无功补偿装置的设计

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摘要

随着社会生产的发展和人民生活水平的提高，对供电质量的要求也越来越高，电压是标志电能质量的一个基本技术指标，它与无功功率密切相关。在电力供电系统中，功率因数的提高是一项重要的技术工作，直接关系到输电线路的电能损耗及供电的经济性，供电质量。

本次设计主要是运用AT89S52来实现对无功补偿控制器的设计，该控制器采用数字检测电路来获取电网电压与电流的相位差；单片机通过8255A与LED显示器相连从而显示功率因数；控制开关采用过零型固态继电器，使投切控制实现等电压投入，零电流切除；电源电路的设计则为单片机和继电器提供了稳定的供电电压。单片机AT89S52实现数据处理、输入、输出控制等功能。通过实验监测功率因素分析，该控制器具有对电网冲击小，响应快，抗干扰能力强，精度高，可分相投切等优点，适用于目前企业用户进行无功功率补偿。

本文运用AT89S52单片机，对电力系统中低压无功功率进行监测和控制，使功率因数达到调整和优化，提高了电力系统的供电质量和经济运行。

关键词：电压 无功补偿 AT89S52 功率因数 控制器

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Abstract

The requirement to the electric power supplying quality is increasing with the development of industry and the improvement of people’s standard of living.Voltage is a primary technological fingerpost of electric power quality and closely related with reactive power. In the power-system, the raise of the power-factor is a important technologic work. It matters the utility and quality of the power-system.

The article introduces passive power compensator based on AT89S52 controlling with high precision. It measures excess phase of voltage and circuit used digital circuit. The AC solid-state relay of passing zero is applied to the control switch. By 8255 A single chip microcomputer and LED display connected to demonstrate power factor. It is input when the voltage of the power system equals the voltage of the capacitor and elimination when the circuit is zero. In order to avoid program into the dead circulation design %unit circuit; Power supply circuit design is for single-chip microcomputer and relay provides stable power supply voltage.A Microcomputer AT98S52 competes the Data process, input, output etc. The practical result shows the advantages of high precision, less influence on low-voltage power system, fast response, connecting capacitors with single-phase and the ability of anti-jamming. It is mainly used to compensate passive power in present factory and mine.

This article utilizes the AT89S52 monolithic integrated circuit, thelow pressure reactive power carries on the monitor and the control tothe electrical power system in, enables the power factor to achievethe adjustment and the optimization, improved the electrical powersystem power supply quality and the economical movement.

Keywords: Voltage Reactivepower AT89S52 Power- factor Controller

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目录

摘要

Abstract 1 绪论 .............................................................. 1

1.1课题研究的背景................................................ 1 1.2无功补偿装置的发展状况........................................ 4 1.3本课题主要研究的内容.......................................... 8 2 无功补偿的原理 ................................................... 10

2.1无功补偿的原理............................................... 10 2.2低压无功补偿的方法........................................... 12

2.2.1随机补偿............................................... 12 2.2.2随器补偿............................................... 13 2.2.3跟踪补偿............................................... 13 2.3功率因数的计算............................................... 14 2.4补偿电容量的确定、计算及电容器的选择......................... 15

2.4.1确定补偿电容量的几种方法............................... 15 2.4.2总的补偿电容量的计算................................... 17 2.5投切方式分类................................................. 18

2.5.1延时投切方式........................................... 18 2.5.2瞬时投切方式........................................... 18 2.5.3混合投切方式........................................... 20 2.6无功功率补偿器设计的总体框图................................. 20 3 硬件设计 .......................................................... 22

3.1单片机的选型................................................. 22 3.2 相位差检测单元电路的设计 .................................... 22

3.2.1 相电压、相电流输入电路 ................................ 23 3.2.2 相位差的检测 .......................................... 25 3.2.3 相位差的计算 .......................................... 26 3.3 投切电容电路的设计 .......................................... 27

3.3.1柔性投切电路........................................... 27 3.3.2 过零投切电路与8255A的接口 ............................ 29 3.4 三相功率因数的显示电路设计 .................................. 31 3.5 RS-232C串行通信接口......................................... 31

3.5.1 RS-232C标准........................................... 31 3.5.2 MAX232与AT89S52的接口电路............................ 32 3.6 电源电路设计 ................................................ 33 4 软件设计 ......................................................... 34

4.1 主程序设计流程图 ............................................ 34 4.2 子程序设计流程图 ............................................ 35 5 结论 ............................................................. 36 致谢 ................................................................ 37 参考文献 ............................................................ 38 附录 ................................................................ 39

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1 绪论

1.1课题研究的背景

随着我国经济发展和国际化能源紧张局势的加剧，加强电能质量和节能降耗的影响十分重要，这其中采取无功补偿方式提高功率因数降等都是行之有效的措施。在电力供电系统中，功率因数的提高是一项重要的技术工作，直接关系到输电线路的电能损耗及供电的经济性，供电质量。功率因数的补偿措施一直为人们所重视。研制高性能的功率因数补偿装置具有实际的社会，经济效益。而且在电力系统中，无功功率要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏，系统瓦解。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降，损耗增加。因此，解决好网络补偿问题，对网络降损节能有着极为重要的意义。

按电网无功功率补偿方式可分为串联补偿和并联补偿。并联补偿方式又可分为电容器组补偿，调电感补偿，调相机补偿的移相补偿等。本设计我们将采用并联电容器补偿，主要应用单片机技术，实现对低压电力系统的监控，完成功率因数的测量，并根据所得数据进行电容组的投切，以实现对电力系统的功率因数的补偿。

无功补偿控制器是无功补偿的核心,其性能直接影响补偿的效果。它是根据检测的功率因数或无功功率,按照一定的控制规则投入/切除电容器,实现对线路进行无功补偿。在低压配电网中有相当一部分是感性负荷，它不仅要消耗大量的有功功率，也要吸收很多的无功功率，从而使功率因数下降，导致无功电源不足，系统电压降低，电能损耗增大，这大大影响了电网的供电能力。因此电力部门千方百计要提高系统的功率因数，除本身采取相应的措施外，更要求每个用户在其母线上进行功率因数的补偿。即借助于相关的无功功率补偿设备，及时、正确、必要的提供无功功率补偿。由于这个课题涉及面广，且有较高的经济含量和技术附加量，因此无功功率补偿设备的研究一直是国内外相关企业激烈竞争的项目之一。无功功率补偿技术近年来己越来越引起人们的关注，它是涉及电力、电子技术、电气自动化技术和理论电子等领域的重大课题。本设计着重论述了单片机和计算机控制组成控制系统进行功率因数自动补偿装置。

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