矿热炉低压无功补偿控制器的研制

论文摘要

为了提高矿热炉供电系统的功率因数，本文研制了矿热炉低压无功补偿控制器。它能实时在线采集电网电压电流，计算出有功功率、无功功率、视在功率、电网频率、功率因数等参数，通过复合开关投切补偿电容器组实现无功功率的补偿。课题内容主要包括无功功率补偿相关理论分析、复合开关控制研究、控制器硬件设计和软件设计四部分。论文首先从理论上推导了各个电网电量参数的计算过程，分析了通过并联电容器来实现无功功率补偿基本原理，同时讨论了无功补偿三种方式的优缺点及无功补偿的控制依据。之后通过比较机械式投切开关、电力电子开关和复合开关的优缺点，得出复合开关是电容投切比较理想的开关。硬件电路设计采用ATmega48作为核心处理芯片，设计了电源模块电路、信号采样调理电路、投切控制电路、节点温度监控电路以及通讯模块电路等芯片外围电路，充分利用ATmega48内部集成的A/D、UART、定时计数器等嵌入式功能模块。设计了基于CAN工业通信总线和RS485总线，为现场监控与远程监测提供了方便，提高了控制器的适用性。在软件设计方面，编写了基于ATmega48的下位机程序，主要包括用统计算法来获得电量参数、智能化的投切控制程序设计及通信程序设计。电网参数采集程序主要是对电流电压进行AD采集，并计算出功率因数等参数。投切控制程序实现双向可控硅和真空接触器按照一定的投切顺序完成补偿电容器的投切。通信程序实现将实时参数传送至上位机，同时完成接收上位机的投切指令等功能。研制的控制器在实验室进行了关键参数的测试实验，各项技术参数都基本符合设计要求，控制器已经投入实际使用，实践结果表明：该控制器能动态快速的进行投切控制，及时对矿热炉无功功率进行补偿，各项功能发挥正常

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 课题国内外研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 2 无功补偿系统相关理论
• 2.1 无功功率补偿基本理论
• 2.1.1 无功功率和功率因数相关概念
• 2.1.2 并联电容器补偿无功功率的基本原理
• 2.2 无功补偿方式
• 2.2.1 集中无功补偿
• 2.2.2 分组无功补偿
• 2.2.3 就地无功补偿
• 2.3 补偿容量的计算
• 2.4 电容器组自动投切控制方式
• 2.5 电容器的保护措施
• 2.6 本章小结
• 3 电容器投切开关研究
• 3.1 机械式投切开关
• 3.2 电力电子式开关
• 3.2.1 晶闸管电子开关
• 3.2.2 固态继电器
• 3.3 机电复合开关
• 3.4 本章小结
• 4 无功补偿控制器硬件设计
• 4.1 总体方案设计
• 4.2 数据处理模块
• 4.2.1 ATmega48 功能介绍
• 4.2.2 ATmega48 最小系统设计
• 4.2.3 电源模块设计
• 4.3 信号采集及调理模块
• 4.3.1 信号采集模块设计
• 4.3.2 测频模块设计
• 4.3.3 节点温度监测模块设计
• 4.4 投切控制模块
• 4.4.1 双向可控硅投切控制设计
• 4.4.2 交流真空接触器投切控制设计
• 4.5 控制器与上位机通信模块
• 4.5.1 RS485 通信模块设计
• 4.5.2 CAN 通信模块设计
• 4.6 硬件抗干扰设计
• 4.6.1 电源抗干扰设计
• 4.6.2 隔离措施
• 4.6.3 通信通道抗干扰措施
• 4.7 本章小结
• 5 无功补偿控制器软件设计
• 5.1 控制器主程序设计
• 5.2 数据采集程序设计
• 5.3 投切控制程序设计
• 5.4 通信程序设计
• 5.5 软件抗干扰设计
• 5.5.1 数字滤波
• 5.5.2 看门狗
• 5.6 本章小结
• 6 实验结果及分析
• 6.1 可控硅性能测试
• 6.1.1 可控硅触发导通条件测试
• 6.1.2 可控硅导通压降测试
• 6.2 复合开关投切性能测试
• 6.2.1 可控硅响应延时时间测试
• 6.2.2 真空接触器响应延时时间测试
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士研究生期间发表论文