高功率因数智能调压器的设计说明书

高功率因数智能调压器的设计学生专业：学生姓名：导师姓名：PAGEIV摘要在现代电气系统中，功率因数和谐波含量在交流电路中的意义十分重要。功率因数的高低以及谐波含量的大小，对提高电网中电器设备利用率、研究电能消耗等问题有着重要意义。本文的主要研究对象为晶闸管调压器，调压器的工作方式直接影响着功率因数的高低以及谐波电流的大小。论文以阅览国内外参考文献为基础，研究高功率因数调压器的工作机理及特性，根据现代电气系统的需要加入部分自动控制功能，以提高调压器的智能性，使其更适应用户对调压的需求。本文将从功率因数和谐波两种数据切入，对其进行说明，论证其可行性，即高功率因数智能调压器。此外，本文对调压器的重点技术进行了理论分析，介绍调压器的应用实例，以及通过运用DSP原理加入数字控制部分以实现其智能化。关键词高功率因数DSP调压器晶闸管AbstractInmodernelectricalsystems,powerfactorandharmoniccontentaretwoimportantparametersintheACcircuit.ThequalityofpowerfactorandthecontentofharmonichaveagreatsignificancetotheutilizationofelectricalequipmentinthegridandthestudyofElectricPowerConsumption.ThemainobjectofmystudyisThyristorvoltageregulator.Theworkingmodeofvoltageregulatorhasadirectimpactonpowerfactorandharmoniccurrent.Myobjectisbaseonthelearningdomesticandinternationalreferences.Themainstudyistheoperationalmechanismandcharacteristicsofthehighpowerfactor.Inordertoimprovetheintelligenceoftheregulator,accordingtotheneedsofamodernelectricalsystem,weneedaintelligentregulator.Thisarticlediscussthefeasibilityoftheintelligentregulatordependsonpowerfactorandharmonic.ThisarticleisfocusonthetheoreticalanalysisofregulatoranduseofDSPprinciplestoachievethedigitalcontrolsection.KeywordsHighpowerfactorDSPRegulatorThyristor 目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1研究的目的和意义 11.2功率因数 11.3抑制谐波的意义 31.4调压器的国内外发展趋势 41.5本文的主要内容 5第2章调压器原理 72.1一般调压器的原理分析 72.2高功率因数调压器原理 82.2.1高功率因数调压器原理 82.2.2三相高功率因数调压器原理 112.3智能调压器工作原理 132.3.1智能调压器的特点 132.3.2智能调压器工作方式 132.4谐波方案设计 152.5环流效应 182.5.1环流效应简述 182.5.2晶闸管环流的特点 182.5.3零电压检测 192.5.4安全角 20第3章调压器的设计 243.1调压器的电气设计 243.1.1调压器电气原理 243.1.2调压器主电路选型 253.2电流闭环控制 263.3调压器的控制功能 283.3.1智能调压器功能 283.3.2控制电路 293.3.3DSP控制 293.3.4端口设计 323.4零电位检测 343.5驱动电路 343.5辅助电源 36第4章调压器的智能控制设计 374.1控制功能设计 374.2程序编程 39总结 42致谢 43参考文献 44经济效益分析 46PAGE46CONTENTSAbstract IIChapter1INTRODUCTION 11.1Thepurposeandsignificanceofthestudy 11.2Powerfactor 11.3Harmoniccontent 31.4Developmenttrends 41.5Maincontent 5Chapter2Principleoftheregulator 72.1Generalregulator 72.2Highpowerfactorregulator 82.2.1Highpowerfactorregulator 82.2.2Three-phasehighpowerfactorregulator 112.3Workingprinciple 132.3.1Characteristicsofregulato 132.3.2Workingmode 132.4Harmonicdesign 152.5Around-flowEffect 182.5.1BriefofAround-flowEffect 182.5.2Thyristorcirculationcharacteristics 182.5.3Zero-voltagedetection 192.5.4Safeangle 20Chapter3Thedesignoftheregulator 243.1Electricaldesign 243.1.1Electricalprinciple 243.1.2Maincircuitdesign 253.2Currentclosedcontrol 263.3Controlfunction 283.3.1Mainfunction 283.3.2Controlcircuit 293.3.3DSP 293.3.4Portdesign 323.4Zero-voltagedetection 343.5Drivingcircuit 343.5Auxiliarypower 36Chapter4Controldesign 374.1Controlfunction 374.2Softwareprogramming 39Conclusion 42Acknowledgements 43Reference 44HYPERLINKEconomicBenefitAnalysis 46第1章绪论随着国民经济的发展和人名生活水平的提高，电力电子产品广泛地应用于工业控制领域，用户对电能质量的要求也越来越高，其中最为突出的是无功补偿和谐波的问题。谐波含量和功率因数是交流电路的重要技术数据。谐波抑制和无功功率补偿是涉及电力电子技术、电气自动化技术等方面的重大课题。治理谐波可以减少电力污染。提高功率因数，可以充分发挥电力设备的潜力。所以谐波问题和无功功率问题对电力系统和电力用户都是十分重要问题也是近年来关注的热点之一[3]。1.1研究的目的和意义功率因数和谐波含量都是交流电路的重要技术数据之一。提高功率因数，可以提高电网中电气设备的利用率。随着用户对电能质量的要求越来越高，谐波的问题尤为突出，谐波的抑制的研究还有助于电能消耗等等问题的解决。治理谐波可以减少电力污染。功率因数的高低以及谐波含量的大小，对于是否能够提高电网和电气设备的利用率、分析和研究电能消耗等问题都有十分重要的意义。因此，为了可持续的良性发展，在调压器中加入无功补偿和谐波抑制的技术，推动电力的良好发展，提供优质电能。在这种形式下，利用DSP及组态软件对调压器进行控制，无疑是具有巨大的社会效益及经济效益。1.2功率因数功率因数的大小与电路的负载性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。无功功率（Q）、有功功率（P）和视在功率（S）之间是直角三角形关系，称为功率三角形，如图1-1所示。Φ是通过负载的电流与加载负载上电压之间的相位角度，也是视在电流与有功电流之间的相位角度。在有功功率确定的情况下，Φ反应了无功功率的大小，通常用cosφ称为功率因数，其数值为有功功率与视在功率的比值。无功功率越大，功率因数越低，有功功率与电源支出的视在功率相差越大[5]。图1-1功率三角形电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿的效益。无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数。因为供电局发出来的电是以KVA或者MVA来计算的，但是收费却是以KW，也就是实际所做的有用功来收费，两者之间有一个无效功率的差值，一般而言就是以KVAR为单位的无功功率。大部分的无效功都是电感性，也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯……，几乎所有的无效功都是电感性，电容性的非常少见，例如：变频器就是容性的，在变频器电源端加入电抗器可提高功率因数。提高功率因数有以下好处：1.通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。2.藉由良好功因值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。3.可以增加系统的裕度，挖掘出了发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量[19]。1.3抑制谐波的意义在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数[13]。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19…。n倍于电网频率。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。随着人们对电网理解、认识、研究的深入，对谐波及无功功率也有了更全面的研究，经过长期的研究发现谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：1.谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、配电及电力电子设备的效率，同时，当3次谐波流过电网的零线时会使线路过热、老化，容易发生火灾，或者发生磁感应障碍。2.谐波影响各种电力电子设备的正常运行。谐波对电机的危害包括，引起附加损耗，产生机械振动、噪声、过电流和过电压，最终使整个系统无法正常运行。3.谐波可以是公用电网中局部器件发生联谐振，从而使谐波逐渐放大，引起严重事故。4.谐波会导致继电保护装置和自动检测装置的失误，同样各种电气测量仪表测量产生严重误差。5.谐波会对邻近的通信系统产生电磁干扰，降低通信信号质量，使整个通信系统无法正常工作。因此，谐波的抑制不仅成为近年来人们关注的热点，也成为我们不得不面对的问题。1.4调压器的国内外发展趋势在国内传统的晶闸管调压器仍然占有很大的使用率，因此，运用这种调压器必然需要进行补偿无功、抑制谐波。加装无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法，目前在国内均得到广泛的应用。同时在补偿无功功率的众多方法中，设置并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济等优点。与此相似，设置LC滤波器是抑制谐波的传统方法。但是，这两类装置均存在较难克服的缺点，包括：1.谐波对并联电容器的影响。谐波电流叠加使电容器的电压有效值增大，并使电压峰值增大，温升增高，引起过热而降低电容器的使用寿命或是电容器损坏。2.并联电容器对谐波的放大。电容器可以将谐波电流放大，不仅危害电容器本身，而且会危及电网中的电器设备，严重时会造成损坏，甚至破坏电网的正常运行[1]。随着用户要求的不断提高，传统的无功补偿设置的阻抗式固定的，对调压的跟踪性、实时性的要求尤为显著。电力系统的发展也要求对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。无功功率动态补偿的原理的出现就是响应了这些要求。可以实现以下功能：1.对动态无功负荷的功率因数校正。2.改善电压调整。3.提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡。4.降低过电压。5.减少电压闪烁。6.阻尼次同步振荡。7.减少电压和电流的不平衡。但是不论采用上述哪种方法，其原理都是在电网中加入补偿无功和滤除谐波的装置，并未从根源上治理谐波，从本质上提高功率因数。国外多采用高功率因数调压器，这种调压器使用两个同步不同幅值的一般调压器合成，在同一周期轮换开通进行调压，使得电压波形由传统的零电压线和部分正弦波的组合改善为由大、小两部分正弦波组合而成，通过理论及实践证明该调压器能够使得电网的谐波电流大大减小，功率因数大大提高。比起国内普遍运用的传统的无功补偿和谐波治理方式来说，运用高功率因数调压器谐波含量远小于一般调压器的谐波含量，功率因数远远优于一般调压器。由于该调压器大幅地抑制了谐波含量，提高了功率因数，甚至一定条件下不需要另行安装补偿装置，从而减少了原材料的使用，降低了企业经济成本。所以，调压器的研究还需要不断的进行，高功率因数调压器的研究水平仍需要不断提高。[12]1.5本文的主要内容本论文主要是以设计具有提高功率因数和抑制谐波功能的智能调压器，重点分析了高功率饮食调压器的原理，以及实现其智能化，为达到此目的，本文加入dsPIC30f控制芯片，完成其主电路的硬件设计，以及相应功能的软件的设计。主要由以下内容组成：1.介绍了调压器的基本原理，包括了一般调压器原理及高功率因数调压器的原理。2.调压器谐波达标方案，使得高功率因数调压器在运行时，其功率因数和谐波含量均能够达到国家标准。3.加入零电位检测环节，防止环流的发生。4.设计调压器控制的硬件系统。5.调压器DSP控制功能的实现。第2章调压器原理2.1一般调压器的原理分析两个晶闸管反并联可组成一个单相调压器，通过改变控制角可以调整输出电压。电阻负载的单相一般传统调压电路图及其波形如图2-1所示α为触发角，且设变压器副边电压如下式所示：（2-1）图2-1电阻负载的单相交流调压器电路及负载波形本文假设变压器原、副边变比为1，且负载为纯阻性。因此分析调压器对电网电流的影响只需对负载电流分析即可。将其进行傅里叶分解，可将负载电流表示为如下形式：（2-2）利用傅里叶分解定理可得傅里叶系数：（2-3）（2-4）（2-5）（2-6）进一步可得负载电流基波的有效值和初相角分别为：（2-7）（2-8）由此可得，变压器原边电流谐波含量及功率因数分别为：（2-9）（2-10）2.2高功率因数调压器原理2.2.1高功率因数调压器原理纯阻性负载的单相高功率因数交流调压电路如图2-2所示。式中，QUOTEα为大正弦波的触发延迟角，两电压源e1,e2分别为同一变压器的副边的不同抽头。图2-2电阻负载的单相交流调压器电路及负载波形该调压器工作机理：在一个周期内，VT3先导通产生电流正极性小正弦波，VT1再导通产生电流正极性大正弦波，VT4再导通产生电流负极性小正弦波，VT2最后导通产生电流负极性大正弦波[12]。设变压器两副边电压分别为：（2-11）（2-12）负载工作电压公式如下：（2-13）设变压器原边电压如下：（2-14）另：假设变压器副边两抽头e1,e2电压分别为1000V和707V，负载电流波形大正弦波与小正弦波的峰值比例则为1.414，但是折算到变压器原边绕组的电流波形大正弦波与小正弦波的峰值比例则为220。本文将变压器副边两抽头e1,e2电压有效值之比称作比例因子，设为φ。仍设变压器原边与副边第一抽头变比为1，则有，（2-15）由于负载为纯阻性，变压器原边电流表达式如下：（2-16）考虑到波形为半波对称，而且没有直流分量，可将变压器原边电流表示为如下形式：（2-17）由傅里叶分解可得傅里叶系数为（2-18）（2-19）进一步可得变压器原边电流基波的有效值和初相角、各次谐波有效值和电源电流总有效值分别为（2-20）（2-21）（2-22）（2-23）从而得到变压器原边的功率因数及谐波含量分别为：（2-24）（2-25）2.2.2三相高功率因数调压器原理以上介绍的均为单相调压器，在实际工程中通常将三个单相调压器进行三角形组合，构成类似支路控制三角形联结的三相调压电路。电阻负载时，其触发延迟角α移相范围为0°~180°，这里的触发角相位是相对于线电压零点而言的。该电路中每相负载的电压波形及电流波形与移相控制的单相调压电路相同，而输入线电流是与该线相连的两个负载相电流之和。这种调压电路可看作由三个单相移相控制调压电路组成，在注意到负载相电流中的3倍次谐波在输入线电流中将互相抵消，而基波和其它谐波将同频率相互迭加使输入线电流中相应成分增至倍[17]。因此，这种电路输入电流中基波和谐波分量的计算公式为：（2-26）（2-27）电路输入电流中的谐波次数也是（k为正整数）。输入电流总有效值的计算仍需根据定义进行运算得到。（2-28）若三相三线制调压电路完全对称电路，则公共端不能流通3倍次谐波，但是一般工程中由于三相不能完全对称所以不能将三倍次谐波完全抵消。因此，在计算谐波含量时3倍次谐波应考虑抵消因子（=1-抵消率）。由于电路中电流波形半波对称，所以电流中不含偶次谐波。因此，对于三相三线制电路而言，其只含有奇数次谐波，即次数（k为正整数）的谐波和3倍次谐波。假定高功率因数调压电路中变压器原边电压有效值E与负载电阻R为常数值（比如1），则由公式可以求得各次谐波电流，通过编程计算寻求比例因子ρ一定时各次谐波电流最大值、、、……表2.1中列出了国家标准谐波电流最大允许值，由表2.1可知国家标准要求的最大谐波电流允许值之间的比值为:表2-1注入公共连接点的谐波电流允许值标准电压KV基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值A571113171923250.38106244282418161412610034241613109.07.46.81010020352502.5665002.61107502.11.9由上可知：若分析三线三相制联结的高功率因数调压器谐波含量的时候只要分析变压器原边的3、5、7次谐波电流及功率因数即可[9]。2.3智能调压器工作原理2.3.1智能调压器的特点智能调压器以耦合变压器的工作结构为基础，电流波形由小正弦波和大正弦波组成。双波叠加的电流无需进行无功补偿和谐波抑制，工作原理图如图2-3所示。智能调压器的工作状态分为三种：开路状态，即晶闸管Q1、Q2、Q3、Q4都不导通。变压器T2一次侧串有大阻抗Z，其中R=Rm+R2’，X=Xm+X2’。其电阻值为变压器T1的励磁阻抗和二次侧的漏阻抗和。在生产中，要避免这种工作方式的发生。因为当T1从别的工作方式转到开路工作方式的瞬间，由于电路中励磁电感Xm的存在，在开路瞬间，dU/dt和dI/dt会很大，电网上的电压可能会完全加在变压器T1上，超过晶闸管的最大承受电压，从而导致晶闸管Q1和Q短路状态，即晶闸管Q1或Q3导通，晶闸管Q2和Q4都不导通。变压器T2的一次侧串有一个小阻抗，其电阻值为变压器T1的励磁阻抗与一次侧漏阻抗的并联，再和二次侧漏阻抗串联。这种工作方式变压器T1的一次侧串有小阻抗，消耗小部分功率，阻抗压降很小，电网电压都加在变压器T2上。电源状态，即晶闸管Q2或Q4导通，晶闸管Q1和Q3都不导通。电网电压和T1二次侧电压的叠加，即双电源共同作用在T2的一次侧，对负载进行供电。2.3.2智能调压器工作方式当变压器T1的线圈绕组为同名端时，原理图如图2-3所示。图2-3智能调压器工作原理及波形智能调压器在一个时间周期内，分为四种工作方式：方式1：当0≤ωt≤α，在Q1的正半周电压下，Q1加脉冲触发导通，Q2、Q3、Q4关断，电压U2工作负载电压UL=U2。方式2：当α＜ωt≤π，在U3的正半周电压下，Q2加脉冲触发导通，Q1受反压关断，Q3、Q4关断，电压U2、U3工作，负载电压UL=U2+U3=U1。方式3：当π＜ωt≤π+α，在U2的负半周电压下，Q3加脉冲触发导通，Q2受反压关断，Q1、Q4关断，电压U2工作，负载电压UL=U2。方式4：当π+α＜ωt≤2π，在U3的负半周电压下，Q4加脉冲触发导通，Q3受反压关断，Q1、Q2关断，电压U2、U3工作，负载电压UL=U2+U3=U1。同理，当变压器T1的线圈绕组为异名端时，负载的电流波形仍为大、小双波的叠加。通过分析变压器同名端的两种联结方式，分析出了各晶闸管的开通次序和方式，最后得出负载电压电流的波形为，两个电压幅值不同的同步单相调压器叠加连续工作，为了消除直流分量，正负半周对称。正半周由与控制角α相等的小正弦波（U2）和（1800-α）的大正弦波（U1）两条曲线组成，如图2-3。2.4谐波方案设计假设调压器有16个用户，每个用户最大工作容量为S（MV），电网标称电压为10KV，最小短路容量为4*16S。由第2.2.2节可知只要分析系统的3、5、7次谐波即可1.由表2.1及公式计算出用户公共结点处的3、5、7次电流允许值：（2-29）（2-30）（2-31）2.谐波合成由公式计算：（2-32）（2-33）（2-34）3.由于本设计是单相合成三相，由第二章分析可知只要分析系统的3、5、7次谐波即可。实际现场工作3的倍数次谐波抵消率为85%，即3的倍数次谐波相当于只含有其本身的15%。由于采用单向合成三相思路，所以折算到每一相，相当于基波有效值增加到了1.732倍，而谐波合成后有效值不变，相当于其含量又减小到原来的1/1.732=58%，从而可得每个用户各次谐波电流如下（2-35）（2-36）（2-37）4.一般标准电压为10KV时，单用户最大工作电流为（2-38）由于谐波电流含量是随触发角α的不同而变化的，而且各炉的触发角不一定相同，所以我们这里考虑平均谐波含量。由第二章一般调压器谐波计算结果可知一般调压器的各次谐波的平均含量分别为：（2-39）（2-40）（2-41）因此由各次谐波含量乘以最大工作电流可得到：3次平均谐波电流为18.35S,5次平均谐波电流为11.60S,7次平均谐波电流为8.54S。从而可以得到各次谐波的滤除率（2-42）（2-43）（2-44）单用户不一定都同时工作在最大电流工作状态，所以考虑平均工作率，即，要求高功率因数调压器的各次谐波的平均含量小于或等于：（2-45）（2-46）可以求得当比例因子为0.7时，高功率因数调压器的各次谐波的平均含量为：（2-47）（2-48）（2-49）可知该系统中当比例因子等于0.7时高功率调压器谐波含量符合国家标准。通过计算，发现当高功率调压器比例因子大于等于0.25时，平均功率因数大于0.9；所有3次谐波含量均符合国家标准，当比例因子大于等于0.7时5次谐波含量达到国家标准，当比例因子大于等于0.62时7次谐波含量达到国家标准。综上，当调压器比例因子大于等于0.7时，该系统运用高功率调压器调压，其功率因数和谐波均能够达到国家标准。2.5环流效应2.5.1环流效应简述在工业生产中,调压器设备可能会出现两组晶闸管同时导通的情况,此时,电压源被短路,线路上会产生很大的电流,及环流效应.耦合变压器式的调压器产生环流效应的原因主要有以下3点:1.非工作组晶闸管承受较大的电压尖峰和较大的dv/dt,使其误导通产生环流效应。2.非工作组晶闸管在外界电磁干扰作用下误导通。3.非工作组晶闸管由于主回路中感性元件的存在,使电流滞后于电压,当工作组晶闸管开通时,易发生两组晶闸管同时导通的情况,形成环流[14]。对于产生环流效应的第一种情况，主要应对方法是在主回路中通过安装阻容吸收装置抑制吸收晶闸管两端的电压尖峰和减小dv/dt。产生环流效应的第二种情况通常采取的主要应对措施是在控制回路中加入抗干扰电路。产生环流效应的第三种情况需要在第二组晶闸管工作之前设置一个安全角，避开两组晶闸管同时导通的情况。2.5.2晶闸管环流的特点环流产生时第一组晶闸管所在电路电流仍然是递减趋势，但是其值比原来电流值有所增加；电压的大小正向影响第一路电流减小到零的时间；比例因数的大小反向影响两种情况下电流的差值[20]。智能调压器实际的负载电压和电流波形，以及晶闸管Q2、Q4两端电压如图2-4所示。图2-4智能调压器的负载电流滞后于电压为了避免环流的发生，必须要求，当调压器的电压波形从U1向U2转变的时候，流过晶闸管Q2或Q4的电流已经为零后，才能触发开通Q1或者Q3。2.5.3零电压检测通过安装接在U3支路上的电流互感器来检测流过晶闸管Q2和Q4的电流是否为零，有以下缺点。在调压器这种大电流检测的电路中，由于电流大，同时存在各种强电磁干扰，若用电流互感器存在严重的磁滞现象，不能及时准确的检测电流，容易造成误检测，以及检测的不及时，严重影响设备的使用。所以，对于零电流的检测，检测电流电路的精度不能为0，为此必须选定一个精度，由于检测的范围为0.1Ie～Ie，对于检测的精度，大电流约为0.3%，小电流为20%，检测的精度范围跨度大，不适合通用的检测，并且在工业设备中，网压的波动也会对电流检测产生噪声，导致误检测。在本设计中，设计出零电压检测电路，当流过晶闸管Q2或Q4的电流为零时，通过检测晶闸管两端的电压是否达到，为电路中的阻抗角，来判断电路中电流是否为零。当在方式3时，Q4受到U3的负压逐渐关断，电流也为零时，就可以给Q1触发信号。当电流为零时，由于电流滞后于电压一个角度φ，此时晶闸管Q4两端的电压为（为负电压）。当电路检测到这个值的时候，说明晶闸管Q4已经关断，可以对Q1触发。当在方式1时，Q2受到U3的正压逐渐关断，电流也为零时，就可以给Q3触发信号。当电流为零时，由于电流滞后与电压一个角度φ，此时晶闸管Q1两端的电压为（为正电压）。当电路检测到这个值的时候，说明晶闸管Q2已经关断，可以对Q3触发。当晶闸管Q2、Q4导通时，电压检测电路所测量的为晶闸管两端的压降1V~3V，电路检测无效[22]。2.5.4安全角为了避免环流的发生，对晶闸管Q1和Q3的触发进行安全角φ的设计，波形如图2-5图2-5安全角的设定负载电流如下所示：（2-50）对电流进行傅立叶分解，假设，将两个电流折算到变压器原边。则电网电源的电流公式变为（2-51）考虑到电流波形是半波对称，没有直流分量，将等效到变压器T2原边的负载电流表示为如下形式：（2-52）由傅立叶分解可得到傅立叶系数：（2-53）（2-54）（2-55）（2-56）进一步可得变压器原边电流基波的有效值和初相角分别为：（2-57）（2-58）而变压器原边各次谐波电流的有效值如下：（）（2-59）此外，变压器T2原边的电流有效值也可求出：（2-60）则此时谐波含量及功率因数分别为：（2-61）（2-62）（2-63）负载电压uL为电源电压波形的一部分，而电源电流i（也就是负载电流iL）与负载电压波形相同。因此负载电压为：（2-64）求的负载电压有效值为：（2-65）由计算可知当φ=460时调压器的平均功率因数为0.9，满足要求。为了满足谐波的要求，计算出，当φ=790时，绿色调压器的三次谐波的平均含量为I3i=37.6%×15%=5.64%，满足三次谐波的要求。当φ=280时，绿色调压器的五次谐波的平均含量为6.12%，满足五次谐波的要求。当φ=290时，绿色调压器的七次谐波的平均含量为5.49%，满足七次谐波的要求。由此可知谐波次数越大，调压器中谐波含量达到要求，因此我们只考虑3、5、7次谐波即可。因此，我们整理出安全角φ的范围应该00～280[24]。第3章调压器的设计3.1调压器的电气设计3.1.如图4个晶闸管调压器同一周期有2个工作，构成了高功率因数调压器。选用高功率因数调压器在电压/电流工艺曲线固定的情况下，不需要无功功率补偿和谐波抑制装置，并实现功率因数大于0.9，注入电网的谐波达到国家标准。该调压器的主回路电路图相同，4个晶闸管调压器任何时候有2个晶闸管调压器在工作。变压器原边绕组的电压、电流波形如图3-1所示，电流波形由小正弦波和大正弦波组成。（3-1）图3-1晶闸管调压器及单个晶闸管调压器的工作电流当单相供电的负载较多，或者工艺电压曲线最高电压值比较大。未解决晶闸管耐压问题，通常采用先独立后串联供电方案，如图3-2所示工作方式为：首先K1电子开关导通，K2电子开关断开，调压器T2为用户一供电，调压器T1为用户二供电。随负载加大，供电电压下降，再进入串联状态，K2电子开关导通，K1电子开关断开，调压器T2、T3、T4为用户一、用户二供电。调压器的调节器是自适应调节器，调节器参数随负载电阻变化而自动变化。图3-2先独立后串联调压方式3.1.2调压器主电路选型晶闸管，根据调压器中晶闸管的正向导通电流和反向峰值电压及设计指标选择KP3000A（3000A，100～4000mA）。压敏电阻，在主电路中联入压敏电阻与熔断器的串联电路，其作用在于能够在异常瞬时高电压出现时进行分流或熔断，从而达到保护电路的作用，本文选用MYL1-1（防雷用压敏电阻），适用于调压柜。刀熔开关，益瑞公司生产的HR3系列熔断器式刀开关适用于交流50Hz、380V，额定电流至1000A的配电系统中作为短路保护和电缆、导线的过载保护之用。在正常情况下，可供不频繁地手动接通和分断正常电流与过载电流，在短路情况下，由熔体熔断来切断电流，本文根据调压器的要求，选用益瑞公司生产的HR3-100/31型刀熔开关。熔断器，根据调压器主电路要求，本文选用金晖电气的KG8-K-2A/400VaM型熔断器，额定电压为400V额定电流为2A。F1、F2、F3选用KG8-K-25A/400VaM.3.2电流闭环控制图3-3为控制方框图，其中，Gc（s）为控制器环节，G1（s）=E3/180为晶闸管触发与调节，G3（s）=1/R为负载电流输出环节，G4（s）=1/(Ts+1)为检测环节。图3-3电流闭环控制系统方框图通过调压负载电压U与晶闸管触发角α关系，即电流有效值：（3-2）当中ρ=0.7，触发控制角α和输出负载电压之间的关系为U=m+E3cosαU，m为常数，E3为大小正弦波电压有效值的差值，即(1-ρ)E3，因为E3cosα是非线性关系，经线性化可得：G1（s）=(1-ρ)E3/180由于负载电压通过变压器供电给负载。分析变压器的等效电路，其中Rk=R1+k2R2，X1+k2X2为原边、副边匝数比，R为电阻负载。图3-4变压器等效电路变压器简化成等效电路，得到U为输入电压，为输出电压，其中R’=Rk+R，为变压器漏电感值。U’的传递函数为：（3-3）负载电压转变成负载电流，传递函数为：（3-4）由检测电路环节进行反馈，T为反馈检测时间。（3-5）电流闭环控制的开环传递函数为：（3-6）为了使控制对象校正成典型型系统，调节器必须为Gc(s)=k1/s积分的作用就是消除误差，调压器不要求较快的响应速度，开环传递函数为：（3-7）由上式可以看出，其符合典型I系统的开环传递函数（3-8）开环放大倍数为：（3-9）根据欠阻尼二阶系统在零初始条件下的阶跃响应动态指标，列出关系（3-10）3.3调压器的控制功能3.3.1智能调压器功能起、停控制，调压器的启动、停止控制可以由人工上位机来启动调压器。2.电流闭环控制，调压主控板采用脉宽调制调节的控制来完成闭环控制，依拒给定电流调节晶闸管触发α角，从而改变负载上的电压值，从而实现实时随给定电流调节。上位机设定给定电流传给通讯显示板，再传给调压主控板。3.负载电流检测，检测负载电流，用于电流闭环控制和故障监测。4.故障设计，故障分析分为两种：报警故障与封锁故障。出现报警故障时，调压柜报警故障指示灯亮起，通讯显示板提示故障信号。报警故障只做提示而不封锁脉冲。出现封锁故障，调压柜报警故障指示灯和封锁故障指示灯同时亮起，调压器通讯显示板提示故障信号，并且调压柜停止工作，封锁脉冲。当出现过流故障，调压柜提示封锁故障，并封锁晶闸管，停止工作。3.3.2控制电路调压控制由调压主控板、通讯显示板、晶闸管电压检测板、高压检测板、脉冲触发板组成。主控板的作用是根据检测到的负载电流，对晶闸管触发角α进行工作，使实际电流跟随给定电流，同时进行故障检测以及处理，还包括了：1.负载电流检测，通过积分调节，调节触发角α，使得实际电流跟随给定电流。2.电网电压检测，过压保护。3.通过光纤与高压检测板通讯，得到负载电压。通过光纤与晶闸管电压检测板，得到Q2、Q4两端的电压。4.把各种状态值通过总线传送到显示板。同时读取给定电流值以及启停指令。高压检测板的作用是对负载电压进行检测，并且把测量结果通过光纤传给调压主控板，最终通过监控画面显示调压的进程[7]。脉冲触发板的作用是把调压主控板发出的光纤触发信号转换成晶闸管需要的实际触发信号。有触发和封锁两种工作状态。通讯显示板通过键盘和LED液晶显示完成人机对话，设定显示板、调压主控板参数，查看调压器的工作状态和故障信息。通过光纤与上位机通讯，显示板可以把所带的调压柜的工作状态发送到上位机，便于操作人员观察，并且把操作指令发送到调压柜。3.3.3DSP控制数字信号处理器（DigitalSignalProcessor）简称DSP自20世纪80年代诞生以来，在短短的几十年得到了飞速的发展，广泛的应用于通信、航空航天、医疗、工业控制等方面，DSP利用CPU以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理。以得到符合人们需要的信号形式。DSP采用了内含乘法器和并行处理的结构，具有很强的数字运算能力。由于DSP发展的日渐成熟，其价格也不断下降，大大提高了性价比。DSP较一般微处理器比主要优势有速度极快、指令功能精简强大，并且它具有体积小、功耗小、使用方便、实时处理快、处理数据量大、精度高、性价比高等优点。单片机与DSP两种处理各有特点，单片机的控制功能全面，DSP的数字信号处理能力优越。应运而生的dsPIC芯片就是集两种优势于一身的控制芯片。dsPIC是将高性能16单片机加上DSP功能而产生的。dsPIC是一种将单片机的特征同数字信号处理器（DSP）的能力结合在一起的控制芯片[2]。本设计应用dsPIC30F芯片来实现调压器的智能控制。dsPIC30F芯片采用16位（数据）改进型（非流水线的哈佛RISC结果），芯片内的程序计数器（PC）为24位宽，可以寻址4M*24位的程序储存空间。随着工业系统对精确控制实时响应，以及更多功能的要求，dsPIC30F的优势日趋明显。本设计选用dsPIC30F系列中的6011A作为主控板的控制芯片。图3-6dsPIC30FdsPIC30F6011A是一款集单片机与DSP优势于一身的芯片。它具有以下优点：全面的外围部件；完善的DSP引擎；良好的中断能力；拥有Flash存储器；灵活的编程及重编程能力，使用优化的语言指令：方便用户移植代码；此外，该芯片还支持4M*24位的可寻址Flash程序存储体，以及32K*16位的数据存储空间。而且他的供电电压也有着独特的优势，他的供电电压在2.5～3.3.4端口设计调压主控板的端口包括，电源端口、通讯端口、模拟量采集端口、开关量采集端口、开关量输出端口和光纤端口。电源端口，X1为电源输入端子1、2脚为DC+12V输入，3、4为0V输入。通讯端口，端子X4与通讯显示板之间的通讯，通讯总线为RS485总线。1脚为RS485的A+，接通讯显示板的TA，3脚为RS485的B－，接通讯板的TB。模拟量采集端口，端子X2-1～X2-16为四路模拟量采集端口，分别为以下八端口，1.X2-1和X2-4为拓展端口2.X2-5和X2-6为负载电流1检测端口3.X2-7和X2-8为负载电流2检测端口。4.X2-9和X2-10为负载电流3检测端口。5.X2-11和X2-12为支路电流1检测端口。6.X2-13和X2-14为支路电流2检测端口。7.X2-15和X2-16为支路电流3检测端口。开关量输入端口，端子X3-1～X3-6为开关量采集端口，分别为以下三端口，1.X3-1和X3-2为快熔检测端口，常闭节点输入。2.X3-3和X3-4为封锁/工作开关检测端口，常闭节点输入。3.X3-5和X3-6为断路器开关检测端口，常开节点输入（Q1、Q2用同一信号）。开关量输出端口，端子X3-7～X3-13为开关量采集端口，分别为以下五端口，1．X3-7为封锁继电器信号输出端口，与X3-11之间接12V继电器线包。2．X3-8为报警继电器信号输出端口，与X3-11之间接12V继电器的线包。3．X3-9为断路器合闸信号输出端口，与X3-11之间接12V继电器的线包（Q1、Q2用同一信号）。4．X3-10为断路器合闸信号输出端口，与X3-11之间接12V继电器的线包（Q1、Q2用同一信号）。5．X3-12～X3-13为备用端口，悬空。光纤端口，光纤传输具有传输稳定，抗干扰能力强的特点，分别为以下端口，1．GR1光纤接收端口，与高压1检测板连接，获取来自高压1检测板的负载电压1。2．GR2光纤接收端口，与高压2检测板连接，获取来自高压2检测板的负载电压2。3．GR3光纤接收端口，与高压3检测板连接，获取来自高压3检测板的负载电压3。4．GR4为光纤接收端口，与晶闸管电压1检测板连接，获取晶闸管V3、V4两端的电压，对零电流进行判断，防止环流发生。5．GR5为光纤接收端口，与晶闸管电压2检测板连接，获取晶闸管V7、V8两端的电压，对零电流进行判断，防止环流发生。6．GR6为光纤接收端口，与晶闸管电压3检测板连接，获取晶闸管V11、V12两端的电压，对零电流进行判断，防止环流发生。7．GR7为光纤接收端口，与同步电压检测板连接，获取来自同步电压检测板的中断信号。8．GR8为光纤接收端口（冗余），与同步电压检测板连接，获取来自同步电压检测板的中断信号。9．G1C和G1J、G2C和G2J、G3C和G3J、G4C和G4J、G5C和G5J、G6C和G6J、G7C和G7J、G8C和G8J、G9C和G9J、G10C和G10J、G11C和G11J、G12C和G12J，是光纤发送端口，分别控制晶闸管V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11、V12的门极控制端，包括触发信号和解封锁信号。3.4零电位检测环流对设备的危害及其严重，为了保护设备，我们需要加入零电位检测环节。零电位检测的电路图见附图。电阻选型，R1的阻值为510Ω，R2～R10均为3K/10W，R11为1.5K/10W，R12为1.8K/10W,R13为1K/0.05W,R14为1.6K/0.05W,R15为1K/0.125W,R16为330/0.5W。电容选型：C1为0.1Uf/50V,C2为0.1Uf/25V，C3为0.1Uf/20V,C4为0.1uF、25V，C5为0.1uF/16V。E1为220uF/50V。HFBR-1414,为深圳毅创辉电子有限公司的光纤发射器。工作电压为7VDC。LM6511为北京时阳电子科技有限公司生产。3.5驱动电路驱动电路按驱动信号与被驱动的器件的电气关系来分，可分为直接驱动和隔离驱动，隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，采用直接驱动比较简单，由于本设计中的驱动信号由DSP产生，需要与主电路隔离，故直接驱动不予以考虑。光耦隔离驱动由于光耦速度限制，只适用于100MHz一下的电路中，也不予考虑。现详细介绍下使用脉冲变压器的隔离驱动器。一般分为三种方法：有源、无源、自给电源驱动。无源方法比较简单，就是利用脉冲变压器次级输出信号直接驱动功率管，由于功率管栅源电容较大，会导致栅源间的波形有明显变形。因此此种方法最好使用较大脉冲变压器。有源隔离中变压器只是提供一个信号，另有整形放大电路来驱动功率器件，需要另外提供隔离的辅助电源给放大器。驱动波形好，但是容易引进更大的干扰。采用自给电源技术，只用一个变压器，既省略了辅助电源，又得到较快速度。目前自给电源的产生有调制和分时两种方法。调制技术是先对PWM波进行高频（大于1MHz）调制，并将调制信号加在隔离脉冲变压器初级，在次级经过整流得到自给电源。原PWM波需经解调才能获得。显然这种方法不简单，而且PWM的解调要增加信号的延时，此方法只适用于低频PWM信号。分时技术原理是将信号和能量的传送采取分别进行的方法，即在变压器输入PWM信号的上升与下降沿传递信号，在输入信号平顶阶段传递驱动所需能量。由于在PWM的上升与下降沿只传递信号，基本没有能量传输，因而输出的PWM脉冲延时与畸变都很小，能获得陡峭驱动输出脉冲[8]。本设计中驱动信号是由DSP产生的，是一个3V的PWM信号，采用分时技术自给电源的变压器隔离驱动器去驱动主电路开关管。拟采用北京落木源公司的TX-KD107驱动器，原理图如图3-7所示。图3-7TX-KD103驱动器原理图3.5辅助电源图3-8辅助电源辅助电源：经过220V变压器降压，分别取15V与9V的抽头，电流经过整流桥整流，在经过充电电容后，送入7812稳压到12V，在经过一级滤波，输出12V。同理得到5V、16V。第4章调压器的智能控制设计4.1控制功能设计根据3.3.1分析的智能调压器的功能，可以得到图4-1所示的逻辑功能图。图4-1控制功能设计流程图由上位机操作，发出启动或停止信号，传输给通讯显示板，再由通讯显示板传输到主控CPU及DSPIC30F，主控CPU对调压器发出启动或停止信号。主控CPU根据给定电流以及电流闭环控制，利用各监测器获得的检测信息对调压器进行实时控制。主控CPU需要获得检测信息，才能对调压器进行更优化的控制。主控CPU需要获得的信息如图4-2所示，有电网电压同步检测、高压检测、零电压检测、负载电流检测。图4-2信息采集流程图为了保护调压器的正常工作，我们需要预设好故障检测。故障检测分为两种：报警故障、封锁故障。报警故障只做提示，不封锁脉冲。封锁故障提示报警的同时封锁脉冲，调压器停止工作。当出现电流过流时，调压器进入封锁故障。图4-3故障功能流程图DSPIC30F系列芯片的编译器功能齐全，因此只能调压器的程序编辑可以用C语言编写，其主程序的流程图如图4-4。图4-4主程序流程图4.2程序编程对于调压主控板的程序编写，一般分宏定义编写、外设初始化和程序编写、主回路程序编写。If（Counter_Timer1000ms＜Timer_1000ms）Return;Counter_Timer1000ms=0;//counter_zt++;//Cal_Compare_R_DTJ();If(Flg_SysStatebits.ChangeModel==1){Flg_SysStatebits.ChangeModel=0;If(Flg_SwitchStatebits.RunStop==1)First_Find_DW();}If(Flg_SwitchStatebits.RunStop==0){DW_Current=0;DW_Pre=0;Flg_SysStatebits.ChangeDW=1;If(FLg_SysStatebits.RunStop_Pre==1)}Return;}If(Flg_SysStatebits.RunStop_Pre==0){If(Flg_SwitchStatebits.LoadBraker_On==0){DTJ_Current=Min_DTJ;DTJ_Manual=Min_DTJ;}Else{DTJ_Current=Max_DTJ;DTJ_Manual=Max_DTJ;}总结本设计通过对变压器耦合式的智能调压器的原理分析及应用设计，针对调压器的无功补偿及谐波抑制的问题提出了相对的解决措施。本文分析了调压器的环流效应，电流闭环控制方法，设计了以DSP为基础的控制策略，并设计了软件的控制思路。本文的主要工作包括：1.介绍了调压器的发展历程，阐明了本文的设计目标与意义。设计了以提高功率因数、抑制谐波为目标的调压器。2.详细介绍了调压器及高功率因数调压器的原理。分析了高功率因数调压器提高功率因数的工作原理，设计了环流抑制的实现方法，并讨论了环流效应。3.本文硬件包括，通讯显示板、主控制板、高压检测板、零电压检测板、电网电压同步检测板和辅助电源电路。4.应用C语言编写本设计的软件部分，包括主控制程序、故障程序、保护功能程序。采用C语言编写程序易于理解，便于调试。尽管本人在装置的硬件、软件设计方面做了很多的工作，但是因为时间有限及本人能力的局限性，本设计仍有很多不足需要改进与完善。比如：1.本设计的功能不够全面，具有一定的局限性：随着工业自动化的日益发展，多功能的电气设备成为了人们关注的焦点。本设计只加入了简单的控制功能，可加入其它控制器使得设备更加智能。2.本设计的控制对象局限于晶闸管，随着电源技术的发展，调压设备必然多元化，晶闸管的单一性便不满足调压的需求。因此，可以考虑更具有兼容性的智能控制来满足多元化的需求。致谢值此论文完稿之际，我由衷的感谢我的指导老师艾延宝老师对我的悉心指导。本论文从无到有、从始至终，每一个问题、每一个设想艾老师都孜孜不倦的指导我。在整个过程中，艾老师严谨的治学态度以及随和的人格魅力深深地打动了我，这将是我以后工作生活的宝贵财富。在论文的写作期间，还得到了教研室韩龙老师等人的热心指导，感谢你们对我的包容与关怀，在此致上我深深的谢意！感谢我的家人给予我精神与物质上的支持，感谢我的各位朋友的对我的帮助，谢谢你们！感谢帮助、关心、支持过我的所有人！并向评阅本论文及参加论文答辩的老师致以真诚的谢意！参考文献1王兆安.波抑制和无功功率补偿（第2版）.机械工业出版社，2006:33-402张东亮.DSP原理与应用.机械工业出版社，2012：1-33赵新卫，于秀云，刘斌.中低压电网无功补偿实用技术.电子工业出版社，2011:87-964毛承雄.电力电子变压器.中国电力出版社，2010:1-35陆安定.功率因数与无功补偿.上海科学普及出版社，2004:1-36PellyBR.Thyristorphase-controlledconvertersandcycloconverters:operation,controlandperformance.NewYork:Johnwiley＆Sons,19717谢运祥.单相低谐波整流器的控制方法.华南理工大学学报(自然科学版).1999.10(3):1-3李宏.常用晶闸管触发器集成电路及应用.科学出版社，2011:1-3莫景照.低压配电网无功电容补偿探讨.科技经济市场.2007.2(11):1-310何礼高.30F11程志光,郝瑞祥.基于全数字控制的有源电力滤波器研究.电工理论与新技术.2004.7(3):4-512蒋荣华,肖顺珍.国内外多晶硅发展现状.半导体技术.2001.1