ARC功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀的原理及其應(yīng)用

作者簡(jiǎn)介：李文權(quán) 男 出生年月1975年8月6日   上海大學(xué)機(jī)械系機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)  工程師職稱(chēng)     研究方向：電力儀表/工業(yè)自動(dòng)化

摘    要：介紹了基于ATMEGA16的高精度低壓無(wú)功功率補(bǔ)償器。該控制器采用數(shù)字檢測(cè)電路來(lái)獲取電網(wǎng)電壓與電流的相位差，從無(wú)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(wú)功功率補(bǔ)償。
Abetted:This article introduces reactive power compensator based on ATMEGA16 controlling with high precision. It measures excess phase of voltage and current by using digital circuit, Based on the reactive compensation theorem, The software and hardware of the controller is deigned.By using the system a timely compensation and real-time monitnring of the power factor in electricity network are possible, It is mainly used to compensate reactive power in present factories and mines.
關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；無(wú)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(lái)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(wú)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(wú)功功率，從而降低輸電線路因輸送無(wú)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要功能有：
　?。?） 相序自動(dòng)識(shí)別
　?。?） 電壓、電流、功率因數(shù)采樣與顯示
　?。?） 過(guò)壓解除、欠流封鎖，從而保護(hù)電容器及避免循環(huán)投切
　?。?） 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(guò)面板按鍵設(shè)定，包括投入門(mén)限、切除門(mén)限、過(guò)壓保護(hù)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電流（如A線）與另外兩線的電壓（如BC線）之間的相位差，通過(guò)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(mén)限和切除門(mén)限比較，在整個(gè)投切延時(shí)時(shí)間內(nèi)，若在投切門(mén)限以?xún)?nèi)，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(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(guò)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(mén)限以?xún)?nèi)。在投切過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的電壓大于設(shè)定的過(guò)壓保護(hù)門(mén)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(guò)設(shè)定的過(guò)壓保護(hù)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(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(mén)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(méi)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(mén)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(pán)、顯示專(zhuān)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(pán)功能，所以CH451S的DOUT引腳不用。Ubc的電壓信號(hào)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(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(guò)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(guò)零比較后進(jìn)入單片機(jī)定時(shí)器門(mén)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(guò)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(kāi)始以?xún)?nèi)部恒定的頻率開(kāi)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(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(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(shuō)控制系統(tǒng)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(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(guò)程中，若采樣到的電壓數(shù)據(jù)大于設(shè)定的過(guò)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(guò)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)已初步投放市場(chǎng)。

　　文章來(lái)源于：《低壓電器》2006年第10期。

參考文獻(xiàn)
[1] ATMEL Corporation. ATmega16技術(shù)手冊(cè)的中文翻譯，2466G–AVR–10/03