基于LPC2220低壓無(wú)功補償控制器設計

　　摘要：本文設計了一種基于A(yíng)RM7TDMI-S處理器LPC2220為主控制MCU，以復合開(kāi)關(guān)為電容投切開(kāi)關(guān)的壓無(wú)功補償控制器。該控制器能夠實(shí)現自動(dòng)采樣計算、無(wú)功自動(dòng)調節、故障報警保護、數據存儲等功能。并具有LCD液晶菜單顯示，直觀(guān)地顯示測量基本電網(wǎng)參數。軟件設計采用基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-Ⅱ。并且可通過(guò)上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)電網(wǎng)參數、電容投切情況、及歷史數據的遠程查詢(xún)。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)功補償;復合開(kāi)關(guān);LPC2220;μC/OS-Ⅱ;遠程查詢(xún)

　　如何跟蹤并快速有效地補償無(wú)功功率，對電力系統的運行穩定、改善電能質(zhì)量、降低線(xiàn)損、實(shí)現電力節能等方面起著(zhù)重要的作用。

　　本文設計的無(wú)功補償控制器在硬件上力求精簡(jiǎn)實(shí)用，降低成本同時(shí)提高產(chǎn)品的可靠性。發(fā)揮軟件設計的優(yōu)點(diǎn)，增加實(shí)用的功能。

　　控制器工作原理

　　電網(wǎng)中存在大量的感性負載，通過(guò)并聯(lián)容性負荷的裝置，實(shí)現兩種負荷之間的能量交換。感性負荷所需要的無(wú)功功率由容性負荷輸出的無(wú)功功率來(lái)補償[1]。安裝并聯(lián)電容器改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量[2]。本文所設計的無(wú)功補償控制器的基本框架如圖1。三相電壓電流互感器將較高的電壓和電流信號轉換成低電壓信號，用LPC2220進(jìn)行A/D轉換并進(jìn)行數據分析并計算出電壓/電流，進(jìn)而算出功率因數，無(wú)功功率等參數。采用復合開(kāi)關(guān)投切電容實(shí)現過(guò)零投切。電容投切采取三相共補和三相分補相結合的方式。該控制器同時(shí)具有電壓電流、功率因數、無(wú)功功率以及電容投切的歷史數據記錄以及歷史數據的查詢(xún)功能。運行方式分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種，手動(dòng)投切適合調試時(shí)使用，自動(dòng)運行停電時(shí)自動(dòng)退出，送電后能自動(dòng)恢復。用戶(hù)可以在現場(chǎng)根據實(shí)際應用環(huán)境改變設置自動(dòng)電容投切的控制參數。實(shí)時(shí)數據及電容投切情況可以通過(guò)現場(chǎng)液晶顯示或遠程PC進(jìn)行隨時(shí)查詢(xún)。

　　硬件設計

　　電壓電流互感器選擇

　　LPC2220共有八路A/D轉換接口，可以將0V-VREF(典型為3V，最大不超過(guò)VDD)模擬電壓轉換成10位的數字信號。電壓/電流互感器均采用天瑞電子TR系列檢測用電壓輸出型變換器。電壓互感器采用檢測用電壓輸出型電壓變換器TR1102-1C，規格為380V/3.53V，非線(xiàn)性度比差<±0.1%,角差±5分。電流互感器采用檢測用電壓輸出型電流變換器TR0102-2C，規格為5A/2.88V，非線(xiàn)性度比差<±0.1%，角差±5分。

　　電容投切開(kāi)關(guān)

　　復合開(kāi)關(guān)綜合了機械式接觸器和電子式無(wú)觸點(diǎn)可控硅電容投切開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，如電壓過(guò)零投入、涌流低、電流過(guò)零切除、不產(chǎn)生過(guò)電壓、壽命長(cháng)、功耗低、溫升小。市場(chǎng)上已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品?？梢詫?shí)現三相共補和三相分補。復合開(kāi)關(guān)的原理圖如圖2所示。在整個(gè)控制過(guò)程中，當需要投入電容時(shí)，只需要無(wú)功補償控制器發(fā)送電壓信號給復合開(kāi)關(guān)，復合開(kāi)關(guān)會(huì )自動(dòng)完成電容的投入和切除過(guò)程。

　　主電路設計

　　LPC2220是基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微處理器，對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過(guò)30%而性能的損失卻很小。片內128寬度的存儲器接口和獨特的加速機構使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運行。同時(shí)由于LPC2220的144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達9個(gè)外部中斷，使它們特別適用于工業(yè)控制，通過(guò)配置總線(xiàn)LPC222O最多可提供76個(gè)GPIO。多個(gè)串行接口包括2個(gè)16C550工業(yè)標準UART、高速I(mǎi)2C接口(400kbit/s)和2個(gè)SPI接口，8路10位A/D，轉換器轉換時(shí)間低至2.44ms，CPU操作電壓范圍1.65~1.95V(1.8V±8.3%)、I/O操作電壓范圍3.0-3.6V(3.3V±10%)。