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基于FPGA的家电开关瞬态电流特性的研究与实现

作　者: 栗文静
导　师: 高翠云
学　校: 安徽建筑工业学院
专　业: 市政工程
关键词: FPGA 家电开关瞬态电流特性同步采集高速采集及缓存瞬态谱分析电能质量
分类号: TM925.06
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

大容量、非线性、冲击性负荷接入电网或新能源并网瞬间均会造成电能质量污染,可能会影响家电的正常工作,严重时会造成家电异常断电、通电,加速家电性能衰退,缩短使用寿命。此外,大功率家电开关瞬间也会对电能质量产生影响。由于开关瞬态电流信号具有非平稳、突变、持续时间短等特点,对其进行数据采集与存储时,速度、同步性要求很高；在瞬态信号分析方面,需结合时域和频域特性进行全局性分析。而目前,国内外在家电开关瞬态特性方面的研究较少。基于此,本课题提出基于FPGA技术对家电开关瞬态电流特性进行研究。本文主要研究内容如下：(1)阐述了数据采集研究现状和相关理论,包括同步采集和缓存技术；简述了电能质量相关标准,尤其是对我国的六项电能质量国家标准和低压电器相关标准做了重点介绍。(2)对家电稳态电流特性关键技术进行了深入研究,主要包括稳态信号的同步采集技术、稳态FFT谱分析技术。采用基于FPGA的数字倍频实现稳态电流同步采样,文中详细阐述了数字倍频原理及实现。采用VHDL语言编程并仿真、实测,对实验结果进行了详实的对比分析。实验证明：基于FPGA的数字倍频模块较好地实现了电力信号的128倍频率跟踪,提高了系统谐波分析精度。文中采用MATLAB软件对实际采集的家电稳态电流波形进行了FFT谱分析。(3)对家电瞬态电流特性关键技术进行了重点研究,主要研究了高速采集及缓存技术。采用FPGA实现高速采集及缓存,DSP完成缓存数据的实时接收。其中FPGA芯片选择了Altera公司的ACEX1K EP1K30QC208-3,高速A/D选择了TI公司的ADS830E芯片,DSP芯片选择TI公司的TMS320F2812。文中研究了同步及异步两种高速缓存方式,其中异步缓存采用FIFO实现；同步缓存以乒乓缓存方式存储数据,并且分别采用FIFO及双口RAM实现,对两种方式进行了详细的阐述。系统可以实现50MHz的高速采集、50MHz输入1MHz输出的异步FIFO缓存,1MHz的同步缓存。(4)此外,文中对瞬态谱分析技术进行了基本研究,采用MATLAB对家电瞬态数据进行了短时傅里叶谱分析仿真。根据非线性负荷模型以及电能质量标准,通过家电工作稳态电流和开关瞬态电流的对比分析,初步分析了家电开关瞬态对家电性能和电能质量的影响。课题采用FPGA技术对家电稳态及开关瞬态电流数据采集及谱分析技术做了深入、细致的研究。文中所做的研究虽然是面向家电领域,但其关键技术也可以被推广应用于电力系统、光伏并网系统等一般高速数据采集与处理领域。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
Contents  11-13
插图或附表清单  13-15
第一章绪论  15-19
  1.1 课题背景  15
  1.2 国内外研究现状  15-17
  1.3 主要研究内容  17-19
第二章相关理论简介  19-25
  2.1 数据采集相关理论  19-21
    2.1.1 同步采样技术  19-20
    2.1.2 缓存技术  20-21
  2.2 暂态电能质量分类及特征  21-22
    2.2.1 暂态电能质量分类  21
    2.2.2 暂态电能质量特征  21-22
  2.3 电能质量标准简介  22-24
  2.4 本章小结  24-25
第三章家电稳态电流采集同步技术  25-35
  3.1 同步数据采集系统构建  25
  3.2 基于FPGA的数字倍频原理  25-27
  3.3 基于FPGA的数字倍频实现  27-31
  3.4 基于FFT的稳态信号谱分析  31-34
  3.5 本章小结  34-35
第四章家电开关瞬态电流检测技术  35-57
  4.1 基于FPGA的高速数据采集系统构建  35-36
  4.2 高速数据缓存  36-48
    4.2.1 异步缓存  36-40
    4.2.2 高速同步缓存  40-48
  4.3 瞬态波形分析技术  48-56
    4.3.1 离散短时傅里叶变换  48-49
    4.3.2 瞬态电流谱分析仿真  49-56
  4.4 本章小结  56-57
第五章家电开关瞬态对电能质量的影响分析  57-61
  5.1 家用电器非线性负荷模型  57-59
  5.2 家电开关瞬态对电能质量的影响  59-60
  5.3 本章小结  60-61
第六章总结与展望  61-63
参考文献  63-67
致谢  67-68
作者简介及读研期间主要科研成果  68

基于FPGA的家电开关瞬态电流特性的研究与实现

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