智能電容器的研究與設(shè)計(jì)

尤力

摘 要 伴隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)的發(fā)展，大量的非線性、非對(duì)稱性以及功率因素低的電子設(shè)備被掛接到電網(wǎng)中，如工業(yè)用電機(jī)、電焊機(jī)以及自動(dòng)化生產(chǎn)線等。這些電子設(shè)備的正常運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的無功功率，而大量的無功功率，勢(shì)必會(huì)提高電網(wǎng)線路損耗，造成電網(wǎng)電壓跌落，進(jìn)而降低電網(wǎng)電能質(zhì)量。因此，研發(fā)一款高性能的智能電容器對(duì)提高電網(wǎng)電能質(zhì)量將具有非常重要的意義。

1 智能電容器發(fā)展現(xiàn)狀

由于歷史原因，國(guó)外電網(wǎng)建設(shè)初期主要目是時(shí)保證用戶電能使用，同時(shí)，電網(wǎng)建設(shè)初期由于資金的短缺，造成我國(guó)當(dāng)前國(guó)內(nèi)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)存在諸多不合理的地方。而無功功率是指部分負(fù)載設(shè)備建立交變磁場(chǎng)時(shí)所需要的電功率，該電功率不對(duì)外做功。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人們對(duì)高質(zhì)量的電能需求增加[19]，我國(guó)在上個(gè)世紀(jì)八十年代末期開始對(duì)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了研究。由于我國(guó)在無功補(bǔ)償相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展相對(duì)較晚，在1987年，上海新扉科技有限公司聯(lián)合上海同濟(jì)大學(xué)開發(fā)了我國(guó)首臺(tái)機(jī)械式并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置[20]，該裝置成功研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)式無功補(bǔ)償國(guó)產(chǎn)化的能力。在上海電力公司的推廣下，該裝置被廣泛應(yīng)用于上海城網(wǎng)改造項(xiàng)目中，有效的提高了我國(guó)電網(wǎng)電能質(zhì)量，同時(shí)，也在一定程度上助推了我國(guó)并聯(lián)式無功補(bǔ)償產(chǎn)品性能的提升。

當(dāng)前，國(guó)外無功補(bǔ)償裝置占據(jù)了國(guó)內(nèi)高端市場(chǎng)，這嚴(yán)重阻礙了我國(guó)無功補(bǔ)償裝置整體發(fā)展，且國(guó)內(nèi)無功補(bǔ)償裝置存在控制精度不高、穩(wěn)定差等缺點(diǎn)。因此，開發(fā)一套高精度、穩(wěn)定性好的無功補(bǔ)償裝置具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)上述問題，本課題開發(fā)了一套基于TMS320F2806的有功均衡及無功補(bǔ)償裝置系統(tǒng)，該儀表具有體積小巧、控制精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[22]。

2 智能電容器硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)概述

目前，實(shí)現(xiàn)智能電容器相關(guān)功能方式存在較多的方案，但智能電容器整套系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)基本相同，即系統(tǒng)根據(jù)采集的電壓值、電流值對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行電容投切。本課題根據(jù)電力公司對(duì)電容器實(shí)際功能需求，搭建了智能電容器整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)在保證智能電容器整體功能基礎(chǔ)上，對(duì)智能電容器整套系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，提高了智能電容器整體可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 微控制器模塊

根據(jù)智能電容器對(duì)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理速度需求，本論文采用TMS320F28335芯片作為系統(tǒng)主控芯片，該芯片為32位數(shù)據(jù)處理器，滿足了智能電容器對(duì)微處理器相關(guān)功能需求。

2.3 系統(tǒng)供電電路

2.3.1 開關(guān)電源模塊

在智能電容器系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用電網(wǎng)220V交流電源對(duì)智能電容器進(jìn)行供電。為了保證智能電容器能夠正常工作，系統(tǒng)需對(duì)智能電容器供電的220V交流電進(jìn)行整流降壓處理?？紤]到智能電容器實(shí)際功能需求，本課題供電電壓主要有以下三種電源，其分別為24V、5V、3.3V等。針對(duì)智能電容器實(shí)際功能需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款高性能開關(guān)穩(wěn)壓電源。

2.3.2 系統(tǒng)電源模塊

由于本課題將開關(guān)電源模塊輸出電壓設(shè)置為12V，而本課題選用的DSP供電電壓為3.3V。為了保證開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊能夠正常工作，本課題需對(duì)開關(guān)電源模塊輸出的電壓進(jìn)行降壓處理。目前，降壓芯片主要有線電源和開關(guān)電源?？紴榱吮ＷC智能電容器整套系統(tǒng)能夠正常工作，本課題采用LM1117-3.3V芯片對(duì)開關(guān)電源輸出的電壓進(jìn)行降壓處理。

2.3.3 精密穩(wěn)壓源電路

在智能電容器系統(tǒng)中，系統(tǒng)以1.5V電源電壓作為參考電源電壓。而智能電容器整套系統(tǒng)電網(wǎng)電壓、電流采集精度直接決定了整套系統(tǒng)測(cè)量精度和補(bǔ)償精度，針對(duì)智能電容器實(shí)際功能需求，本論文設(shè)計(jì)了高精度參考電源模塊。

2.4 電網(wǎng)信號(hào)采集與處理電路

2.4.1 電壓采集電路

本課題設(shè)計(jì)的智能電容器需對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行采集，并根據(jù)采集的電網(wǎng)電壓、電流對(duì)進(jìn)行無功補(bǔ)償?？紤]到電網(wǎng)電壓值為220V交流電，且電網(wǎng)中存在較高的噪聲。針對(duì)智能電容器提出的相關(guān)功能需求，本課題搭建了電壓調(diào)理模塊。

2.4.2 電流采集電路

在智能電容器系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要測(cè)量電網(wǎng)中電力線所承載的電流大小。考慮到電網(wǎng)中電流值相對(duì)較大，而智能電容器只能對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，針對(duì)智能電容器相關(guān)功能需求，本論文設(shè)計(jì)了電流信號(hào)采集模塊。

2.4.3 頻率采集電路

在智能電容器系統(tǒng)中，系統(tǒng)需要獲取電網(wǎng)中交流電壓信號(hào)頻率參數(shù)，根據(jù)智能電容器頻率采集功能需求，本課題論文設(shè)計(jì)了一款基于斯密特觸發(fā)器頻率采集硬件電路。

2.5 投切開關(guān)控制電路

在智能電容器系統(tǒng)中，投切開關(guān)控制的合理性，其能夠防止涌流以及電弧。而在投切開關(guān)控制電路中，其主要包括開關(guān)電壓過零點(diǎn)檢測(cè)電路、電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)檢測(cè)電路以及磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)電路等組成。

2.6 溫度信號(hào)采集電路

在智能電容器系統(tǒng)中，若電容器溫度過高時(shí)，其會(huì)造成電容器出現(xiàn)膨脹甚至爆炸等事故，進(jìn)而影響電容器整體使用壽命。系統(tǒng)選用10K熱敏電阻對(duì)智能電容器上的溫度進(jìn)行測(cè)量，隨著熱敏電阻溫度的升高，其熱敏電阻的阻值隨著降低，系統(tǒng)將熱敏電阻與電阻進(jìn)行分壓處理，故系統(tǒng)可通過采集熱敏電阻上的電壓值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱敏電阻阻值大小進(jìn)行測(cè)量。由于熱敏電阻阻值與溫度成非線性關(guān)系，故系統(tǒng)通過查找電阻與溫度的關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電容器溫度大小進(jìn)行測(cè)量[38]。

2.7 RS485通信電路

在智能電容器系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用RS485通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。考慮到智能電容器實(shí)際應(yīng)用環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)采用光耦對(duì)RS485通信模塊進(jìn)行隔離。由于本論文采用MAX1487芯片進(jìn)行RS485數(shù)據(jù)傳輸，其在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需通過TMS320F28335單片機(jī)上I/O引腳控制RE引腳和TE引腳，為了避免RS485模塊占用過多的I/O引腳，本課題設(shè)計(jì)了一款新型RS485通信功能模塊，系統(tǒng)通過三極管將MAX1487芯片上RE引腳和TE引腳接入到三極管集電極，并將三極管基極與發(fā)射端口相連接，其實(shí)現(xiàn)了MAX1487數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)切換功能，降低了系統(tǒng)RS485通信功能模塊軟件程序設(shè)計(jì)難度。

2.8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

在智能電容器系統(tǒng)中，系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)中無功功率、有功功率、功率因數(shù)、電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流等參數(shù)進(jìn)行采集，并將采集的參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。針對(duì)智能電容器實(shí)際功能需求，系統(tǒng)采用AT24C16芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于AT24C16芯片采用標(biāo)準(zhǔn)的IIC總線接口，為了降低智能電容器整套系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)難度，系統(tǒng)將AT24C16芯片與TMS320F28335單片機(jī)上IIC總線接口直接相連接。由于IIC總線接口能夠掛接大量的IIC總線接口的芯片，為了便于TMS320F28335芯片對(duì)存儲(chǔ)地址進(jìn)行識(shí)別，系統(tǒng)需對(duì)AT24C16芯片上地址A0、A1引腳進(jìn)行設(shè)置?？紤]到智能電容器需頻繁對(duì)AT24C16進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，故系統(tǒng)將AT24C16芯片上讀寫保護(hù)引腳進(jìn)行拉低設(shè)置。

3 總結(jié)

伴隨著國(guó)內(nèi)電網(wǎng)系統(tǒng)升級(jí)改造，其相關(guān)配套產(chǎn)品也得到了長(zhǎng)期的發(fā)展。目前，市面上存在多種型號(hào)智能電容器，但它們普遍存在使用壽命短、補(bǔ)償精度差、補(bǔ)償速度慢以及價(jià)格高等缺點(diǎn)。因此，開發(fā)一款性能高、價(jià)格低、穩(wěn)定好的智能電容器對(duì)我國(guó)電網(wǎng)改造具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但由于本人時(shí)間和能力有限，使得本課題研究的智能電容器仍存在許多待改進(jìn)的地方。今后，人們可在本課題研究基礎(chǔ)上，對(duì)智能電容器進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

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