基于DSP的磁控電抗器控制器的研究與設計

時間：2022-10-05 23:47:08 機電一體化畢業(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)的無功補償。

基于DSP的磁控電抗器控制器的研究與設計

　　摘要：電力系統(tǒng)常采用并聯(lián)電容器-電抗器組等無源設備進行無功補償并兼作濾波。但由于負載經(jīng)常處于變化之中，采用固定容量補償方式常常不能滿足要求。目前無功補償領域中磁控電抗器應用逐漸廣泛推廣，這樣其控制系統(tǒng)顯得尤為重要。通過利用DSP和CPLD結合設計的磁控電抗器控制器，可以實現(xiàn)磁控電抗器感性無功的平滑調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)動態(tài)無功補償?shù)哪康摹?/p>

　　關鍵詞：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、運行中的一個必要部件，在項目開發(fā)對前其安全可靠性做全面的考慮，結合電網(wǎng)運行的實際情況，分析得到應輸入輸出的信號信息包括：(1)采集電網(wǎng)電壓、電流，計算電網(wǎng)有功功率、無功功率和功率因數(shù)及相關開關信息;(2)根據(jù)參數(shù)設定和實際檢測值自動閉環(huán)調(diào)節(jié)磁控電抗器移相觸發(fā)脈沖信號;(3)手動、開環(huán)調(diào)節(jié)磁控電抗器移相觸發(fā)脈沖信號;(4)控制液晶觸摸屏，實現(xiàn)人機界面;(5)與變電站綜保設備通信，實現(xiàn)遠程控制。

　　一、控制系統(tǒng)原理

　　基于磁控電抗器的無功電壓綜合補償控制器原理，采集電壓、電流信號，計算系統(tǒng)的有功功率及無功功率，快速跟蹤電壓及無功功率的變化，動態(tài)地調(diào)節(jié)投入的補償電抗器容量，平衡無功及電壓。也就是說，控制器能自動檢測系統(tǒng)的電流、電壓，并能根據(jù)檢測量自動調(diào)整晶閘管移相觸發(fā)角的大小，進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)電壓和所需的無功，自動調(diào)節(jié)投入的補償電抗。控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　二、硬件電路設計

　　控制器硬件部分由8個獨立模塊組成，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、電流信號變換為-5～+5V正弦波信號、0～+12V方波信號。

　　(2)CPU模塊。A/D轉換部分是將-5～+5V正弦波信號變換為-2.5～+2.5V正弦波信號，送入AD轉換芯片轉換為數(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)信號進行隔離、功率放大，將輸入的開關信號進行隔離再送入CPLD芯片;通信部分將DSP芯片收發(fā)的串行通信信號進行隔離和電平變換，連接至輸出RS232端口與上位機通訊、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)脈沖信號轉換為光信號輸出。

　　(4)開關量輸入輸出模塊。開關量輸入模塊是將輸入開關量通過繼電器隔離后，轉換為0～3.3V信號;開關量輸出模塊是將輸出開關量通過繼電器隔離后，轉換為機械觸點信號。

　　(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)運行狀態(tài)顯示和控制參數(shù)修改任務。

　　三、軟件系統(tǒng)設計

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

　　系統(tǒng)設計的思路是DSP完成采樣、計算、控制、人機交互的工作，CPLD實現(xiàn)邏輯和時序電路。圖3為程序系統(tǒng)設計示意圖。其控制過程為：(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)出相應的觸發(fā)信號;(2)通過計算得出每相MCR的控制角;

　　(3)DSP通過總線發(fā)送控制角到CPLD;(4)CPLD根據(jù)同步電壓信號，生成六路晶閘管觸發(fā)信號;(5)DSP實現(xiàn)了通信、時鐘、鍵盤、顯示等功能;CPLD實現(xiàn)了鎖相倍頻、鍵盤處理、開關量處理等功能。

　　這里的數(shù)據(jù)采集、處理、控制算法等程序功能都在相應的中斷處理程序得到實現(xiàn)。所以主程序主要是用來進行系統(tǒng)初始化和非實時事務的處理，具體包括以下幾個功能：進行系統(tǒng)初始化、完成通訊報文處理、完成人機交互數(shù)據(jù)處理。

　　3.1 控制原理及主要控制算法

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

　　同步倍頻信號輸入到AD模塊的ADSOC控制口時，通過軟件設置，使同步倍頻信號每一次上升沿觸發(fā)一次AD轉換，AD轉換結束后自動觸發(fā)AD中斷服務程序，中斷服務程序的流程圖如圖5所示。每采集一個周期的數(shù)據(jù)，執(zhí)行一次瞬時無功計算程序，計算出電網(wǎng)的電流、電壓、無功功率、有功功率、功率因數(shù)、視在功率，再取平均值，與設定值比較，其差值來控制觸發(fā)角，使檢測到的無功逼近設定值。程序里使用的一些子程序，如定點數(shù)正弦運算、定點數(shù)開平方、定點數(shù)余弦運算等，可以在DSP定點函數(shù)庫中得到。

　　3.2 系統(tǒng)軟件設計

　　本次設計中主要的數(shù)據(jù)采集、處理、控制算法等程序功能都在相應的中斷處理程序完成，主程序主要是用來進行系統(tǒng)初始化和非實時事務的處理，即完成系統(tǒng)初始化、通訊、人機交互數(shù)據(jù)處理等功能。

　　控制器開機后，主程序首先進行DSP的初始化，然后進入程序主循環(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。

　　DSP主程序流程如圖6所示。

　　四、結語

　　本文通過對磁控電抗器的硬件與軟件設計的闡述，可以實現(xiàn)對磁控電抗器感性容量的平滑調(diào)節(jié)，達到無功補償?shù)哪康�。本系統(tǒng)采用DSP與CPLD相結合的控制方式，大大提高了運行效率，保證了設備運行速度，可以全自動在系統(tǒng)中運行，有效控制觸發(fā)導通角，進而輸出系統(tǒng)所需的無功補償量。

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