测线路发生故障出现的 过 大电流时互感器应在适当的 量程内饱和（如 500%的额定电流）以保护测量仪表。 保护电流互感器： 保护用电流互感器主要与继电装置配合，在线路发生短路过载等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。 保护用微型电流互感器的工作条件与测量用互感器完全不同，保护用互感器只是在比正常电流大几倍几十倍的电流时才开始有效的工作。 保护用互感器主要要求： 绝缘可靠， 足够大的准确限值系数， 足够的热稳定性和动稳定性。 在本次设计中互感器起到了传感器的作用，即作为测量用的电流电压互感器，由于此次设计互需要用到二次互感，先利用高压互 感器对电力系统进行一次互感，再利用普通的互感器对一次互感出的电流电压进行二次互感，作为因此在以下的选型中我只对第二次的互感器 （即直接焊接于电路板的电流电压互感器）做 介绍。 二次电流互感器我选择了 CT0630/5。 CT0630/5 型号定义： CT —— 电流互感器 06 —— 外型序号 30 —— 额定初级电流 30A 5 —— 额定次级电流 5A 1 2 3 V1 V0 地 V1 地 V0 1 2 3 CW7805 CW7905 图 23 CW7805及 CW7905外观 图 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 硬件设计 １１ 二次电压互感器我选的是 PT01C2/2。 PT01C2/2 型号定义： PT —— 电压互感器 01 —— 外型序号 C —— 电流型 2 —— 额定初级电流 2mA 2 —— 额定次级电流 2mA 型 号 I/O 非线性度 相移 RL=0 （补偿后） 线性范围 负载电阻 PT01C2/2 2mA /2mA ＜ % ＜ 5186。 0～ 10mA ≤ 500Ω 隔离耐压 使用温度 贮存温度 相对湿度 ＞ 2500Vac 50℃ ～ 65℃ 60℃ ～ 80℃ ＜ 90% 额定输入电压 额定输出电压 串联电阻后 30V～ 1000V 50mV～ 8V（运放输出） (2mA) 型 号 I/O 非线性度 相移 RL=0 （补偿后） 线性范围 负载电阻 CT0630/5 30A/5mA ＜ % ＜ 5186。 0A～ 50A ≤200Ω 隔离耐压 使用温度 贮存温度 相对湿度 ＞ 2500Vac 50℃ ～ 85℃ 60℃ ～ 95℃ ＜ 95% 表 21 CT0630/5型电流互感器性能 指标 表 22 PT01C2/2型电压互感器性能指标 图 24 电压电流互感器转换电路图 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 硬件设计 １２ 图中， R 是限流电阻，需要电流信号时，调整 R 的值，使额定输入电流接近互感器额定电流，调整图中反馈电阻 R1 和 R2 的值可得到所需要的电压输出。 电容 C 是 400至 1000pF 的小电容，用来耦合和滤波。 当需要电压信号时，调整图中反馈电阻 R1和 R2 的值可得到所需要的电压输出。 该电流互感器是接在主回路上的电流互感器之后。 主回路的电流互感器的变化视实际使用中变压器输出的电流而定。 当电流较大时，可选用较大变比的电流互感器，一般有 60： 1或 100： 1 等系列可供选用。 由于互感器的一个输出和运放的地连在一起，故共模干扰很小。 图中所用运算放大器视精度要求而用，使用性能较好的运算放大器较容易达到较高的精度和较好的稳定性。 此处选用的是高精度运放 OPA2277。 它具有以下特点： ①超低失调电压： 10μ V； ②超低温漂：177。 0. 1μ V ； ③超低失调电流：≤ 1nA； ④高开环增益： 134dB； ⑤ 宽供电范围：177。 2 V ～177。 18V； ⑥具有轨至轨的特性。 OPA2277 具有连续的供电范围177。 2 V～177。 18V，这使它不像大多数的 OP 系列运放局限于固定的工作电压。 而且轨至轨的特性使其输出电压的范围能跟随电源工作范围，这就能在保证输出电压的大小的前提下，尽可能的减少工作电压，达到节能的目的。 由于 OPA2277 具有内部补偿失调电流的电路，故在使用中不需要在输入脚上接上补偿失调电流的电阻。 互感器的次级连接是电流转电压电路，该电路是将互感器的电流输出信号变换成电压信号，以符合 CPU采样信号是电压信 号的特性。 整流电路 传感器输出的交流电通过 整流电路送入 A/D 转换装置的输入端。 整流，就是把交流电变为直流电的过程。 利用具有单向导电特性的器件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。 图 25 整流电路 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 硬件设计 １３ 整流电路种类很多，它的分类方式也很多。 按组成的器 件可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种。 按电路结构可分为半波 电路和桥式电路。 按电网交流输入相数分为单相电路、三相电路和多相电路。 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。 其中所有半波整流电路都是单拍电路，所有全波整流电路都是双拍电路。 按 控制方式可分为相控式电路和斩波式电路。 按引出方式的不同分中点引出整流电路，桥式整流电路，带平衡电抗器整流电路，环形整流电路，十二相整流电路。 在此我选用了简单常用的单相桥式整流电路。 单 相桥式整流电路如图所示，图中 负载 是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管 D1～ D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。 桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据电压的极性分别导通，将电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。 为简单 起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。 [8] 根据上述分析，通过负载的电流 I以及电压 V的波形都是单方向的全波脉动波形。 桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。 因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。 单片机 AT89C51 主体芯片我用的是 AT89C51 单片机。 它不仅继承 80C51 单片机的全部优点，还嫁接了先进的 FLASH 技术，从而 成为一种特殊的内部含 FLASH 存储器的单片机。 它带有4KB闪速式存储器， 128B 内存，最大工作频率 24MHz，具有 32条输入输出线， 16定时 /计数器， 5 中断源， 1个串行口该单片机性能稳定，抗干扰能力强，开发周期短，且价格低廉，非常适合于对电子设备进行智能化改造。 AT89C51 4KB 可编程 Flash 存储器（可擦写 1000 次） 三级程序存储器保密 静态工作频率 :0Hz24MHz 128 字节内部 RAM 2 个 16 位定时 /计数器 一个串行通讯口 6 个中断源 32 条 I/O 引线 片内时种振荡器 表 23 AT89C51主要性能表 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 硬件设计 １４ 引脚图 ： 引脚介绍： Vcc 电源端 GND 接地端 XTAL1 是片内振荡器的反相放大器输入端， XTAL2 则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。 内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频。 晶振的频率可以在 1MHz24MHz 内选择。 RST 在振荡器运行时，有两个机器周期（ 24 个振荡周期）以上的高。