解決三相不平衡問題的無功補償器的設(shè)計

目 錄摘 要I ABSTRACTII 第一章 緒論1 第二章 功率因數(shù)補償系統(tǒng)的設(shè)計概述5 2.1 功率因數(shù)的計算.5 2.2 低壓無功功率設(shè)備安裝的原則與方法.6 2.2.1 電容器裝置控制方式的選擇7 2.2.2 各種無功補償設(shè)備及補償方式7 2.3 投切方式分類9 2.3.1 延時投切方式9 2.3.2 瞬時投切方式10 2.3.3 混合投切方式11 2.4 無功功率補償器設(shè)計的總體框圖11 第三章 功率補償系統(tǒng)單元電路的設(shè)計13 3.1 AT89C52單片機(jī)13 3.2 相位差檢測單元電路的設(shè)計20 3.2.1 相電壓、相電流輸入電路21 3.2.2 相位差的檢測22 3.2.3 相位差的計算24 3.3 投切電容電路的設(shè)計28 3.3.1 8255A28 3.3.2 柔性投切電路.30 3.3.3 過零投切電路與8255A的接口33 3.4 三相功率因數(shù)的顯示電路設(shè)計34 3.4.1 LED顯示器34 3.4.2 8255A與LED顯示器的接口36 3.5 RS-232C串行通信接口38 3.5.1 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)38 3.5.2 MAX232與AT89C52的接口電路39 3.6 “看門狗”單元電路設(shè)計40 3.6.1 微處理器監(jiān)控器MAX690A40 3.6.2 MAX690A與AT89C52的接口42 3.7 電源電路設(shè)計44 第四章 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計45 4.1 主程序設(shè)計流程圖45 4.2 子程序設(shè)計流程圖46第二章 功率因數(shù)補償系統(tǒng)的設(shè)計概述2.1 功率因數(shù)的計算 在交流輸電線路中，由于負(fù)載特性的影響，電路中相電壓，相電流之間存在相位差，其角度大小取決于負(fù)載所呈現(xiàn)的感性或容性的程度。若以表示相位差，則：= (2-1) 式中：R為負(fù)載電阻； XL為負(fù)載電抗， XC為負(fù)載容抗。 負(fù)載中消耗的有功功率為P： (2-2)由(2-1) 式可得： p=UIco (2-3)如圖2-1所示，表示有功功率、無功功率和及視在功率之間的關(guān)系。圖 2-1 功率三角形圖式（2-3）中：U,I分別為電力線路中母線上的相電壓和相電流的有效值，若令S=UI,稱S為視在功率（其中包括有功功率和無功功率），則(2-3)寫作：p=Scos則：cos=若用Q表示補償電容的容量，則Q=PK；其中P為有功功率；K=tan1-tan2； 1為改善前的功率因數(shù)角； 2為改善后的功率因數(shù)角； 在確定并聯(lián)電容器的容量后，就可以選擇并聯(lián)電容器的型號和規(guī)格，并確定并聯(lián)電容器數(shù)量。如果為單相補償，還應(yīng)取為3的倍數(shù)，以便三相均衡分配。2.2 三相不平衡功率補償設(shè)備安裝原則與方法 1. 在電力系統(tǒng)中，安裝容性設(shè)備或裝置以提高功率因數(shù)時，其安裝位置應(yīng)盡量靠近負(fù)載端，以增大補償?shù)男省?2. 容性裝置安裝在低壓側(cè)時，對低壓用電設(shè)備容量較大的電器(如：感應(yīng)電動機(jī)、感應(yīng)電爐、電焊機(jī)等)，可以采用個別裝設(shè)的辦法，以補償局部無功功率消耗的情況；而對于低壓小容量零星設(shè)備，則可以采用集中在低壓配電柜母線側(cè)加裝低壓電容器的辦法集中補償，既經(jīng)濟(jì)又方便維護(hù)。 3. 對低壓側(cè)電動機(jī)做個別補償時，電容器的開關(guān)與電動機(jī)同時運行(見圖2-2)，則效果最好。因為當(dāng)電動機(jī)不工作時，則不必加裝補償電容，以避免由于補償過度，而導(dǎo)致線路中的無功電流反向增大的現(xiàn)象。 4. 補償電容器的容量以提高功率因數(shù)至90%為宜，不需要提高太多，以節(jié)約投資，同時避免由于補償過度，而導(dǎo)致線路中過大的充放電電流。 圖 2-2 電容器位置與開關(guān)同步操作2.2.1 電容器裝置控制方式的選擇 任何改善功率因數(shù)的裝置，都是通過降低無功電流來達(dá)到減小總電流，但當(dāng)電容量補償過大時，又會形成部分無功電流過大而導(dǎo)致總電流反而增大的現(xiàn)象。如何才能達(dá)到最佳的補償效果，這與用電設(shè)備的使用時間和連續(xù)性、非連續(xù)性有著很大的關(guān)系。根據(jù)用電設(shè)備的使用情況，將補償電容器進(jìn)行設(shè)計分組，采用不同的控制方式，以適應(yīng)不同的電力設(shè)備，無功功率補償裝置在電子供電系統(tǒng)中所承擔(dān)的作用是提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當(dāng)，可能造成供電系統(tǒng)，電壓波動，諧波增大等諸多因素。表2-3、2-4是通過研究得出的電容器裝置分組情況及控制方式。 表 2-3 補償電容器裝置分組情況用電設(shè)備運轉(zhuǎn)特性電容器裝置分組全部連續(xù)性部分連續(xù)運行型，部分為半連續(xù)型非連續(xù)運行型固定型補償固定型補償器一組，可切換補償器一組固定型補償器椅子，補償器三組表 2-4 補償電容器裝置控制方式控制方式用電設(shè)備特性計算機(jī)自動控制計算機(jī)時間控制手動控制用電量較大，負(fù)載變動大，且各時段設(shè)備開關(guān)率都不同每日定時變化用電量（工作時段較固定）；每周設(shè)備的開關(guān)情況基本穩(wěn)定24小時用電量差異不大，或偶爾變化量較大時，且可以方便手動操作的場合第三章 補償系統(tǒng)單元電路的設(shè)計 單片機(jī)具有體積小、重量輕、價格便宜、功耗低、控制功能強及運算速度快等特點，故此設(shè)計應(yīng)用單片機(jī)來實現(xiàn)無功功率補償器的各種功能。 單片機(jī)作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，它的成功應(yīng)用推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。近年來，除了各種類型的工控機(jī)，各種以通用微處理器構(gòu)成的計算機(jī)方板模塊，以通用微處理器為核，片內(nèi)擴(kuò)展一些外圍功能電路單元構(gòu)成的嵌入式微處理器，甚至單片形態(tài)的PC機(jī)等，都實現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用，成為嵌入式系統(tǒng)的龐大家族。 16位單片機(jī)雖然擁有運算速度快、處理能力強、I/O接口較豐富等優(yōu)點，但其價格亦相對于8位單片機(jī)較昂貴，而此設(shè)計8位單片機(jī)已能夠?qū)崿F(xiàn)，故仍用8位單片機(jī)。 在眾多的單片機(jī)系列中，AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系列可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，也適用于常規(guī)編程。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超高效的解決方案。 AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，3個16位定時器/計數(shù)器，一個響亮2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89C52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。AT89C52單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價的方案。故此選用AT89C52單片機(jī)。3.1 AT89C52單片機(jī)3.1.1 AT89C52單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 如圖3-1所示，為AT89C52的硬件結(jié)構(gòu)圖。AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與MCS-51系列單片機(jī)的構(gòu)成基本相同。CPU是由運算器和控制器所構(gòu)成的。運算器主要用來對操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運算和位操作的?？刂破魇菃纹瑱C(jī)的指揮控制部件，主要任務(wù)的識別指令，并根據(jù)指令的性質(zhì)控制單片機(jī)各功能部件，從而保證單片機(jī)各部分能自動而協(xié)調(diào)地工作。它的程序存儲器為8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器，閃爍存儲器允許在線+5V電擦除、電寫入或使用編程器對其重復(fù)編程。數(shù)據(jù)存儲器比51系列的單片機(jī)相比大了許多為256字節(jié)RAM。AT89C52單片機(jī)的指令系統(tǒng)和引腳功能與MCS-51的完全兼容。FLASHCPU串行通訊口RAM輸入輸出接口計數(shù)器定時器時鐘 圖 3-1 單片機(jī)89C52結(jié)構(gòu)框圖3.1.2 主要性能參數(shù) 8K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器 1000次可擦寫周期 全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz 三級加密程序存儲器 2568字節(jié)內(nèi)部RAM 32個可編程I/O口線 3個16位定時/計數(shù)器 8個中斷源 可編程串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式 圖 3-2 AT89C52外部引腳圖3.1.3 AT89C52管腳說明VCC：電源GND：接地P0口：P0口是一個8位漏級開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0口端口寫“1”時，引腳作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接受指令字節(jié)：在程序效驗時，輸出指令字節(jié)。程序效驗時，需要外部上拉電阻。 P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位是雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯電平。對P1口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流ILL。 此外，與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸出（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 表 3.1 P1.0和P1.1的第二功能 引腳號功能特性P1.0T2（定時/計數(shù)器2外部計數(shù)脈沖輸入），時鐘輸出P1.1T2EX定時/計數(shù)2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制 在Flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖級可驅(qū)動吸收或輸出電流4個TTL邏輯電平。對P2口寫“1”時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ILL。 在訪問外部好曾許存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在Flash編程和校驗時，P2口接收低8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯電平。對P3口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入端口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ILL。P3口除了作為一般、的I/O口線外，更重要的是它的第二功能，如下表所示。 表 3.2 P3口引腳第二功能引腳號第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（定時器0外部輸入）P3.5T1（定時器1外部輸入）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 在Flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機(jī)器周期以高電平將使用單片機(jī)復(fù)位。 ALE/：地址鎖存器控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時，此引腳（）也使用作編程輸入脈沖。 在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。 如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標(biāo)志位的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 ：外部程序儲存器選通信號（）是外部程序存儲器選通信號。當(dāng)AT89C52從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，在每個機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)儲存器時，將不被激活。 ：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000HFFFFH的外部程序存儲器讀取指令，端必須保持低電平（接地）。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接VCC。 在flash編程期間，也接受12伏VPP電壓。 XTA L1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTA L2：振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.4 存儲器結(jié)構(gòu) MCS-51器件有單獨的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器都可以64K尋址。1. 程序存儲器 如果EA引腳接地，程序讀取只從外部存儲器開始。對于89C52，如果EA接VCC，程序先從內(nèi)部存儲器（地址為0000H1FFFFH）開始，接著從外部尋址，尋址范圍為：2000HFFFFH。2. 數(shù)據(jù)存儲器 AT89C52有256字節(jié)RAM。高128字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。也就是說高128字節(jié)與特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分開的。當(dāng)一條指令訪問高于7FH的地址時，尋址方式?jīng)Q定CPU訪問高字節(jié)RAM還是特殊功能寄存器空間。直接尋址方式訪問特殊功能寄存器（SFR）。3.1.5 定時器1. 定時器0和定時器1在AT89C52中，定時器0和定時器1都是16位加法計數(shù)結(jié)構(gòu)，分別由TH0（地址8CH）和TL0（地址8AH）及TH1（地址8DH）和TL1（地址8BH）兩個8位計數(shù)器組成。這4個計數(shù)器均屬于專用寄存器之列。每個定時器/計數(shù)器都有定時和計數(shù)兩種功能。2. 計數(shù)功能 所謂的計數(shù)功能是指對外部事件進(jìn)行計數(shù)。外部事件的發(fā)生以輸入脈沖表示，因此計數(shù)功能的實質(zhì)就是對外脈沖進(jìn)行計數(shù)。MCS-51系列的芯片有T0（P3.4）和T1（P3.5）兩個信號引腳，分別就是這兩個計數(shù)器的計數(shù)輸入端。外部輸入的脈沖在負(fù)跳變時有效，進(jìn)行計數(shù)器加1。計數(shù)方式下，單片機(jī)在每個機(jī)器周期的S5P2拍節(jié)對外部計數(shù)脈沖進(jìn)行采樣。如果前一個機(jī)器周期采樣為高電平，后一個機(jī)器周期采樣為低電平，即為一個有效計數(shù)脈沖。在下一個機(jī)器周期的S3P1進(jìn)行計數(shù)?？梢姴蓸佑嫈?shù)脈沖是在2個機(jī)器周期進(jìn)行的。鑒于此，計數(shù)脈沖的頻率不能高于振蕩脈沖的頻率不能高于振蕩脈沖頻率的1/24。3. 定時功能 定時器也是通過計數(shù)器的計數(shù)來實現(xiàn)的，不過此時的計數(shù)脈沖來自單片機(jī)的內(nèi)部，即每個機(jī)器周期產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖。也就是每個機(jī)器周期計數(shù)加1。由于一個機(jī)器周期等于12個振蕩脈沖周期，因此計數(shù)頻率為振蕩頻率的1/12。如果單片機(jī)采用12MHz晶體，則計數(shù)頻率為1MHz。即每微秒計數(shù)器加1。這樣不但可以根據(jù)計數(shù)值計算出定時時間，也可以反過來按定時時間的要求計算出計數(shù)器的預(yù)置值。4. 定時器2 定時器2是一個16位定時器/計數(shù)器，它既可以作定時器，又可以做事件計數(shù)器。其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位選擇（如表2所示）。定時器2有三種工作模式：捕捉方式、自動重載（向上或向下計數(shù)）和波特率發(fā)生器。如表3.3所示，工作模式由T2CON中的相關(guān)為選擇。定時器2有2個8位寄存器：TH2和TL2。在定時工作方式中，每個機(jī)器周期，TL2寄存器都會加1。由于一個機(jī)器周期由12個晶振周期構(gòu)成，因此，計數(shù)頻率就是晶振頻率的1/12。表 3.3 定時器2工作模式RCLK+TCLKCP/RL2TR2MODE00116位自動重載01116位捕捉11波特率發(fā)生器0不用 在計數(shù)工作方式下，寄存器在相關(guān)外部輸入角T2發(fā)生1至0的下降沿時增加1。在這種方式下，每個機(jī)器周期的S5P2期間采樣外部輸入。一個周期采樣到高電平，而下一個周期采樣到低電平，計數(shù)器加1。在檢測到跳變的這個周期的S3P1期間，新的計數(shù)值出現(xiàn)在寄存器中。因為識別10的跳變需要2個機(jī)器周期（24個晶振周期），所以，最大的計數(shù)頻率不高于晶振頻率的1/24。為了確保給定的電平在采樣前采樣到一次，電平應(yīng)該至少在一個完整的機(jī)器周期內(nèi)保持不變。表3.4 T2MOD-定時器2控制寄存器 T2MOD地址：0C9H 復(fù)位值：00B-T2OEDCEN76543210符號功能無定義，預(yù)留擴(kuò)展T2OE定時器2輸出允許位DCEN置1后，定時器2可配置向上或向下計數(shù)3.1.6 中斷 AT89C52有6個中斷源：兩個外部中斷（INT0和INT1），三個定時中斷定時器0、1、2和一個串行中斷。每個中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器IE中的相關(guān)中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無效。IE還包括一個中斷總控制位EA，它能禁止所有中斷。 如表3.5所示，IE.6位是不可用的。對于AT89S52，IE.5位也是不能用的。用戶軟件不應(yīng)給這些位寫1。它們?yōu)锳T89系列新產(chǎn)品預(yù)留。定時器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或邏輯觸發(fā)。程序進(jìn)入中斷服務(wù)后，這些標(biāo)志位都可以由硬件清0。實際上，中斷服務(wù)程序必須判定是否是TF2或EXF2激活中斷。標(biāo)志位也必須由軟件清0。定時器0和定時器1標(biāo)志位TF0和TF1在計數(shù)溢出的那個周期的S5P2被置位。它們的值一直到下一個周期被電路捕捉下來。然而，定時器2的標(biāo)志位TF2在計數(shù)溢出的那個周期被置位，在同一個周期被電路捕捉下來。表 3.5 中斷允許控制位符號位地址功能EAIE.7中斷允許控制位，EA=0，中斷總禁止；EA=1，各中斷由各自的控制位設(shè)定-IE.6預(yù)留ET2IE.5定時器2中斷允許控制位ESIE.4串行口中斷允許控制位ET1IE.3定時器1中斷允許控制位EX1IE.2外部中斷1允許控制位ET0IE.1定時器0中斷允許控制位EX0IE.0外部中斷0允許控制位3.1.7 晶振特性 AT89C52單片機(jī)有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構(gòu)成自激振蕩器。從外部時鐘遠(yuǎn)驅(qū)動器件的話，XTAL2可以不接，而從XTAL1接入。由于外部時鐘信號經(jīng)過二分頻觸發(fā)后作為外部時鐘電路輸入的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有其它要求，最長低電平持續(xù)時間和最少高電平持續(xù)時間等還是要符合要求的。 石英晶振 C1，C2=30PF+-10PF 陶瓷諧振器 C1，C2=40PF+-10PF3.1.8 空閑模式 在空閑工作模式下，CPU處于睡眠狀態(tài)，而所有片上外部設(shè)備保持激活狀態(tài)。這種狀態(tài)可以通過軟件產(chǎn)生。在這種狀態(tài)下，片上RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變。 空閑模式可以被任一個中斷或硬件復(fù)位中止。由硬件復(fù)位終止空閑模式只需兩個機(jī)器周期有效復(fù)位信號，在這種情況下，片上硬件禁止訪問內(nèi)部RAM，而可以訪問端口引腳。空閑模式被硬件復(fù)位終止后，為了防止預(yù)想不到的寫端口，激活空閑模式的那一條指令的下一條指令不應(yīng)該是寫端口或外部存儲器。3.1.9 掉電模式在掉電模式下，晶振停止工作，激活掉電模式的指令是最后一條執(zhí)行指令。片上RAM和特殊功能寄存器保持原值，直到掉電模式終止。掉電模式可以通過硬件復(fù)位和外部中斷退出。復(fù)位重新定義例如SFR的值。在VCC未恢復(fù)到正常工作電壓時，硬件復(fù)位不能無效。并且應(yīng)保持足夠長的時間以使晶振重新工作和初始化。表 3.6 空閑模式和掉電模式下的外部引腳狀態(tài)模式程序存儲器ALEPESNPORT0PORT1PORT2PORT3空閑內(nèi)部11數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)空閑外部11浮空數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)掉電內(nèi)部00數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)掉電外部00浮空數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)3.2 相位差檢測單元電路的設(shè)計 如圖3-5所示相位差檢測單元電路的設(shè)計主要包括以下幾部分： 1. 采集要進(jìn)行補償線路的信號（及該線路的電壓和電流）并進(jìn)行相應(yīng)的處理。由于直接采集到的線路電壓和電流都比較大，不能直接進(jìn)行分析和控制?？梢詫⒉杉降木€路電壓U和電流I分別經(jīng)過電壓/電流互感器處理后再進(jìn)行分析。為了便于比較，I經(jīng)過電流互感器處理后再經(jīng)過I/U變換后變成Ui信號。 2. 將得到的U和Ui信號分別傳送到電壓比較器，得到兩組方波信號1、2。電壓比較器是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元。 3. 將得到的兩組方波信號輸入鑒相電路。輸出信號0的寬度反映了兩信號之間的相位差。電壓比較器將輸入的交流信號變成方波信號1、2，經(jīng)過由D觸發(fā)器構(gòu)成的鑒相電路后，輸出信號0的寬度反映了兩信號之間的相位差。 4. 將得到的信號送入計數(shù)器8253處理，并將8253與單片機(jī)AT89C52進(jìn)行連線。AT89C52單片機(jī)檢測到計數(shù)結(jié)束信號后，通過總線從8253讀出計數(shù)值，供單片機(jī)處理。 圖 3-5 相位差檢測框圖3.2.1 相電壓、相電流輸入電路 線路上的電壓和電流都比較大，不能直接用來進(jìn)行分析，可以用一定的方法將其降壓后再進(jìn)行處理。本設(shè)計中使用電壓/電流互感器來進(jìn)行降壓。電壓互感器按原理分為電磁感應(yīng)式和電容分壓式兩類。電磁感應(yīng)式多用于 220kV及以下各種電壓等級。電容分壓式一般用于110kV以上的電力系統(tǒng),330765kV超高壓電力系統(tǒng)應(yīng)用較多。電壓/電流互感器和變壓器的工作原理基本相同,都是運用電磁感應(yīng)原理來工作的?；窘Y(jié)構(gòu)也是鐵心和原、副繞組。特點是容量很小且比較恒定，正常運行時接近于空載狀態(tài)。電壓互感器本身的阻抗很小，一旦副邊發(fā)生短路，電流將急劇增長而燒毀線圈。為此，電壓互感器的原邊接有熔斷器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時，副邊出現(xiàn)對地高電位而造成人身和設(shè)備事故。變壓器的作用是將一種等級的電壓變換成另一種等級的同頻率的電壓,它只能實現(xiàn)電壓的變換,不能實現(xiàn)功率的變換?；ジ衅鞣譃殡妷夯ジ衅骱碗娏骰ジ衅鳌ｋ妷夯ジ衅鞯淖饔檬枪┙o測量儀表,繼電器等電壓,從而正確的反映一次電氣系統(tǒng)的各種運行情況。使測量儀表,繼電器等二次電氣系統(tǒng)與一次電氣系統(tǒng)隔離,以保證人員和二次設(shè)備的安全,將一次電氣系統(tǒng)的高電壓變換成同樣標(biāo)準(zhǔn)的低電壓值(100伏,100/1.732伏,100/3伏)。電流互感器的作用與電壓互感器的作用基本相同,不同的就是電流互感器是將一次電氣系統(tǒng)的大電流變換成標(biāo)準(zhǔn)的5A或1A供給繼續(xù)電器,測量儀表的電流線圈。本設(shè)計為三相不平衡功率補償，所以可以用電磁感應(yīng)式電壓互感器。圖 3-6 相電壓、相電流輸入電路如圖所示以A線為例，從三相交流輸電線A相取電壓信號U，從A取電流信號I，U通過電壓互感器電路變換成5V電壓信號UU，I通過電流互感器和I/U轉(zhuǎn)換等電路轉(zhuǎn)換成同相位的電壓信號Ui。圖中的電阻R1、R2、起分壓作用。3.2.2 相位差的檢測為了將得到的電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行分析，可以先把電壓和電流的余旋波形經(jīng)過一定的方法轉(zhuǎn)化為方波信號。本設(shè)計中采用電壓比較器。電壓比較器是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元。本設(shè)計中電路只有一個閥值電壓，故可采用單限比較器。也稱為過零比較器，其閥值電壓UT=0V。電路如圖3-7所示圖3-7 過零比較器電路 為了限制集成運放的差模輸入電壓，保護(hù)其輸入端，可加二極管限幅電路，如圖3-8所示。 圖 3-8 電壓比較器電路圖把得到的電壓信號輸入由D觸發(fā)器構(gòu)成的鑒相電路（如圖3-9）后可以得到兩信號的相位差。圖 3-9 由D觸發(fā)器構(gòu)成的鑒相電路 以A相為例，A相的電壓由電壓互感器降壓隔離后加到電壓比較器的輸入端，A相的電流由電流互感器經(jīng) I/U 變換后加在另一電壓比較器的輸入端。兩電壓比較器將輸入的交流信號變成方波信號1、2，經(jīng)過由D觸發(fā)器構(gòu)成的鑒相電路后，輸出信號0的寬度反映了兩信號之間的相位差，如圖3-10所示。 圖 3-10 相位檢測波形圖3.2.3 相位差的計算3.2.3.1 計數(shù)器8253 1. 引腳及功能 圖 3-10 可編程定時器8253外部引線圖 D0D7:8位雙向數(shù)據(jù)線。用來傳送數(shù)據(jù)、控制字和計數(shù)器的計數(shù)初值。 ：選片信號，輸入。底電平有效。由系統(tǒng)高位I/O地址譯碼產(chǎn)生。當(dāng)它有效時，此定時器芯片被選中。 ：讀控制信號，輸入。底電平有效。當(dāng)它有效時表示CPU要對此定時器芯片進(jìn)行讀操作。 ：寫控制信號，輸入。底電平有效。當(dāng)它有效時表示CPU要對此定時器芯片進(jìn)行寫操作。A0，A1：地址信號線。高地址信號經(jīng)譯碼產(chǎn)生選片信號，決定了8253芯片所具有的地址范圍。而A0和A1地址信號則經(jīng)片內(nèi)譯碼產(chǎn)生4個有效地址，分別對應(yīng)了芯片內(nèi)部3個獨立的計數(shù)器（通道）和一個控制寄存器。具體規(guī)定如表3.7所示： 表 3.7 計數(shù)器選擇 A1A000選擇計數(shù)器001選擇計數(shù)器110選擇計數(shù)器211選擇控制寄存器 CLK0CLK2：每個計數(shù)器的時鐘信號輸入端。計數(shù)器對此時鐘信號進(jìn)行計數(shù)。CLK信號是計數(shù)器工作的計時基準(zhǔn)，因此要求其頻率要很精確。 GATE0GATE2：門控信號，用于控制計數(shù)的啟動和停止。多數(shù)情況下，GATE=1時允許計數(shù)，GATE0=0時停止計數(shù)。但有時僅用GATE的上升沿啟動計數(shù)，啟動后則GATE的狀態(tài)不再計數(shù)過程。 OUT0OUT2：計數(shù)器輸出信號。在不同的工作方式下將產(chǎn)生不同的輸出波形。 2. 8253的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作方式 8253的工作方式有6種，本論文的設(shè)計主要用到方式0，詳細(xì)介紹： 方式0：計數(shù)結(jié)束中斷。在這種方式下，在第一個寫信號有效時向計數(shù)器寫入控制字CW，之后其輸出端OUT就變成低電平。在第二個有效時裝入計數(shù)初值，然后經(jīng)過一個CLK信號的上升沿和下降沿，初值進(jìn)土計數(shù)器。當(dāng)計數(shù)減到零計數(shù)結(jié)束后，OUT輸出變?yōu)楦唠娖?，該輸出信號可作為中斷請求信號使用?在這種方式，當(dāng)控制字CW(Control Word)寫入控制字寄存器，則使OUT輸出端變低；在CLK脈沖上升沿檢測GATE信號是否有效；若為高電平，則在寫入計數(shù)初值后，在CLK脈沖下降沿，初值由CR置于CE中；通道開始減1計數(shù)，在計數(shù)過程中OUT線一直維持為低；直到計數(shù)減至“0”時，OUT輸出變高。特點有： 由CR-CE的置數(shù)只置一次，當(dāng)減計數(shù)到0時，并不重復(fù)置入，且輸出OUT保持為高。只有再一次寫入一個計數(shù)值時，才開始新的計數(shù)。 在寫計數(shù)值命令后經(jīng)過一個輸入脈沖，才將計數(shù)值裝入計數(shù)單元CE，下一個脈沖才開始計數(shù)。因此，如果設(shè)置計數(shù)初值為 N，則輸出信號OUT是在N+1個CLK脈沖之后才變高的。這個特點在方式1、方式2、方式4和方式5時也是同樣的。 在計數(shù)過程中，可由門控信號GATE控制暫停。當(dāng)測得GATE=0時，計數(shù)暫停，當(dāng)GATE變高后就接著計數(shù)。 在計數(shù)過程中可改變計數(shù)值。若是8位計數(shù)，在寫入新的計數(shù)值后，計數(shù)器將按新的計數(shù)值重新開始計數(shù)。如果是16位計數(shù)，在寫入第一個字節(jié)后，計數(shù)器停止計數(shù)，在寫入第二個字節(jié)后，計數(shù)器按照新的數(shù)值開始計數(shù)。即改變計數(shù)值是立即有效的。 3. 8253計數(shù)啟動方法 8253計數(shù)器的計數(shù)過程，可以由程序指令啟動，稱為軟件啟動；也可由電路信號啟動，稱為硬件啟動。本設(shè)計主要用到軟件啟動。 軟件啟動就是CPU用輸出指令想計數(shù)器寫入初值后就啟動計數(shù)。寫入初值后的第一個CLK信號將初值積存器中內(nèi)容送到計數(shù)器中，而從第二個CLK脈沖的下降沿開始，計數(shù)器才真正進(jìn)行減1計數(shù)。之后每來一個CLK脈沖都會使計數(shù)器減1。4. 相位差檢測電路圖 3-12 相位差檢測電路圖8253共占用了4個接口地址，地址范圍由高位地址信號決定，高位地址的譯碼輸出接到片選信號，A0和A1分別接到74LS373上，用來尋址芯片內(nèi)部的3個計數(shù)器及控制寄存器。信號、A0、A1與讀信號、寫信號配合，可以實現(xiàn)對8253的各種讀寫操作。U0通過與門加到8253的計數(shù)器0的門控信號GATE0上，當(dāng)GATE0為高電平時，計數(shù)器計數(shù)；GATE0為低電平時，計數(shù)器停止計數(shù)。門控信號同時還受,AT89C52的P1.2控制，P1.2為高電平時禁止計數(shù)，只有當(dāng)P1.2為低電平時才允許計數(shù)，AT89C52的P3.2檢測到計數(shù)結(jié)束信號后，通過總線從8253讀出計數(shù)值，供單片機(jī)處理。5. 計數(shù)器8253初始化程序8253計數(shù)器的0計數(shù)器地址為0800H；1計數(shù)器地址為0801H；2計數(shù)器地址為0802H；2計數(shù)器控制寄存器地址為0803H。0計數(shù)器初始化：MOV DPTR , # 0803H ；MOV A,#30H ；MOVX DPTR,A ；MOV DPTR , # 0800H ；MOV A, # 0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；1計數(shù)器初始化：MOV DPTR ，#0803H ；MOV A, #70H ；MOVX DPTR, A ；MOV DPTR ,#0801H ；MOV A,#0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；2計數(shù)器初始化：MOV DPTR , # 0803H ；MOV A ,#B0H ；MOVX DPTR, A ；MOV DPTR , #0802H ；MOV A, #0FFH ；MOVX DPTR, A ；MOVX DPTR, A ；3.3 投切電容電路的設(shè)計 電容器的投切控制元件采用大功率的過零型固態(tài)繼電器SSR，由于該元件本身封裝有過零觸發(fā)模塊且自行工作不需CPU控制，既滿足了補償電容無沖擊電流投切的要求，同時也有效地克服了執(zhí)行元件采用晶閘管控制模塊所帶來的控制復(fù)雜及易受干擾而產(chǎn)生誤動作的弊端，提高了系統(tǒng)的可靠性。3.3.1 8255A 8255A是Intel公司生產(chǎn)的為X86系列CPU配套的可編程并行接口芯片。8255A的通用性較強，使用靈活，是一種典型的可編程并行接口。 3.3.1.1 8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理 8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括三個并行數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，兩個工作方式控制電路，一個讀/寫控制電路和8位總線緩沖器。 1. 8255端口 8255A具有3個8位并行I/O口，稱為PA口，PB口和PC口。其中PC口又分為高四位和低四位 A口：是一個數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 B口：是一個數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。 C口：是一個數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器。 通常，A口，B口作為數(shù)據(jù)輸入/輸出端口，C口作為控制/狀態(tài)信息端口。C口內(nèi)部又分為兩個4位端口，每一個端口有一個4位鎖存器，分別與A口和B口配合使用，作為控制信號輸出或狀態(tài)信息輸入端口。 2. 工作方式控制通過控制字設(shè)定可以選擇三種工作方式：基本輸入/輸出、選通輸入/輸出、PA口為雙向總線。工作方式控制電路有兩個，一個A組控制電路，另一個是B組控制電路。這兩組控制電路共有一個控制命令寄存器，用來接收中央處理器發(fā)來的控制字。A組控制電路用來控制A口和C口的上半部分。B組控制電路用來控制B口和C口的下半部分。 3. 總線數(shù)據(jù)緩沖器 總線數(shù)據(jù)緩沖器是一個三態(tài)雙向8位緩沖器，作為8255A與系統(tǒng)總線之間的接口，用來傳送數(shù)據(jù)，指令，控制命令以及外部狀態(tài)信息。 4. 讀/寫控制邏輯電路讀/寫控制邏輯電路接收CPU發(fā)來的控制信號、RESET、地址信號、等,然后根據(jù)控制信號的要求,將端口數(shù)據(jù)讀出,送往CPU或?qū)PU送來的數(shù)據(jù)寫入端口.5. 各端口的工作狀態(tài)表 3.8 各端口工作狀態(tài)端口地址選擇操作選擇所選端口CPU操作功能0（選中）00A口01讀A口內(nèi)容01B口01讀B口內(nèi)容10C口01讀C口內(nèi)容00A口10寫入A 口01B口10寫入B口10C口10寫入C口11控制寄存器10寫入控制字1未選中3.3.1.2 8255A的引腳及引腳功能 8255A共有40個引腳,采用雙列直插式封裝,如圖3-14。圖 3-14 8255A的引腳圖 ：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線 ：A口輸入/輸出線 ：B口輸入/輸出線 ：C口輸入/輸出線 ：片選信號線 ：讀信號線 ：寫信號線 ：+5V電源 ：復(fù)位信號線 ，：地址線 ：地線3.3.2 柔性投切電路為了實現(xiàn)柔性控制，可以使用過零型故態(tài)繼電器作為控制開關(guān)。3.3.2.1 過零型固態(tài)繼電器 單片機(jī)測控系統(tǒng)免不了要對工業(yè)現(xiàn)場的各種電氣設(shè)備進(jìn)行控制, 這樣, 就存在一個單片機(jī)的電子電路和電氣電路互相連接的問題, 一方面要使單片機(jī)的控制信號能夠控制電氣電路的執(zhí)行元件(如電動機(jī)、電磁鐵、繼電器、燈泡等負(fù)載) , 另一方面, 又要為單片機(jī)的電路和電氣電路提供良好的電隔離, 以保護(hù)單片機(jī)電路和人身的安全, 固態(tài)繼電器(So lidState Relay, 簡稱SSR ) 能很好地完成這一橋梁作用。 SSR 是一種無觸點功率半導(dǎo)體器件, 其特點是: 1. 輸入控制電壓低(314V ) , 直流或脈沖電壓均能作輸入控制信號, 驅(qū)動電流小, 輸入控制電壓與TTL、HTL、CMO S、PMO S 電平兼容。 2. 輸出、輸入間一般采用光電隔離, 隔離絕緣大于2kV , 符合國際電氣安全標(biāo)準(zhǔn)。 3. 輸出無觸點、無噪聲、無火化, 開關(guān)速度快。 4. 有交流、直流輸出方式, 輸出電壓有多種規(guī)格選擇。 5. 采用環(huán)氧樹脂全灌封裝, 防塵、耐濕、耐振、壽命長。 由于以上優(yōu)點, SSR 在單片機(jī)測控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)負(fù)載電流的不同, SSR 分交流(AC SSR )和直流(DC SSR ) 2 種, 又根據(jù)觸發(fā)控制形式的不同,ACSSR 又分隨機(jī)導(dǎo)通(P 型) 和過零觸發(fā)(Z 型)2 種, 由于ACSSR (Z 型) 對外的干擾非常小, 應(yīng)用更廣。此次設(shè)計主要用到過零型故態(tài)繼電器。 ACSSR (Z 型) 電路如圖3-15所示. 圖 3-15 過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器結(jié)構(gòu)圖 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由信號輸入電路、零電壓檢測和控制電路、雙向可控硅輸出及RC 吸收電路構(gòu)成。當(dāng)無信號輸入時, T 1 管導(dǎo)通, SCR 處于關(guān)斷狀態(tài), SSR 是斷開狀。 當(dāng)有信號輸入時, T 1 管截止, R5、R6、T 2 組成過零電壓檢測, 只要R4、R6 的分壓超過T 2 的基、射極壓降, T 2 管飽和導(dǎo)通, 它使SCR 的控制極箝位在低電壓上, 而不能導(dǎo)通, 只有當(dāng)輸入信號加入的同時, 負(fù)載電壓又處在零電壓附近(+ 10V+ 20V 范圍) , 來不及使T 2 進(jìn)入飽和導(dǎo)通, 此時SCR 才能通過R3 注入控制電流而導(dǎo)通, 雙向可控硅TRAC 通過R7整流橋SCR整流橋, 得到了觸發(fā)電流, 故TRAC 導(dǎo)通, 將負(fù)載與電源接通.當(dāng)輸入信號撤銷后, T 1 進(jìn)入飽和狀態(tài), 它旁路了SCR 的控制電流, 因此, 在SCR 電流過零的瞬間, SCR 將截止, 一旦SCR 截止后, TRAC 也在其電流減小到小于堅持電流的瞬間自動關(guān)斷, 切斷負(fù)載與電源間的電流通道。 電路是有過零時開啟(并非電壓為0V 處導(dǎo)通,而是有一定電壓) , 電流過零時關(guān)斷的特性。固態(tài)繼電器的驅(qū)動電路可以包括隔離耦合電路、功能電路和觸發(fā)電路三部分。隔離耦合電路，目前多采用光電耦合器和高頻變壓器兩種電路形式。常用的光電耦合器有光三極管、光雙向可控硅、光二極管陣列(光伏)等。高頻變壓器耦合，是在一定的輸入電壓下，形成約10MHz的自激振蕩，通過變壓器磁芯將高頻信號傳遞到變壓器次級。功能電路可包括檢波整流、過零、加速、保護(hù)、顯示等各種功能電路。觸發(fā)電路的作用是給輸出器件提供觸發(fā)信號。出電路主要由輸出器件(芯片)和起瞬態(tài)抑制作用的吸收回路組成，有時還包括反饋電路。目前，各種固態(tài)繼電器使用的輸出器件主要有晶體三極管(Transistor)、單向可控硅(Thyristor或SCR)、雙向可控硅(Triac)、MOS場效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)等。如圖3-16所示為過零型固態(tài)繼電器在無功功率補償電路中的工作原理，只有當(dāng)單片機(jī)發(fā)出投切信號且過零檢測有同步脈沖信號時，“產(chǎn)生觸發(fā)脈沖”模塊才產(chǎn)生觸發(fā)脈沖并保持，使過零型固態(tài)繼電器內(nèi)部的晶閘管接通，電容平穩(wěn)投入。需要切除時只要單片機(jī)發(fā)出切除信號，固態(tài)繼電器在其流過的電流過零時自然關(guān)斷，電容器被切除。采用過零型固態(tài)繼電器能實現(xiàn)等電壓投入，零電流切除，所以該控制器對電網(wǎng)沖擊小。系統(tǒng)有電后即可打開中斷過零檢測，過零檢測模塊在A相電壓正向過零時刻產(chǎn)生中斷觸發(fā)脈沖，系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序。在中斷程序運行過程中，對電網(wǎng)的電流、電壓進(jìn)行檢測，從而計算出電網(wǎng)無功功率的盈缺量。系統(tǒng)根據(jù)盈缺量作為投入或切除補償電容量大小的依據(jù)達(dá)到補償無功功率的目的。 圖 3-16 過零型固態(tài)繼電器工作原理圖 圖3-17是由固態(tài)繼電器構(gòu)成的投切電容電路，通過過零型固態(tài)繼電器的控制可以達(dá)到設(shè)計要求的柔性投切。 圖 3-17 由固態(tài)繼電器構(gòu)成的電容投切電路3.3.3 過零投切電路與8255A的接口如圖3-18所示，投切電容器電路主要用到8255A、鎖存器74LS373、過零固態(tài)繼電器等元器件。 圖 3-18 投切電容電路圖該電路的8255A軟件控制字方式為2，即使用PC口的位操作功能，可控制8個量：通過AT89C52的P1.5、P1.6、P1.7控制鎖存器74LS37