功率因数补偿控制器的工作原理及设计方案

1、功率因数补偿控制器的工作原理及设计方案随着现代工业的发展，电网中使用的感性负载也愈来愈多，如感应式 电动机、变压器等。这些设备在工作时不但要消耗有功功率，同时需 要电网向其提供相应的无功功率，造成电网的功率因数偏低。在电网 中并联电容器可以减少电网向感性负载提供的无功功率，从而降低输 电线路因输送无功功率造成的输电损耗，改善电网的运行条件，因此 功率因数补偿控制器一直有着广阔的应用市场。本文所介绍的功率因 数补偿控制器符合 JB/T9663 1999 国家标准，主要功能有： （ 1） 相序自动识别（ 2） 电压、电流、功率因数采样与显示（3） 过压解除、欠流封锁，从而保护电容器及避免循环投切（

2、 4） 采用先投入的先切除，先切除的先投入的原则，对补偿电容实 行循环投切（ 5） 所有的工作参数都可以通过面板按键设定，包括投入门限、切 除门限、过压保护门限、欠电流封锁门限、投切延时时间一、工作原理采样三相电源中一线电流（如 A线）与另外两线的电压（如 BC线）之间的相位差，通过一定的运算，得到当前电网的实时功率因数。此功 率因数与设定的投入门限和切除门限比较，在整个投切延时时间内， 若在投切门限以内，则不予动作；若小于投入门限，则另投入一组电 容器；若大于切除门限或发现功率因数为负时，则切除一组已投入的电容器。再经过投切延时时间，重复比较与投切，直到当前的功率因数达到投切门限以内。在投切

3、过程中，若发现检测到的电压大于设定 的过压保护门限，则按组切除所有已投入的电容；当检测到的电压超 过设定的过压保护门限的10时，则一次性切除所有已投入的电容，用以保护电容器。在投切时若发现检测到的电流小于欠电流封锁门限， 则停止投切动作，避免系统出现循环投切现象。由于在三相供电中有不同接线方法，不同的接线方法对功率因数的算 法也不一样，因此我们规定ARC 系列功率因数自动补偿控制仪的电流取自三相供电中的 A线，电压取自BC间的线电压，同时为减少现场接 线的复杂度，我们在程序中对相位进行自动判别。在三相供电中，我们假设三相的相电压分别为Ua、Ub、Uc， A 线电流为 Ia则有 Ua=Usin

4、(3 t) , Ub=Usin (3 t+120o ) , Uc=Usin (3 t+240o ),从而得到BC间的线电压为 Ubc=Ub-Uc= Usin (3 t-90o )若A线负载为纯阻性，则A线电流Ia与A线电压Ua同相，la超前Ubc 的角度为 90o；若A线负载为感性，则 A线电流la滞后A线电压Ua角度为$( 0o<90o), la超前Ubc的角度为90o-若A线负载为容性，则 A线电流la超前A线电压Ua角度为$( 0o<90o), la超前Ubc的角度为90o+$la 滞后 Ua在我们的 ARC 功率因数自动补偿控制仪中，为了计算的方便，我们电 流相位的采样为电

5、压采样的第二个周期，即若没有相位差的角度为360o。在实际检测中，假设我们检测到la滞后Ubc的角度为 a,根据以上的分析得知：若180oa270o，则电路为容性负载， COS)=COS( 270o- a) 若口= 270o，则电路为感性负载， COS)=1若270oa360o，则电路为感性负载 COS)=COS(a -270o )为方便用户接线，若用户将电压Ubc接成了 Ucb,或将la的输入接反， 根据以上的推断，我们同样可得到：若Ooa90o，则电路为容性负载， COS)=COS(90o- a)若口= 90o，则电路为感性负载，CO® =1若90oa180o，则电路为感性负载

6、COS)=COS(a -90o )图1电压、电流向量二、硬件的设计控制器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L此单片机工作电压范围宽(2.7 - 5.5V),最高工作频率为 8MHz芯片内部具有16k字节的Flash 程序程序存储器，512字节的EEPROJM1K字节的片内 SRAM 8路10位 ADC 一个可编程的串行 USART具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。显示芯片采用南京沁恒公司生产的键盘、显示专用芯片CH451SCH451S最大能驱动8为数码管，且不需外加

7、驱动就能直接驱动LED数码管，大大减小了印板尺寸，单片机的采用SPI模式，只需3线（片选CS时钟CLK数据输入DIN），因本系统未用 CH451S的键盘功能， 所以CH451S的DOUT引脚不用。Ubc的电压信号经过电阻限流进入 2mA/2mA的隔离变换器后分为两路， 一路进入模拟绝对值处理电路送入 单片机的A/D转换口 ADC0作为电压显示信号，另一路经过零比较后 进入单片机中断口 INTO;同样Ia的电流信号经5A/5mA的隔离变换器 后分为两路，一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC1作为电流显示信号，另一路经过零比较后进入单片机定时器门 控端ICP引脚。fis?rl

8、r-'rT.=itr 二器芝菱n n n i n £星Bn Erm n FrLNnHrsRd n 胃U n 旦宦rl5#冋汽工叶«>*e? rnoaa ires :"noa.i |I!11SH-<_GD* 占日g圄三:输入信号处理FBI 4fcCft m HJSET uecUl 一團二图2 ATMEGA1外部引脚 图 3 输入信号处理三、软件的设计因整个系统对电压、电流采样的精度要求不高，我们直接用CPU的10位 A/D 对电压、电流的信号进行 A/D 转换，转换的结果一方面供显示 的需要，另一方面作为过压与欠流的比较信号。我们将 INT0 设

9、置为上 升沿产生异步中断， ICP 设置为上升沿触发输入捕捉。当 INT0 产生中 断时， 16 位计数器开始以内部恒定的频率开始计数，直到下一中断的 产生。在计数的同时，当 TCP上有上升沿脉冲时，即将 16位计数器已 计得的数据放入到捕捉寄存器中。当一个采样周期结束时，计数器中 得数据（N）即为外部交流信号的一个周期基数，捕捉寄存器中数据（n）电流la滞后电压Ubc的基数，将（n/N ） *360o即为角度，根据 上面的原理就可判断在同一周波中时电压超前电流还是电流超前电 压，同时还可得出超前或滞后的角度，将此数据进行查表即可得到功 率因数。为了避免对电容器组中的某一组进行频繁的投切，平衡每一组电容器 的工作时间，延长整个系统的使用寿命。我们对电容器的投切采用先 投入的优先切除，先切除的优先投入的原则，我们在单片机的RAM中开辟了一空间，用于记录每组电容器的投入与切除时间，然后进行排 序，将已工作时间最长的作为优先切除对象，将切除时间最长的作为 优先投入对象。当三相交流的负载回路电流非常小时，会产生投切振荡的现象。也就 是说控制系统投入一组电容器会产生过投，切除一组电容器又会产生投入不足，控制器就会产