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ARC功率因數自動(dòng)補償控制儀的原理及其應用 安科瑞 蔡昀羲 摘 要：介紹了基于A(yíng)TMEGA16的高精度低壓無(wú)功功率補償器。該控制器采用數字檢測電路來(lái)獲取電網(wǎng)電壓與電流的相位差，從無(wú)功補償的原理出發(fā)，設計控制器的軟硬件。使該系統在應用中實(shí)現了對電網(wǎng)功率因數的及時(shí)補償和實(shí)時(shí)監測，適用于目前企業(yè)用戶(hù)進(jìn)行無(wú)功功率補償。 關(guān)鍵詞：功率因數；無(wú)功補償；單片機 隨著(zhù)現代工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)中使用的感性負載也愈來(lái)愈多，如感應式電動(dòng)機、變壓器等。這些設備在工作時(shí)不但要消耗有功功率，同時(shí)需要電網(wǎng)向其提供相應的無(wú)功功率，造成電網(wǎng)的功率因數偏低。在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器可以減少電網(wǎng)向感性負載提供的無(wú)功功率，從而降低輸電線(xiàn)路因輸送無(wú)功功率造成的輸電損耗，改善電網(wǎng)的運行條件，因此功率因數補償控制器一直有著(zhù)廣闊的應用市場(chǎng)。本文所介紹的功率因數補償控制器符合JB/T9663－1999國家標準，主要功能有： �。�1） 相序自動(dòng)識別 �。�2） 電壓、電流、功率因數采樣與顯示 �。�3） 過(guò)壓解除、欠流封鎖，從而保護電容器及避免循環(huán)投切 �。�4） 采用先投入的先切除，先切除的先投入的原則，對補償電容實(shí)行循環(huán)投切 �。�5） 所有的工作參數都可以通過(guò)面板按鍵設定，包括投入門(mén)限、切除門(mén)限、過(guò)壓保護門(mén)限、欠電流封鎖門(mén)限、投切延時(shí)時(shí)間 一、 工作原理 采樣三相電源中一線(xiàn)電流（如A線(xiàn)）與另外兩線(xiàn)的電壓（如BC線(xiàn)）之間的相位差，通過(guò)一定的運算，得到當前電網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率因數。此功率因數與設定的投入門(mén)限和切除門(mén)限比較，在整個(gè)投切延時(shí)時(shí)間內，若在投切門(mén)限以?xún)�，則不予動(dòng)作；若小于投入門(mén)限，則另投入一組電容器；若大于切除門(mén)限或發(fā)現功率因數為負時(shí)，則切除一組已投入的電容器。再經(jīng)過(guò)投切延時(shí)時(shí)間，重復比較與投切，直到當前的功率因數達到投切門(mén)限以?xún)�。在投切過(guò)程中，若發(fā)現檢測到的電壓大于設定的過(guò)壓保護門(mén)限，則按組切除所有已投入的電容；當檢測到的電壓超過(guò)設定的過(guò)壓保護門(mén)限的10％時(shí)，則一次性切除所有已投入的電容，用以保護電容器。在投切時(shí)若發(fā)現檢測到的電流小于欠電流封鎖門(mén)限，則停止投切動(dòng)作，避免系統出現循環(huán)投切現象。 由于在三相供電中有不同接線(xiàn)方法，不同的接線(xiàn)方法對功率因數的算法也不一樣，因此我們規定ARC系列功率因數自動(dòng)補償控制儀的電流取自三相供電中的A線(xiàn)，電壓取自BC間的線(xiàn)電壓，同時(shí)為減少現場(chǎng)接線(xiàn)的復雜度，我們在程序中對相位進(jìn)行自動(dòng)判別。 在三相供電中，我們假設三相的相電壓分別為Ua、Ub、Uc，A線(xiàn)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(xiàn)電壓為Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90o) 若A線(xiàn)負載為純阻性，則A線(xiàn)電流Ia與A線(xiàn)電壓Ua同相，Ia超前Ubc的角度為90o； 若A線(xiàn)負載為感性，則A線(xiàn)電流Ia滯后A線(xiàn)電壓Ua角度為φ（0o≤φ≤90o），Ia超前Ubc的角度為90o-φ； 若A線(xiàn)負載為容性，則A線(xiàn)電流Ia超前A線(xiàn)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功率因數自動(dòng)補償控制儀中，為了計算的方便，我們電流相位的采樣為電壓采樣的第二個(gè)周期，即若沒(méi)有相位差I(lǐng)a滯后Ua的角度為360o。在實(shí)際檢測中，假設我們檢測到Ia滯后Ubc的角度為α，根據以上的分析得知： 若180o<α<270o，則電路為容性負載，COSφ=COS(270o-α) 若α＝270o，則電路為感性負載，COSφ=1 若270o<α<360o，則電路為感性負載COSφ=COS(α-270o) 為方便用戶(hù)接線(xiàn)，若用戶(hù)將電壓Ubc接成了Ucb，或將Ia的輸入接反，根據以上的推斷，我們同樣可得到： 若0o<α<90o，則電路為容性負載，COSφ=COS(90o-α) 若α＝90o，則電路為感性負載，COSφ=1 若90o<α<180o，則電路為感性負載COSφ=COS(α-90o) 圖1 電壓、電流向量 二、 硬件的設計 控制器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L，此單片機工作電壓范圍寬（2.7 - 5.5V），最高工作頻率為8MHz；芯片內部具有16k字節的Flash程序程序存儲器，512 字節的EEPROM，1K字節的片內SRAM；8路10 位ADC；一個(gè)可編程的串行USART，具有獨立片內振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器；兩個(gè)具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計數器 ；一個(gè)具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計數器。顯示芯片采用南京沁恒公司生產(chǎn)的鍵盤(pán)、顯示專(zhuān)用芯片CH451S，CH451S最大能驅動(dòng)8為數碼管，且不需外加驅動(dòng)就能直接驅動(dòng)LED數碼管，大大減小了印板尺寸，單片機的采用SPI模式，只需3線(xiàn)（片選CS、時(shí)鐘CLK、數據輸入DIN），因本系統未用CH451S的鍵盤(pán)功能，所以CH451S的DOUT引腳不用。Ubc的電壓信號經(jīng)過(guò)電阻限流進(jìn)入2mA/2mA的隔離變換器后分為兩路，一路進(jìn)入模擬絕對值處理電路送入單片機的A/D轉換口A(yíng)DC0，作為電壓顯示信號，另一路經(jīng)過(guò)零比較后進(jìn)入單片機中斷口INT0；同樣Ia的電流信號經(jīng)5A/5mA的隔離變換器后分為兩路，一路進(jìn)入模擬絕對值處理電路送入單片機的A/D轉換口A(yíng)DC1，作為電流顯示信號，另一路經(jīng)過(guò)零比較后進(jìn)入單片機定時(shí)器門(mén)控端ICP引腳。 圖2 ATMEGA16外部引腳 圖3 輸入信號處理 三、 軟件的設計 因整個(gè)系統對電壓、電流采樣的精度要求不高，我們直接用CPU的10位A/D對電壓、電流的信號進(jìn)行A/D轉換，轉換的結果一方面供顯示的需要，另一方面作為過(guò)壓與欠流的比較信號。我們將INT0設置為上升沿產(chǎn)生異步中斷，ICP設置為上升沿觸發(fā)輸入捕捉。當INT0產(chǎn)生中斷時(shí)，16位計數器開(kāi)始以?xún)炔亢愣ǖ念l率開(kāi)始計數，直到下一中斷的產(chǎn)生。在計數的同時(shí)，當TCP上有上升沿脈沖時(shí)，即將16位計數器已計得的數據放入到捕捉寄存器中。當一個(gè)采樣周期結束時(shí)，計數器中得數據(N)即為外部交流信號的一個(gè)周期基數, 捕捉寄存器中數據（n）電流Ia滯后電壓Ubc的基數，將(n/N)*360o即為角度，根據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，將此數據進(jìn)行查表即可得到功率因數。 為了避免對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(cháng)整個(gè)系統的使用壽命。我們對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，我們在單片機的RAM中開(kāi)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(cháng)的作為優(yōu)先切除對象，將切除時(shí)間最長(cháng)的作為優(yōu)先投入對象。 當三相交流的負載回路電流非常小時(shí)，會(huì )產(chǎn)生投切振蕩的現象。也就是說(shuō)控制系統投入一組電容器會(huì )產(chǎn)生過(guò)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)生重復的投切現象。為避免此想象的發(fā)生，我們設置了欠電流鎖定，當電流值小于此數值時(shí)，系統將停止對電容器的投切動(dòng)作，維持已投入的電容器工作。 在工作過(guò)程中，若采樣到的電壓數據大于設定的過(guò)壓保護值時(shí)，控制器將逐步切除已投入的電容器，若發(fā)現超過(guò)設定的保護值的10％時(shí)，則一次性切除所有已投入的電容器，保護電容器。 以上的技術(shù)現已應用于本公司的ARC功率因數自動(dòng)補償控制儀中，經(jīng)測試運行，系統工作穩定、各項指標達到了國家標準的要求，現已初步投放市場(chǎng)。 文章來(lái)源于：《低壓電器》2006年第10期。 |
