【導(dǎo)讀】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。
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：
（1） 相序自動(dòng)識(shí)別
（2） 電壓、電流、功率因數(shù)采樣與顯示
（3） 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
（4） 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 Ia 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(hù)接線，若用戶(hù)將電壓 Ubc 接成了 Ucb，或?qū)?Ia 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。
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