新型同步开关的设计(附件)
本课题主要对新型同步开关进行了设计，新型同步开关可以做到无涌流、快速响应投切电容器，对电网进行无功补偿。本课题从新型同步开关的硬件电路和软件设计入手，针对无涌流投切的暂态过程，建立数学模型，得到无涌流投入时间选择要求，并应用STM32单片机作为控制核心，磁保持继电器作为执行器件。设计了同步开关硬件电路和软件程序，其中硬件电路中主要介绍了磁保持继电器驱动电路、信号采集电路、投切指示电路、按键电路以及电源电路等；软件程序设计主要介绍了开机自检、复位磁保持继电器、异常检测状态、ADC中断采样、按键中断检测、ADC中断服务程序、按键中断子程序、投入过程、切除过程等。通过实验分析，该新型同步开关具备无涌流、快速响应投切电容器功能，投切时间在100MS之内，可以作为无功补偿电容器投切元件，进行市场应用。关键词 STM32，磁保持继电器，无涌流投切，ADC采样
目 录
1 引言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 无功补偿的原理及意义 2
1.3 电容器投切开关的研究现状 3
1.4 本课题研究内容 4
2 同步开关的基本原理 5
2.1 无涌流投切原理 5
2.2 电压零点控制 6
3 同步开关的硬件设计 8
3.1 硬件电路总体框图 8
3.2 CPU及外围电路 9
3.3 信号调理电路 10
3.4 驱动电路 11
3.5 投切反馈电路 13
3.6 辅助电路 14
4 同步开关的软件设计 16
4.1 软件总体主程序 17
4.2 按键子程序 17
4.3 ADC中断子程序 18
4.2 动作时间的测定 19
4.3 投切中断子程序 20
4.4 同步开关软件保护 21
5 实验与分析 22
5.1 软件测试 22
5.2 实验接线图 22
5.2 同步开关的负荷试验 23
5.3 同步开关“无涌流”投切试验 24
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
5.5 实验结论 27
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录A：电路原理图 33
附录B:PCB图 34
附录C：主程序 35
1 引言
1.1选题背景及意义
随着我国经济的快速发展，电力系统的发展也取得了很大的进步。电力系统的进展也取得了巨大的进步[1]。电力用户的自动化产品也逐渐增多，尤其是电力电子设备的使用，电力电子设备在使用时不仅消耗有功功率而且还会消耗大量的无功功率，这些无功率功率的耗损还会带来许多谐波，谐波的产生会给电能质量带来极其恶劣的影响，严重时电力系统的安全会被涉及，给国家和社会带来很大的损失[2]。无功功率的影响如下：
1）当无功电源不足时，运行中的电压质量将很低。此外，在输电过程中，还会出现有功功率和无功功率的损失。如果无功损耗过大，电压会大大降低，这种现象的出现会对系统的稳定性和经济性造成危害[3]。
2）力单位为了给用户提供良好、优质的电压，前提是要保证输电线路和供电线路的具有良好的稳定性，也就是电压偏差，在被允许的范围内。如果电力系统要在正常状态下运行，系统中应有足够的无功功率，这些无功功率的总和应大于系统额定电压下的功率需求。否则，电压偏差将过大[4]。
3）影响电力系统线损和经济运行的原因很多，其中无功功率的分配、无功功率的输送和管理被广泛应用。当有功和无功同事通过电阻网络时，有功功率将丢失。但当系统网络建立并确定有功功率时，系统的损耗功率完全由无功功率决定[5]。
为了降低无功功率对电力系统的危损伤害，对其进行无功补偿。无功补偿最开始使用交流接触器作为投切执行开关，这种投切方式有很多弊端，比如投入时冲击电流过大，切除时有过高电压，触头间耗损严重等，不能够满足现在的控制要求。在现代工业生产中最常用的是0.4KV配电网，这种电压网络散步普遍，所带负载多样，耗损高等特征。并且这些设备在运行时功率因数多变化、补偿容量频繁变化。若电容器的投切开关不合理，会影响电力系统的稳定性、损坏电力设备、导致保护装置误动作等。电容器投切开关从最初的机械到现在的智能同步投切，其中还存在许多有待解决的问题。此中投切时涌流过大、投切开关触头耗损严重、寿命不长、高故障率为主要问题。
1.2 无功补偿的原理及意义
在正弦交流电路中，有两种不同的功率:有功功率和无功功率。有功功率是消耗电路的一种能量，体现在发热、发光等方面。无功功率有很大的不同，它不但大量存在在电路中并且不消耗能量，而主要体现在能量之间的互换的方面。电路中的储能原件主要是电感、电容等，无功功率主要体现电路中储能原件与电源之间功率能量的交换，它作为一种量度体现两者之间能量互换。虽然电路中的无功功率不消耗能量，但是保持电路中无功功率的平衡是极其重要的。如果无功功率不平衡，则负荷上的功率损耗包含一定量的感性或容性无功功率，这将大大增加负荷耗损。要是电路提供无功功率不能满足需要，不仅会对负载本体产生侵害，而且会扰乱电路的稳定性[6]。可以看出无功功率的补偿，对电路平稳运行的意义十分重大，并且电路要想运行不出现波动，同事要有良好质量的电能，都离不开功率补偿。
1.2.1 改善供电环境
在电力系统分散无功功率不均衡的时候，电网中的无功功率就在各个负载以及导线之间传递，由于它在传递会使得沿着传递的方向出现压降，进而富系统的电压产生影响。正常情况下：
（11）
式子（11）中的U为系统线电压，P为系统有功功率，Q为系统无功功率，R为线路电阻，X为系统电抗。由于线路电阻R远远小于线路电抗X，可以近似的认为线路中的电压降同线路中传输的无功功率成线性关系，即线路中传输的无功功率与沿线路的电压降成正比。在负载中，感性无功供给不足时，会使负载端电压降低；相反，负载中感性无功过剩时，会使负载端电压升高。
目 录
1 引言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 无功补偿的原理及意义 2
1.3 电容器投切开关的研究现状 3
1.4 本课题研究内容 4
2 同步开关的基本原理 5
2.1 无涌流投切原理 5
2.2 电压零点控制 6
3 同步开关的硬件设计 8
3.1 硬件电路总体框图 8
3.2 CPU及外围电路 9
3.3 信号调理电路 10
3.4 驱动电路 11
3.5 投切反馈电路 13
3.6 辅助电路 14
4 同步开关的软件设计 16
4.1 软件总体主程序 17
4.2 按键子程序 17
4.3 ADC中断子程序 18
4.2 动作时间的测定 19
4.3 投切中断子程序 20
4.4 同步开关软件保护 21
5 实验与分析 22
5.1 软件测试 22
5.2 实验接线图 22
5.2 同步开关的负荷试验 23
5.3 同步开关“无涌流”投切试验 24
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5.5 实验结论 27
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录A：电路原理图 33
附录B:PCB图 34
附录C：主程序 35
1 引言
1.1选题背景及意义
随着我国经济的快速发展，电力系统的发展也取得了很大的进步。电力系统的进展也取得了巨大的进步[1]。电力用户的自动化产品也逐渐增多，尤其是电力电子设备的使用，电力电子设备在使用时不仅消耗有功功率而且还会消耗大量的无功功率，这些无功率功率的耗损还会带来许多谐波，谐波的产生会给电能质量带来极其恶劣的影响，严重时电力系统的安全会被涉及，给国家和社会带来很大的损失[2]。无功功率的影响如下：
1）当无功电源不足时，运行中的电压质量将很低。此外，在输电过程中，还会出现有功功率和无功功率的损失。如果无功损耗过大，电压会大大降低，这种现象的出现会对系统的稳定性和经济性造成危害[3]。
2）力单位为了给用户提供良好、优质的电压，前提是要保证输电线路和供电线路的具有良好的稳定性，也就是电压偏差，在被允许的范围内。如果电力系统要在正常状态下运行，系统中应有足够的无功功率，这些无功功率的总和应大于系统额定电压下的功率需求。否则，电压偏差将过大[4]。
3）影响电力系统线损和经济运行的原因很多，其中无功功率的分配、无功功率的输送和管理被广泛应用。当有功和无功同事通过电阻网络时，有功功率将丢失。但当系统网络建立并确定有功功率时，系统的损耗功率完全由无功功率决定[5]。
为了降低无功功率对电力系统的危损伤害，对其进行无功补偿。无功补偿最开始使用交流接触器作为投切执行开关，这种投切方式有很多弊端，比如投入时冲击电流过大，切除时有过高电压，触头间耗损严重等，不能够满足现在的控制要求。在现代工业生产中最常用的是0.4KV配电网，这种电压网络散步普遍，所带负载多样，耗损高等特征。并且这些设备在运行时功率因数多变化、补偿容量频繁变化。若电容器的投切开关不合理，会影响电力系统的稳定性、损坏电力设备、导致保护装置误动作等。电容器投切开关从最初的机械到现在的智能同步投切，其中还存在许多有待解决的问题。此中投切时涌流过大、投切开关触头耗损严重、寿命不长、高故障率为主要问题。
1.2 无功补偿的原理及意义
在正弦交流电路中，有两种不同的功率:有功功率和无功功率。有功功率是消耗电路的一种能量，体现在发热、发光等方面。无功功率有很大的不同，它不但大量存在在电路中并且不消耗能量，而主要体现在能量之间的互换的方面。电路中的储能原件主要是电感、电容等，无功功率主要体现电路中储能原件与电源之间功率能量的交换，它作为一种量度体现两者之间能量互换。虽然电路中的无功功率不消耗能量，但是保持电路中无功功率的平衡是极其重要的。如果无功功率不平衡，则负荷上的功率损耗包含一定量的感性或容性无功功率，这将大大增加负荷耗损。要是电路提供无功功率不能满足需要，不仅会对负载本体产生侵害，而且会扰乱电路的稳定性[6]。可以看出无功功率的补偿，对电路平稳运行的意义十分重大，并且电路要想运行不出现波动，同事要有良好质量的电能，都离不开功率补偿。
1.2.1 改善供电环境
在电力系统分散无功功率不均衡的时候，电网中的无功功率就在各个负载以及导线之间传递，由于它在传递会使得沿着传递的方向出现压降，进而富系统的电压产生影响。正常情况下：
（11）
式子（11）中的U为系统线电压，P为系统有功功率，Q为系统无功功率，R为线路电阻，X为系统电抗。由于线路电阻R远远小于线路电抗X，可以近似的认为线路中的电压降同线路中传输的无功功率成线性关系，即线路中传输的无功功率与沿线路的电压降成正比。在负载中，感性无功供给不足时，会使负载端电压降低；相反，负载中感性无功过剩时，会使负载端电压升高。
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