基于DSP的磁控電抗器控制器的研究與設(shè)計(jì)

時(shí)間：2024-09-02 22:47:36 機(jī)電畢業(yè)論文我要投稿

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　　磁控電抗器(magnetically controlled reactors)全稱是磁閥式可控電抗器，簡(jiǎn)稱MCR，是一種容量可調(diào)的并聯(lián)電抗器，主要用于電力系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償。

基于DSP的磁控電抗器控制器的研究與設(shè)計(jì)

　　摘要：電力系統(tǒng)常采用并聯(lián)電容器-電抗器組等無(wú)源設(shè)備進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償并兼作濾波。但由于負(fù)載經(jīng)常處于變化之中，采用固定容量補(bǔ)償方式常常不能滿足要求。目前無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域中磁控電抗器應(yīng)用逐漸廣泛推廣，這樣其控制系統(tǒng)顯得尤為重要。通過(guò)利用DSP和CPLD結(jié)合設(shè)計(jì)的磁控電抗器控制器，可以實(shí)現(xiàn)磁控電抗器感性無(wú)功的平滑調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

　　關(guān)鍵詞：DSP;磁控電抗器;CPLD

　　引言

　　磁控電抗器控制器作為磁控電抗器調(diào)試、運(yùn)行中的一個(gè)必要部件，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)對(duì)前其安全可靠性做全面的考慮，結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，分析得到應(yīng)輸入輸出的信號(hào)信息包括：(1)采集電網(wǎng)電壓、電流，計(jì)算電網(wǎng)有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)及相關(guān)開(kāi)關(guān)信息;(2)根據(jù)參數(shù)設(shè)定和實(shí)際檢測(cè)值自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)磁控電抗器移相觸發(fā)脈沖信號(hào);(3)手動(dòng)、開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)磁控電抗器移相觸發(fā)脈沖信號(hào);(4)控制液晶觸摸屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面;(5)與變電站綜保設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　一、控制系統(tǒng)原理

　　基于磁控電抗器的無(wú)功電壓綜合補(bǔ)償控制器原理，采集電壓、電流信號(hào)，計(jì)算系統(tǒng)的有功功率及無(wú)功功率，快速跟蹤電壓及無(wú)功功率的變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)投入的補(bǔ)償電抗器容量，平衡無(wú)功及電壓。也就是說(shuō)，控制器能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的電流、電壓，并能根據(jù)檢測(cè)量自動(dòng)調(diào)整晶閘管移相觸發(fā)角的大小，進(jìn)而改變磁控電抗器輸出的感性容量。這樣，磁控電抗器就可以根據(jù)電壓和所需的無(wú)功，自動(dòng)調(diào)節(jié)投入的補(bǔ)償電抗�？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　二、硬件電路設(shè)計(jì)

　　控制器硬件部分由8個(gè)獨(dú)立模塊組成，模塊間由母板連接�？刂破髑安繛橐壕в|摸屏，后部為各模塊的輸入輸出接口�？刂破饔布驁D如圖2所示：

　　(1)電量采集模塊1、2。電量采集模塊功能是將輸入的電壓、電流信號(hào)變換為-5～+5V正弦波信號(hào)、0～+12V方波信號(hào)。

　　(2)CPU模塊。A/D轉(zhuǎn)換部分是將-5～+5V正弦波信號(hào)變換為-2.5～+2.5V正弦波信號(hào)，送入AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再送入DSP芯片;輸入輸出部分是將CPLD芯片發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行隔離、功率放大，將輸入的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行隔離再送入CPLD芯片;通信部分將DSP芯片收發(fā)的串行通信信號(hào)進(jìn)行隔離和電平變換，連接至輸出RS232端口與上位機(jī)通訊、與液晶屏通信端口通訊。

　　(3)光纖輸出模塊。光纖輸出模塊功能是將晶閘管移相觸發(fā)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)輸出。

　　(4)開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊。開(kāi)關(guān)量輸入模塊是將輸入開(kāi)關(guān)量通過(guò)繼電器隔離后，轉(zhuǎn)換為0～3.3V信號(hào);開(kāi)關(guān)量輸出模塊是將輸出開(kāi)關(guān)量通過(guò)繼電器隔離后，轉(zhuǎn)換為機(jī)械觸點(diǎn)信號(hào)。

　　(5)工作電源模塊。工作電源模塊是將輸入的AC 220V電源(含地線)轉(zhuǎn)換為+5V、±12V、+24V工作電源。

　　(6)觸摸式液晶屏。觸摸式液晶屏可顯示和觸控，完成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示和控制參數(shù)修改任務(wù)。

　　三、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng) 的程序分為DSP軟件程序和CPLD硬件程序兩部分，這兩部分程序結(jié)合起來(lái)共同完成了MCR控制器的控制功能。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是DSP完成采樣、計(jì)算、控制、人機(jī)交互的工作，CPLD實(shí)現(xiàn)邏輯和時(shí) 序電路。圖3為程序系統(tǒng)設(shè) 計(jì)示意圖。其控制過(guò)程為：(1)交流采樣的系統(tǒng) 參數(shù)接入DSP中，判斷系統(tǒng)支行狀態(tài)，由CPLD發(fā)出相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào);(2)通過(guò) 計(jì)算得出每相MCR的控制角;

　　(3)DSP通過(guò) 總線發(fā)送控制角到CPLD;(4)CPLD根據(jù)同步電壓信號(hào)，生成六路晶閘管觸發(fā)信號(hào);(5)DSP實(shí)現(xiàn)了通信、時(shí)鐘、鍵盤、顯示等功能;CPLD實(shí)現(xiàn)了鎖相倍頻、鍵盤處理、開(kāi)關(guān)量處理等功能。

　　這里的數(shù)據(jù)采集、處理、控制算法等程序功能都在相應(yīng)的中斷處理程序得到實(shí)現(xiàn)。所以主程序主要是用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)初始化和非實(shí)時(shí)事務(wù)的處理，具體包括以下幾個(gè)功能：進(jìn)行系統(tǒng)初始化、完成通訊報(bào)文處理、完成人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理。

　　3.1 控制原理及主要控制算法

　　本次設(shè)計(jì)的控制器采取了電壓無(wú)功綜合考慮的控制策略，即用戶可以只調(diào)無(wú)功或只調(diào)電壓，也可以電壓無(wú)功綜合調(diào)節(jié)。其交流采樣算法流程如圖4所示。

　　同步倍頻信號(hào)輸入到AD模塊的ADSOC控制口時(shí)，通過(guò)軟件設(shè)置，使同步倍頻信號(hào)每一次上升沿觸發(fā)一次AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)觸發(fā)AD中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序的流程圖如圖5所示。每采集一個(gè)周期的數(shù)據(jù)，執(zhí)行一次瞬時(shí)無(wú)功計(jì)算程序，計(jì)算出電網(wǎng)的電流、電壓、無(wú)功功率、有功功率、功率因數(shù)、視在功率，再取平均值，與設(shè)定值比較，其差值來(lái)控制觸發(fā)角，使檢測(cè)到的無(wú)功逼近設(shè)定值。程序里使用的一些子程序，如定點(diǎn)數(shù)正弦運(yùn)算、定點(diǎn)數(shù)開(kāi)平方、定點(diǎn)數(shù)余弦運(yùn)算等，可以在DSP定點(diǎn)函數(shù)庫(kù)中得到。

　　3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本次設(shè)計(jì)中主要的數(shù)據(jù)采集、處理、控制算法等程序功能都在相應(yīng)的中斷處理程序完成，主程序主要是用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)初始化和非實(shí)時(shí)事務(wù)的處理，即完成系統(tǒng)初始化、通訊、人機(jī)交互數(shù)據(jù)處理等功能。

　　控制器開(kāi)機(jī)后，主程序首先進(jìn)行DSP的初始化，然后進(jìn)入程序主循環(huán)，在主循環(huán)里，主要完成液晶屏顯示、鍵盤操作、通信等任務(wù)。

　　DSP主程序流程如圖6所示。

　　四、結(jié)語(yǔ)

　　本文通過(guò)對(duì)磁控電抗器的硬件與軟件設(shè)計(jì)的闡述，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁控電抗器感性容量的平滑調(diào)節(jié)，達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康�。本系統(tǒng)采用DSP與CPLD相結(jié)合的控制方式，大大提高了運(yùn)行效率，保證了設(shè)備運(yùn)行速度，可以全自動(dòng)在系統(tǒng)中運(yùn)行，有效控制觸發(fā)導(dǎo)通角，進(jìn)而輸出系統(tǒng)所需的無(wú)功補(bǔ)償量。

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