基于LPC2148控制的静止进相器设计与研究

基于LPC2148控制的静止进相器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与研究 南昌航空大学 硕士学位论文基于LPC2148控制的静止进相器设计与研究 姓名:陈 小华 申请学位级别:硕士 专业:光学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 指导教师:邹文栋肖慧荣 20080101 摘 要 绕线式异步电动机是一种感性负载，在额定工况运行时，功率因数一般小于0.9， 而在实际运作中，电机往往不在额定负载下工作，致使功率因数更为降低，电机能 量损耗增大，因此必须进行无功功率的补偿。 本论文细致深入的分析了无功功率补 偿器的基本原理，结合国内外最新研究成果，比较了几种常见的无功功率补偿的方 法。为了达到对交流绕线式异步电动机实现无功补偿的目的，提出在绕线式电动机 转子回路上串接容性电压来降低电机无功功率的方法。采用单相至三相交交变频的 方法产生容性电压，使电路更加简化。 系统采用无环流交交变频的工作方式，使变 频器的效率有所提高，且无须设置环流电抗器，使设备的成本降低。选择使用霍尔 电流传感器检测三相转子电流，并提出对电流过零点分别进行硬件和软件过零检测 的方法，确保准确检测出电流过零点，达到晶闸管可靠换相得目的。为了获得与转 子电流同频率且相位滞后转子电流 90 度的补偿电压，本设计对 12 个晶闸管的触 发时序进行了深入的研究，推导出正确的触发时序并硬件调试实现。并设计了晶闸 管的六路驱动电路、变频器电源同步电路、控制板电源等硬件电路。 软件控制部分 采用 LPC2148 处理器作为控制核心，系统使用 LPC2148 自带的 A/D 转换器，包 含两个 10 位逐次逼近式模数转换器，共有 12 路 AD 输入口，完全满足系统的设 计需求，节约系统的制造成本。根据推导出来的晶闸管的触发时序规则，用 C 语 言编写的控制程序可使系统具有跟踪电机转子电流变化进行功率因数补偿的功能以 及晶闸管过温保护等功能。 经过系统试验，结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，静止进相器可以提高交流绕 线式异步电机的功率因数，可使电机的功率因数由 0.84 上升至 0.96 左右，获得良 好的功率因数补偿效果。静止式进相器安装方便，现场调试简单，且随着功率因数 的提高，定子电流不断减小，对保护电机不受温升损耗、延长使用寿命具有显著的 作用。 本系统广泛适用于建材、化工、化肥、造纸、制药、冶金等行业大中型绕线 式异步电动机，具有广阔的应用前景。 关键词:绕线式异步电动机;交交变频技术; 无功补偿;LPC2148 I ABSTRACT Windings rotor induction motor is an inductive load. Rated for operation in thestate the power factor is less than 0.9. In actual operation the motor is not often workwith the rated load which make the power factor more lower and the electrical energyloss increases. So the reactive power compensation is needed. In this paper basic principles of the reactive power compensation is detailedin-depth analysised. With the latest research achievements at home and abroadcompared with several common methods of reactive power compensation. For thepropose of wound rotor reactive power compensation this paper brings a methods thatconnected capacitive voltage in series to the road to reduce the reactive power of thewindings rotor motor. Using single-phase to the three-phase produce the capacitivevoltage which make the circuit more simple. Using no circulation Cycloconverter working methods to increase the efficiencyof converter and it is unnecessary to set up the circulation reactor for reducing thecost of equipment. The system choose the Hall current sensor to dectect the rotorthree-phase current and have the hardware and software zero-crossing detection ofthe current zero-crossing which accurate detecte the current zero-crossing and ensurethe reliable exchange of SCR. In order to obtain the compensation voltage which havethe same frequency and the 90 degrees lag phase this paper research deeply for thetrigger timing of the 12 SCR and get the correct trigger timing diagram. In addition tothose above this paper also designed some hardware circuit such as the six roadsdriving circuit for the SCR the cycloconverter power synchronous circuits and systemcontrol board. The Software controll board use the LPC2148 processor as the control core.LPC2148 have A / D converter which is 10-successive approximation ADC. It have12 roads AD input which fully meets the need of system design and save themanufacturing cost of system. Derived in accordance with the SCR trigger timingrules prepared by C language system has control procedures enable tracking changesin current motor rotor power factor compensation functions as well asover-temperature protection thyristor functions.In accordance with the SCR trigger IItiming rules the control pragram written by C language enable the system have thefunction that track the changes in rotor current of motor to compensate the powerfactor as well as the temperature protection. After the system test the result showed that the static phase-advancer couldimprove the power factor of the winding asynchronous motor and with theimprovement of power factor the stator current decreases which make the motorhave the protection from temperature loss and prolong the motor life. The staticphase-advancer is easy installed and debugged simple. It can improve the powerfactor from 0.84 to 0.96. It got good power factor compensation effect. This system is widely used in large and medium-sized wound asynchronousmotor of building materials chemicals fertilizers paper pharmaceuticalmetallurgical and other industries and has broad application prospects.Keywords : Windings rotor induction motor AC-AC cycloconvert technologyReactive power compensation LPC2148 III南昌航空大学硕士学位论文 第1 章 绪 论 第1章 绪 论1.1 引言 目前我国经济发展处于经济周期的上升阶段，经济 的快速增长带动了电力消费的快速增长，国民经济的重工业倾向日益明显，使钢铁、 建材、有色、化工等高耗电行业发展很快，重工业用电增长速度超过了轻工业用电 增长速度，全国用电增长速度高于经济增长速度，电力资源已成为紧缺资源，许多 省市都开始拉闸限电1-3。 工业生产中，交流异步电动机以其结构简单、可靠性高、 维护方便、造价低、易实现高速运行等特点，得到了非常广泛的应用。其所消耗的 电能约占工业用电的一半4。众所周知，交流绕线式异步电动机在额定工况下运行时 的功率因数一般小于 0.915(通常为 0.7 到 0.85 之间) ，如果不在额定负载下工 作，其功率因数更低，能量损耗也就更大。为了节约电能，国家现在要求提高电机 功率因数，目前要求到 0.9 以上。因此，如何减少大中型电机的无功损耗成为许多 工业企业节能降耗的关键，提高功率因数已成为电力系统研究领域所面临的一个重 大课题，正在受到越来越多的关注。而异步电动机以其本身固有的优点得到了广泛 的应用，从电动机设计和制造方面考虑，电动机一般在额定负载时效率和功率因数 最高6，实际运行时，电动机往往不在额定负载下工作，其功率因数降低，能量损耗 增大。在异步电动机系统中加装功率因数控制器对节能有着非常重要的意义。 传统 的无功补偿设备有并联电容器、调相机和同步发电机等，由于并联电容器阻抗固定 且不能动态的跟踪负荷无功功率的变化;而调相机和同步发电? 炔钩ド璞赣质粲谛 璞福 渌鸷摹?肷 己艽螅 一共皇视糜谔 蠡蛱 〉奈薰Σ钩ァ, 哉庑 ?璞敢丫 嚼丛讲皇视Φ缌ο低撤?沟男枰?8。20 世纪 70 年代以来，随着研究的 进一步加深出现了一种静止无功补偿技术2-4。这种技术经过20 多年的发展，经历 了一个不断创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切 电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率 因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种 1南昌航空大学硕士学位论文 第1章 绪 论静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为 10,30s2，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关 SCR、GTR、GTO 等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高 500 倍(约为 10s) ，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下三大类型，一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置7;第二类是晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器，这两种装置统称为 SVC(StaticVar Compensator);第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置——高级静止无功发生器8。 到目前为止，对大型三相绕线式异步电机进行无功功率传统方法是电动机定子侧并联电容器，这种方法仅提高了电网的功率因数，减少了线路电流，而对电动机本身工作状态没有任何改善，电机定子电流并没有减少，无功损耗仍然较大，电机功率因数仍然较低。而且补偿容量是固定的，不能根据实际负载随时调整，因此，即便是线路上功率因数也不能补偿到最佳状态。 本文针对绕线式异步电动机提出一种无功补偿方法，即在电机转子侧串接静止式进相器进相。静止式进相器补偿与电机定子侧并联电容器就地补偿有着本质的区别。它是采用交交变频的方法在电动机转子绕组上串联一容性电压源的补偿方法来改变电机本身功率因数的。在电机转子侧串接静止式进相器进相之后，电机定子侧的电流可大幅度下降，功率因数显著提高，电机温升降低，效率和过载能力也相应提高。这样可以发挥现有供电设备的供电潜力，降低电力损耗，从而达到节能的目的，提高企业的经济效益9。1.2 国内外研究进展及发展趋势 目前，国内外交流绕线式异步电机无功补偿方式主要有10-13: (1)电机定子侧并联电容器:为传统的无功补偿方法。这种方法只能补偿线路无功功率，不能降低电机定子电流;尤其是对高压电容器的安装场所、控制方式都有特殊要求，其投资往往较高; (2)电机转子回路串接旋转式进相装置:为国外三十年代的技术，国内八十年代的产品，有明显的无功功率补偿效果;由于串接于电机转子回路的旋转式进相装置是一种整流子旋转电机，自身有一定的功耗，且特别怕尘埃，使用寿命 2南昌航空大学硕士学位论文 第1章 绪 论短，规格少，难于与异步电机达到最佳匹配。 (3)电机转子回路串接静止式进相装置:静止式进相器是国内九十年代机电一体化的产物，它是应工业部门的要求，采用交流变频技术开发而成，用于取代感应式旋转进相机的新型进相装置。它克服了旋转式进相机“整流子”结构，特别怕尘埃、使用寿命短、维修频繁、规格少、难以与电动机达到最佳匹配等缺点。具有参数调节容易，不怕尘埃，使用寿命长，维护方便等特点。但由于目前国内系统大都采用的是普通的数字触发电路来控制交交变频器，且均只采用了开环控制，在变负荷电机中难以应用，因而限制了其推广应用的范围。 (4)采用变频调速的方式调节电动机的定子电压和转差率，达到调节无功的目的。此方法控制复杂，而且对于大功率电动机投资费用大。 因此，研制一种采用闭环控制的、应用范围更?愕摹?阅芨 游榷ǖ闹悄苄途仓菇 嗥鹘 墙涣魅葡呤揭觳降缁 薰Σ钩サ姆?骨魇啤?.3 本论文主要研究内容 本论文细致深入的分析了无功功率补偿器的基本原理，结合国内外最新研究成果， 比较了几种常见的无功功率补偿的方法。讨论了静止进相器的构思、设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，详细介绍了静止进相器的工作原理。提出了一种采用单相至三相交交变频方法产生容性电压串接于电机转子回路的方法来降低电机的无功功率，这种方法最大的特点是进相器结构中不包含体积庞大的电容器，使电路更加简化。本系统采用无环流交交变频的工作方式，使变频器的效率有所提高，且无需设置环流电抗器，使设备成本降低。为确保可控硅可靠换相，设计了一个具有极强的抗干扰能力，可准确检测出电流过零点的零电流检测的方法，即硬软件过零双测法，确保了主电路晶闸管的可靠换相。深入研究了进相器的主电路设计、控制电路设计、触发系统等硬件电路设计，推导了系统主电路中晶闸管的导通时序并软硬件调试实现。最后对系统调试进行了说明，得到了初步的实验结果。 本文具体内容安排如下: 第一章:绪论。简单介绍了异步电动机无功补偿的意义、发展现状和国内外发展趋势。同时阐述了本论文的研究内容。 第二章:系统设计。从理论上论述了系统设计的理论依据，就无功功率理论、绕线式异步电机的进相原理进行了详细的阐述和分析，以此理论依据提出了静止进相器的构思、设计方案以及系统框图。 第三章:硬件设计。论述了使用交交变频方式设计进相器的原因。首次提出 3南昌航空大学硕士学位论文 第1章 绪 论了对转子电流进行硬、软件过零检测的双测法，确保晶闸管的可靠换相。在本章的硬件电路设计中，主要包含两个部分的设计:强电部分和弱电部分。强电部分详细设计了变频器的主电路部分，包括元件参数选择、电路设计部分等。弱电部分主要对控制板电源电路、电动机转子电流过零检测电路、可控硅驱动电路硬件、微处理器外围电路以及可控硅温度保护电路进行了详细的介绍，并给出了各部分的电路图。 第四章:软件设计。基于进相器主电路无环流的考虑，本章深入研究了晶闸管的触发时序及触发逻辑，给出了导通时序图，对转子电流软件过零检测进行了详细的分析。根据需要的晶闸管触发时序在 LPC2148 芯片平台上设计了系统的控制程序，得到正确的触发波形。接着详细的介绍了几个比较重要的子程序，并给出了子程序的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图及系统流程图。 第五章:实验结果与分析。 LPC2148 硬件平台上实现了一相 4 个晶闸管的 在触发，与理论推导的逻辑时序比较，证明理论推导正确、方案可行。根据本系统设计出的样机在 JR138-8 型电机上连调，进相器可使绕线式异步电动机的功率因数由原来的 0.84 提高到 0.96 以上，试验结果与第二章从理论上分析的进相器工作所能达到的效果吻合，这说明实验是成功的。 第六章:结束语。总结全文的主要工作，并对下一步工作进行展望。1.4 原始数据 本系统做成样机在 JR138-8 型电机上连调进行实验 该电机的额定功率为240KW，定子线电压有效值 U se 380V ，定子线电流有效值 I se 467 A ，转子线电压有效值 U re 450V ，转子线电流有效值 I re 350 A ，最大转矩/额定转矩为 2.02，满载时转子转速 n min 980r/min， η 同步转速 n1 1000r/min， 92.5 ，cosψ 0.89 。 4南昌航空大学硕士学位论文 第2章 系统设计 第2章 系统设计2.1 系统设计的理论依据2.1.1 无功功率理论14-18 要进行无功功率补偿技术研究，首先要深刻理解无功功率理论。 (1) 正弦电路的无功功率和功率因数 在正弦电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电压 电流可分别表示为: u 2U sin ωt 2-1 i 2 I sinωt 2 I cos sin ωt 2 I sin cos ωt i p iq 式中， ——电流滞后电压的相角。 电流 i 分别分解为和电压同相位的分量 i p 和比电压滞后 90? 的分量 iq 。电路的有功功率 P 就是其平均功率，即: 1 2π 1 2π P 2π ? 0 uid ωt 2π ? 0 ui p uiq d ωt 1 2π 1 2π 2π ?0 UI cos UI cos cos 2ωt d ωt 2π ? 0 UI sin sin 2ωtd ωt 2-2 UI cos 电路的无功功率定义为: Q UI sin 2-3 可以看出 Q 就是式 2-2) ( 中被积函数第 2 项无功功率分量 uiq 的变化幅度。 q ui的平均值为零，表示其有能量交换而并不消耗功率。Q 表示这种能量交换的幅度。在单相电路中，这种能量交换通常是在电源和具有储能元件的负载之间进行的。从式(2-2)可看到，真正的功率消耗是由被积函数的第 1 项有功功?史至?ui p 产生的。因此，把 i p 和 iq 分别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。 工程上，把电压、电流有效值的乘积作为电气设备功率设计极限，这个值也 5南昌航空大学硕士学位论文 第2章 系统设计就是电气设备最大可利用容量，称为视在功率: S UI 2-4 定义有功功率和视在功率的比 P λ 2-5 S 由以上两式可以看出，在正弦电路中，功率因数由电压和电流之间的相角决定。在这种情况下，功率因数常用 cos 来表示。 由(2-2)(2-3)和式(2-4)可知 S 、 P 和 Q 满足以下关系: 、 S 2 P2 Q2 2-6 (2)三相电路的功率因数 在三相对称电路中，各相电压、电流均对称，功率因数也相同。三相电路总的功率因数就等于各相的功率因数。在三相电路中，影响功率因数的因素除电流和电压的相位差、波形畸变外，还有一个因素就是三相不对称。三相不对称电路的功率因数至今没有统一的定义，定义之一为: ?P λ 2-7 ?S 式中，各相的 S 为其电流与电压的乘积。可以看出，即使三相都是电阻负载，只要三相不对称，功率因数仍小于 1。2.1.2 交流绕线式异步电机进相原理 本论文所研究的静止进相器是专为.