简易电能质量分析仪设计学位论文.doc
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1、石家庄铁道大学毕业设计 简易电能质量分析仪设计Design of Simple Power Quality Analyzer 2012 届 电气与电子工程 学院专 业 电气工程及其自动化 学 号 20082341 学生姓名 指导教师 完成日期 2012年 5 月 30 日毕业设计成绩单姓名学号班级专业毕业设计题目简易电能质量分析仪指导教师姓名指导教师职称副教授讲师评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩: 院长 签字: 年 月 日毕业设计任务书题目 简易电能质量分析仪学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化承担指导任务单位电气与电子工程学院导师姓名导师职称副教授讲师一、主要内容
2、采用单片机设计一个简易电能质量检测仪,可以实现3、5、7、9次谐波电气值的测量。二、 基本要求1. 能得到电压、电流有效值、功率、功率因数;2. 谐波电路设计要合理,可以得到相应的谐波值;3. 硬件成果数据测试;4. 用Protel完成电路图绘制。三、研究方法 1.通过参考资料查阅手册了解所需器件的电气特性。2. 通过比较和计算完成各种设备的选择;3. 通过实验,调试完成各模块电路设计。四、应收集的资料及参考文献1. 有关MSP430f149单片机方面的文献资料;2. 有关滤波方面的文献资料;3. 有关电源模块方面的文献资料;4. 有关谐波分析的资料。五、进度计划1. 第1周-第3周 收集相关
3、文献资料,完成开题报告;2. 第4周-第7周 进行方案论证,确定系统设计方案:3. 第8周-第13周 完成硬件电路设计; 4. 第14周-第16周 整理设计说明书,准备答辩。教研室主任签字时间 年 月 日毕业设计开题报告题目简易电能质量分析仪设计学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化一、研究背景 随着全球工业化进程的不断加快,在现代人类社会生活中电力已经成为不可缺少的重要能源之一。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行,保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。电能质量直接关系到国民经济的总体效益。因此,正确的检测和分析谐波是有效抑制和补偿谐波的基础,也是提高电能质
4、量的基础。二、国内外研究现状 国外有关电能质量监测的研究正掀起高潮,从所适用的功率理论的扩展,到电能质量评价指标体系的建立;从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义;各种电能质量问题分析方法的提出,以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996年,IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议,把电能质量提高到一个新的高度来认识。 目前,国内在电能质量监测方面的研究大多局限在谐波问题的范围内,也提出和开发了一些监测和改善电能质量的电能质量补偿装置,包括各种有源电力滤波器、动态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置,以及动态电压恢
5、复器等,与国外的差距是非常明显的。三、课题进行的主要工作及采用的方法 本文基于MSP430F149单片机,其最大采样频率为25 600 Hz,RS-232串行通信波特率为9 600 bps结合由四双向模拟开关CD4066与RC带通滤波电路等构成。分为单片机主控制模块,电源模块、信号采集模块和液晶显示模块。待测的模拟信号是电网中的交流高电压和交流大电流,为了隔离高电压和大电流需要进行幅值转换变成低电压和小电流,然而,这里不仅仅幅值是最重要的,为了不产生附加的畸变,变换过程中的频率响应应具有适当的带宽。设计选取了DVDI-001卧式穿芯小型精密电压互感器和TA1419-4卧式穿芯小型精密交流电流互
6、感器来来满足以上要求。而输出数据由1602液晶显示出来。四、预期达到的结果 可实现对工频交流电低次谐波的简单电气特性测量。并可以通过LCD1602将检测数据显示出来。指导教师签字时 间 年 月 日摘 要随着我国科技的进步和生产技术自动化水平的提高,电力已经成为现代人类社会中非常重要且必须的能源,因此对于电能质量的研究就显得越来越重要。电能质量监测作为电能质量监控的一个关键环节,在电力系统的运行管理和技术监督中起着很重要的作用,同时也是保证电力系统良好供电质量的必要手段。文章在对电能质量指标及其综合评价方法进行分析的基础上,设计了一种电能质量检测装置。本文着重介绍了该设计系统的硬件部分。在以单片
7、机MSP430F149构成的主控制模块为基础的前提下,分别设计了电源模块、信号采集模块、输出显示模块。电源模块通过对交流市电进行变压整流及稳压输出为系统提供电源。信号采集模块实现对模拟信号的采集处理。各种电气参数则通过输出显示模块1602显示出来。关键词:电能质量 MSP430F149 选频电路 谐波测量 Abstract With our advances in technology and production technology level of automation, power has become very important and must be the energy of
8、the modern human ociety, the quality of electricity has become increasingly important. Power quality monitoring as a key link in the power quality monitoring plays an important role in power system operation and management and technical supervision, but also the necessary means to ensure good qualit
9、y of power supply of the power system.Designed on the basis of analyzing the indicators of power quality and its comprehensive evaluation method, a power quality detection device. This article focuses on the hardware part of the design system. Microcontroller MSP430F149 constitute the main control m
10、odule based on the premise, namely, design a power supply module, the signal acquisition module, the output display module. AC mains transformer rectifier and voltage regulator output, the power supply module provides power for the system. Signal acquisition module for analog signal acquisition and
11、processing. Various electrical parameters displayed in the output display module 1602.Key words: power quality MSP430F149 selected frequency circuit harmonic measurement目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 选题背景及设计意义11.2.1 国外研究现状11.2.2 我国的研究现状21.3 本文的主要工作3第2章 系统原理设计42.1 交流采样原理42.2 电能质量参数算法52.2.1 快速傅里叶变换算法原理52.2.2 基本
12、交流电参数计算原理8第3章 装置硬件设计113.1 单片机主控制模块113.1.1 MSP430F149单片机简介123.1.2 MSP430F149引脚分布及工作方式133.2 电源模块153.2.1 交直转换模块153.2.2 退耦电路163.3 信号采集模块173.3.1 数据采集系统简介183.3.2 信号采集电路总体设计183.3.3 过零检测电路设计193.3.4 模拟信号采集电路203.3.5 谐波检测电路213.4 液晶显示模块233.4.1 LCD1602简介233.4.2 LCD1602引脚定义243.4.3 1602指令集25第4章 交流电压、电流有效值测试274.1 测
13、试方法:274.2 误差产生原因分析27第5章 结论与总结29参考文献30致 谢31附录A 外文资料翻译32A.1:英文32A.2:译文43附录B MSP430F149引脚分布50附录C 硬件电路图53石家庄铁道大学毕业设计第1章 绪论1.1 引言随着全球工业化进程的不断加快,在现代人类社会生活中电力已经成为不可缺少的重要能源之一。尤其在近年来,电网中诸如炼钢电弧炉、半导体变流装置和电气化铁路等大型负荷及大量现代日常电气设备不断增加,电网中的电压、电流波形受到诸如冲击性、非线性及不平衡用电特性的影响,发生不同程度的畸变;三相不平衡以及电压波动和闪变等一系列电能质量问题不断复杂化,电网遭到严重污
14、染。公用电网中的谐波电压和谐波电流就是对电网环境最严重的一种污染之一。只有对电网中的谐波源分布和谐波状态有了清楚的认识才能有效地治理谐波。据统计,电网用电负荷中异步电动机占的比例最大。电网电压和频率的偏差、谐波、三相电压不平衡以及电压波动和闪变等,均会直接影响电机的转速、力矩和发热,从而影响生产工效和产品质量。电网谐波含量增加,导致了电气设备寿命缩短,网损加大,系统发生谐波谐振的可能性增加,并联电容器不能正常运行,同时可能引发继电保护和自动装置的非故障性动作,导致仪表指示和电能计量不准以及计算机、通信受干扰等一系列问题。特别是随着计算机、电力电子和信息技术等高新产业的发展和普及,对电能质量提出
15、了越来越高的要求。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行,保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。电能质量直接关系到国民经济的总体效益。因此人们对电能质量问题的重视并非近几年的事,只不过早期对此认识比较简单,主要局限在保持电网频率和电压水平(即静态或平均偏差不过大)上。随着电力行业的发展,随着经济的发展,供电公司要提高自身的竞争力,其中一个最重要的部分就是提供高质量的电能。因此,正确的检测和分析谐波是有效抑制和补偿谐波的基础,也是提高电能质量的基础。本设计重点研究电能质量分析仪的硬件方法,实现对多项电能质量评价指标的综合监测与分析,为提高电网电能质量,保障其高质量
16、运行提供有实际价值的理论与技术支持。1.2 选题背景及设计意义1.2.1 国外研究现状国外有关电能质量监测的研究正掀起高潮,从所适用的功率理论的扩展,到电能质量评价指标体系的建立;从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义;各种电能质量问题分析方法的提出,以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996年,IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议,把电能质量提高到一个新的高度来认识。理论方面积极开展电能质量指标的评价体系研究。如何评价电能质量的好坏,通常使用的几种定量评价电能质量的指标如总谐波畸变率,功率因数等,但当波形为
17、非周期信号、频率为分数次谐波频率时,上述评价指标就有不协调的问题。这涉及到如何处理畸变、不平衡现象的功率定义问题,这方面国外已经作了大量研究,并给出了一些建议,但至今尚未取得一致意见。针对上述的电能质量问题,国外已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置,包括:有源电力滤波器和无源滤波器、电池贮能系统、配电用静态同步补偿器、配电用串联电容器、动态电压恢复器、功率因数校正电容器、避雷器、超导磁能贮存系统、静态电子分接开关、固态转移开关、固态断路器、静止无功补偿器、晶闸管开关电容器、不间断电源等。这些装置主要是采用电力电子技术,一些装置已相当成熟,其产品开始进入大量实用化阶段。如日本的有源电力滤波
18、器使用很普遍,并联型有源电力滤波器最大容量达50MVA,采用的是GTO、SCR器件,用于抑制电弧引起的闪变。统一电能质量调节器或称电能质量调节器(PQC)。它可快速补偿供电电压中的突升或突降、波动和闪变、谐波电流和电压、各相电压的不平衡以及故障时的短时电压中断等,是一项具有综合功能的电能质量控制器。西门子公司已系列生产出PQC装置,基于IGBT的PWM换流器,是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合,是众多此类研制品中较有代表性的产品。西门子的PQC与系统联接有三种方式,并联时,主要防止非正常负荷对系统的影响;串联时,则用于防止系统对负荷的影响;而当串并联时,则将具有双向补偿的功能。
19、用户电力技术。它是将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等高新技术运用于中、低压配电系统和用电系统中,以减小谐波畸变。消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断,从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术概念的提出,有助于供电部门提供高可靠性和高质量的电力,也有助于满足各种新工艺用户对电力供应的更高要求。用户电力技术控制器包括上面介绍的动态电压恢复器、固态断路器、统一电能质量调节器等。1.2.2 我国的研究现状监测和改善电能质量的主要措施是采用电力电子技术。目前,国内在电能质量监测方面的研究大多局限在谐波问题的范围内,也提出和开发了一些监测和改善电能质量的电能质量补
20、偿装置,包括各种有源电力滤波器、动态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置,以及动态电压恢复器等,与国外的差距是非常明显的。电能质量监测的基础理论研究,包括统一的畸变波形下电能质量的含义,电能质量的界定方法、评价体系的研究,各功率成份的定义及物理意义研究等。目前为适应不同需要提出了许多功率成份的定义方法,在其数学表达式、物理意义及实施方面各有所长,但距离理论上和实际上的统一的并易于接受的表达式尚有一定的差距。1.3 本设计的主要工作本文基于MSP430F149单片机,其最大采样频率为25600 Hz,RS-232串行通信波特率为9 600 bps结合由四双向模拟开关CD4066与RC带通滤波电路等
21、构成。分为单片机主控制模块,电源模块、信号采集模块和液晶显示模块。待测的模拟信号是电网中的交流高电压和交流大电流,为了隔离高电压和大电流需要进行幅值转换变成低电压和小电流,然而,这里不仅仅幅值是最重要的,为了不产生附加的畸变,变换过程中的频率响应也应具有适当的带宽。设计选取了DVDI-001卧式穿芯小型精密电压互感器(Potential Transformer,PT)和TA1419-4卧式穿芯小型精密交流电流互感器(Current Transformer,CT)来满足以上要求。220V的高压电和大电流经过互感器可转化为幅值为0.5+0.5 V的微信号。信号调理电路使0.5+0.5 V的输入信号
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