單相功率因數(shù)檢測電路設(shè)計(jì).doc

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1、 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告 題 目： 單相功率因數(shù)檢測電路設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 2013年12月20日 1. 選題依據(jù) 1.1 選題背景 功率因數(shù)是指電力網(wǎng)中線路的視在功率供給有功功率的消耗所占百分?jǐn)?shù)。在電力網(wǎng)的運(yùn)行中功率因數(shù)越大則電路中的視在功率供給有功功率就越大，無功功率的消耗就越少。

2、用戶功率因數(shù)的高低對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)、供、用電設(shè)備的充分利用有著顯著的影響。無功補(bǔ)償可以降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設(shè)備潛力、改善供電電壓質(zhì)量。 對(duì)運(yùn)行中的發(fā)電設(shè)備來講，負(fù)載的功率因數(shù)越低，則由電源輸出并被負(fù)載所吸收的有功功率也越小，這說明發(fā)電設(shè)備的容量僅有一小部分被有效利用，其余部分只是在電源與負(fù)載之間進(jìn)行無用的功率交換。這樣實(shí)質(zhì)上等于發(fā)電設(shè)備的潛力未能得到充分的發(fā)揮。為了提高發(fā)電設(shè)備的利用率，所以必須提高負(fù)載的功率因數(shù)。 近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)GDP（國民生產(chǎn)總值）的不斷增長，我國的電力工業(yè)也有了長足的發(fā)展，同時(shí)電力網(wǎng)中的無功問題也逐漸引起人們的廣泛關(guān)注，這是由于隨著電力電子技術(shù)的飛速

3、發(fā)展，各種電力電子裝置的電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛。而大多數(shù)電力電子的裝置的功率因數(shù)很低，它們所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所輸送的電量中占有很大的比例。無功功率增加會(huì)導(dǎo)致電流的增大，設(shè)備及線路的損耗增加，導(dǎo)致大量有功電能損耗。同時(shí)使功率因數(shù)偏低、系統(tǒng)電壓下降。無功功率如果不能就地補(bǔ)償，用戶負(fù)荷所需要的無功功率全靠發(fā)、配電設(shè)備長距離提供，就會(huì)使配電、輸電和發(fā)電設(shè)備不能充分發(fā)揮作用，降低發(fā)、輸電的能力，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量惡化，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積停電事故，這對(duì)我們?nèi)粘Ｉ钤斐闪撕艽笥绊憽? 然而,我國和世界上的發(fā)達(dá)國家(美國、日本)相比,無論從電網(wǎng)功率因數(shù)還是補(bǔ)償深度

4、來看,都有較大的差距。目前,美國、日本等發(fā)達(dá)國家補(bǔ)償度達(dá)0.5以上,電網(wǎng)功率因數(shù)接近1.0,而我國補(bǔ)償度僅為0.45。我國的電網(wǎng),特別是廣大農(nóng)村電網(wǎng),普遍存在功率因數(shù)低,電網(wǎng)損耗較大的情況。 適當(dāng)提高用戶的功率因數(shù)，不但可以充分發(fā)揮發(fā)、供電設(shè)備的生產(chǎn)能力，減少線路損耗，改善供電質(zhì)量，而且可以提高用戶用電設(shè)備的工作效率和為用戶本身節(jié)能。對(duì)于廣大供電企業(yè)，特別是電動(dòng)機(jī)負(fù)載波動(dòng)大，負(fù)載比較多的地方，若能有效搞好無功功率補(bǔ)償，可以減輕上一級(jí)電網(wǎng)供電壓力。若提高用戶的功率因數(shù)，能有效的降低電能損失，減少用戶電費(fèi)，其社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益都非常顯著。 因此研究無功功率補(bǔ)償、改善功率因數(shù)對(duì)電網(wǎng)的安

5、全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有很重要的意義: （1） 解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中與無功功率相關(guān)的一系列新的技術(shù)問題。 （2） 通過研究無功功率測量,掌握無功功率的經(jīng)濟(jì)規(guī)律。通過統(tǒng)計(jì)、理論分析和各項(xiàng)技術(shù)措施來達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。 （3）保證電能質(zhì)量,促使電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。 1.2 國內(nèi)外研究概況 （１） 國內(nèi)外技術(shù)概況 電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和用戶需求的變化而變化和發(fā)展的。近幾十年來全球范圍內(nèi)因電能質(zhì)量而引起的重大電力事故己達(dá)20多起，每年電能質(zhì)量擾動(dòng)和電力環(huán)境污引起的國民經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)300億美元。 國外對(duì)電能質(zhì)量研究起步較早，目前有關(guān)電能質(zhì)量控制的研究正掀起高潮，從所使用的理論

6、到電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立；從全國性的電能質(zhì)量普查、監(jiān)測到用戶終端電氣環(huán)境的定義，各種電能質(zhì)量問題分析方法的提出，以及“用戶電力技術(shù)”等電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究和裝置的開發(fā)正深入進(jìn)行。1996年，IEEE將每年召開一次的電力諧波國際學(xué)術(shù)會(huì)議（ICHPS）更名為電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會(huì)議（ICHAP），把電能質(zhì)量提高到一個(gè)新的認(rèn)識(shí)高度。在從事電能質(zhì)量產(chǎn)品的企業(yè)中，美國的FLUKE公司和瑞士的LEM公司的產(chǎn)品在全球都有廣泛的應(yīng)用。 國內(nèi)致力于電能質(zhì)量產(chǎn)品研究的企業(yè)很多。總體來看，國內(nèi)廣泛采用統(tǒng)計(jì)型電壓表監(jiān)測電壓質(zhì)量水平，這些電壓監(jiān)測儀只能監(jiān)測電壓合格率，需要人工抄表，缺乏統(tǒng)計(jì)分析功能，而

7、諧波和電壓波動(dòng)、閃變的測量則用便攜式測量儀器，分別對(duì)變電所的各級(jí)母線電壓、主變電器各側(cè)的諧波電流、電容器組的諧波電流進(jìn)行測量、對(duì)大、中型非線性負(fù)荷用戶和電廠以及低壓配電網(wǎng)電流進(jìn)行測量，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平進(jìn)行評(píng)估。 （２） 項(xiàng)目組研究概況或?qū)熝芯炕A(chǔ) 課題導(dǎo)師之前做過無功功率補(bǔ)償研究與裝置，可用于檢測功率因數(shù)高低，提出功率因數(shù)的改善方法。 （3）發(fā)展趨勢或當(dāng)前存在的問題 隨著電力電子技術(shù)的日新月異以及各們學(xué)科的交叉影響，無功補(bǔ)償呈獻(xiàn)出新的發(fā)展趨勢。 A、在電網(wǎng)改造中，運(yùn)行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同時(shí)加裝無功補(bǔ)償控制器和配電綜合測試

8、儀，因此提出了無功補(bǔ)償控制器和配電綜合測試儀一體化的問題。 B、快速準(zhǔn)確的檢測系統(tǒng)的無功參數(shù)，提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況（如大的沖擊負(fù)荷或負(fù)荷波動(dòng)較頻繁的場合）。 C、由單一的無功功率補(bǔ)償?shù)骄哂袨V波以及抑制諧波的功能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，供電系統(tǒng)成負(fù)荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功補(bǔ)償與電力濾波器雙重優(yōu)點(diǎn)的晶閘管開關(guān)濾波器，將成為改善系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。 由于礦山企業(yè)采用大量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和變壓器等用電設(shè)備,特別是在近年來大功率可控硅的應(yīng)用,供電系統(tǒng)除供給有功功率外,還需供給大量的無功

9、功率,使發(fā)電和輸配電設(shè)備的能力不能充分利用。 （1） 功率因數(shù)低,在發(fā)電和輸電設(shè)備的安裝容量一定,負(fù)荷一定時(shí),供給網(wǎng)絡(luò)就要供較大的視在功率,變壓器的占有容量就要增大,電力系統(tǒng)輸出的無功功率就要增多。 （2） 功率因數(shù)低,由輸電線路中的功率損耗可知，當(dāng)線路額定電壓Un和輸送的有功功率P均保持恒定時(shí),供電網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗△P與功率因數(shù)cosφ的平方成反比,功率因數(shù)低,功率損耗將增大很多。 （3） 功率因數(shù)低,輸送一定的有功功率,由I= 可知,電路中的電流增大,使線路電壓損失增大,使供電質(zhì)量得不到保證。 2．課題基本內(nèi)容 2.1 課題目標(biāo) （1） 設(shè)計(jì)一套單相功率因數(shù)檢測電路，包括電壓

10、和電流檢測電路，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路。 （2） 由控制器進(jìn)行采樣、濾波之后計(jì)算，有顯示屏顯示功率因數(shù)。 2.2 研究內(nèi)容 （1） 研究無功功率的產(chǎn)生原理、電壓、電流信號(hào)處理以及傳感器的選擇； （2） 研究功率因數(shù)算法及功率因數(shù)的改善； （3） 研究濾波后的相位補(bǔ)償、鎖相。 2.3　技術(shù)要求 （1） 電壓220V，電流10A，負(fù)載特性包括感性、容性及整流型； （2） 功率因數(shù)值范圍（-0.5~+0.5），精度為0.01。 2.4 預(yù)期成果 （1） 完成檢測電路的設(shè)計(jì)； （2）基于430開發(fā)板，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，完成上述技術(shù)要求。 3.　開題前期基礎(chǔ)及實(shí)施方案 3

11、.1了解功率因數(shù)定義 功率因數(shù)的定義是指輸入有功功率(P)和視在功率(S)的比值, 線性電路功率因數(shù)可用cos-φ表示，φ為正弦電流與正弦電壓的相位差。但是由于整流電路中二極管的非線性，導(dǎo)致輸入電流為嚴(yán)重的非正弦波形，僅僅用cos-φ已不能表示整流電路的功率因數(shù)了。在電子電路中，用PF表示功率因數(shù)。 （I1——基波電流有效值；In（n≥2）——n次電流諧波有效值；Iin——輸入電流有效值；Vrms——電網(wǎng)電壓有效值；cosφ——基波電壓和基波電流的相移因數(shù)） / = / 被稱為電流的畸變因數(shù)，總諧波畸變（total harmonic distortion—THD）的定義是所有諧波分量的有

12、效值與基波分量有效值的比。 THD= ，THD用來衡量電網(wǎng)的污染程度。由此可見功率因數(shù)是位移因數(shù)和畸變因數(shù)的乘積。欲提高電路的功率因數(shù)，不僅要減小電壓與電流的相位差，還必須最大限度地抑制輸入電流的波形畸變，實(shí)現(xiàn)真正的正弦輸入電流。 3.2了解無功功率原理 在交流電路中，由電源供給負(fù)載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無功功率。 有功功率是保持用電設(shè)備正常運(yùn)行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量（機(jī)械能、光能、熱能）的電功率。 無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對(duì)外做功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有?/p>

13、磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需要40多瓦有功功率（鎮(zhèn)流器也需要消耗一部分有功功率）來發(fā)光外，還需80乏左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對(duì)外做功，才被稱之為“無功”。 無功功率決不是無用功，它的用處很大。電動(dòng)機(jī)需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動(dòng)機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會(huì)吸合。 在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取

14、得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。 3.3 MSP430開發(fā)板 一般有IO口，LED，AD，DA，中斷接口，PWM，串口，SPI接口，下載接口等功能。 MSP430系列單片機(jī)是TI公司近年來退出的一個(gè)優(yōu)秀的SOC型混合微處理器產(chǎn)品系列，它不僅具有16位高效的微處理器系統(tǒng)，還具有豐富的、功能強(qiáng)大的外圍電路資源，其中也包括了許多高性能的模擬電路資源。目前，在很多熱門產(chǎn)品中都采用了MSP430系列單片機(jī)，其可貴之處在于它除了具備很好的數(shù)字/

15、模擬信號(hào)處理能力外，還具備了以極低功耗運(yùn)行的特點(diǎn)，可被廣泛應(yīng)用于要求低功耗、高性能、便攜式的設(shè)備上，即使在某些不需要低功耗的場合，它仍然可以作為一款高性能單片機(jī)使用。 MSP430系列單片機(jī)電路資源性能優(yōu)異，模擬與數(shù)字系統(tǒng)結(jié)合完美，系列全面、技術(shù)先進(jìn)、應(yīng)用面廣。 4. 　重難點(diǎn) 在電力網(wǎng)中電壓與電流存在相位差，對(duì)功率因數(shù)的檢測具有一定的影響。故功率因數(shù)的鎖相成為我們研究的難點(diǎn)。將電網(wǎng)電壓作為同步信號(hào)來獲得電網(wǎng)電壓相位角，這種方法簡單，但會(huì)因電網(wǎng)電壓波形失真而導(dǎo)致系統(tǒng)輸出電壓和電流的畸變，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，一般采用鎖相環(huán)來獲得電網(wǎng)電壓的相位角。 鎖相環(huán)路是由鑒相器(PD)（相位

16、比較裝置）、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)組成的相位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，它用輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率。在穩(wěn)定狀態(tài)下，兩個(gè)信號(hào)之間的頻率差為零，相位差不隨時(shí)間而變化，誤差控制電壓為一固定值，此環(huán)路就進(jìn)入“鎖定狀態(tài)”，即鎖相環(huán)路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)。 圖1 鎖相環(huán)路基本組成 其基本工作原理是：鑒相器將電網(wǎng)電壓和控制系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)的相位差信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓，經(jīng)過環(huán)路濾波器濾波后控制壓控振蕩器，從而改變系統(tǒng)內(nèi)部同步信號(hào)的頻率和相位，使之與電網(wǎng)電壓一致。

17、 環(huán)路濾波器的主要作用是濾除誤差電壓中的高頻成份和噪聲，產(chǎn)生控制信號(hào) ，并且控制著環(huán)路相位校正的速度與精度，以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的最主要的環(huán)節(jié)是環(huán)路濾波器，也是直接影響鎖相環(huán)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，經(jīng)過環(huán)路濾波器后得到一個(gè)平均電壓用來控制壓控振蕩器的頻率變化。一般環(huán)路濾波器采用低通濾波電路，下面介紹一種常用的可實(shí)現(xiàn)相位無差控制的有源比例積分濾波器,其原理如圖 2所示。 （a）原理圖 （b）波特圖 圖2 有源比例積分濾波器 在鎖相環(huán)路中，從

18、鑒相特性上看，壓控振蕩器輸出對(duì)鑒相器起作用的不是瞬時(shí)角頻率而是它的瞬時(shí)相位，此瞬時(shí)相位可由式積分求得： 以為參考的輸出瞬時(shí)相位為： 由此可見，壓控振蕩器在鎖相環(huán)中起了一次積分作用，因此也稱它為環(huán)路中的固有積分環(huán)節(jié)，其 S 域傳遞函數(shù)為：。 鎖相環(huán)的工作過程是一個(gè)循環(huán)校正的過程，當(dāng)鎖相環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)和輸出信號(hào)之間有相位差時(shí)，鑒相器輸出與相位差大小成比例的脈沖作用在低通濾波器上，濾波后的電壓使壓控振蕩器的輸出頻率發(fā)生變化，直至兩者的相位差為零，達(dá)到同頻同相為止。低通濾波器電路的參數(shù)選擇將影響鎖相環(huán)的動(dòng)態(tài)過程。 鎖相分為硬件鎖相和軟件鎖相，一般情況下首先選擇硬件鎖相，這樣可以節(jié)

19、省軟件鎖相的資源，當(dāng)硬件鎖相不成功時(shí)才應(yīng)用軟件鎖相。 5． 工作進(jìn)度安排 第1周：設(shè)計(jì)功率因數(shù)電路的整體方案 第2周:主要器件分析計(jì)算與選型 第3-4周:主電路原理圖及PCB板設(shè)計(jì) 第5-6周：了解軟件鎖相的基本原理 第7-8周:主電路焊接、調(diào)試 第9-10周:采樣電路設(shè)計(jì)，信號(hào)采樣，軟件編程及軟件鎖相 第11-13周:功率因數(shù)測試，電路測試與驗(yàn)證 第14-16周:論文撰寫與答辯準(zhǔn)備 6. 　參考資料 [1]. 夏愛玲. 基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì). 江蘇大學(xué)碩士論文，2006； [2]. 朱連歡. 基于DSP的低壓TSC動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的研制. 浙江大

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