摘 要：論述了研制具有性價(jià)比優(yōu)勢(shì)的功率因數(shù)控制器的意義，詳細(xì)介紹了該控制器的原理和軟硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)，該控制器在低壓無功補(bǔ)償中將有廣闊的應(yīng)用前景。

 

    關(guān)鍵詞：功率因數(shù) 無功補(bǔ)償 控制器

 

    0 概述

 

    隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高。目前電力網(wǎng)中的電力負(fù)荷如感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)載，在運(yùn)行過程中需要向這些設(shè)備提供相應(yīng)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(fù)載提供的無功功率，以及減少無功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，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(yùn)行條件，因此無功功率補(bǔ)償控制器一直有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。目前市場(chǎng)上該類產(chǎn)品較多，但大多數(shù)為低端產(chǎn)品，對(duì)電容組投切都基于功率因數(shù)或無功電流，而對(duì)于過壓切除和欠流的處理相對(duì)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(qiáng)大但價(jià)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(shí)又具有低端產(chǎn)品價(jià)格的補(bǔ)償控制器，將有著重要的意義。本文所述的低壓無功功率補(bǔ)償控制器的主要功能有：

 

    (1)相序自動(dòng)識(shí)別。

 

    (2)電壓采樣0.5級(jí)、電流采樣和功率因數(shù)1級(jí)、符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

 

    (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(shè)定，如功率因數(shù)門限、投入延時(shí)、過壓門限、欠流門限、過壓加速切除時(shí)間、欠流時(shí)間、同組切投時(shí)間延時(shí)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(yīng)的功率因數(shù);該功率因數(shù)與設(shè)定的投切門限(按標(biāo)準(zhǔn)功率因數(shù)滯后為0.95;超前為0.98)進(jìn)行比較：若在門限內(nèi)，則不予動(dòng)作;若超出門限，則相應(yīng)采取投切措施，力圖保持功率因數(shù)在設(shè)定的限帶內(nèi)。在運(yùn)行過程中若出現(xiàn)過壓，則按設(shè)定時(shí)間加速切除，若欠流超出一定時(shí)間，則也予以加速切除;若無功小于一組電容的無功時(shí)，不予投入。由于對(duì)電壓和電流都進(jìn)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(jì)算和超前滯后的判斷有所不同，因此針對(duì)不同接法相序的自動(dòng)判別將很有意義，下面對(duì)其原理作一簡(jiǎn)單介紹：

 

    設(shè)三相的電壓分別為Ua、Ub、Uc，則它們的表達(dá)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(fù)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(fù)載為容性，假設(shè)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(fù)載為感性，假設(shè)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(shè)計(jì)中，若把A相電流和Ubc電壓的采樣信號(hào)放大后經(jīng)過過零比較器，即可得到反映相位的方波信號(hào);檢測(cè)兩個(gè)方波信號(hào)上升沿的時(shí)間差，即可得到反映兩者相位差的時(shí)間。假設(shè)線電壓的兩個(gè)相鄰周期的上升沿的時(shí)間差為T(即周期)，相電流與線電壓的上升沿的時(shí)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(guān)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(shè)計(jì)

 

    控制器的CPU采用ATMEL公司的89C52，硬件設(shè)計(jì)主要包括電源監(jiān)視和掉電保護(hù)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(hù)電路采用X25045芯片，該芯片接口電路簡(jiǎn)單，同時(shí)具備上電復(fù)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(shè)置參數(shù)的掉電保護(hù)功能;鍵盤接口、LED顯示、繼電器輸出等電路比較簡(jiǎn)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(hào)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(jí)的精度要求;信號(hào)處理部分見圖1。

 

    相電流通過互感器得到初始信號(hào)IS。IS首先通過低通濾波，然后進(jìn)行放大得到-5～5 V的信號(hào)。該信號(hào)通過過零比較，得到標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)Fi。用Fi作為控制信號(hào)，使IS的正半周送至A/D采樣芯片進(jìn)行采樣，這樣可以用較小的代價(jià)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(duì)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(jì)算超前滯后角。

 

    3 軟件設(shè)計(jì)

 

    控制器的軟件設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)鐘調(diào)度模塊進(jìn)行管理，下面我們對(duì)時(shí)鐘調(diào)度模塊作一詳細(xì)介紹。

 

    低壓無功補(bǔ)償控制器幾乎所有的操作都基于時(shí)鐘，我們把操作稱之為任務(wù)，這樣時(shí)鐘調(diào)度也就變?yōu)槿蝿?wù)調(diào)度。整個(gè)時(shí)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(jiǎn)單。主程序循環(huán)只作一些簡(jiǎn)單處理，如硬件的自檢、參數(shù)標(biāo)志的檢查、一些關(guān)鍵狀態(tài)位的校驗(yàn)等工作。幾乎所有關(guān)鍵的任務(wù)都放到時(shí)鐘調(diào)度程序中按順序執(zhí)行。占用時(shí)間不多的A/D采樣在每次時(shí)鐘中斷中都予以執(zhí)行，而其它任務(wù)則在時(shí)間到(本控制器取0.5s)時(shí)才執(zhí)行一次。由于眾多任務(wù)的執(zhí)行需占用較多時(shí)間，為了不影響A/D的采樣，在主任務(wù)的執(zhí)行時(shí)采用中斷假返回的技術(shù)進(jìn)行處理，即釋放中斷資源，程序流程進(jìn)入主任務(wù)處理，主任務(wù)處理完后，需清理中斷的堆棧同時(shí)以RET返回主程序。對(duì)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(jiǎn)單說明。

 

    電壓和電流的采樣精度直接關(guān)系到功率因數(shù)控制器的性能，為此，我們對(duì)軟硬件都采取了一些措施，主要有：(1)對(duì)電壓和電流的處理電路保證一模一樣，以防止采樣電路對(duì)功率因數(shù)的影響;(2)對(duì)電壓和電流實(shí)現(xiàn)過零比較轉(zhuǎn)化為方波，使波形的畸變對(duì)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(dòng)對(duì)功率因數(shù)的影響;(4)用16位定時(shí)器來測(cè)量周期和相位差，再通過一定的補(bǔ)償措施和濾波算法，使功率因數(shù)的測(cè)量達(dá)到相當(dāng)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(jì)算其有效值，可以較大程度消除波形畸變對(duì)采樣精度的影響，從而使采樣精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

 

    4 結(jié)論

 

    該控制器嚴(yán)格按照電力作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T597-1996的規(guī)定設(shè)計(jì)，所有性能指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)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(dòng)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(bǔ)償電容柜(屏)配套使用。與同類產(chǎn)品相比，具有功能強(qiáng)、精度高、設(shè)置靈活、性能可靠、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，在性價(jià)比上具有較大的優(yōu)勢(shì)，將有廣闊的市場(chǎng)前景。

 

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