低壓無功補償控制系統(tǒng)硬件設計研究課題

系統(tǒng)的硬件設計系統(tǒng)硬件上采用TI公司的32位定點TMS320LF2812DSP進行控制，具有運算速度高、實時性好等優(yōu)勢。晶閘管投切電容器的使用，并且利用全數(shù)字的控制和界面的實時顯示等，采用綜合無功功率來實現(xiàn)控制等，充分展示了電容器的優(yōu)勢功能。檢測、控制、執(zhí)行和電源這四個部分共同組成了TSC的硬件電路。4.1系統(tǒng)硬件總框圖根據(jù)系統(tǒng)硬件總框圖，控制器直接連接電網(wǎng)電壓，確定輸入線的電壓小于660V，并且同時連接電流互感器，確定輸入電流要小于5A，以上多產(chǎn)生的信號受到信號調(diào)理的作用，使其信號的幅值進一步把減小，使得電壓值需小于或者等于3.3V。而后，連接起DSP的ADC將和已經(jīng)減小的電壓信號，以DSP的采樣功能、分析功能和計算計算功能，最終得到科學計算結果。另外，DSP還起到了電容器電路的控制保護作用。最終的計算結果由MCU輸送到液晶顯示器當中。對于控制器所有關鍵參數(shù)變動的記錄主要由EEPROM來實現(xiàn)[12]。對于2個CPU來說，兩者之間的數(shù)據(jù)傳送則利用雙口RAM來實現(xiàn)。圖4.1系統(tǒng)硬件總框圖Fig.4.1Generalblockdiagramofsystemhardware4.2系統(tǒng)各功能模塊4.2.1電源模塊一般的，對低壓無功補償控制器來說，其系統(tǒng)工作所需要的直流電源電壓有多種數(shù)值，如+12V，﹣12V，+5V以及+3.3V等。而電網(wǎng)中的電壓則一般為220V或者是380V，那么如何讓電網(wǎng)電壓直接與其相連，這就需要變壓器的作用。+12V電源和-12V電源不但是繼電器工作的驅動電壓，而且又起到維持整個控制系統(tǒng)正常運轉的作用。+5V電源既是DSP和液晶的輸入電源，同時也是MCU及各邏輯芯片的供電電源。+3.3V電源則是為FPGA和DSP提供電能。所以需要將電網(wǎng)中的電能轉換為低壓無功補償控制器需要的+12V，﹣12V，+5V和+3.3V的直流電。如圖4.2，電網(wǎng)中220V的電壓通過變壓器輸出+12V，﹣12V和+5V三種不同的電壓信號。分別利用電壓穩(wěn)壓塊7812和7805獲取+12V和+5V的電壓。如圖4.3，+3.3V電壓是通過TI公司的TPS767將+5V的電壓轉化為+3.3V[13]。圖4.2+12V和+5V電源產(chǎn)生模塊Fig.4.2+12Vand+5Vpowergenerationmodule圖4.3+3.3V電源產(chǎn)生模塊Fig.4.3+3.3Vpowergenerationmodule4.2.2電流、電壓信號調(diào)整電路信號分為電壓信號和電流信號，如圖4.4，電網(wǎng)中的電流信號已經(jīng)經(jīng)過了一次LMA1_0.5型電流互感器，此時的電流信號小于5A，但是此時的電流信號并不能直接被AD采樣采集，因為AD只能接收一定范圍的模擬信號，所以需利用0.1級的TA-200將小于5A的電流信號轉化為毫安級別的信號，并利用電阻得到小電壓信號，再將這個電壓信號經(jīng)過跟隨、放大、上拉等操作調(diào)節(jié)成AD可以直接采樣的-2.5V~2.5V的電壓信號。第一級運算放大器起到電壓跟隨的作用。第二級運算放大器將雙極性信號轉換為單極性信號，起到極性變換的作用。第三級運算放大器將信號中的高頻干擾過濾，起到低通濾波的作用。電壓信號的調(diào)整與電流信號基本一致，如圖4.5，電網(wǎng)中的電壓信號通過電壓互感器NDK（BK）-50和電壓信號調(diào)整電路后變成0~3.3V的電壓并傳送至AD進行采樣。圖4.4電流信號調(diào)理電路Fig.4.4Currentsignalconditioningcircuit圖4.5電壓信號調(diào)理電路Fig.4.5Voltagesignalconditioningcircuit4.2.3AD采樣模塊本文所進行的TSC低壓無功補償控制系統(tǒng)硬件設計主要使用的是TMS320系列DSP，TMS320F2812是TMS320C28x系列的代表產(chǎn)品，是32位定點DSP，32位定時器，具有158MIPS、片內(nèi)128KFlash、56個I/O，16通道12位ADC，采用TMS320F2812數(shù)字信號處理器進行數(shù)據(jù)的采集與分析[14]。由于DSP需要對采樣數(shù)據(jù)進行連續(xù)快速傅里葉變換，運算復雜，所以由TI公司的ADS7864進行數(shù)據(jù)采集，如圖4.6，ADS7864具有6路輸入通道且具有同時保持放大的功能，ADS7864特有的并行接口能與六個FIFO寄存器連接，便于更快速地捕獲數(shù)據(jù)。ADS7864的特點：（1）6通道同時采樣；（2）全差分輸入；（3）每個通道轉換時間2ms；（4）保證無失碼；（5）并行接口；（6）低功耗：50mW；（7）6個FIFO寄存器。圖4.6AD采樣電路Fig.4.6ADsamplingcircuit4.2.4鎖相同步采樣電路如圖4.7所示為鎖相同步采樣電路，其鎖相同步功能主要有兩個部分實現(xiàn)，一是CD4046，即鎖相環(huán)集成芯片，二是CD4040，即分頻計數(shù)器芯片。其中CD4046是常見的CMOS鎖相環(huán)集成電路，適用范圍較廣，主要適用于3V~18V的電源電壓、100MΩ的輸入阻抗的情況。除此之外，CD4046還具有能耗較低的特點，例如在10kHz的中心頻率條件下其能耗約為600μW。由兩個信號相位同步組成，對其進行自動控制從而得到一個閉環(huán)式的鎖相環(huán)，用PLL表示。圖4.7鎖相同步采樣電路Fig.4.7Phaselockedsynchronoussamplingcircuit對于CD4040來說，它是一種二進制串行的計數(shù)器，所采用的是主從觸發(fā)器，其計數(shù)器的計數(shù)功能于下降沿開始工作，當CR在高電平的條件下，計數(shù)器將會清零。在脈沖上升或者是下降的過程中，對于時間的約束幾乎沒有，這是由于所采用的觸發(fā)器為斯米特觸發(fā)器，不管是輸入還是輸出，都是經(jīng)過緩沖完成的。4.2.5FPGA模塊FPGA芯片型號為EPF10K，它是Altera公司2000年推出的2.5V、低價格的SRAM工藝FPGA器件。該器件當實現(xiàn)存儲器的功能的時候，共有6個EAB，而EAB可實現(xiàn)RAM、ROM、雙口RAM或FIFO功能。每一個EAB提供4096比特的存儲容量。該器件有30000個典型門，最大可達到119000個門。邏輯單元數(shù)為1728個，全部RAM為24576位。最大用戶I/O引出端數(shù)為171個。它還包含一個嵌入式陣列，用來實現(xiàn)存儲器和專用的邏輯功能；包含一個邏輯陣列用來實現(xiàn)邏輯，可以在數(shù)字信號處理、寬域數(shù)據(jù)路徑管理、數(shù)據(jù)變換和微處理器等中應用。對于可重構CMOSSRAM單元來說，它具有較大的特征優(yōu)勢，如可以適用于大多數(shù)的門陣列宏功能，正因為如此，如圖4.8所示的FPGA工作電路圖，它以可以重構的CMOSSRAM單元作為基礎條件，所采用的電源電壓為2.5V，利用邏輯和存儲器處理功能等，滿足實際的工作需求。圖4.8FPGA工作電路Fig.4.8FPGAworkingcircuit4.2.6通信模塊通訊包括控制器內(nèi)部DSP與MCU之間的通訊和控制器與PC間的通訊，分別用雙口RAM和MAX232完成。(1)CPU間通訊:DSP和MCU的數(shù)據(jù)交換主要由雙口RAM來實現(xiàn)，具體可見圖4.9的通訊接口電路圖。如果在進行數(shù)據(jù)的采集、分析、計算以及過程的控制、實時顯示等過程中，僅僅利用1片DSP，將會大大增加系統(tǒng)的運行時間。所以，為了緩解DSP強大的工作壓力，可以再增加1片MCU，主要進行一些實時性不太高的任務，從而讓DSP更專心地實施其處理功能。(2)使用MAX232完成5V邏輯電平與RS232電平之間的轉換。如圖4.10所示。圖4.9雙口RAM與MCU間的通訊接口電路Fig.4.9CommunicationinterfacecircuitbetweendualportRAMandMCU圖4.10串口通信模電路Fig.4.10Serialcommunicationmodulecircuit4.2.7人機對話模塊本系統(tǒng)設計的按鍵只有4個，控制參數(shù)的而控制主要由鍵盤來完成，手動或者是自動方式都可以。因此采用一個鍵對應一條輸入位線的接法。四個鍵分別對應增加、減少、確定、返回四個功能，通過這四個按鍵的組合，基本實現(xiàn)了菜單的操作，參數(shù)的輸入和輸出等功能。液晶選用FYD12864-0420B型液晶屏幕作為顯示屏，是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，由于該模塊在接口方式以及操作指令方面上具有較大的優(yōu)勢，有利于人機交互的實現(xiàn)。該模塊在操作方面非常簡單只需要適當?shù)碾娫醇纯?，在液晶顯示屏和MCU之間的接口方式的選擇方面則采用直接接口方式。圖4.11液晶與MCU連接電路Fig.4.11LCDandMCUconnectioncircuit4.2.8邏輯電平轉換電路（1）不同邏輯電平的接口問題：一旦邏輯器件的電源電壓出現(xiàn)不同的數(shù)值情況，于是，對于其相互接口來說，有關邏輯器件的問題就異常突出。比如最大允許電壓、電源之間的電流互串以及門限電平的轉換等問題，都需要進一步的研究與解決。（2）DSP與MCU混合邏輯系統(tǒng)中的接口設計:由于DSP端邏輯電平為3.3V邏輯，而MCU端為5V邏輯。所以，為了實現(xiàn)邏輯電平的轉換，本文選擇74LVC4245，僅僅轉換雙口RAM和DSP之間的數(shù)據(jù)交換，如數(shù)據(jù)線轉換、地址線轉換以及控制信號等。4.2.9可控硅驅動模塊（1）隔離電路：如圖4.12，通過光耦將主控制器與可控硅驅動電路進行隔離，防止驅動電路干擾主控制器。主控制器的控制信號首先經(jīng)過ULN2003驅動芯片，增強信號的驅動能力，再通過光耦芯片TLP521_4，將信號送至可控硅驅動電路[15]。（2）可控硅驅動電路：從圖4.13中可以看出，在控制MOSFET的通斷控制脈沖變壓器中流經(jīng)控制信號（由光耦輸出），可以實現(xiàn)控制投入以及切除可控硅。其中穩(wěn)壓管、二極管以及小電阻是在MOSFET關斷時給脈沖變壓器中的電感提供續(xù)流通路，防止因電感放電引起過電壓而損壞MOSFET。圖4.12隔離電路Fig.4.12Isolationcircuit圖4.13可控硅驅動電路Fig.4.13SCRdrivecircuit4.2.10補償電容器過載電流調(diào)理模塊（1)補償電容器過載電流調(diào)理電路：在圖4.14中，首先進行CT的數(shù)據(jù)采集，從而完成電流信號的轉變，以便于形成電壓信號，其次通過阻值較小的電阻后，此時的信號將通入濾波電路，隨后流經(jīng)精密整流電路，最終將原有的交流信號轉變?yōu)楝F(xiàn)在的直流信號。由此可得到的直流信號分別傳送給DSP和過載電流監(jiān)控比較電路，前者保護數(shù)字計算，后者則保護硬件。其中上述中所說的精密整流電路，它的主要組成部分是LM324運放芯片，當交流信號較小時，可以用該電路完成對交流信號的整流。第一級和第三級運放都是電壓跟隨和阻抗匹配電路，第二級運放是整流電路。（2）補償電容器過載電流監(jiān)控比較電路：在圖4.15中，通過電流調(diào)理電路之后，從而對直流信號進行輸出，并比較該信號與參考電壓的大小，根據(jù)比較的結果來看電容是否出現(xiàn)過流。如果該輸出電流的大小大于參考信號，那么電容出現(xiàn)過流情況，如果小于參考信號，那么電容則沒有出現(xiàn)過流情況。圖4.14補償電容器過載電流調(diào)理電路Fig.4.14Overloadcurrentregulationcircuitofcompensationcapacitor圖4.15補償電容器過載電流監(jiān)控比較電路Fig.4.15Comparisoncircuitofoverloadcurrentmonitoring4.2.11其他輔助模塊（1）復位電路:用于對MCU及液晶進行復位，包括上電復位及手動按鍵復位。其中TPS767作為電平監(jiān)控芯片，當OUT腳輸出電平小于2.9V時，直接給DSP發(fā)送復位信號，而MCU和液晶則可以使用手動按鍵進行復位。（2）EEPROM24LC256:MCU將直接對圖4.16中所展示的電容器容量、互感器變比以及繼電保護等參數(shù)進行讀取，然后將這些讀取的數(shù)據(jù)經(jīng)由雙口RAM，最后達到DSP。如果系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生一定的改變，那么可以通過實時修改來實現(xiàn)。（3）時間模塊:如圖4.17，采用DS1302時鐘芯片來完成時間的存儲及設置，實現(xiàn)原理如圖所示。其中VBACK為電池，防止系統(tǒng)掉電后設置的時間丟失。圖4.16EEPROM和MCU連接圖Fig.4.16EEPROMandMCUconnectiondiagram圖4.17DS1302和MCU連接圖Fig.4.17DS1302andMCUconnectiondiagram4.3系統(tǒng)硬件設計電路圖系統(tǒng)硬件設計電路圖，見附錄A。參考文獻[1]編委會.最新電力系統(tǒng)各種無功補償濾波器裝置選型設計制造新工藝標準手冊.北京：中國電子科技出版社，2009[2]王化祥.傳感器原理及應用.天津：天津大學出版社，2002[3]何建平.電氣傳動.重慶：重慶大學出版社，2002[4]王成元.現(xiàn)代電機控制技術.北京：機械工業(yè)出版社，2009[5]李宏.現(xiàn)代電力電子技術基礎.北京：機械工業(yè)出版社，2009[6]林靜然.基于TI.DSP的通用算法的實現(xiàn).北京：電子工業(yè)出版社，2008[7]王興貴.現(xiàn)代電力電子技術.北京：中國電力出版社，2010[8]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2009[9]王兆安，黃俊.電力電子技術.第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2001[10]華偉.現(xiàn)代電力電子器材及其應用.上海：北方交通大學出版社，2002[11]陳國呈.新型電力電子變換技術.北京:中國電力出版社，2004[12]鄧彥國.智能低壓無功補償裝置的研制：[碩士學位論文].北京：北京交通大學，2007[13]彭虎，周佩玲，傅忠謙.微機原理與接口技術.第3版.北京：電子工業(yè)出版社，2011[14]劉文定，謝克明.自動控制原理.第3版.北京：電子工業(yè)出版社，2013[15]王化祥.傳感器原理及應用.天津：天津大學出版社，2002附錄Ａ系統(tǒng)硬件設計電路圖致謝本次畢業(yè)設計是在趙影老師的細心指導和嚴格要求下完成的，從選題、確定方案到具體設計，趙老師一直在耐心的指導我如何更好地完成這次設計，趙老師對事情嚴謹、細心的態(tài)度和對專業(yè)知識的獨到見解讓我受益良多。在本次設計過程中，趙老師在百忙之中抽出時間，每周詢問畢業(yè)設計的進度，檢查畢業(yè)設計內(nèi)容，并提出了好多論文中存在的問題，還有許多寶貴的建議。在此向趙影老師表示深深的謝意。另外，我也要感謝我的專業(yè)課老師和我的同學們，是他們一直以來給予我極大的支持和鼓勵，謝謝老師的諄諄教導，才使我取得了今天的成績，謝謝同學的熱情幫助，才使我乘風破浪。目錄第一章可行性研究報告概述 11.1項目名稱 11.2項目承擔單位 11.3項目建設地點 11.4可研報告編制單位 11.5項目概述及主要經(jīng)濟技術指標 1第二章編制目的、依據(jù)、原則和范圍 52.1編制目的 52.2編制依據(jù) 52.3編制原則 52.4可行性研究的范圍 6第三章建設的必要性 73.1符合國家“十一五”規(guī)劃綱要和循環(huán)經(jīng)濟要求 73.2環(huán)境保護和節(jié)能降耗的需要 83.3企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要 9第四章項目建設條件 104.1主體工程概況 104.2廠址選擇 124.3公用設施及社會依托條件 12第五章改造規(guī)模與產(chǎn)品方案 155.1改造規(guī)模 155.2生產(chǎn)方案 15第六章生產(chǎn)設備節(jié)電技改方案 166.1企業(yè)能耗現(xiàn)狀分析 166.2改造設備運行參數(shù) 166.3技術方案、設備方案 176.4項目建議改造方案 226.5消耗定額 256.6小結 25第七章項目實施機構和項目法人 287.1項目實施機構 287.2項目法人 28第八章環(huán)境保護 28第八章環(huán)境保護 29第九章社會經(jīng)濟效益 319.1環(huán)境效益 319.2社會效益 31第十章節(jié)約和合理利用能源 3310.1節(jié)能依據(jù)及標準 3310.2節(jié)能設計原則 3310.3能耗分析 3310.4節(jié)能措施及節(jié)能效果分析 34第十一章環(huán)境安全與勞動保護 3511.1安全 3511.2勞動保護 36第十二章生產(chǎn)管理與人員編制 3812.1生產(chǎn)管理 38HYPERLI