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单片机实现电力补偿装置控制系统
以80C196KC单片机为核心的电力补偿控制系统,通过模拟输入电路对三相电压、电流进行采样,计算后通过输出单元控制电容器的投切,从而实现对电网无功功率的补偿。本文介绍了系统硬件和软件的设计方法。
引言
目前在电力补偿系统中有多种补偿方法,本文中的补偿系统是根据寻优负序电流最小进行补偿的。系统计算需要对交流电一个周期20 ms内对单相电压u、电流I进行采样,要求一个周期内采样次数至少在100次以上。针对这一特点,设计了基于80C196KC的控制系统。Intel公司的高性能16 b单片机80C196KC,其运算速度快,能够满足系统高速采样的要求。
1 系统硬件设计
本系统的硬件部分主要由采样输入电路、中央控制单元、程序存储单元、输出驱动电路4部分组成。系统总体框图如图1所示。
1.1 模拟输入电路
系统中数据采集所使用的传感器为电压互感器和电流互感器,需要分别采集三相的电压和电流,共需要六路输入。80C196KC内有一个逐次逼近型的A/D转换器,共有8个输入通道。其输入引脚ACH0~ACH7与P0.0~P0.7共享。内部的A/D转换器8 b/10 b可调,自带采样、保持电路,这样减少了外围电路,也减少了干扰和干扰源,增加了系统的稳定性和抗干扰性,并且减少了控制板的尺寸。在本系统中采用10 b转换方式。
为了保护A/D转换器,增加可靠性,在A/D通道的输入端,可采用如图2所示的输入接口电路。
其中2个二极管D1和D2起过载保护作用,当输入电压高于VREF+0.7 V左右时,D1导通,输入电平被箝位在VREF+0.7 V的水平上;当输入电压低于-0.7 V的水平上。这种过载往往是尖峰干扰,持续时间很短。MCS-96的技术条件规定模拟输入端对模拟地ANGND的电压不能低于-0.3 V,这一点可靠输入端的低通滤波器R4和C1来保证。图中此滤波器的时间常数τ=R4C1=270×0.01=2.7μs,若以-0.7 V作为此滤波器的阶跃输入,则此滤波器输出端(即80C196KC的模拟信号输入端)达到-0.3 V的电平需耗时:
t=-τln(1-0.3/0.7)=1.15μs
而通常这类尖峰噪声的峰值持续时间远小于上述时间,因此,这一输入电路可有效地起到过载保护作用。
1.2 中央控制单元
80C196KC是CHMOS高性能16 b单片机中的一个新分支,内部EPROM/ROM为16 b,内部RAM为488 b,有24 b的专用寄存器。80C196KC中采用了“垂直窗口”结构,使得新增的256 b RAM通过窗口映射同样可以作为通用寄存器来访问。80C196KC可以采用16 MHz的晶振,内部时钟是2分频,其运行速度比12 MHz的80C196KB快33%,比12 MHz的8096BH快1倍。最小电路是指能使单片机工作而所加的最少的外围设备,一般包括复位电路和晶振。80C196KC的最小电路如图3所示。
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