基于ATT7022A无功补偿控制器

1、基于ATT7022A的无功补偿控制文章出处：lgh67831 发布时间： 2012/05/25 | 1646 次阅读每天新产品 时刻新体验一站式电子数码采购中心专业PCB打样工厂，24小时加急出货服务器和存储系统的超新互连解决方案多样化的电子和电气元件摘要：以三相电能专用计量芯片ATT7022A和一种高性能低功耗的AVR单片机atmega128为核心，设计一种无功补偿控制器。该控制器能实时测量电网的电流电压值、有功功率、无功功率、功率因数等参数，根据实际情况，准确的控制电容器的投切，能有效的提高线路功率因数、较少损耗，改善电网质量。在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变

2、压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的工作性质决定的。最合理的方法就是在这些感性设备附近及线路适当位置并联电容器组来进行无功补偿。在电力系统中，采用无功补偿的方法来提高功率因数、减少无功损耗，是改善供电质量、提高设备利用率的重要手段之一。1 以ATT7022A为核心的无功补偿器介绍进行无功补偿的前提是能准确地测量电网的运行状况，主要有功功率、无功功率、功率因数、谐波状况等。ATT7022A是一颗高精度三相电能专用计量芯片，

3、适用于三相三线和三相四线应用。它能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、相角、频率等参数，充分满足电能数据采集的需求。而且提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数的传递，所有的计量参数都可以通过SPI接口读出。用它能准确地采集这些参数，并且精度高，软件设计简单，内部框图如图1所示。图1 ATT7022A内部框图文中所介绍的无功补偿控制器是基于三相电能专用计量芯片ATT7022A来实现的，控制芯片为atmel公司生产的AVR单片机ATmega128和ATme ga16相比，它是AVR8位系列单片机的最高配置的一款单片

4、机，并有53个可编程IO口，在设计液晶显示和驱动电路上比较方便。该控制器能根据ATT7022A提供的的有功功率、无功功率、功率因数来分析判断是否进行无功补偿，自动投切电容器，实现配电网的自动无功补偿，提高输电效率。2 硬件电路设计控制器的硬件电路设计主要有电压电流检测电路、电源电路、驱动电路、通信电路及液晶显示模块等组成，以Atmega128为控制芯片，可以轻松的完成这些控制功能。其硬件结构框图如下图所示。电网电压、电流经过互感器后，电压电流信号送到了ATT7022A上。ATT7022A提供一个SPI接口，所有的计量参数都可以通过SPI接口读出，单片机根据这些参数来判断功率因数，决定是否进行无

5、功补偿，并把信号传送给电容投切模块。图2 控制器硬件结构电路检测电路如图，该模块主要是采集电网的电压、电流信号，电压输入UA UB UC UN,量程0220V.电流输入IA1 IA2 IB1 IB2 IC1 IC2,量程05 A.ATT7022A推荐芯片电压输入脚上的采样值为0.20.5 V,芯片电流输入脚上采样电压为0.1 V.因此，5 A的电流信号通过5 A/2.5 mA电流互感器把5 A的电流转换成2.5 mA的电流。再经过40 的电阻，输入电压为0.1 V.220 V的电压信号通过120 K的电阻，再经过2 mA/2 mA电流型电压互感器，输出电流大约为2 mA,再经过250 的电阻。

6、转换成0.5 V的电压。ATT7022内部集成了7路16位ADC,参考电压电路和所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路，并分别将实测值存放在相对应的存储空间，并通过SPI与单片机进行数据交换，无需在系统软件中进行编程得出无功功率，这样不仅节省了CPU空间，还提高了计算效率。 图3 电压和电流输入通道原理图电源电路设计如图4所示，采用24V开关电源，它是高频逆变开关电源中的一个种类。开关电源输入为200240VAC,输出为正24V电压，供驱动芯片MCl413使用。再用MC34063DC/DC变换器，可实现升压或降压电源变换器，把24 V的电压转换成5 V电压，Atmega

7、128和ATT7022、液晶模块LCD所需要的电压都是+5 V.数字电路与模拟电路，一般要分开，最后一点汇集在一起，此时可以用0欧电阻相连，作用有：1）直接相连的电流通路可能很大，用0欧电阻则可以获得很窄的电流通路，能有效限制环路电流，抑制噪声。2）布线的时候，区分数字地与模拟地很麻烦，用0欧电阻分开，可以清楚的分辨数字地与模拟地。图4 电压转换电路电容投切单元。通过对ATT7022A测量出来的无功功率或功率因数分析，决定是否进行无功补偿，即投切电容器，本控制器采用晶闸管控制电容器进行投切。由于电容器两端电压不能突变，电网电压和电容器电压差值较大时，触发晶闸管会产生很大的电流冲击，为了防止在投

8、切电容器时产生涌流，在晶闸管两端电压为零时投入，电流为零时切除，对无功功率实时动态补偿。驱动芯片选用摩托罗拉公司生产的MC1413,它是大电流达林顿陈列反向驱动器，工作电压高，灌电流可以达到500mA,并能够在关态时承受50 V的电压。如图所示，MC1413在输入为1时，输出为0,这样三极管在电阻的分压下，发射极、基极和集电极之间形成压降，连通发射极和集电极，输出+24 V的电压，通过一个脉冲变压器，可以驱动可控硅打开，反之则关闭。图5 电源电路晶闸管控制电容器，每两个晶闸管连接一个电容器，图中所示为一路晶闸管输出，G1、K1分别接晶闸管的门极和阴极，控制器用两个MC1413芯片，可以控制12

9、个晶闸管共6组，可以控制6组电容器投切。图6 驱动电路原理图通信模块。其电路采用单电源电平转换芯片max232,用于与上位机通信，主要用来进行电网运行参数和系统运行状态的数据传输以及系统时间的校准，并接受上位机发出的投切等操作命令。人机接口单元。人机接口单元包括键盘输入和液晶显示两部分。键盘部分用于设定工作参数、切换显示内容和设置时钟时间，也可特殊情况下实现电容器的手动投切，键盘采用I/O口直接驱动。液晶显示功能主要显示电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、电容的运行状态及谐波状况等。3 软件流程设计采用ATT7022A计量芯片，单片机无需进行任何复杂的运算，测量数据直接提供，并且可以提供

10、四象限功率测量参数，可准确测量到21次以上谐波。CPU不涉及A/D采样数据的处理，这使CPU的运算量大大降低，并且大大的简化了软件程序设计，使系统的运行更加可靠。在电力传输过程中，电力系统功率因数一般大于0.95,如果功率因数小于0.95就要进行补偿。功率因数是投切的依据，若功率因数低于0.95,则投入电容器，若大于1.0,切除电容器。控制器的控制策略是根据计量芯片提供的有功功率、无功功率等参数，分析电网的功率因数是否低于0.95,电网是否过压或者欠压等，通过与设定值比较，决定电容器是分相投切还是三相同时投切，电容器投切时，采取先投先切，先切先投的原则，防止对一组电容器组的频繁投切，保证电容器

11、安全，实现电网的正常运行。图7 系统软件流程图5 结论以ATmega128单片机为CPU,ATT7022A为计量芯片设计的无功补偿控制器，能精确的计算出电网的无功功率、有功功率、功率因数，为实现无功功率的补偿提供了准确的数据，硬件结构简单，可靠，同时减低了对CPU的要求，精简了软件设计，同时有能保证稳定性好的特点。引言电力系统无功功率的平衡是电能质量的重要保证。在电力系统0.4kV低压电网中，采用无功补偿的方法来提高功率因数，减少无功损耗，是改善供电质量、减少损耗、提高设备利用率的重要手段之一。目前，低压无功补偿装置多采用MCU作为主处理器，通过A/D采样电网的电压、电流参数，实时计算电网的无

12、功功率、无功电流或功率因数，根据相应的控制策略来控制电容器组的投切，实现对电网的无功补偿。这类控制器由于A/D采样精度不高、计算量较大，所以，对CPU计算性能要求高、软硬件设计复杂且难度大、无功补偿精度低、系统响应时间比较长，通常只能用于对无功补偿动态响应速度要求不高的场合。鉴于此，本文提出了一种基于专用电能计量芯片ATT7022A+MCU的新型动态无功补偿控制器。控制器工作原理及硬件设计实现高精度无功补偿的前提是能够准确测量电网的运行参数，包括有功和无功功率、能量、电网的功率因数、谐波状况等参数的采集和测量。利用 ATT7022A电能计量芯片可以得到这些参数的精确值，并且简化软件设计;在控制

13、策略上，许多无功补偿控制器以功率因数作为投切判据，实际上功率因数的高低并不能直接反映无功缺额的大小，极易造成在某些情况下频繁误动。若采用无功电流判据，比仅用功率因数作判据好些，但也不够完善。本设计采用无功缺额作为主判据，以功率因数和电压做为辅助判据，通过执行机构实现补偿电容器的循环投切，对无功补偿电容的控制更加合理。本文选用ATT7022A电能计量芯片搭配8位单片机ATmega128L的设计方案，可以完成对电网运行参数的及时、精确地测量，实现自动无功补偿。ATT7022A的性能介绍ATT7022A是一种高精度三相电能专用计量芯片，具有l6位A/D转换精度，内嵌有专用DSP电路，集成了6路二阶?

14、ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流/电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，并支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功频率校验输出CF1、 CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。ATT7022A提供一个SPI接口，方便与外部控制器进行计量参数以及校表参数的传递。图1 控制器系统硬件原理框图系统主要功能单元控制器系统原理如图1所示，主要由以下部分构成：1. 数据采集单元：电网的电压、电流分别通过电压、电流

15、互感器，采用差分方式输入ATT7022A的电压通道和电流通道。电压和电流的前端输入通道电路如图2 所示。电压信号的输入采用1：1的电流互感器方式，选用的是SPT204A，电流信号的输入采用电流单端采样方式，选用的是SCT254AK，每个输入通道均加入了抗混叠滤波器。图2 电压和电流的采样输入电路2. 控制单元：在综合考虑单片机的稳定性、可靠性、经济性的基础上，选定AVR系列ATmegal28L单片机作为主控芯片。 ATmegal28L是一款高性能、低功耗的8位微处理器，采用RISC体系结构，有53个可编程的I/O口，2个可编程的USART口，128KB系统可编程Flash和4KB的EEPROM

16、，同时支持片内调试，通过JTAG接口可以方便地对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位进行编程。ATmegal28L通过SPI总线接口实现与 ATT7022A的通信，完成校表数据的写入和寄存器结果的读出。3. 过零触发模块：控制单元通过对ATT7022A的测量结果分析、判断，决定是否进行无功补偿，即电容器的投切，由于电容器两端电压不能突变，电网电压和电容器电压的差值较大时，触发晶闸管会产生很大的电流冲击，为了防止在投切电容器时的电流冲击，必须在晶闸管两端电压为零时刻投切。所以选择具有过零触发能力的芯片控制电容器的投切，本控制器选用的是MOC3083。外部连线如图3所示。图3 双向晶闸管过零触

17、发电路4.人机接口单元：人机接口包括键盘输入和液晶显示。键盘有确定、退出、前进和后退4个通用按键，可手动改变电容器的投切状态，可切换液晶显示内容并设置时钟时间;液晶显示采用RT12864模块，主要显示当前各相的电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率、各电容器投切状态和系统时间等。5.通信单元：RS-232/485串口通讯用于与上位机通信，主要用来进行电网运行参数和控制器运行状态的数据传输、铁电存储器中存储数据的输出及系统时间的校准等。6.数据存储单元：FM24C64为64Kb的FRAM铁电存储器，其支持1012次写入,用于保存系统的某些初始值、低压电网运行参数的定时存储、系统故障状态的存储等

18、功能，以便监控主站，随时查阅历史记录。控制器的软件设计低压电网运行的各项参数可通过ATT7022A采样、计算得出，CPU不用进行A/D采样数据的处理，这使CPU的运算量大大降低，并且大大简化了软件程序设计，使系统的运行更为精确、可靠。所以，软件设计的重点主要是实现对从ATT7022A所得到的各项参数的分析，依托合理的控制策略，进而实现更加合理 、可靠地投切电容器和外围接口电路的软件设计。本装置采用的电容器投切控制策略以无功缺额为主要判据，并结合功率因数与电压的控制。分析电网是否过压和欠压，在保证电压稳定的前提下，分析电网的无功功率，判断功率因数，与设定值比较，决定是否投切电容器以及如何投切更加合理，最大可能地实现对无功功率的补偿。系统软件主程序流程如图4所