基于A(yíng)TMEGA16的高精度低壓無(wú)功功率補償器系統設計
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介紹了基于ATMEGA16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。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/194282.htmAbetted: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；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180ºα270º，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270ºα360º，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0ºα90º，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90ºα180º，則電路為感性負載COSφ=COS(α-90º)
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。
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。
四、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)。
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