ARC功率因數自動(dòng)補償控制儀的原理及其應用

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。