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ARC功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀的原理及其應(yīng)用 安科瑞 蔡昀羲 摘 要：介紹了基于ATMEGA16的高精度低壓無功功率補(bǔ)償器。該控制器采用數(shù)字檢測(cè)電路來獲取電網(wǎng)電壓與電流的相位差，從無功補(bǔ)償?shù)脑沓霭l(fā)，設(shè)計(jì)控制器的軟硬件。使該系統(tǒng)在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)的及時(shí)補(bǔ)償和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，適用于目前企業(yè)用戶進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。 關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；無功補(bǔ)償；單片機(jī) 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)中使用的感性負(fù)載也愈來愈多，如感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)、變壓器等。這些設(shè)備在工作時(shí)不但要消耗有功功率，同時(shí)需要電網(wǎng)向其提供相應(yīng)的無功功率，造成電網(wǎng)的功率因數(shù)偏低。在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器可以減少電網(wǎng)向感性負(fù)載提供的無功功率，從而降低輸電線路因輸送無功功率造成的輸電損耗，改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件，因此功率因數(shù)補(bǔ)償控制器一直有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。本文所介紹的功率因數(shù)補(bǔ)償控制器符合JB/T9663－1999國家標(biāo)準(zhǔn)，主要功能有： （1） 相序自動(dòng)識(shí)別 （2） 電壓、電流、功率因數(shù)采樣與顯示 （3） 過壓解除、欠流封鎖，從而保護(hù)電容器及避免循環(huán)投切 （4） 采用先投入的先切除，先切除的先投入的原則，對(duì)補(bǔ)償電容實(shí)行循環(huán)投切 （5） 所有的工作參數(shù)都可以通過面板按鍵設(shè)定，包括投入門限、切除門限、過壓保護(hù)門限、欠電流封鎖門限、投切延時(shí)時(shí)間 一、 工作原理 采樣三相電源中一線電流（如A線）與另外兩線的電壓（如BC線）之間的相位差，通過一定的運(yùn)算，得到當(dāng)前電網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率因數(shù)。此功率因數(shù)與設(shè)定的投入門限和切除門限比較，在整個(gè)投切延時(shí)時(shí)間內(nèi)，若在投切門限以內(nèi)，則不予動(dòng)作；若小于投入門限，則另投入一組電容器；若大于切除門限或發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)為負(fù)時(shí)，則切除一組已投入的電容器。再經(jīng)過投切延時(shí)時(shí)間，重復(fù)比較與投切，直到當(dāng)前的功率因數(shù)達(dá)到投切門限以內(nèi)。在投切過程中，若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的電壓大于設(shè)定的過壓保護(hù)門限，則按組切除所有已投入的電容；當(dāng)檢測(cè)到的電壓超過設(shè)定的過壓保護(hù)門限的10％時(shí)，則一次性切除所有已投入的電容，用以保護(hù)電容器。在投切時(shí)若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的電流小于欠電流封鎖門限，則停止投切動(dòng)作，避免系統(tǒng)出現(xiàn)循環(huán)投切現(xiàn)象。 由于在三相供電中有不同接線方法，不同的接線方法對(duì)功率因數(shù)的算法也不一樣，因此我們規(guī)定ARC系列功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀的電流取自三相供電中的A線，電壓取自BC間的線電壓，同時(shí)為減少現(xiàn)場(chǎng)接線的復(fù)雜度，我們?cè)诔绦蛑袑?duì)相位進(jìn)行自動(dòng)判別。 在三相供電中，我們假設(shè)三相的相電壓分別為Ua、Ub、Uc，A線電流為Ia 則有Ua=Usin(ωt)，Ub=Usin(ωt+120o)，Uc=Usin(ωt+240o)， 從而得到BC間的線電壓為Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90o) 若A線負(fù)載為純阻性，則A線電流Ia與A線電壓Ua同相，Ia超前Ubc的角度為90o； 若A線負(fù)載為感性，則A線電流Ia滯后A線電壓Ua角度為φ（0o≤φ≤90o），Ia超前Ubc的角度為90o-φ； 若A線負(fù)載為容性，則A線電流Ia超前A線電壓Ua角度為φ（0o≤φ≤90o），Ia超前Ubc的角度為90o+φ 在我們的ARC功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀中，為了計(jì)算的方便，我們電流相位的采樣為電壓采樣的第二個(gè)周期，即若沒有相位差I(lǐng)a滯后Ua的角度為360o。在實(shí)際檢測(cè)中，假設(shè)我們檢測(cè)到Ia滯后Ubc的角度為α，根據(jù)以上的分析得知： 若180o<α<270o，則電路為容性負(fù)載，COSφ=COS(270o-α) 若α＝270o，則電路為感性負(fù)載，COSφ=1 若270o<α<360o，則電路為感性負(fù)載COSφ=COS(α-270o) 為方便用戶接線，若用戶將電壓Ubc接成了Ucb，或?qū)a的輸入接反，根據(jù)以上的推斷，我們同樣可得到： 若0o<α<90o，則電路為容性負(fù)載，COSφ=COS(90o-α) 若α＝90o，則電路為感性負(fù)載，COSφ=1 若90o<α<180o，則電路為感性負(fù)載COSφ=COS(α-90o) 圖1 電壓、電流向量 二、 硬件的設(shè)計(jì) 控制器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L，此單片機(jī)工作電壓范圍寬（2.7 - 5.5V），最高工作頻率為8MHz；芯片內(nèi)部具有16k字節(jié)的Flash程序程序存儲(chǔ)器，512 字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；8路10 位ADC；一個(gè)可編程的串行USART，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 ；一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器。顯示芯片采用南京沁恒公司生產(chǎn)的鍵盤、顯示專用芯片CH451S，CH451S最大能驅(qū)動(dòng)8為數(shù)碼管，且不需外加驅(qū)動(dòng)就能直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，大大減小了印板尺寸，單片機(jī)的采用SPI模式，只需3線（片選CS、時(shí)鐘CLK、數(shù)據(jù)輸入DIN），因本系統(tǒng)未用CH451S的鍵盤功能，所以CH451S的DOUT引腳不用。Ubc的電壓信號(hào)經(jīng)過電阻限流進(jìn)入2mA/2mA的隔離變換器后分為兩路，一路進(jìn)入模擬絕對(duì)值處理電路送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口ADC0，作為電壓顯示信號(hào)，另一路經(jīng)過零比較后進(jìn)入單片機(jī)中斷口INT0；同樣Ia的電流信號(hào)經(jīng)5A/5mA的隔離變換器后分為兩路，一路進(jìn)入模擬絕對(duì)值處理電路送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口ADC1，作為電流顯示信號(hào)，另一路經(jīng)過零比較后進(jìn)入單片機(jī)定時(shí)器門控端ICP引腳。 圖2 ATMEGA16外部引腳 圖3 輸入信號(hào)處理 三、 軟件的設(shè)計(jì) 因整個(gè)系統(tǒng)對(duì)電壓、電流采樣的精度要求不高，我們直接用CPU的10位A/D對(duì)電壓、電流的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果一方面供顯示的需要，另一方面作為過壓與欠流的比較信號(hào)。我們將INT0設(shè)置為上升沿產(chǎn)生異步中斷，ICP設(shè)置為上升沿觸發(fā)輸入捕捉。當(dāng)INT0產(chǎn)生中斷時(shí)，16位計(jì)數(shù)器開始以內(nèi)部恒定的頻率開始計(jì)數(shù)，直到下一中斷的產(chǎn)生。在計(jì)數(shù)的同時(shí)，當(dāng)TCP上有上升沿脈沖時(shí)，即將16位計(jì)數(shù)器已計(jì)得的數(shù)據(jù)放入到捕捉寄存器中。當(dāng)一個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器中得數(shù)據(jù)(N)即為外部交流信號(hào)的一個(gè)周期基數(shù), 捕捉寄存器中數(shù)據(jù)（n）電流Ia滯后電壓Ubc的基數(shù)，將(n/N)*360o即為角度，根據(jù)上面的原理就可判斷在同一周波中時(shí)電壓超前電流還是電流超前電壓，同時(shí)還可得出超前或滯后的角度，將此數(shù)據(jù)進(jìn)行查表即可得到功率因數(shù)。 為了避免對(duì)電容器組中的某一組進(jìn)行頻繁的投切，平衡每一組電容器的工作時(shí)間，延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。我們對(duì)電容器的投切采用先投入的優(yōu)先切除，先切除的優(yōu)先投入的原則，我們?cè)趩纹瑱C(jī)的RAM中開辟了一空間，用于記錄每組電容器的投入與切除時(shí)間，然后進(jìn)行排序，將已工作時(shí)間最長(zhǎng)的作為優(yōu)先切除對(duì)象，將切除時(shí)間最長(zhǎng)的作為優(yōu)先投入對(duì)象。 當(dāng)三相交流的負(fù)載回路電流非常小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生投切振蕩的現(xiàn)象。也就是說控制系統(tǒng)投入一組電容器會(huì)產(chǎn)生過投，切除一組電容器又會(huì)產(chǎn)生投入不足，控制器就會(huì)產(chǎn)生重復(fù)的投切現(xiàn)象。為避免此想象的發(fā)生，我們?cè)O(shè)置了欠電流鎖定，當(dāng)電流值小于此數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將停止對(duì)電容器的投切動(dòng)作，維持已投入的電容器工作。 在工作過程中，若采樣到的電壓數(shù)據(jù)大于設(shè)定的過壓保護(hù)值時(shí)，控制器將逐步切除已投入的電容器，若發(fā)現(xiàn)超過設(shè)定的保護(hù)值的10％時(shí)，則一次性切除所有已投入的電容器，保護(hù)電容器。 以上的技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于本公司的ARC功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀中，經(jīng)測(cè)試運(yùn)行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)已初步投放市場(chǎng)。 文章來源于：《低壓電器》2006年第10期。 |
