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1、目录摘要2Abstract 2第一章绪论2第二章全自动无功补偿装置的硬件构成3第三章各测量量的测量原理、算法及硬件电路 43.1 电压和电流的采集43.2 电压、电流即功率因数和有功功率的计算5第四章 补偿容量的计算及电容容量的选择64.1 总的补偿电容量的确定64.2 电容容量的选择64.3 单相电容器的连接方式8第五章LED 显示及键盘设计电路85.1 LED 显示电路的设计85.2 键盘电路的设计8第六章电容投切装置的实现96.1 电容投切原理96.2 电容投切单元电路的实现9第七章全自动无功补偿装置的软件实现10第八章结语12第九章参考文献12 摘 要：设计了一种全自动无功补偿装置。此
2、装置是在考察先前的手动或电磁式 无功补偿装置的基础上由笔者自行设计的，主要采用AT89C51单片机作为微处理 器实现全自动控制。系统对电网电压和电流进行采样、计算，从而获得cose和 有功功率。本装置可实现功率因素从COS e =0.6补偿到COSe =0.95,且能保证 功率因素变化时电容的自动投切，能实时显示出当前功率因素、电流和有功功率， 并能实现手动和自动控制。关键字：无功补偿 AT89C51 单片机 功率因素 自动控制Abstract: A fully automatic reactive power compensation devices. This device is in t
3、he previous inspection manual or electromagnetic reactive power compensation devices based on self-designed by the author, mainly using AT89C51 single-chip microprocessor as the realization of automatic cont rol Sys tem to the power grid volt age and curren t sampling, comp uti ng, to gain COS e and
4、 active. The device can be realized from the power factor COS e = 0.6 compensa tion to the COS e = 0.95, power fac tor and can ensure that changes in the automatic switching to real-time shows that the current power factor, current and active, and can achieve the manual and automatic control.Keyword
5、s: reactive power compensation；AT89C51 single-chip microprocessor；power factor；automatic control第一章 绪论在电力系统中，无功功率既有其有益的一面，也有其有害的一面。有益的 是，电力网在运行时，电源供给的无功功率是电能转换为其它形式能量的前提， 它为电能的输送、转换创造了条件。而有害的是，在电力系统输送电能的过程中， 无功功率不足，将使系统中输送的总电流增加、使变压器的出力减少、供电线路 及系统设备有功功率损耗增大、线路末端电压下降；同时，对于电力用户来说， 过多地从电网中吸取无功，不仅使电网电能质
6、量下降，也影响自身的用电和生产， 使企业效益下降，甚至招致罚款。因此，为了减少无功的损失和避免其在电网中的不当流动，必须进行无功 补偿。而据统计，10kV以下电压等级的网损约占整个网损的50%以上，其中又 以配电变压器和用户感性负荷所消耗的无功损耗为重点，所以，将无功补偿的重 点放在380 V电压等级的配电变压器和低压用户处是行之有效的降损节能措施。 故特定针对单相电（电压：0220V,电流：0100A）设计了此全自动无功补偿 装置。此装置根据常规要求及具体情况设计了 10组补偿电容，可把电网的功率因 数从cose =0.6补偿到cose =0.95。同时，利用AT89C51单片机驱动SSR固
7、态 继电器实现了功率因素变化时电容的自动投切，此外，也可以通过键盘进行手动 控制，实现电容的投切，从而进行补偿。装置还可以实时采集到电网侧的电压和 电流，通过微机计算、处理，同时利用8位LED电路显示实时功率因数，电流及 有功功率。最终实现全自动无功补偿。第二章 全自动无功补偿装置的硬件构成该装置核心硬件采用 AT89c51 单片机实现， AT89c51 单片机是现在人们用的 最多的单片机种类之一，其结构简单、成本低廉、功能较全且便于扩展，虽然处 理速度赶不上现在大多数的微处理器，如DSP、嵌入式微处理器ARM9等，但在 此设计中完全可以满足和实现全自动无功补偿装置的要求。实时参数分别采集电网
8、侧电压、电流，经过电压形成电路分别对电压电流 进行变换。同时由 cPU 中的定时器定时控制对经过低通滤波出来的信号进行采样 并保持，再通过多路转换开关，分别经高速A/D转换单元进行模数转换，并最 终进入 cPU， cPU 综合现场各种运行状态，进行运算、快速分析和智能决策，最 后将各种数据实时显示在数码管上，同时根据储存在RAM中的功率因素表判定该 投切哪几组电容器，并最终通过CPU驱动SSR固态继电器实现电容器的自动投切。装置硬件框图见图1图1 全自动无功补偿装置的硬件框图第三章 各测量量的测量原理、算法及硬件电路3.1 电压和电流的采集电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压
9、形成电路产 生微机可以利用的信号。其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求，而交 流电流信号可以采用电抗变换器和电流变换器，在此选用电流变换器对电流信号 进行变换。此外，为保证后面的电路不受干扰，两个经变换器出来的信号还需经 低通滤波环节进行滤波才允许输入到采样保持电路，供CPU发出信号进行采样。低通滤波环节可由电阻及电容组合构成一模拟低通滤波器。而采样保持环 节则选择较常用的LF-398采样芯片。其逻辑输入端S/H由CPU中的定时器按一 定时序控制，从而控制何时采样、何时保持。当逻辑输入端即S/H=l,即电平为经采样保持电路出来的信号需通过多路选择开关（MPX）来选择哪一个信号 需要A/D
10、转换。当电压信号需A/D转换时，MPX选择到电压信号档进而通过A/D 芯片进行模数转换，当电流信号需 A/D 转换时， MPX 选择到电流信号档进而通过 A/D 芯片进行模数转换。在此设计中，MPX选择CD4051，而A/D转换芯片则选择MAX521。二者与单 片机连接的电路原理图如图 3 所示。图 3 多路选择及 A/D 转换电路接口图这样就完成了电压和电流信号的采样。3.2 电压、电流及功率因素和有功功率的计算 当采集到电压和电流信号后，应立即对其进行处理、计算，以获取实时数 据。在此设计中主要采用两点乘积算法对各信号进行计算。两点乘积算法主要是以电气角度n /2为采样间隔而采集一个周期内
11、的两个数据，因而算法本身所要求的数据窗长度为1/4周期。所以对50Hz的工频来 说就是5ms。即在一个周期内所采集的两个数据需保证在5ms的间隔。这5ms的 定时间隔由CPU的定时器0来实现。若在两个采样时刻ni和n2分别采集到两个电流信号分别为i1和i2。则有w GT - n T）= n（1-1）1 s 2 S 2 根据上式有i = i （ n T ） = 21sin C n T + a ）=2isin a（ 1-2）11 s1 S0I1Isinsin a1-3） 21 cos a1I其中上面两式中的6为ni采样时刻电流的相角，可能为任意值。1I将上面（1-2）式和（1-3）式平方后相加，即
12、得212 = i2 + i212将其开方就可以得到电流的有效值 I。1-4）同理，可以按照同样的方法获得u1和u2。并最终得到电压的有效值U。同时，又可以根据电压和电流的有效值求出阻抗的模值，为U |U 2 + u 2Z =宀“Ii2 + i21 2此外，若将电压和电流写成复数形式U = ucos a + j u sin a1U1UI = icos a + j isin a1I1 I最终可得U u + jU=卞1I i + jiI 2 1将式（1-8）的实部和虚部分开，实部即为R,虚部即为X。则R为u i + u iR = Li2 + i212则可得功率因素角cose。即由（1-5）和（1-9
13、）式可得出：COS e = RZ最后，由电压u、电流I以及功率因素cos e可求得有功功率p：P = UI cose1-5 ）（ 1-6 ）（ 1-7 ）（1-8）（1-9）1-10 ）1-11）第四章 补偿电容量的计算及电容器的选择4.1 总的补偿电容量的确定根据常规电压 220V 及电流 100A ，当需要把功率因素从确定的最小值cos0 = 0.6补偿到cos = 0.95时，应该补偿的电容量为:2一 tan L UI cos （an -tan =13.2Kvar124.2 电容容量的选择根据如上的计算结果及常规要求，此设计选择了 10 组电容的组合作为投切 装置。下表提供了每千瓦有功功
14、率所需补偿的电容值及此设计中速需电容补偿电容的参考：补偿前COSQ1为得到所需的cos = 0.952每千瓦有功功率所需的补偿电容值（单位：Kvar）在此设计中（x 13KW 后）的补偿电容值（单 位：Kvar）0.601.0413.520.620.9712.560.640.9111.830.660.8511.050.680.7910.270.700.739.490.720.678.710.740.628.060.760.567.280.780.516.630.800.465.980.820.405.20.840.354.550.860.303.90.880.253.250.900.192.4
15、70.820.131.690.940.070.91因此这10组电容的容量分别选择为 0.1Kvar、0.2 Kvar、0.3 Kvar、0.5 Kvar、0.7 Kvar、1.0 Kvar、2.0 Kvar、3.0 Kvar、5.0 Kvar、10.0 Kvar。投切中为保证各电容的平均寿命，采取循环投切的方式。4.3 单相电容器的连接方式单相电容器有串联、并联、串并联三种连接方式。本设计采用第三种， 串并联方式可以同时提高单相电容器组的电压等级和容量。第五章 LED 显示及键盘设计电路5.1 LED 显示电路的设计由于AT89C51单片机的I/O 口数目不够，故LED显示电路需要扩展一片8255 才能实现。AT89C51单片机可以通过P2.7 口与8255的片选引脚（_连在一起， 即可保证8255的正常工作。此外，由于8255的驱动能
