本文是电气自动化论文，电气工程及其自动化专业是电气信息领域的一门新兴学科，但由于和人们的日常生活以及工业生产密切相关，发展非常迅速，现在也相对比较成熟。已经成为高新技术产业的重要组成部分，广泛应用于工业、农业、国防等领域，在国民经济中发挥着越来越重要的作用。其触角伸向各行各业，小到一个开关的设计，大到宇航飞机的研究，都有它的身影。今天硕博网为大家推荐一篇电气自动化论文，供大家参考。
第 1 章 绪 论
1.1 课题研究的背景及意义
现如今，在电力系统中，非线性用电设备的应用越来越广泛，这些设备所造成的谐波污染亦日益严重，由于绝大多数的电力电子装置都只具有很低的功率因数，这不仅给全局电网造成过量负荷，而且使整个电网的供电质量严重降低。现今，抑制谐波、提高功率因数已经成为电力电子技术以及电力系统研究两大领域共同面临的重要课题[1]。有两种途径解决谐波污染和低功率因数问题：一种是加补偿装置，另一种是改良电力电子装置的自身构造以直接提高装置自身的功率因数或者使装置既不产生谐波也不会对无功功率造成损耗。前者可以通过加设无功功率补偿器来补充无功、通过加设有源滤波器来抑制谐波等，方法简单，适用性好，目前应用的较为广泛；后者只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，并且需要对现有电力电子设备进行大规模的更新，造价太高，具有一定的局限性[2]。电力电子器件从之前的不可控、半控、全控飞速发展成为今天的智能化功率器件，这些新器件的横空出世不仅优化了电力电子变换电路自身的性能，更给应用此类器件的控制系统带来了巨变——从以整流为主变为以逆变为主，从而为变流器的应用和发展创造了极大的有利条件。随着电力电子技术越来越广泛地应用于各个重要领域，相控、PWM（脉冲宽度调制）、四象限变流等电力电子技术日趋成熟，这些为各式 SVC (静止无功功率补偿装置)、APF (有源滤波器)控制器提供了雏形[3][4][5]。自上世纪末，随着瞬时无功功率这种全新理论的提出以及电力电子技术更进一步地发展，一种更加完善先进的新型静止无功补偿装置问世，这便是 Advanced Static VarGenerator，即 ASVG——一种应用自动换相变流电路技术的静止无功发生器[6]。静止无功功率补偿装置随着电力电子技术日新月异的发展呈现出如下的发展趋势：（1）在城区电网改造时，运行单位要在配电站降压变压器的二次侧安装配电测试仪以及无功补偿装置。这就要求配电测试仪和无功补偿装置需要实现一体化以达到设备简化的目的。（2）为安全、迅速、准确地应对大冲击负荷、频繁波动负荷等恶劣工况，要求设备具有投切速度快、响应时间短、系统参数检测精确等特点。
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1.2 课题研究的现状
英国在 60 年代制成第一批静止无功补偿装置后受到西方各国的高度重视，并开始大力推广，广泛用于冶金、化工、电力等产业。国际上几个大的电力公司都发展了不同类型的静止无功补偿技术，在国外，主要用静止无功补偿装置和电容器来进行系统的无功补偿，积累了很多经验并取得了良好的效果。我国在 70 年代初开始对静止无功补偿装置产生注意，在 70 年代末开始慢慢取代同步调相机，80 年代末 90 年代初，应用半控器件晶闸管的静止无功补偿装置(SVC)登上了无功功率补偿的历史舞台，主要分为晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管投切电抗器(TCR)两种，开始迅速成为了静止无功补偿的主流装置。现如今专为提高大中型绕线电机的功率因数而设计的静止式进相器（SPG）已广泛适用于我国钢铁、石化、轻工、建材、化工等行业的球磨机、水泵、风机等设备。两种原因造成电网无功功率的不平衡：一是输配电单位输送的三相电本身质量不高；二是用户所用设备电气性不好。实际情况下，往往是两种原因同时存在，且相互综合，因而在整个系统中产生了大量的无功功率。众所周知，衡量系统电能质量的两个指标是电压和频率，这两个指标必须稳定在各自的标准范围内才能保证系统安全稳定高质量运行，而使电压符合标准的主要方法之一就是监控电力系统的无功功率[7]。传统无功补偿方法是将电容器与网络感性负荷并联。这种方法是通过将感性负荷与电容器并联来实现无功功率的补偿，虽然由于其阻抗固定，无法根据负荷的无功需求而做出相应变化（即不能进行动态无功功率补偿），但因为经济方便、结构简单，目前这种方法在国内应用的非常广泛。为了解决动态补偿无功的这一日益迫切的需求，同步调相机应运而生。同步调相机其实是一种能够发出无功功率的同步电机：在欠励磁状态下，发出相应的感性无功功率，而过励磁运行时，发出适宜的容性无功功率。但由于具有旋转电机普遍的缺点——响应速度慢、运行维护困难复杂、损耗大噪声大等，同步调相机目前未能占据主流。最初的静止无功补偿装置多为饱和电抗器型，相比同步调相机，确实具有静止、快速响应等优点。但在实际使用时，需先将其铁芯磁化到饱和状态，所以仍具有同步调相机损耗大噪声大的缺点，同时带来了一些特殊问题——电路中存在非线性，而且还不能分相调节以改变负荷不平衡。综上，饱和电抗器的应用状况也十分有限。
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第 2 章 理论分析
2.1 无功功率理论分析
本课题所设计的静止式进相器主要是用于大中型电机的就地无功补偿，因而需要深入研究无功补偿技术。而在此之前，需对无功功率理论做下介绍:对于标准的正弦电路，用非常明确的无功功率概念；在含有大量谐波的非正弦电路中，无功功率的概念尚不明确。无功补偿包括基波无功补偿和谐波无功补偿[1]。采用并联电容器法，就是将感性的电机定子负载与容性负载并联，用容性电流为感性电流提供无功功率补偿，以此来降低线路上无功电流的方法。显然，这种方法的优点是简单易行。但是，它既不能增大电机本身的功率因数，也不能降低电机的工作电流，同时无法改善电机的工作状态（电机两端的电压不变）；并且只能分组投切电容器组，不能连续补偿；在大中型电动机应用场合，由于定子侧电压很高，用电容器补偿就要求较高的电容耐压等级，成本也过高。
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2.2 传统无功功率补偿方法
电力系统中的主要负荷是继电器、电动机等感性负载，电能从电源经过供电线路输送给负载，如图 2.1 所示。交流电路中，纯电感负载的电压超前其电流 90°，而纯电容负载的电流超前其电压90°。显然，纯电感电路中电流与纯电容电路中电流的相位角相差 180°，可以互相抵消。当电源向外供电时，容性负载储存感性负载向外释放的能量；当感性负载所需要能量时，由容性负载向外释放能量来提供。容性负载输出的无功功率中可以补偿感性负载所需要的无功功率，能量在感性和容性负载之间互相交换，实现无功功率就地解决，达到补偿的目的。旋转式进相器亦称自激式进相机，是利用“整流子”的旋转式电动机[8]。采用串接旋转式进相器的方法，既可以增大电机本身的功率因数，也可以降低电机的工作电流，从而使电机的工作状得到改善。采用旋转式进相器的优点是产生正弦电势，补偿效果好，谐波含量非常少；缺点是维护成本过高，整流子和电刷易磨损，怕尘埃，寿命短，维修频繁。静止式进相器(SPG)主要用于对大中型绕线式电机进行无功功率的就地补偿[12]。其工作原理来自三相绕线式异步电动机提高功率因数的理论。它是串接在电机转子回路中，通过改变转子电流与转子电压的相位关系，进而改变电机定子电流与电压的相位关系，以达到提高电机自身的功率因数和效率的目的，同时它还能提高电机过载能力、降低电机定子电流、降低电机自身损耗。现先对绕线式异步电机做下介绍。
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第 3 章 硬件设计 ........20
3.1 静止式进相器的设计方案 .............20
3.2 静止式进相器的整体结构框图 .....21
3.3 交交变频器 ....22
3.4 电抗器与晶闸管的选用 ......24
3.4.1 变频器限制环流的工作方式.............24
3.4.2 电抗器的设计....25
3.5 控制系统的设计 .......26
3.6 本章小结 ........36
第 4 章 软件设计 .......37
4.1 软件设计环境 ...........37
4.2 控制算法的选择 .......38
4.3 软件设计与实现 .......39
4.3.1 九点控制器原理...........39
4.3.2 在静止式进相器中的应用九点控制器.........41
4.3.3 程序设计............44
4.4 本章小结 ........46
第 5 章 总结 ............47
第 4 章 软件设计
软件设计是系统的灵魂存在，在整个系统中起着举足轻重的作用。软件设计的好坏不仅关系到各部分硬件能否正常工作，更是关系着整个系统的安全稳定运行，因此必须高度重视软件的设计。
4.1 软件设计环境
软件设计主要是针对在上一章的控制系统设计部分作为核心器件的 89C2051 单片机进行的编程。下面先来简介一下 89C2051 单片机。89C2051 单片机在片内 RAM 的设置与指令系统等方面与 80C31 完全一致，并且还能与 80C31 完全兼容。89C2051 作为理想的工业用控制单片机，它的封装形式是 20DIP，以下几个方面的性能都优于 80C31[21][22]：（1）核心采用 MCS-51，很容易能为用户所接受；（2）内部基本保持 80C31 硬件 I/O 口功能；（3）片内含 2K 的可编程闪速程序存储器，只要外接晶振就可工作；（4）Flash 存贮器技术，可重复擦/写 1000 次以上，容易解决调试手段；（5）最高晶振频率可达 24MHz，片内程序存储器也可多次擦除重新编程；（6）适合小批量系统的应用，容易实现软件升级。以下 2 种方法进行 89C2051 的系统开发应用：（1）用普通的 8031/80C31 仿真器，将其仿真插头中的 P1 口和 P3 口引出来仿真89C2051。采用这种方法优点是可以完成单步和断点的调试等，能及时反映程序的走向，便于调试，不足之处在于仿真不够真实。（2）利用编程器。由于 89C2051 所采用 Flash 存贮技术便于修改内部程序，只需要为 89C2051 配备一个可以编程的编程器即可，调试人员通过此编程器采用程序编辑、编译、固化和插到电路板中试验这种反复循环的方法。只要能熟练运用 MCS-51，这种方法就相对简单。鉴于这种编程方法方便快捷，有利于命令的及时执行，因此即使这种方法不能完全了解片内 RAM 的内容以及程序的具体走向等相关信息，在本设计系统中仍然决定采用利用编程器的开发系统。
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总结
本文首先深入分析了无功功率理论，对并联电容器及旋转式进相器等传统无功功率补偿方法的原理、特点等给予了详细介绍；深入分析和研究了静止式进相器的工作原理,并进行公式推导、计算，建立了数学模型，为静止进相器系统设计方案的确立奠定了理论基础。其次，在理论基础上进行静止式进相器的硬件设计。给出几种静止式进相器的设计方案，通过分析比较，最终确定利用交-交变频器把 50Hz 的工频电压转换成 2Hz 的电压加在异步电动机的转子回路上，且相角超前转子电压，从而改变了定子电压、电流的相位关系，提高了电动机功率因数，减小了定子从电网吸收的功率，降低了定子电流和电动机自身的损耗，达到了节电效果。并且做出了静止式进相器的整体结构框图。确定变频器采用交-交变频方式，电路结构是由 12 只晶闸管和 6 只电抗器组成的 2 相变 3 相的交-交变频器，介绍其工作原理。其次，确定了变频器采用无环流工作方式以及电抗器的设计。此外，完成了信号采集电路、功率测量电路、触发电路以及保护电路等的设计。最终完成了静止式进相器的软件设计。鉴于九点控制器有良好的优越性能克服静止式进相器的模型的不确定性及复杂性等缺点，而因此选择使用九点控制法为控制算法，给出了主程序及子程序的流程图。本次设计涉及知识很广，从弱电方面到强电方面，既包括模拟电路又涵盖数字电路，并且还用到了电力电子技术、单片机等多方面的知识。由于时间、实验条件有限，加之作者相关知识严重匮乏，本次设计存在很多缺点和不足。最重要的是，本设计仅仅局限于理论，所设计的静止式进相器与实际产品还有一定距离。
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参考文献（略）