本發(fā)明涉及一種無功率補償裝置，尤其涉及一種靜止無功率補償裝置。
背景技術(shù)：
：我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模逐漸擴大，工業(yè)電弧爐、軋鋼機、電力機車等沖擊性負(fù)荷在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中被廣泛運用，這些負(fù)荷具有功率因數(shù)低，無功變化大且急劇的特點，運行時會引起低壓配電網(wǎng)電壓的急劇波動，從而使電能質(zhì)量惡化，大量線路損耗隨之產(chǎn)生，而且會往系統(tǒng)中注入大量的高次諧波，嚴(yán)重影響系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量，并且會在不同程度影響到用戶的正常工作。靜止無功補償器(SVC)是用戶電力技術(shù)的一種，是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新技術(shù)?！办o止”是針對旋轉(zhuǎn)的同步調(diào)相機而言的，國內(nèi)多稱其為動態(tài)無功補償器，這是針對固定電容組(FixedCapacitor，F(xiàn)C)而言的。SVC是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來快速調(diào)節(jié)并聯(lián)電抗器的大小或投切電容器組。SVC最基本的兩種類型結(jié)構(gòu)為晶閘管相控電抗器型(ThyristorPhaseControlledReactor，TCR)和晶閘管投切電容器型(ThyristorSwitchedCapacitor，TSC)。TCR和TSC可以組成TCR+TSC，或者與FC組成TCR+FC和TCR+TSC+FC等混合型結(jié)構(gòu)，對于負(fù)載補償絕大多數(shù)采用TCR+FC型。靜止無功補償器由于沒有旋轉(zhuǎn)部件，維護(hù)要求較低，控制響應(yīng)快速，可以按相控制，損耗小，可靠性高，不影響系統(tǒng)短路容量。但是除晶閘管投切電容器(TSC)外，SVC會產(chǎn)生諧波，當(dāng)SVC運行在線性可控范圍外時，其發(fā)出的無功功率隨端電壓的二次方而變化，造成低電壓時無功支撐的大大削弱。靜止無功功率補償器對調(diào)節(jié)負(fù)荷功率因數(shù)、穩(wěn)定和平衡系統(tǒng)電壓、消除流向系統(tǒng)的高次諧波電流、平衡三相負(fù)荷等有顯著的作用。將它裝設(shè)于高壓輸電系統(tǒng)中可用于控制長距離輸電線路甩負(fù)荷、空載效應(yīng)等英氣的動態(tài)過電壓，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)的無功功率及電壓振蕩。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種能降低設(shè)備容量，減小功率損耗，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高用電質(zhì)量，通過適當(dāng)控制還可以平衡三相有功功率和無功功率的靜止無功補償器。本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種靜止無功功率裝置，基于DSP的控制系統(tǒng)，選用TMS320F2812DSP芯片為核心控制器件，還包括信號采集與調(diào)理電路、測頻電路、隔離放大電路、通信電路，I/O接口電路、鍵盤與顯示電路，構(gòu)成了一個基本的靜止無功補償裝置的控制系統(tǒng)?？刂破魃显O(shè)有捕獲單元，接收測頻電路。控制器上的ADCIN接口連接信號采集與調(diào)理電路。控制器上還設(shè)有通用IO端口，和IO接口電路連接，且IO接口電路和鍵盤與顯示電路連接?？刂破魃系腟CI接口與通信電路連接。控制器上的PWM和隔離放大電路連接，且隔離放大電路連接TCR晶閘管閥組?？刂破鬟€連接實時時鐘?？刂破飨到y(tǒng)主要用于對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制、協(xié)調(diào)和保護(hù)。其中的最重要部分為控制器的硬件結(jié)構(gòu)，控制器硬件主要包括信號采集與調(diào)理模塊、測頻模塊、同步信號檢測模塊、控制執(zhí)行模塊、晶閘管觸發(fā)模塊、電源模塊、I/O和SCI端口模塊等。硬件是基于DSP系統(tǒng)設(shè)計的。控制電路需要采集來自PT、CT的輸出量，采集量經(jīng)過電壓、電流互感器變成了弱電信號，再對信號進(jìn)行調(diào)理，輸入DSP的ADC接口，由DSP執(zhí)行算法，延時后將觸發(fā)脈沖輸入至晶閘管觸發(fā)電路，脈沖經(jīng)過隔離放大觸發(fā)晶閘管。本發(fā)明提供的基于DSP的控制系統(tǒng)，其構(gòu)成的SVC可用于調(diào)節(jié)電壓、提高穩(wěn)態(tài)輸送容量、提高暫態(tài)穩(wěn)定性、增強電力系統(tǒng)的阻尼、緩解次同步諧振、預(yù)防電壓不穩(wěn)定和改善直流輸電系統(tǒng)的性能。附圖說明圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)原理框圖。圖2為本發(fā)明的SVC總系統(tǒng)組成示意圖。圖3為晶閘管閥組的結(jié)構(gòu)。圖4為TMS320F2812。圖5采樣電路原理圖。圖6為信號調(diào)理電路。圖7為光耦型正弦波-方波變換電路。圖8為光耦輸入輸出波形圖。圖9為同步信號形成電路。圖10為觸發(fā)脈沖形成電路原理框。圖11為脈沖展寬電路。圖12為脈沖展寬波形圖。圖13為晶閘管的三輸出繞組變壓器觸發(fā)電路。圖14為光電光電路原理圖。圖15為通信電路。圖16為液晶顯示電路。圖17為鍵盤電路。圖18為實時時鐘電路。圖19為直流穩(wěn)壓電源結(jié)構(gòu)圖和穩(wěn)壓過程圖。圖20為電壓源電路。具體實施例FC+TCR型SVC系統(tǒng)主回路圖如圖1，F(xiàn)C+TCR型SVC供電系統(tǒng)的主電路圖中，系統(tǒng)參數(shù)：負(fù)載(交流電弧爐和鋼包爐)母線電壓：10kV；PT：電壓比10000V/100V；CT：電流比1000A/5A。圖中為示意，高壓晶閘管閥組中單相只畫出了一對反并聯(lián)晶閘管，F(xiàn)C濾波裝置只畫出了四條支路。按照功能可將整個FC+TCR型SVC裝置分成四個部分，各個部分的結(jié)構(gòu)和功能介紹如下：(1)FC濾波器：由電抗器、電力電容器組成的單個或多個濾波通道，分別用于濾除相應(yīng)的高次諧波，同時也向系統(tǒng)提供一定容性無功的作用。(2)補償電抗器：補償電抗器選用空心干式，上下雙線圈，自然冷卻方式并且能夠耐電流沖擊。原理是觸發(fā)高壓晶閘管之后產(chǎn)生電流流過補償電抗器，產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的感性無功，平衡系統(tǒng)無功功率，同時還起到穩(wěn)定的母線電壓和調(diào)整功率因數(shù)的作用。(3)高壓晶閘管閥組：高壓晶閘管閥組接受來自數(shù)字控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號，通過改變晶閘管觸發(fā)角的大小，從而使電抗器產(chǎn)生相應(yīng)的無功補償電流。(4)數(shù)字控制系統(tǒng)：數(shù)字控制系統(tǒng)用來實時采集電壓信號、電流信號，計算母線上無功功率和要補償導(dǎo)納值，控制晶閘管觸發(fā)延遲角的大小，發(fā)出觸發(fā)脈沖，進(jìn)而實現(xiàn)改變無功功率的大小的目的。TCR的參數(shù)計算SVC的補償率為C＝100％·Qsvc/ΔQmax(3-1)式中：Qsvc為SVC的動態(tài)補償容量，Mvar，也稱SVC的額定容量；ΔQmax為波動性負(fù)荷的最大無功功率變動量，Mvar。由于本發(fā)明的FC+TCR型SVC裝置是為電弧爐設(shè)計，電弧爐投入運行時無功變化比較劇烈，再考慮到加裝SVC的目的是補償電弧爐運行時產(chǎn)生的無功功率，可以將SVC的補償率選為1。為實現(xiàn)SVC的動態(tài)補償容量Qsvc，需增大TCR電抗器的理論額定容量QL。因為有Qsvc＝QL·(2π-2αmin+sin2α)/π(3-2)式中：αmin為高壓晶閘管閥組的最小控制角，rad。則電抗器的額定電感為Le=3×Ue2ωQSVC·2π-2αmin+sin2αminπ---(3-3)]]>式中：Ue為電抗器的額定電壓；ω為電源角頻率。TCR的額定電流為ILe=UeωLe·2π-2αmin+sin2αminπ---(3-4)]]>已知該廠最大無功功率變化量為24Mvar即ΔQmax＝24Mvar。當(dāng)補償率C＝100％時，SVC的動態(tài)補償容量QSVC＝C·ΔQmsx＝24Mvar。若TCR的最小控制角為αmin＝105°＝1.832596rad，則電抗器的額定電感由(3-3)可得電抗器的額定電流由(3-4)可得依此選擇晶閘管，其通態(tài)平均電流為這個結(jié)果的1.5—2倍。濾波器的參數(shù)計算及設(shè)計公用電網(wǎng)諧波的指標(biāo)高次諧波電流是非線性負(fù)荷產(chǎn)生的,在交流電弧中，由于電弧電流失真產(chǎn)生了2、3、4和7次等諧波。按照GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的要求，諧波造成電網(wǎng)電壓波形畸變率不應(yīng)超過表里的極限值，用戶注入電網(wǎng)的諧波電流不應(yīng)超過表里所列的允許值。表1公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)極限值表2注入公用電網(wǎng)公共的諧波電流允許值本發(fā)明中，母線電壓為10kV，已知系統(tǒng)最小短路容量為220MVar，由下式推出實際工況標(biāo)準(zhǔn)的最小短路容量允許諧波電流值，記入表3-3。In=Sn1Sn2·Inp---(3-5)]]>式中：Sn1為公共接點的最小短路容量Sn2為基準(zhǔn)短路容量Inp為諧波電流允許值表3最小短路容量下注入公共連接點的諧波電流允許值濾波器的確定(1)計算FC的基波無功容量根據(jù)實際的情況，SVC一般需要具有0～100％的容性調(diào)節(jié)范圍，則固定濾波器組的基波無功容量由下式可得：QFC1＝QSVC[1-(2π-2αmax+sin2αmax)/π](3-6)式中：αmax為高壓晶閘管閥組的最大控制角，rad。若最大控制角αmax＝165°＝2.879793rad時，又QSVC＝24Mvar，由上式可得固定濾波器組基波無功容量為：QFC1＝24×[1-[2π-2×2.879793+sin(2×165°)]/π]＝23.82Mvar(2)計算各次諧波支路的諧波電流計算流過各次濾波支路的諧波電流，要實測各次諧波電流含量，參考注入公用電網(wǎng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)，還要與用戶協(xié)商增加濾波器后系統(tǒng)中可以殘留的各次諧波電流值。該廠諧波含量主要的諧波為2、3、4、5次諧波含量超標(biāo)。本文設(shè)計安裝2、3、4、5次單調(diào)諧濾波器，確定安裝濾波器后系統(tǒng)中各次的諧波電流殘留值分別小于表3-3中的值。各濾波支路的諧波電流值應(yīng)綜合考慮TCR產(chǎn)生的諧波電流，可分別整定為：I2＝10.58A，I3＝20.2A，I4＝21.5A，I5＝37.5A(3)計算各次諧波支路諧波濾波器的基波容量各次濾波支路的基波容量應(yīng)按照諧波電流分配法計算，該廠所需的SVC補償容量為24MVar，則各次諧波濾波器的基波容量可按照下式確定。Q1n=In/nΣn=2∞(In/n)·QSVC---(3-7)]]>可得：Q2n＝5.10Mvar，Q3n＝6.49Mvar，Q4n＝5.18Mvar，Q5n＝7.23Mvar(4)計算各次濾波支路諧波濾波器的電容值在工程設(shè)計中，單調(diào)諧濾波器的電容值Cn可由下式計算求得：Qin=U12·ω·Cn---(3-8)]]>式中：Qin為各次諧波濾波器基波容量(Mvar)U1為基波額定線電壓(kV)Cn為各次諧波濾波器電容值(F)將U1＝10kV帶入，可得：C2＝162.34μF，C3＝206.58μF，C4＝164.88μF，C5＝230.14μF(5)計算各次濾波支路諧波濾波器額定電壓值在各次支路濾波器的設(shè)計中，為了保證濾波器能夠安全可靠運行，一定要計算好濾波器的額定工作電壓。各次濾波支路的諧波電壓可以由下式求得，即：Ucn＝Icn/(nω·Cn)(3-9)則各次濾波支路的額定電壓為：Uce＝U1+Ucn(3-10)將數(shù)據(jù)代入，可得：Uce2＝10103.72V，Uce3＝10103.75V，Uce4＝10103.77V，Uce5＝10103.73V(6)計算各次濾波支路諧波濾波器的安裝容量根據(jù)上面的兩個公式，可求得濾波器的額定容量，即安裝容量為：Qce=Uce2·ω·Cn---(3-11)]]>代入數(shù)據(jù)，可得：Qce2＝5.21Mvar，Qce3＝6.63Mvar，Qce4＝5.29Mvar，Qce5＝7.38Mvar(7)計算各次濾波支路串聯(lián)電感器的電感值根據(jù)濾波支路諧振時電容與電感的關(guān)系nXL=nωL=1nωC=XCn---(3-12)]]>有Ln=XCnω=1nωCn·1nω=1n2ω2Cn---(3-13)]]>對于2次諧波:2XL＝XC/2,則XL＝XC/4＝0.25XC,各負(fù)荷補償和變電站普遍采用在回路中串聯(lián)26％的電抗構(gòu)成2次諧波濾波器，所以，XL＝0.26XC，則L2=0.26ω2C2=16.23mH;]]>同理，對于3次諧波:3XL＝XC/3，則XL＝XC/9＝0.11XC，取0.12倍，則L3=0.12ω2C3=5.89mH;]]>對于4次諧波:4XL＝XC/4，則XL＝XC/16＝0.06XC，取0.08倍，則L4=0.08ω2C4=4.92mH;]]>對于5次諧波:5XL＝XC/5，則XL＝XC/25＝0.04XC，取0.06倍，則L5=0.06ω2C5=2.64mH.]]>(9)計算串聯(lián)電抗器的電阻R=XnQ=1QLC---(3-14)]]>式中：Xn為濾波器的特征電抗，Q為濾波電抗器的品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)主要用來考察濾波效果，雖然理論上越大越好，但如果品質(zhì)因數(shù)過大，系統(tǒng)更容易失諧，因此一般在單調(diào)諧濾波器中，取30～60。本次設(shè)計中濾波電抗器Q為30。則代入數(shù)據(jù)可得：R2＝0.75Ω，R3＝0.40Ω，R4＝0.41Ω，R5＝0.25Ω根據(jù)以上計算得到各濾波器的主要參數(shù)計算值如下表：表4單調(diào)諧濾波器參數(shù)表晶閘管閥組的參數(shù)計算與設(shè)計晶閘管閥組的基本結(jié)構(gòu)晶閘管閥組是SVC控制系統(tǒng)的被控制對象。晶閘管受電壓電流額定值的限制，需要串聯(lián)或(和)并聯(lián)使用。由于10kV電壓等級的中小用戶補償容量都不太大，加之晶閘管的電流額定值可達(dá)上千安培，所以很少使用并聯(lián)，只考慮串聯(lián)。晶閘管的特性分散，不能簡單串聯(lián)使用，需采用均壓技術(shù)加以解決。穩(wěn)態(tài)均壓的最常用方法是給每個串聯(lián)晶閘管并聯(lián)一只均壓電阻，要求均壓電阻中的電流大于晶閘管的漏電流。又由于晶閘管存在開通及反向關(guān)斷恢復(fù)時間的差異，在此期間會出現(xiàn)瞬態(tài)的電壓分配不均，還需采用瞬態(tài)均壓措施，方法之一是在每只晶閘管的兩端并聯(lián)阻容吸收電路，同時吸收瞬態(tài)過電壓。在實際的SVC裝置中，晶閘管閥組不采用先串聯(lián)再反并聯(lián)的方式，而是采用先反并聯(lián)再串聯(lián)的方式組成。這樣做有兩點好處：一是某一個晶閘管損壞后不影響閥組工作；二是正反向晶閘管可以共用一套穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)均壓電路。晶閘管閥組的結(jié)構(gòu)如圖3-4。電阻Rp為穩(wěn)態(tài)均壓電阻，Rb、Cb為起瞬態(tài)均壓作用的阻容吸收回路。晶閘管閥組的參數(shù)計算(1)晶閘管閥組器件串聯(lián)數(shù)計算晶閘管閥組器件串聯(lián)數(shù)按下式確定ns＝UAMKcuKbKAu/(URMKu)(3-15)式中：Kcu為過電壓沖擊系數(shù)，取1.3～1.6；UAM為臂的工作峰值電壓的正反向大值，V；Kb為電網(wǎng)電壓升高系數(shù)，一般取1.05～1.1；KAu為電壓的設(shè)計裕度，一般取1～2，根據(jù)器件可靠性而定；Ku為均壓系數(shù)，取0.8～0.9；URM為晶閘管額定重復(fù)峰值電壓，V。(2)穩(wěn)態(tài)均壓電阻值參數(shù)計算穩(wěn)態(tài)均壓電阻值參數(shù)按下式計算Rp≤(1/Ku-1)URM/IRM(3-16)式中：URM為晶閘管額定重復(fù)峰值電壓，V；IRM為對應(yīng)晶閘管額定重復(fù)峰值電壓URM的重復(fù)峰值漏電流；Ku為均壓系數(shù)，取0.8～0.9。(3)阻容吸收電路的參數(shù)計算吸收電容Cb(μF)的值由下式可得：式中：ΔQmax為串聯(lián)晶閘管之間反向恢復(fù)電荷的最大差值，μC；為線電壓峰值，V；其余同上。為了較好的抑制晶閘管的關(guān)斷過電壓，電阻Rb的阻值選擇應(yīng)使TCR電抗器的電感L、阻容吸收等效電容C′b＝Cb/ns和吸收等效電阻R′b＝nsRb構(gòu)成的串聯(lián)電路處于輕微欠阻尼狀態(tài)。(4)晶閘管的選型設(shè)計根據(jù)TCR的補償容量24Mvar，各相晶閘管閥臂上流過的額定電流為799.84A。所以選擇ABB公司的5STP12N8500型號的晶閘管，參數(shù)如下表5所示。表5晶閘管參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)電壓和所選晶閘管的耐壓決定串聯(lián)的個數(shù)，過壓系數(shù)一般取3～4倍，晶閘管電流的過流系數(shù)一般取2～3倍。其中由(3-15)可算出晶閘管閥組器件串聯(lián)數(shù)計算得下表：表6晶閘管閥組器件串聯(lián)數(shù)UAMKCUKbKAUKU晶閘管閥組數(shù)14142V1.31.051.10.93由(3-16)和(3-17)可算出R′b＝3×Rb＝1.5Ω，TCR控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計TCR控制系統(tǒng)概述一個理想的負(fù)荷無功補償裝置的三個主要功能是：將功率因數(shù)提高到1或接近于1、穩(wěn)定補償點的電壓在可接受的范圍、平衡補償點的三相電壓、電流。為了實現(xiàn)不同的補償目標(biāo)，SVC的控制系統(tǒng)也不盡相同，主要有以下四種形式：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、復(fù)合控制和計算機控制系統(tǒng)?；贒SP的計算機控制系統(tǒng)控制器系統(tǒng)主要用于對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制、協(xié)調(diào)和保護(hù)。其中的最重要部分—控制器的硬件結(jié)構(gòu)，控制器硬件主要包括信號采集模塊、測頻模塊、同步信號檢測模塊、控制執(zhí)行模塊、晶閘管觸發(fā)模塊、電源模塊、I/O和SCI端口模塊等。本系統(tǒng)測量電網(wǎng)三相電壓、電流信號，最終目標(biāo)是要產(chǎn)生TCR晶閘管觸發(fā)脈沖信號，其主要功能如下：(1)進(jìn)行三相交流點的測量(包括電壓、電流和頻率)；(2)根據(jù)三相補償電納與電流采樣值的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行晶閘管控制角的運算；(3)晶閘管觸發(fā)脈沖的輸出?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖1，硬件是基于DSP系統(tǒng)設(shè)計的?？刂齐娐沸枰杉瘉碜訮T、CT的輸出量，采集量經(jīng)過電壓、電流互感器變成了弱電信號，再對信號進(jìn)行調(diào)理，輸入DSP的ADC接口，由DSP執(zhí)行算法，延時后將觸發(fā)脈沖輸入至晶閘管觸發(fā)電路，脈沖經(jīng)過隔離放大觸發(fā)晶閘管?？刂坪诵腄SP本發(fā)明采用美國德州儀器公司(IT)所生產(chǎn)的TMS320F2812數(shù)字信號處理器是針對數(shù)字控制設(shè)計的，整合了DSP及微控制器的最佳特性，主要用在嵌入式控制，如數(shù)字電機控制、資料提取及I/O控制等領(lǐng)域。針對應(yīng)用最佳化，并有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，F(xiàn)28X核心支持全新CCS環(huán)境的compiler，提供C語言中直接嵌入?yún)R編語言的程序開發(fā)界面。它有以下主要功能及特點：(1)高性能靜態(tài)CMOS制成技術(shù)①主頻高達(dá)15OMHz，每個時鐘周期為6.67ns；②采用低電壓供電，當(dāng)主頻為135MHz時內(nèi)核電壓為1.8V，當(dāng)主頻為150MHz時內(nèi)核電壓為1.9V，I/O引腳電壓為3.3V。(2)支持JTAG在線仿真接口(3)32位高性能處理器①支持16b×16b和32b×32b的乘法加法運算；②支持16b×16b雙乘法運算；③采用哈佛總線結(jié)構(gòu)模式；④快速的中斷響應(yīng)和中斷處理能力；⑤統(tǒng)一的存儲設(shè)計模式；⑥兼容C/C++語言以及匯編語言。(4)片內(nèi)存儲空間①片內(nèi)Flash空間大小為128K×16b，分為4個8K×16和6個16K×16存儲段；②ROM空間：片內(nèi)含128K×16b大小的ROM；③OTPROM空間大?。?K×16b；④L0和LI：兩塊4K×16b單地址尋址隨機存儲器(SARAM)；⑤H0：一塊8K×16bSARAM；⑥M0和M1：兩塊1K×16bSARAM。(5)BootROM空間空間大小為4K×16b，內(nèi)含軟件啟動模式以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫。(6)外部接口①高達(dá)IM×16b的總存儲空間；②可編程的等待時間；③可編程的讀寫時序；④三個獨立的片選信號。(7)時鐘和系統(tǒng)控制①支持動態(tài)鎖相環(huán)倍頻；②片內(nèi)振蕩器；③內(nèi)含看門狗定時模塊。(8)三個外部中斷(9)外設(shè)中斷模塊(PIE)可以支持45個外設(shè)中斷(10)3個32位CPU定時器(11)128位安全密鑰①可以包含F(xiàn)lashROMOTP以及L0L1SARAM；②防止系統(tǒng)硬件、軟件被修改。(12)用于控制電機的外設(shè)(13)兩路事件管理器(EVA,EVB)(14)串行通信端口①串行外設(shè)接口(SPI)；②兩路串行通信接口(SCI)，標(biāo)準(zhǔn)UART口；③增強型CAN模塊(eCAN)；④多通道緩沖串行接口(MSBSP)。(15)12位ADC轉(zhuǎn)換模塊①2×8路輸入通道；②兩個采樣保持模塊；③單一或級聯(lián)轉(zhuǎn)換模式；④最高轉(zhuǎn)換率為80ns/12.5Msps。(16)56個通用GPIO口(17)先進(jìn)的仿真模式①具有實時分析以及設(shè)置斷點的功能；②支持硬件仿真。(18)開發(fā)工具①DSP集成環(huán)境(CCS)；②JTAG仿真器。(19)低電模式和電源存儲①支持IDLE、STANDBY、HALT模式；②禁止/使能獨立外設(shè)時鐘。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，TMS320F2812具有強大的數(shù)學(xué)運算能力和控制能力，很容易實現(xiàn)對整個系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和功能控制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。TMS320F2812的工作原理是：其ADC模塊采集三相電壓、電流，CAP模塊接收線電壓、頻率信號，計算出所需補償?shù)碾娂{值，轉(zhuǎn)換為TCR控制角，根據(jù)移相原理折算成技術(shù)脈沖個數(shù)D，儲存在遞減計數(shù)寄存器中。當(dāng)線電壓到達(dá)計時零點后，延時啟動，之后往各個PWM管腳輸出的觸發(fā)脈沖，如下表7所示。表7PWM各管腳及其功能管腳名稱功能PWM1uac正半周脈沖輸出PWM2Ubc正半周脈沖輸出PWM3Uba正半周脈沖輸出PWM4Uac負(fù)半周脈沖輸出PWM5Ubc負(fù)半周脈沖輸出PWM6Uba負(fù)半周脈沖輸出移相觸發(fā)的原理是把控制觸發(fā)角α換算成對應(yīng)的延時tα，再折算成對應(yīng)的計數(shù)脈沖個數(shù)D。α換算為tα的公式為tα=α360T---(4-1)]]>式中T是晶閘管交流電源的周期。如事件管理器的計時器的頻率為fc，則與tα對應(yīng)的計數(shù)脈沖數(shù)為D=tαfc=α360Tfc---(4-2)]]>這就是DSP芯片傳輸給計時器的初始值，計數(shù)清零后，發(fā)出觸發(fā)脈沖。信號采集電路系統(tǒng)電壓、電流通過PT和CT轉(zhuǎn)換為100V電壓信號和5A電流信號，但100V電壓不能直接進(jìn)入數(shù)字控制系統(tǒng)，所以在前端加上二次互感器。用電壓互感器將來自PT有效值為0—100V的交流電壓信號變成有效值為0—3.53V的交流電壓信號，用電流互感器將來自CT有效值為0—5A的交流電流信號變成有效值為0—3.53V的交流電壓信號，以適合采樣電路需求，并保證信號的真實性。所以這兩種互感器要有足夠?qū)挼念l率響應(yīng)，保證輸入信號的幅值失真小，相位具有線性相位特性，而且要將信號與外部在電氣上隔離，提高抗干擾能力，保障人身安全。但DSP模/數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核正常的電壓輸入范圍為0～3.3V，否則會對DSP造成損壞。經(jīng)過兩級互感器轉(zhuǎn)換的低電壓信號送往調(diào)理電路，變?yōu)?～3.3V的單極性電壓信號后，直接由DSP芯片采樣。如圖5為采樣電路的原理框圖。本設(shè)計選用天瑞TR1102-1C的電壓互感器，天瑞TR0102-2C的電流互感器，主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示：表8測量用TR1102-1C電壓互感器參數(shù)表9測量用TR0102-2C電流互感器參數(shù)圖6以A相電壓為例分析信號采集電路的工作原理。圖中，輸入電壓信號Ua經(jīng)過電阻R1和R2的分壓后連接至第一個放大器A1，A1構(gòu)成射極跟隨器，可以增大輸入電阻和負(fù)載能力。經(jīng)過R1和R2的分壓作用有：UA=R2R1+R2Ua′---(4-3)]]>A2構(gòu)成反比例放大器，調(diào)節(jié)R5可以改變放大倍數(shù)，電容C1用來補償放大器的移相作用。調(diào)節(jié)R5使反比例放大器的輸出UB幅值為-1.5V～+1.5V，UB接至由A3構(gòu)成的偏置電路。偏置電路的輸出為：UC=5R7+R11R8(R6+R7)-R11R9UB---(4-4)]]>調(diào)節(jié)R7，使UB＝0時，UC＝1.65V，這樣當(dāng)UB為-1.5V～+1.5V時，輸出UC為0～3.3V的單極性信號。R12和C3構(gòu)成無源濾波器，用來濾除高次諧波，減少對采樣的干擾。二極管D1和D2構(gòu)成鉗位電路，當(dāng)UC>3.3V時，D1承受正向電壓而導(dǎo)通，將輸入電位限制到3.3V。同樣，當(dāng)UC<0V時，D2承受正向電壓而導(dǎo)通，從而將輸入電壓限制到0V以上。測頻電路電網(wǎng)的頻率是不斷波動的，采樣周期TS＝1/f，當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時，需要調(diào)整采樣間隔TS，使在每個周期內(nèi)都能完成N個點的采樣。TMS320F2812的捕獲單元和定時器配合，可用來記錄輸入引腳的跳變，保存信號跳變的計數(shù)值。假設(shè)計數(shù)器的計數(shù)時間間隔為T，兩次檢測到信號跳變時的計數(shù)值分別為N1、N2，那么兩個脈沖之間的間隔就是(N1-N2)T。如果能把電網(wǎng)電壓的正弦波型變?yōu)閷?yīng)的方波，送入DSP的捕獲引腳，按上面的方法就可以得到電網(wǎng)的實際頻率。本設(shè)計在此處采用圖7的電路來實現(xiàn)此功能，圖中UA是圖6中A點的電壓。波形如圖8所示。在正弦交流電壓信號的正半周，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光耦輸出低電平，在負(fù)半周輸出高電平。同步信號檢測電路晶閘管在正確的時刻觸發(fā)導(dǎo)通,要有同步信號來保證。本算法中計算所得的晶閘管控制角是以線電壓過零且變化率為正的時刻為計數(shù)零點，以線電壓過零且變化率為負(fù)的時刻為180°。由DSP芯片的捕獲單元收集同步信號，作為內(nèi)部計時器開始計時的信號。以uab為例的電路原理見圖9。觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。由于晶閘管是半控器件，導(dǎo)通后觸發(fā)脈沖失去控制作用，為了減小損耗，多采用單脈沖或脈沖序列。晶閘管觸發(fā)脈沖和觸發(fā)電路應(yīng)滿足以下要求：(1)觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通；(2)觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流的幅度應(yīng)大于可靠觸發(fā)電壓和可靠觸發(fā)電流，從而保證晶閘管可靠觸發(fā)，但不得超過規(guī)定的門極最大允許觸發(fā)電壓和最大允許觸發(fā)電流，實際觸發(fā)電流可整定為3-5倍的額定觸發(fā)電流；(3)所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和額定功率，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)；(4)應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。觸發(fā)脈沖電路的主要功能是將DSP產(chǎn)生的TCR六相觸發(fā)脈沖經(jīng)展寬后送給隔離放大電路觸發(fā)晶閘管。原理框圖如圖10所示。觸發(fā)脈沖展寬電路TMS320F2812芯片的PWM管腳輸出的觸發(fā)脈沖為一窄脈沖，可靠觸發(fā)晶閘管的寬度是不夠的，需要展寬。利用NE555單穩(wěn)電路將脈沖展寬，但該芯片在低電平時才啟動，故在前加三極管非門，電路如圖11，電路輸入輸出波形圖如圖12。窄脈沖經(jīng)過555構(gòu)成的單穩(wěn)電路展寬，送往隔離放大電路。脈沖寬度tW由下式近似給出。tW＝RT·CT·ln3≈1.1RT·CT(4-5)隔離放大電路晶閘管的觸發(fā)電路要有足夠的絕緣強度，并且觸發(fā)脈沖應(yīng)是前沿時刻相同的強觸發(fā)脈沖。晶閘管的觸發(fā)電路有電磁觸發(fā)方式、間接光觸發(fā)方式和直接光觸發(fā)方式三種。(1)電磁觸發(fā)方式也稱脈沖變壓器觸發(fā)方式，即脈沖變壓器式觸發(fā)電路將低位觸發(fā)信號經(jīng)脈沖變壓器隔離后送到晶閘管的門極。脈沖變壓器的一次繞組輸入脈沖信號，一、二、三次繞組互相隔離。它既傳送能量，又傳遞信號，但只能做到電位隔離。這種方式優(yōu)點是設(shè)計方便、制造簡單、成本較低，缺點是當(dāng)晶閘管出現(xiàn)高反壓擊穿等故障時，高壓信號可反饋回觸發(fā)電路造成損壞。所以本設(shè)計在采用電磁觸發(fā)方式的前提下，加一光耦合器件，保證隔離效果。高電平經(jīng)過光耦輸出電平為低電平，再經(jīng)過8050的反相驅(qū)動器送至三繞組脈沖變壓器直接觸發(fā)晶閘管。圖13為本發(fā)明的隔離放大電路。根據(jù)推薦，可控硅電流在500A—1000A時，選擇KCB674/211B可控硅觸發(fā)變壓器。主要技術(shù)指標(biāo)如表10。表10KCB674/211B的參數(shù)表其中，u—變壓比；Vp—各繞組之間事假的抗電強度試驗電壓之有效值，持續(xù)時間60s。Fp—測試脈沖頻率；V1—輸入脈沖幅度(初級脈沖變壓器)；tn—在響應(yīng)的V1和Fp下變壓器的額定傳輸脈寬；V2—輸出脈沖幅度(次級脈沖變壓器)。(2)直接光觸發(fā)方式觸發(fā)信號經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后，直接觸發(fā)光控晶閘管的光觸發(fā)門極。與普通的電觸發(fā)晶閘管相比，直接光觸發(fā)晶閘管具有直接光觸發(fā)和內(nèi)置BOD保護(hù)兩大優(yōu)點，使其可靠性大大提高、維護(hù)量明顯降低。但十分昂貴的價格阻礙了它的推廣和應(yīng)用。(3)間接光觸發(fā)方式如圖14所示，電光電觸發(fā)電路利用光導(dǎo)纖維傳遞信號。光導(dǎo)纖維具有很好的絕緣性能，又有較寬的頻率響應(yīng)，可以獲得理想的強觸發(fā)脈沖，因而這種觸發(fā)電路在高壓直流輸電、SVC中得到廣泛應(yīng)用。門極控制脈沖先變成光信號，經(jīng)光纖送至觸發(fā)板，光電轉(zhuǎn)換變成電信號，經(jīng)整形放大后控制晶閘管的門極。其電能取自與阻容吸收回路串聯(lián)的數(shù)十至數(shù)百微法的電容兩端的電壓，或由專門的高絕緣變壓器的二次繞組提供。但電路復(fù)雜。門極觸發(fā)信號的電光轉(zhuǎn)換電路采用HFBR-1521作為電光轉(zhuǎn)換器件。高電位觸發(fā)板的光電轉(zhuǎn)換電路，采用HFBR-2521作為光電轉(zhuǎn)換器件。這兩個器件一般成對使用。通信接口電路TMS320F2812的串聯(lián)通信接口(SCI)是一個采用發(fā)送、接收雙線制的異步串行通信接口，降低了串口通信時CPU的開銷。SCI模塊支持CPU和其他使用非歸零制的外圍設(shè)備之間的數(shù)字通信。PC機機箱后的DB9串行通信口為RS-232電平，DSP為TTL電平，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能通行。本設(shè)計，選擇MAX323來實現(xiàn)F2812與PC之間的串口通信。具體硬件電路如圖15，將DGND、PC-RX、PC-TX與PC相應(yīng)的串口線連接起來，即可實現(xiàn)串口通信。通用I/O端口電路液晶顯示電路本設(shè)計采用是含字庫的字符型液晶SMG12864ZK。SMG12864ZK為5V供電，而DSP的I/O輸出電壓為3.3V，所以在輸出到液晶之前需要先經(jīng)過3.3V轉(zhuǎn)5V芯片，采用74LVX3245的可選擇方向的電壓轉(zhuǎn)換芯片。本設(shè)計具體的電路圖如圖16所示。其中電路A端為DSP的GPIO口，B端為直接的輸出I/O口。當(dāng)DIR(GPIOB13)為1時，此時電平由A端(DSP的GPIO口)變換到B端(輸出口)，即DSP直接輸出5V電平；當(dāng)DIR(GPIOB13)為0時，此時電平由B端(輸入口)變換到A端(DSP的GPIO口0)，即5V電平直接輸入到DSP系統(tǒng)內(nèi)。表11SMG12864ZK液晶顯示模塊的接口信號說明鍵盤電路鍵盤是用來設(shè)定控制參數(shù)的基本手段。本設(shè)計設(shè)計的是7個按鍵的鍵盤，由一片74HC165并入串出芯片來驅(qū)動實現(xiàn)，按鍵電路如圖16，各個按鍵功能分配如下表。表12SMG12864ZK液晶顯示模塊的接口信號說明鍵盤電路設(shè)計如圖17所示。實時時鐘電路DS1302是DALLAS公司推出的一種時鐘芯片，片內(nèi)包含一個實時時鐘/日歷和31B的靜態(tài)RAM。芯片通過一個簡單的串行接口與外部微處理器進(jìn)行通信。實時時鐘/日歷芯片可以提供秒、分、小時、日、月、年等信息，在月末時，時鐘/日歷芯片會自動調(diào)整為新的日期，即使是閏年或月份少于31天的日期也可以通過軟件設(shè)置為自動調(diào)整。DS1302也可設(shè)置12小時制或24小時制，如果設(shè)置為12小時制，系統(tǒng)可以通過AM/PM指示具體的時間，從而可以防止時間混亂。具體的接口連接示意如圖18所示。電源電路在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電源一般由電網(wǎng)供電，再經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓三個主要環(huán)節(jié)，將電網(wǎng)交流電壓變換成電子系統(tǒng)需要的穩(wěn)定的低壓直流。小功率穩(wěn)壓電源的組成和穩(wěn)壓過程可由圖19表示。電源變壓器是將220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)波動、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。本設(shè)計中需要+12V、-12V、+5V、-5V和3.3V的直流電壓。電源電路設(shè)計如圖20所示。當(dāng)前第1頁1 2 3