摘 要：論述了研制具有性價比優(yōu)勢的功率因數(shù)控制器的意義，詳細介紹了該控制器的原理和軟硬件設計特點，該控制器在低壓無功補償中將有廣闊的應用前景。

 

    關鍵詞：功率因數(shù) 無功補償 控制器

 

    0 概述

 

    隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對電能質(zhì)量的要求也越來越高。目前電力網(wǎng)中的電力負荷如感應式異步電動機、變壓器等，大部分屬于感性負載，在運行過程中需要向這些設備提供相應的無功功率，造成電網(wǎng)的功率因數(shù)偏低。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器可以供給感性電抗消耗的部分無功功率，減少電網(wǎng)電源向感性負載提供的無功功率，以及減少無功功率在電網(wǎng)中的流動，從而降低輸電線路因輸送無功功率造成的輸電損耗，改善電網(wǎng)的運行條件，因此無功功率補償控制器一直有著廣闊的應用市場。目前市場上該類產(chǎn)品較多，但大多數(shù)為低端產(chǎn)品，對電容組投切都基于功率因數(shù)或無功電流，而對于過壓切除和欠流的處理相對比較粗糙，更不用說具有無功限制功能了;少數(shù)產(chǎn)品為高端產(chǎn)品，其功能強大但價格較高。因此，如果能開發(fā)出既具有高端產(chǎn)品的性能，同時又具有低端產(chǎn)品價格的補償控制器，將有著重要的意義。本文所述的低壓無功功率補償控制器的主要功能有：

 

    (1)相序自動識別。

 

    (2)電壓采樣0.5級、電流采樣和功率因數(shù)1級、符合行業(yè)標準。

 

    (3)具有過壓解除、欠流閉鎖、無功限制功能。

 

    (4)幾乎所有參數(shù)都可鍵盤設定，如功率因數(shù)門限、投入延時、過壓門限、欠流門限、過壓加速切除時間、欠流時間、同組切投時間延時等。

 

    1 工作原理

 

    采樣三相電中一相的電流(如A相)以及另外兩相(如B、C相)電壓之間的相位差，得到相應的功率因數(shù);該功率因數(shù)與設定的投切門限(按標準功率因數(shù)滯后為0.95;超前為0.98)進行比較：若在門限內(nèi)，則不予動作;若超出門限，則相應采取投切措施，力圖保持功率因數(shù)在設定的限帶內(nèi)。在運行過程中若出現(xiàn)過壓，則按設定時間加速切除，若欠流超出一定時間，則也予以加速切除;若無功小于一組電容的無功時，不予投入。由于對電壓和電流都進行采樣且滿足一定的精度要求，因此過壓解除和欠流閉鎖以及無功限制可以處理得比較精確。

 

    由于三相電的接線有各種不同的接法(共有12種)，不同接法的功率因數(shù)計算和超前滯后的判斷有所不同，因此針對不同接法相序的自動判別將很有意義，下面對其原理作一簡單介紹：

 

    設三相的電壓分別為Ua、Ub、Uc，則它們的表達式可以表示如下：

 

    Ua=Umsinωt

 

    Ub=Umsin(ωt-120°)

 

    Uc=Umsin(ωt-240°)

 

    由此得：

 

    Ub=Ub-Uc=3Umsin(ωt-90°)

 

    若負載為純阻性，則A相電流與電壓同相，Ubc電壓滯后A相電流90°;若A相負載為容性，假設A相電流超前電壓α(0≤α≤90)角，則Ubc電壓滯后A相電流90°+α;若A相負載為感性，假設A相電流滯后電壓α(0≤α≤90)角，則Ubc電壓滯后A相電流90°-α。在電路設計中，若把A相電流和Ubc電壓的采樣信號放大后經(jīng)過過零比較器，即可得到反映相位的方波信號;檢測兩個方波信號上升沿的時間差，即可得到反映兩者相位差的時間。假設線電壓的兩個相鄰周期的上升沿的時間差為T(即周期)，相電流與線電壓的上升沿的時間差為τ，則α=|τ/T×360°-90°|。

 

    由于三相有不同的接法，如何區(qū)分超前和滯后泥?我們可以參照上面方法，可以得到所有接法的情況，并且可以分成以下兩種類型：

 

    Ⅰ型：0≤τ

 

    Ⅱ型：3T/4≤τ

 

    由上分析，我們可以根據(jù)τ和T的關系，判斷出該接法屬于何種型式，從而判斷是超前還是滯后，并算出超前滯后角α。

 

    2 硬件設計

 

    控制器的CPU采用ATMEL公司的89C52，硬件設計主要包括電源監(jiān)視和掉電保護電路、鍵盤接口電路、LED顯示電路、繼電器輸出電路、A/D采樣電路以及信息處理部分。電源監(jiān)視和掉電保護電路采用X25045芯片，該芯片接口電路簡單，同時具備上電復位、電源監(jiān)視、硬件看門狗電路的功能，而且還有512字節(jié)的flashrom，可以提供控制器設置參數(shù)的掉電保護功能;鍵盤接口、LED顯示、繼電器輸出等電路比較簡單，采用74LS245、74LS373以及CPU本身具有的一些I/O口線即可完成;A/D采用ADC0809芯片，因其只有8位精度，因此電壓和電流信號放大到±5 V的范圍，然后采用采樣半波的方式即可滿足電壓采樣0.5級的精度要求;信號處理部分見圖1。

 

    相電流通過互感器得到初始信號IS。IS首先通過低通濾波，然后進行放大得到-5～5 V的信號。該信號通過過零比較，得到標準的方波信號Fi。用Fi作為控制信號，使IS的正半周送至A/D采樣芯片進行采樣，這樣可以用較小的代價獲得較高的精度。US的處理過程與IS一模一樣，這樣可以保證電路對兩者的影響完全一樣而不至于影響功率因數(shù)的精度。為了盡可能減少硬件成本，直接把Fu和Fi送到80C52的中斷引腳X0和X1，通過軟件編程按照前面原理所示直接判斷超前或滯后，并計算超前滯后角。

 

    3 軟件設計

 

    控制器的軟件設計主要包括初始化模塊、鍵盤處理模塊、A/D采樣模塊、顯示模塊、時鐘調(diào)度模塊、控制模塊、自檢模塊等。除了自檢模塊，幾乎所有模塊都有時鐘調(diào)度模塊進行管理，下面我們對時鐘調(diào)度模塊作一詳細介紹。

 

    低壓無功補償控制器幾乎所有的操作都基于時鐘，我們把操作稱之為任務，這樣時鐘調(diào)度也就變?yōu)槿蝿照{(diào)度。整個時鐘調(diào)度模塊的程序流程見圖2。

 

    由于控制器速度要求不是很高，因此在程序流程上可以處理得比較簡單。主程序循環(huán)只作一些簡單處理，如硬件的自檢、參數(shù)標志的檢查、一些關鍵狀態(tài)位的校驗等工作。幾乎所有關鍵的任務都放到時鐘調(diào)度程序中按順序執(zhí)行。占用時間不多的A/D采樣在每次時鐘中斷中都予以執(zhí)行，而其它任務則在時間到(本控制器取0.5s)時才執(zhí)行一次。由于眾多任務的執(zhí)行需占用較多時間，為了不影響A/D的采樣，在主任務的執(zhí)行時采用中斷假返回的技術進行處理，即釋放中斷資源，程序流程進入主任務處理，主任務處理完后，需清理中斷的堆棧同時以RET返回主程序。對于其它程序模塊，限于篇幅，在這里不一一介紹，下面就如何提高采樣精度作一簡單說明。

 

    電壓和電流的采樣精度直接關系到功率因數(shù)控制器的性能，為此，我們對軟硬件都采取了一些措施，主要有：(1)對電壓和電流的處理電路保證一模一樣，以防止采樣電路對功率因數(shù)的影響;(2)對電壓和電流實現(xiàn)過零比較轉化為方波，使波形的畸變對功率因數(shù)的采樣幾乎無任何影響;(3)直接采樣波形的周期，消除電網(wǎng)周期的波動對功率因數(shù)的影響;(4)用16位定時器來測量周期和相位差，再通過一定的補償措施和濾波算法，使功率因數(shù)的測量達到相當精確的地步;(5)電壓和電流的采樣值經(jīng)過濾波算法，然后用均方根計算其有效值，可以較大程度消除波形畸變對采樣精度的影響，從而使采樣精度達到設計要求。

 

    4 結論

 

    該控制器嚴格按照電力作業(yè)標準DL/T597-1996的規(guī)定設計，所有性能指標都滿足設計要求。適用于交流50Hz、額定電壓400 V及以下配電系統(tǒng)中自動控制并聯(lián)電力電容器的投切，可以顯著改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，能和絕大多數(shù)低壓無功補償電容柜(屏)配套使用。與同類產(chǎn)品相比，具有功能強、精度高、設置靈活、性能可靠、價格便宜的特點，在性價比上具有較大的優(yōu)勢，將有廣闊的市場前景。

 

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