低压电网中TN一C一S系统是什么基于AT89C51的低压无功功率补偿器的设计

时间：2019-04-21 03:18:34　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：在各个电力系统中，功率因数都是一个非常重要指标。关系到系统的正常运行，设备的运转，在现在能源越发匮乏的情况下，节能成为一个非常重要的课题，提高功率因数就意味着可以节省更多的能源。文章所系统的出发点就节能，以现在技术已经很成熟的AT89C51单片机为基础，配合相应的相位差检测技术，通过自动的投切实现等电压输入，而不影响电流。该系统响应速度快，操作简单，可以广泛应用于各个电气行业。
　　关键词：AT89C51；功率因数；补偿器；电容器
　　中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）11-0011-02
　　一般来说，供电部门一般要求用户的月平均功率因素达到0.9以上。而用户的用电设备功率因素一般较低，很难满足要求，这就要求我们想办法提高功率因素，装设无功功率补偿设备，补偿电容器的投切方式分为手动和自动2种，本系统为自动投切方式。
　　1 系统设计概述
　　无功功率补偿一般采用并联电容器补偿方式，为尽量减少线路损耗和电压损失，宜就地平衡补偿，即低压部分的无功功率宜由低压电容器补偿。本设计主要应用单片机技术，实现对低压电力系统的检测，然后依据检测所得数据进行分析，控制电容器的投切，从而实现对电力系统的功率因数的补偿。
　　无功补偿控制器是本设计的核心部分，它根据检测的功率因数分析计算,然后按照设定的程序进行电容器的投入或者切除,从而达到对整个系统无功功率的补偿，实现功率因素的提高。
　　2 功率因数补偿系统的设计
　　2.1 无功功率补偿器设计的总体框图
　　图1是该设计的系统框图， AT89C51是本系统的处理核心，实现数据处理、输入、输出控制等功能。系统包括检测部分、计算和处理部分、显示部分以及通讯部分组成。首先我们通过计数器8031得出系统的功率因数的大小，再通过比较器将得出的功率因素与设定的功率因素进行比较，计算出所需补偿的无功功率，然后通过控制系统自动投切电容组。对于三相功率因数显示电路，可以考虑用LED数码管。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RS-232C接口，与上位机传递系统通讯，实时交换信息。
　　2.2 AT89C51单片机的硬件结构及性能参数
　　AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
　　2.3 功率因数的计算
　　在交流电力线路中，因为线路感抗的影响，会消耗掉一部分的无功功率，而交流电路中相电压和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。
　　2.4 电力电容器补偿、控制及安装方式的选择
　　①采用并联电力电容器作为无功补偿装置时，为了尽量减少线损和电压损失，宜分散补偿和就地平衡补偿，即低压部分的无功补偿由低压电容器补偿，高压部分的无功补偿由高压电容器补偿，并不得向电网倒送无功。
　　②电容器的投切方式分为手动和自动2种，为避免过补偿或在轻载时电压过高，宜选用自动补偿。
　　③无功自补偿的调节方式：以节能为主者，采用无功功率参数调节；当三相负荷平衡，也可采用功率因素调节；以改善电压偏差为主进行补偿者，应按电压参数进行调节。
　　2.5 相位差检测单元电路的设计
　　本系统的相位差检测单元电路的设计主要包括以下几部分：
　　①采集部分：通过电压、电流互感器分别采集电路中的电压U和电流I，其中电流I，我们通过I/V转换器，可将其转换为U2信号，送至比较部分。
　　②比较部分：将采集到的U和U2信号送至电压比较器进行分别比较，再将比较信号送至鉴幅电路。
　　③鉴定部分：将2个电压比较器得到的两组方波信号送至鉴相电路。输出信号μ0的大小反映出了两信号之间的相位差。电压比较器将输入的交流信号送到鉴相电路进行比较后会有一输出信号μ0,而输出信号μ0的宽度则反映出了两组信号之间的相位差。
　　④处理部分：将鉴相电路得出的μ0信号输入计数器8253处理，并将8253与单片机AT89C51进行通信。AT89C51单片机检测到计数结束信号后，通过总线从8253读出计数值，供单片机处理，并和上位机进行通信。
　　3 投切电容电路的设计
　　电容器的投切控制元件采用大功率的过零型固态继电器SSR，由于该元件本身封装有过零触发模块且自行工作不需CPU控制，既满足了补偿电容无冲击电流投切的要求，同时也有效地克服了执行元件采用晶闸管控制模块所带来的控制复杂及易受干扰而产生误动作的弊端，提高了系统的可靠性。
　　3.1 过零型固态继电器
　　一般来说单片机测控系统都会要对工业现场的各种电气设备进行控制, 这样, 就会有一个单片机的电子电路和电气电路互相连接的问题, 一方面要使单片机的控制信号能够控制电气电路的执行元件（如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等负载） , 另一方面, 又要为单片机的电路和电气电路提供良好的电隔离, 以保护单片机电路和人身的安全, 固态继电器（So lidState Relay,简称SSR）能很好地完成这一桥梁作用。
　　3.2 电源电路设计
　　现在通用的单片机系统中很大部分都是采用了交流220V，50Hz的电源。供电电源的可靠性将直接影响到实时控制系统的可靠性，稳定性。所以我们的单片机系统在和供电电源进行配备时必须采取稳压和防干扰措施以及常规保护措施。
　　如图2所示，我们通过变压器先把交流电源由220 V转变为12 V，交流的12 V电压通过整流电路整流后，得到12 V的直流电源就可以给继电器提供电源了。然后通过7 805把12 V的电源变为单片机所需的+5 V电源。但这时电源的干扰可能较大，我们需用滤波电路将干扰滤掉，所以我们在整流电路后加上滤波电容，以达到排除干扰的目的，电路图详见图2。
　　4 RS-232C串行通信接口
　　RS-232C标准是美国电子工业协会（EIA）与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传达室输率在0~20 kb/s范围内的通信，它具有以下特性：
　　RS-232C接口是单端发送，单端接收，传输线上允许一个驱动器和一个发送器。RS-232C标准接口有25条线。其中4条数据线，11条控制线，3条定时线，7条备用线未定义线。它所采用的电缆传输长度与传输的电容有关。它的最大传输路离可达30 M，最大速率20 kb/s，适于相距较近设备的通信
　　5 结语
　　为适应国家节能减排的政策，本设计旨在节省电力，用途广泛，适应性强。本设计功能明确，适用范围广，操作简单，防干扰能力强，可普遍用于各个电力行业。国家电力行业要求功率因素必须大于0.9，本设计既可以节省成本，也可以满足国家法律要求，避免企业违法。本系统考虑到企业的后期发展，也有扩容功能，能满足以后发展的需求。
　　参考文献：
　　[1] 王兆安.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998.
　　[2]陈国发.单片机功率因数补偿控制器[J].电力电子技术,1990,(1).
　　[3] 程启明.8098单片机控制的功率因数自动补偿器[J].电工技术杂志,1996,(3).
　　[4] 同济大学电气工程系.工厂供电[M].北京:建筑工业出版社,1996.
　　[5] 陈荣.动态功率因数补偿[J].江苏电机工程,2003,22(1).

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