單相功率因數(shù)檢測電路設計.doc

《單相功率因數(shù)檢測電路設計.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《單相功率因數(shù)檢測電路設計.doc（14頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 儀器科學與電氣工程學院 本科畢業(yè)論文（設計）開題報告 題 目： 單相功率因數(shù)檢測電路設計 學生姓名： 學 號： 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 指導教師： 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數(shù)。在電力網(wǎng)的運行中功率因數(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)的高低對電力系統(tǒng)發(fā)、供、用電設備的充分利用有著顯著的影響。無功補償可以降低電能損耗、挖掘發(fā)供電設備潛力、改善供電電壓質(zhì)量。 對運行中的發(fā)電設備來講，負載的功率因數(shù)越低，則由電源輸出并被負載所吸收的有功功率也越小，這說明發(fā)電設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載之間進行無用的功率交換。這樣實質(zhì)上等于發(fā)電設備的潛力未能得到充分的發(fā)揮。為了提高發(fā)電設備的利用率，所以必須提高負載的功率因數(shù)。 近年來，隨著我國國民經(jīng)濟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，同時電力網(wǎng)中的無功問題也逐漸引起人們的廣泛關注，這是由于隨著電力電子技術的飛速

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。無功功率增加會導致電流的增大，設備及線路的損耗增加，導致大量有功電能損耗。同時使功率因數(shù)偏低、系統(tǒng)電壓下降。無功功率如果不能就地補償，用戶負荷所需要的無功功率全靠發(fā)、配電設備長距離提供，就會使配電、輸電和發(fā)電設備不能充分發(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，嚴重時可能會使系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積停電事故，這對我們?nèi)粘Ｉ钤斐闪撕艽笥绊憽? 然而,我國和世界上的發(fā)達國家(美國、日本)相比,無論從電網(wǎng)功率因數(shù)還是補償深度

4、來看,都有較大的差距。目前,美國、日本等發(fā)達國家補償度達0.5以上,電網(wǎng)功率因數(shù)接近1.0,而我國補償度僅為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。 適當提高用戶的功率因數(shù)，不但可以充分發(fā)揮發(fā)、供電設備的生產(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備的工作效率和為用戶本身節(jié)能。對于廣大供電企業(yè)，特別是電動機負載波動大，負載比較多的地方，若能有效搞好無功功率補償，可以減輕上一級電網(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，其社會效益及經(jīng)濟效益都非常顯著。 因此研究無功功率補償、改善功率因數(shù)對電網(wǎng)的安

5、全經(jīng)濟運行有很重要的意義: （1） 解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中與無功功率相關的一系列新的技術問題。 （2） 通過研究無功功率測量,掌握無功功率的經(jīng)濟規(guī)律。通過統(tǒng)計、理論分析和各項技術措施來達到經(jīng)濟運行的目的。 （3）保證電能質(zhì)量,促使電力系統(tǒng)安全運行。 1.2 國內(nèi)外研究概況 （１） 國內(nèi)外技術概況 電能質(zhì)量的標準和技術是隨著電力系統(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20多起，每年電能質(zhì)量擾動和電力環(huán)境污引起的國民經(jīng)濟損失高達300億美元。 國外對電能質(zhì)量研究起步較早，目前有關電能質(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)量評價指標體系的建立；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”等電能質(zhì)量控制技術的研究和裝置的開發(fā)正深入進行。1996年，IEEE將每年召開一次的電力諧波國際學術會議（ICHPS）更名為電力諧波與電能質(zhì)量學術會議（ICHAP），把電能質(zhì)量提高到一個新的認識高度。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用。 國內(nèi)致力于電能質(zhì)量產(chǎn)品研究的企業(yè)很多?？傮w來看，國內(nèi)廣泛采用統(tǒng)計型電壓表監(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)計分析功能，而

7、諧波和電壓波動、閃變的測量則用便攜式測量儀器，分別對變電所的各級母線電壓、主變電器各側的諧波電流、電容器組的諧波電流進行測量、對大、中型非線性負荷用戶和電廠以及低壓配電網(wǎng)電流進行測量，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行匯總、統(tǒng)計分析，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平進行評估。 （２） 項目組研究概況或導師研究基礎 課題導師之前做過無功功率補償研究與裝置，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)展趨勢或當前存在的問題 隨著電力電子技術的日新月異以及各們學科的交叉影響，無功補償呈獻出新的發(fā)展趨勢。 A、在電網(wǎng)改造中，運行單位往往需要在配電變壓器的低壓側同時加裝無功補償控制器和配電綜合測試

8、儀，因此提出了無功補償控制器和配電綜合測試儀一體化的問題。 B、快速準確的檢測系統(tǒng)的無功參數(shù)，提高動態(tài)響應時間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣的情況（如大的沖擊負荷或負荷波動較頻繁的場合）。 C、由單一的無功功率補償?shù)骄哂袨V波以及抑制諧波的功能。隨著電力電子技術的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應用，供電系統(tǒng)成負荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功補償與電力濾波器雙重優(yōu)點的晶閘管開關濾波器，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)采用大量的感應電動機和變壓器等用電設備,特別是在近年來大功率可控硅的應用,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)電和輸電設備的安裝容量一定,負荷一定時,供給網(wǎng)絡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，當線路額定電壓Un和輸送的有功功率P均保持恒定時,供電網(wǎng)絡中的功率損耗△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 （1） 設計一套單相功率因數(shù)檢測電路，包括電壓

10、和電流檢測電路，經(jīng)過信號調(diào)理電路。 （2） 由控制器進行采樣、濾波之后計算，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償、鎖相。 2.3　技術要求 （1） 電壓220V，電流10A，負載特性包括感性、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 預期成果 （1） 完成檢測電路的設計； （2）基于430開發(fā)板，對設計的電路進行實驗，完成上述技術要求。 3.　開題前期基礎及實施方案 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，導致輸入電流為嚴重的非正弦波形，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備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量（機械能、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，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外做功，而是轉變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有?/p>

13、磁線圈的電氣設備，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。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉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，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。 在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取

14、得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。 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系列單片機是TI公司近年來退出的一個優(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，其可貴之處在于它除了具備很好的數(shù)字/

15、模擬信號處理能力外，還具備了以極低功耗運行的特點，可被廣泛應用于要求低功耗、高性能、便攜式的設備上，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使用。 MSP430系列單片機電路資源性能優(yōu)異，模擬與數(shù)字系統(tǒng)結合完美，系列全面、技術先進、應用面廣。 4. 　重難點 在電力網(wǎng)中電壓與電流存在相位差，對功率因數(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。將電網(wǎng)電壓作為同步信號來獲得電網(wǎng)電壓相位角，這種方法簡單，但會因電網(wǎng)電壓波形失真而導致系統(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)，其結構框圖如圖 1 所示，它用輸入信號和壓控振蕩器輸出信號之間的誤差控制電壓來調(diào)整壓控振蕩器輸出信號的頻率。在穩(wěn)定狀態(tài)下，兩個信號之間的頻率差為零，相位差不隨時間而變化，誤差控制電壓為一固定值，此環(huán)路就進入“鎖定狀態(tài)”，即鎖相環(huán)路實質(zhì)上是一個閉環(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)部同步信號的相位差信號轉變成電壓，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 ，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)設計的最主要的環(huán)節(jié)是環(huán)路濾波器，也是直接影響鎖相環(huán)性能的關鍵環(huán)節(jié)，經(jīng)過環(huán)路濾波器后得到一個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，壓控振蕩器輸出對鑒相器起作用的不是瞬時角頻率而是它的瞬時相位，此瞬時相位可由式積分求得： 以為參考的輸出瞬時相位為： 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)的工作過程是一個循環(huán)校正的過程，當鎖相環(huán)的基準信號和輸出信號之間有相位差時，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，當硬件鎖相不成功時才應用軟件鎖相。 5． 工作進度安排 第1周：設計功率因數(shù)電路的整體方案 第2周:主要器件分析計算與選型 第3-4周:主電路原理圖及PCB板設計 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:采樣電路設計，信號采樣，軟件編程及軟件鎖相 第11-13周:功率因數(shù)測試，電路測試與驗證 第14-16周:論文撰寫與答辯準備 6. 　參考資料 [1]. 夏愛玲. 基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計. 江蘇大學碩士論文，2006； [2]. 朱連歡. 基于DSP的低壓TSC動態(tài)無功補償裝置的研制. 浙江大

20、學碩士論文，2008； [3]. 張勇，馬鐵軍，賀有旭，楊思乾. 單相交流點焊電源功率因數(shù)的精確計算方法. 焊接學報期刊，2010第31卷 第3期； [4]. 陳學智，曹惠賢. 交流阻抗及功率因數(shù)測量中偏差的修正. 大學物理期刊，2011第30卷 第7期； [5]. 郭睿東，張晶晶，劉欣，熊萬啟，路雯雯. 一種功率因數(shù)數(shù)字化測量算法的設計與實現(xiàn). 電子器件期刊，2014第37卷 第4期； [6]. 馮文仙. 基于單片機的功率因數(shù)檢測裝置的開發(fā). 通信電源技術期刊，2011第28卷 第6期； [7]. 張會娜，周斐. 電網(wǎng)功率因數(shù)的分析及改善. 煤礦機械期刊，2007第28卷 第1

21、期； [8]. 于鳴. 淺談無功補償提高功率因數(shù)和節(jié)能降耗. 山東省石油學會油田電力、通信及自動化技術研討會優(yōu)秀工程技術論文集，2009； [9]. 林百娟. 三相電壓不平衡條件下鎖相環(huán)的設計與實現(xiàn). 內(nèi)蒙古工業(yè)大學碩士論文，2009； [10].Emery, F.T. Principles of power factor testing of complete generator stator windings. Conference Record of the 2004 IEEE International Symposium on Elechical Insulation, I

22、ndianapolis，19,22,2004； [11].Zhang, S. Analysis of some measurement issues in bushing power factor tests in the field . IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 21,3，2006； [12].Wenping Qin ; Peng Wang ; Xiaoqing Han ; Xinhui Du. Reactive Power Aspects in Reliability Assessment of Power Systems . IEEE

23、 TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS. 26,1,2011； [13].Xia, Rui ; Hu, Zechun ; Zhou, Qian. Optimal planning of dynamic VAR compensation based on transient voltage stability analysis . 2014 International Conference on Power System Technology. 20,22,2014. 開題報告評審意見 論文題目： 學生姓名： 　 學 號： 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 指導教師： 指導教師對學生開題報告的評語： 指導教師簽字： 年　 月 日 評審組意見： 組長簽字： 年 　月 日 注：用16K紙打印或填寫