《電子技術(shù)應(yīng)用》
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ARC功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀的原理及其應(yīng)用
摘要: 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),。
Abstract:
Key words :

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,,包括投入門限、切除門限,、過(guò)壓保護(hù)門限,、欠電流封鎖門限、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)定的投入門限和切除門限比較,,在整個(gè)投切延時(shí)時(shí)間內(nèi),若在投切門限以內(nèi),,則不予動(dòng)作,;若小于投入門限,則另投入一組電容器,;若大于切除門限或發(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)到投切門限以內(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)
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、顯示專用芯片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)器門控端ICP引腳。

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)始以內(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,。
四、 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),。


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

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