简易电能质量分析仪设计毕业设计定稿doc.docx

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简易电能质量分析仪设计毕业设计定稿

石家庄铁道大学毕业设计简易电能质量分析仪设计DesignofSimplePowerQualityAnalyzer2012届电气与电子工程学院专业电气工程及其自动化学号20082341学生姓名指导教师完成日期2012年5月30日毕业设计成绩单姓名学号班级专业毕业设计题目简易电能质量分析仪指导教师姓名指导教师职称副教授讲师评定成绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩院长签字年月日毕业设计任务书题目简易电能质量分析仪学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化承担指导任务单位电气与电子工程学院导师姓名导师职称副教授讲师

一、主要内容采用单片机设计一个简易电能质量检测仪，可以实现3、5、7、9次谐波电气值的测量。

2、基本要求1.能得到电压、电流有效值、功率、功率因数；2.谐波电路设计要合理，可以得到相应的谐波值；3.硬件成果数据测试；4.用Protel完成电路图绘制。

三、研究方法1.通过参考资料查阅手册了解所需器件的电气特性。

2.通过比较和计算完成各种设备的选择；3.通过实验，调试完成各模块电路设计。

四、应收集的资料及参考文献1.有关MSP430f149单片机方面的文献资料；2.有关滤波方面的文献资料；3.有关电源模块方面的文献资料；4.有关谐波分析的资料。

五、进度计划1.第1周-第3周收集相关文献资料，完成开题报告；2.第4周-第7周进行方案论证，确定系统设计方案3.第8周-第13周完成硬件电路设计；4.第14周-第16周整理设计说明书，准备答辩。

教研室主任签字时间年月日毕业设计开题报告题目简易电能质量分析仪设计学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化

一、研究背景随着全球工业化进程的不断加快，在现代人类社会生活中电力已经成为不可缺少的重要能源之一。

改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。

电能质量直接关系到国民经济的总体效益。

因此，正确的检测和分析谐波是有效抑制和补偿谐波的基础，也是提高电能质量的基础。

二、国内外研究现状国外有关电能质量监测的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展,到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义;各种电能质量问题分析方法的提出，以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。

1996年，IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议，把电能质量提高到一个新的高度来认识。

目前，国内在电能质量监测方面的研究大多局限在谐波问题的范围内,也提出和开发了一些监测和改善电能质量的电能质量补偿装置，包括各种有源电力滤波器、动态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置，以及动态电压恢复器等，与国外的差距是非常明显的。

三、课题进行的主要工作及采用的方法本文基于MSP430F149单片机，其最大采样频率为25600Hz，RS-232串行通信波特率为9600bps结合由四双向模拟开关CD4066与RC带通滤波电路等构成。

分为单片机主控制模块，电源模块、信号采集模块和液晶显示模块。

待测的模拟信号是电网中的交流高电压和交流大电流，为了隔离高电压和大电流需要进行幅值转换变成低电压和小电流，然而，这里不仅仅幅值是最重要的，为了不产生附加的畸变，变换过程中的频率响应应具有适当的带宽。

设计选取了DVDI-001卧式穿芯小型精密电压互感器和TA1419-4卧式穿芯小型精密交流电流互感器来来满足以上要求。

而输出数据由1602液晶显示出来。

四、预期达到的结果可实现对工频交流电低次谐波的简单电气特性测量。

并可以通过LCD1602将检测数据显示出来。

指导教师签字时间年月日摘要随着我国科技的进步和生产技术自动化水平的提高，电力已经成为现代人类社会中非常重要且必须的能源，因此对于电能质量的研究就显得越来越重要。

电能质量监测作为电能质量监控的一个关键环节，在电力系统的运行管理和技术监督中起着很重要的作用，同时也是保证电力系统良好供电质量的必要手段。

文章在对电能质量指标及其综合评价方法进行分析的基础上，设计了一种电能质量检测装置。

本文着重介绍了该设计系统的硬件部分。

在以单片机MSP430F149构成的主控制模块为基础的前提下，分别设计了电源模块、信号采集模块、输出显示模块。

电源模块通过对交流市电进行变压整流及稳压输出为系统提供电源。

信号采集模块实现对模拟信号的采集处理。

各种电气参数则通过输出显示模块1602显示出来。

关键词电能质量MSP430F149选频电路谐波测量AbstractWithouradvancesintechnologyandproductiontechnologylevelofautomation,powerhasbecomeveryimportantandmustbetheenergyofthemodernhumanociety,thequalityofelectricityhasbecomeincreasinglyimportant.Powerqualitymonitoringasakeylinkinthepowerqualitymonitoringplaysanimportantroleinpowersystemoperationandmanagementandtechnicalsupervision,butalsothenecessarymeanstoensuregoodqualityofpowersupplyofthepowersystem.Designedonthebasisofanalyzingtheindicatorsofpowerqualityanditscomprehensiveevaluationmethod,apowerqualitydetectiondevice.Thisarticlefocusesonthehardwarepartofthedesignsystem.MicrocontrollerMSP430F149constitutethemaincontrolmodulebasedonthepremise,namely,designapowersupplymodule,thesignalacquisitionmodule,theoutputdisplaymodule.ACmainstransformerrectifierandvoltageregulatoroutput,thepowersupplymoduleprovidespowerforthesystem.Signalacquisitionmoduleforanalogsignalacquisitionandprocessing.Variouselectricalparametersdisplayedintheoutputdisplaymodule1602.KeywordspowerqualityMSP430F149selectedfrequencycircuitharmonicmeasurement目录第1章绪论11.1引言11.2选题背景及设计意义11.2.1国外研究现状11.2.2我国的研究现状21.3本文的主要工作3第2章系统原理设计42.1交流采样原理42.2电能质量参数算法52.2.1快速傅里叶变换算法原理52.2.2基本交流电参数计算原理8第3章装置硬件设计113.1单片机主控制模块113.1.1MSP430F149单片机简介123.1.2MSP430F149引脚分布及工作方式133.2电源模块153.2.1交直转换模块153.2.2退耦电路163.3信号采集模块173.3.1数据采集系统简介183.3.2信号采集电路总体设计183.3.3过零检测电路设计193.3.4模拟信号采集电路203.3.5谐波检测电路213.4液晶显示模块233.4.1LCD1602简介233.4.2LCD1602引脚定义243.4.31602指令集25第4章交流电压、电流有效值测试274.1测试方法274.2误差产生原因分析27第5章结论与总结29参考文献30致谢31附录A外文资料翻译32A.1英文32A.2译文43附录BMSP430F149引脚分布50附录C硬件电路图53第1章绪论1.1引言随着全球工业化进程的不断加快，在现代人类社会生活中电力已经成为不可缺少的重要能源之一。

尤其在近年来，电网中诸如炼钢电弧炉、半导体变流装置和电气化铁路等大型负荷及大量现代日常电气设备不断增加，电网中的电压、电流波形受到诸如冲击性、非线性及不平衡用电特性的影响，发生不同程度的畸变；三相不平衡以及电压波动和闪变等一系列电能质量问题不断复杂化，电网遭到严重污染。

公用电网中的谐波电压和谐波电流就是对电网环境最严重的一种污染之一。

只有对电网中的谐波源分布和谐波状态有了清楚的认识才能有效地治理谐波。

据统计，电网用电负荷中异步电动机占的比例最大。

电网电压和频率的偏差、谐波、三相电压不平衡以及电压波动和闪变等，均会直接影响电机的转速、力矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。

电网谐波含量增加，导致了电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，并联电容器不能正常运行，同时可能引发继电保护和自动装置的非故障性动作，导致仪表指示和电能计量不准以及计算机、通信受干扰等一系列问题。

特别是随着计算机、电力电子和信息技术等高新产业的发展和普及，对电能质量提出了越来越高的要求。

改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。

电能质量直接关系到国民经济的总体效益。

因此人们对电能质量问题的重视并非近几年的事，只不过早期对此认识比较简单，主要局限在保持电网频率和电压水平即静态或平均偏差不过大上。

随着电力行业的发展，随着经济的发展，供电公司要提高自身的竞争力，其中一个最重要的部分就是提供高质量的电能。

因此，正确的检测和分析谐波是有效抑制和补偿谐波的基础，也是提高电能质量的基础。

本设计重点研究电能质量分析仪的硬件方法，实现对多项电能质量评价指标的综合监测与分析，为提高电网电能质量，保障其高质量运行提供有实际价值的理论与技术支持。

1.2选题背景及设计意义1.2.1国外研究现状国外有关电能质量监测的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展,到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义；各种电能质量问题分析方法的提出，以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。

1996年，IEEE将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议，把电能