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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于MSP430电容测量装置的设计与改进 姓名：敬照亮 申请学位级别：硕士 专业：电气信息测量技术 指导教师：李开成 20090531 I 摘摘 要要 电力电容器作为电力系统无功补偿的重要设备，在电力系统中有着非常重要的 作用，但是电力电容器的长期的工作肯定会导致其老化，老化后会导致其容量的减 少或增加，就不能有效的实现电力系统的补偿。针对这种情况开发研制出的智能电 容测量装置，可以有效的解决上面的问题，因而极具使用价值。本文研制的智能电 容测量装置主要由两部分组成：手持测量器和功率信号源。因为本人的工作主要是 功率信号源的研制开发，所以本论文是以功率信号源为主线展
2、开的。本文研制的功 率信号源最大输出功率在 90W，最大电压可以达到 90V，最大输出频率可以达到 200Hz。先进的直接数字频率合成芯片（DDS）AD9851 作为本文系统的信号发生芯 片。滤波电路采用了二阶有源低通滤波电路加一阶高通滤波电路的形式，有效的滤 除了 AD9851 输出信号时的高频噪音和直流分量，提高了正弦频率信号的质量。 20Hz 时信号输出不管是 3V 还是 9V 都能达到 0.1%的精度，而本系统的难点是输出 200Hz 时信号精度达不到 0.1%且存在严重衰减的问题。 针对上面的问题，本文提出了电压环控制策略，有效的解决了 200Hz 时信号幅 值衰减严重的问题。16
3、位 D/A 芯片可以控制输出电压的增益，通过模拟乘法器对正 弦波进行调制，就可以实现对正弦波幅值的控制。为了实现电压源的特性，闭环控 制环节采用了电压闭环控制的策略，可以由单片机和模拟电路实现。本文所作的大 部分工作就是为了保证在 200Hz 下信号幅值输出稳定。为了保证在 200Hz 下输出电 压的稳定，系统在电压控制环节的硬件设计和实验上花费了大量的时间和精力。电 压环的硬件选择极为困难，因为考虑到功率信号输出的精度要达到 0.1%的精度，各 个环节的硬件精度都必须优于 0.1%，否则功率信号就达不到技术指标的要求。 关键词关键词：DDS，电压源，电压控制，模拟乘法器，调制 II Abst
4、ract Reactive power compensation equipment play an important role in power system. Because of long-term switched, the electrical capacitor is bound to aging. In view of this situation, a Intelligent capacitor measuring device, can check it periodically In this paper, Intelligent capacitor measuring
5、device is composed of two parts: the handheld device and power source. My work is mainly research and development of the power source, so this paper is based on the main line power source as main line to start. In this paper, the power source can output maximum power at 100W, the maximum voltage can
6、 reach 90V, the maximum output frequency can reach 200Hz. In my paper,advanced direct digital synthesizer chip (DDS) AD9851 systems is the chip signal generator,its filter circuit is using the form of a second-order low-pass filter circuit and the first-order high-pass filter circuit in series, it c
7、an filter High-frequency noise and DC component effectively. Regardless of the signal output being 3V or 9V the 20Hz signals Amplitude can reach accuracy of 0.02%, the difficulty of the system is that the 200Hz output signals cant reach accuracy of 0.1%. and that there is a serious problem of attenu
8、ation. In view of this problem, this paper introduces the voltage loop control strategy, the control strategy can solve the serious attenuation problem of signals amplitude at 200Hz. 16-bit DA-chip can control the gain of output voltage. Through the analog multiplier of the sine wave can be modulate
9、d, we can achieve the control of amplitude of sine wave. In order to achieve the characteristics of voltage source, the use of closed-loop control of voltage link the idea of closed-loop control by the MCU and analog circuits to achieve. In this paper, most of the work is under 200Hz in order to ens
10、ure stable output signal amplitude. 200Hz in order to ensure the stability of the output voltage of the system voltage control in the hardware aspects of experimental design and spent a great deal of time and effort. Voltage loop is extremely difficult to choose the hardware, because, taking into ac
11、count the accuracy of the output signal power to achieve 0.1% accuracy, the accuracy of all aspects of the hardware have to be better than 0.1%, or less than the power signal on the requirements of Specifications Keyword：DDS，voltage source，voltage control，analog multiplier. 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师
12、指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本论文
13、属于 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 1 绪论绪论 随着现代科学技术的不断进步，对功率信号源要求越来越高，广泛使用于各种 设备的驱动和校验。功率信号源的发展与现在的数字技术的相结合，可以实现精度 更高，输出的功率更大，功能也更多。 1.1 课题背景课题背景 交流电路中的有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能 转换为其他形式能量（机械能、光能、热能）的电功率。无功功率是用于电路内电 场与磁场的交换、在电气设备中建立和维持磁场的电功率，它不对外做功，只是协 助能量
14、转换。在正常情况下，用电设备不但要从电力系统取得有功功率，同时还要 取得无功功率。如果电网无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建 立正常的电磁场，其正常运行就会受到端电压下降的威胁，而电网运行的现状是从 发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了无功负荷需要，使得无功功率 的问题越来越严重。 随着无功功率问题的日益严重，迫切需要在电力系统中设置无功补偿装置来补 充无功功率。大量的实验证明，用电容器进行无功补偿以提高功率因数，既能降低 电网的有功损耗，又能降低电网的无功消耗，同时还能提高变压器和电力线路的容 量利用率和减少电压降，是减低变压器及供电线路损耗的一种普遍应用的节电措
15、施，又因其价格低廉、操作设备简单、效果明显而得到广泛应用。所以目前国内电 网大多采用投入串并联电容器组做无功补偿，大部分采用的是静态式集中补偿。目 前应用最广泛的无功补偿装置仍是采用投切并联电容器组的方式，电力电容器是电 力系统无功补偿应用中的重要电力设备。由此可见，电力系统中电力电容器具有重 要地位，是变电站的必须装置，其对于减低网损、提高供电容量、提高电压质量具 有决定性作用。 然而电容无功补偿装置由大量的电容串并联而成，由于长期的投切，容易老 化、损坏，导致补偿装置的电容总量变化，其中部分电容可能损坏，而及时发现电 容总量发生变化是电力系统中有效无功补偿的前提，因此很有必要对电力电容器进
16、 行定期检验。在大多数情况下，电容无功补偿装置相互距离较远，且连线复杂，一 般的电容测试仪存在两个主要问题，一是测量精度低，二是输出功率小，不能满足 2 对电力电容器进行检验的要求。所以研制开发一个能够对电力电容器进行定期校验 的测量装置是很有意义的，而功率信号源的研制是本课题的重中之重。下面介绍功 率信号源的概念及主要技术指标。 1.2 功率信号源的概念及技术指标功率信号源的概念及技术指标 因为本人在智能电容测试仪的开发工作中主要从事的工作是功率信号源部分的工 作，所以在此介绍功率信号源的概念及技术指标。功率信号源，作为电压源，它要 能够输出稳定的正弦波；另外它还是功率源，它输出的功率要能够驱动大功率的负 载。 功率信号源在电子应用行业的发展中有着非常重要的作用，尤其是高精度的功率 信号源，除了能够校验电力电容器外，还有着非常广阔的市场。 功率信号源的的主要技术指标如下35： （1）频率范围 指输出频率的最低频率和最高频率之间的变化范围，本系统输出的频率有 2 个档 位分别是：20Hz 和 200Hz。
