新型低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)

程 瑋 鄭慧珍

(1.廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，福建 廈門(mén) 361100；2.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，福建 漳州 363001)

在我國(guó)，低壓無(wú)功補(bǔ)償場(chǎng)所采用的多數(shù)是早期的以COSφ作為電容投切判據(jù)的無(wú)功補(bǔ)償控制器。其在實(shí)際無(wú)功補(bǔ)償中有很多不足之處。如：(1)功率因數(shù)測(cè)量精度不高；(2)易出現(xiàn)某些相過(guò)補(bǔ)或分補(bǔ)；(3)投切易出現(xiàn)振蕩；(4)電容支路在諧波狀況下易損壞。鑒于上述情況，筆者提出采用PIC18F4520為主控制芯片和電能計(jì)量芯片ATT7022B為電量采集芯片的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)一款新型低壓無(wú)功功率補(bǔ)償控制器。該補(bǔ)償器能夠精確計(jì)算當(dāng)前所在電網(wǎng)的無(wú)功功率及各相電壓、電流值等電量參數(shù)，并且能根據(jù)當(dāng)前所需補(bǔ)償無(wú)功量的大小準(zhǔn)確地輸出控制電容的投切。并且能滿(mǎn)足在過(guò)電壓和較大諧波分量的狀況下，較為安全地切除電力電容。

1 無(wú)功補(bǔ)償控制器硬件部分

本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括七大部分：主控制芯片部分、電量采集部分、控制輸出部分、計(jì)量芯片部分、人機(jī)接口部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分及電源部分(見(jiàn)圖1)。虛線外部為用戶(hù)接口。

1.1 主控制芯片PIC18F4520

無(wú)功補(bǔ)償控制器是以Microchip公司的PIC18F4520為控制核心。它主要負(fù)責(zé)對(duì)ATT7022B的數(shù)據(jù)的讀取，有功電能、無(wú)功電能、電壓、電流等運(yùn)算，液晶顯示、按鍵判斷、校表、參數(shù)設(shè)置以及電力電容投切的控制觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生等。

1.2 電能計(jì)量芯片ATT7022B

ATT7022B芯片是一款具有高可靠性、高精度、高穩(wěn)定性的三相基波/諧波電能計(jì)量芯片。在1000∶1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)功率測(cè)量精度優(yōu)于0.1%，電流和電壓的有效值測(cè)量精度優(yōu)于0.5%。如圖2所示，該芯片能夠測(cè)量各相及合相包括基波、諧波和全波有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功能量以及無(wú)功能量，同時(shí)還能測(cè)量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數(shù)、相角等參數(shù)。其提供一個(gè)SPI接口與外部控制器之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞，使用方便[3]，能充分滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。

1.3 信號(hào)采集部分

本設(shè)計(jì)的電壓、電流的采樣均采用互感器測(cè)量方式，這樣有效地隔離開(kāi)電網(wǎng)與電能計(jì)量芯片及線路板其他元器件，從而使整個(gè)控制器獲得良好的抗干擾性能。圖3為A相電壓和電流的采集電路(B，C相此同圖)。

1.4 其他硬件部分

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分：由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較大，包括比如電壓上下限、投切延時(shí)時(shí)間、三相電容值、單相電容值等數(shù)據(jù)。雖然PIC18F4520本身提供256字節(jié)的E2PROM存儲(chǔ)空間，但空間相對(duì)偏小，所以對(duì)于本設(shè)計(jì)采用E2PROM芯片24LC02。

人機(jī)接口部分：本設(shè)計(jì)顯示部分采用128×64點(diǎn)陣LCD液晶顯示，按鍵部分則設(shè)計(jì)為UP(上)、DOWN(下)、SET(確認(rèn))、ESC(返回)四個(gè)按鍵。

電源部分：考慮到實(shí)際運(yùn)行中所處的電網(wǎng)環(huán)境在某些時(shí)候可能處于缺相運(yùn)行的狀態(tài)。電源部分采用三個(gè)功率均為5W的單相變壓器，其次級(jí)經(jīng)整流橋整流后并聯(lián)作為控制器的電源。以保證當(dāng)電網(wǎng)缺任意一相或兩相的時(shí)候控制器還能正常工作。

控制輸出部分：由于電容的容抗與電源的頻率成反比，電容器合閘產(chǎn)生的瞬態(tài)過(guò)電流過(guò)大，勢(shì)必可能造成電容器支路元器件損壞。要抑制瞬態(tài)過(guò)電流，控制電容器合閘時(shí)刻是關(guān)鍵，因此可采用過(guò)零觸發(fā)、無(wú)觸點(diǎn)功率模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的控制[1]。

2 無(wú)功補(bǔ)償控制器軟件部分

2.1 控制策略思路

針對(duì)引言中所述早期的以COSφ作為投切判據(jù)的無(wú)功補(bǔ)償器，其在實(shí)際中有很多不足之處。本設(shè)計(jì)直接采取以無(wú)功功率為主要的判斷依據(jù)，根據(jù)電網(wǎng)每相所缺的無(wú)功容量來(lái)確定該相投入電容數(shù)量，根據(jù)電網(wǎng)富余無(wú)功來(lái)切除電容。設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)?shù)?組電容器(2組三相電容器及6組單相電容器，分別進(jìn)行2個(gè)三相共補(bǔ)和2個(gè)單相分補(bǔ)進(jìn)行循環(huán)投切)，并具有當(dāng)出現(xiàn)電壓過(guò)壓、欠壓、缺相或諧波越限等情況，電容切除的功能。同時(shí)選擇無(wú)觸點(diǎn)過(guò)零投切、三相共補(bǔ)和單相分補(bǔ)來(lái)提高系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)目煽啃院途?。在運(yùn)行中既能保證線路系統(tǒng)穩(wěn)定，無(wú)振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，又能兼顧補(bǔ)償效果，將補(bǔ)償裝置的效果發(fā)揮到最佳。

2.1.1 投入電容

電容投入流程見(jiàn)圖4，采用優(yōu)先投入共補(bǔ)電容的方式，當(dāng)共補(bǔ)電容投入完畢，才開(kāi)始投入分補(bǔ)電容。此電容器投切延時(shí)的一分鐘時(shí)間可以軟件設(shè)定。

2.1.2 切除電容

過(guò)補(bǔ)切除控制流程見(jiàn)圖5，采用優(yōu)先切除共補(bǔ)電容的方式，當(dāng)共補(bǔ)電容切除完畢，才開(kāi)始切除分補(bǔ)電容。此電容器切除延時(shí)的一分鐘時(shí)間可以由用戶(hù)自行設(shè)定。為了保證電容的安全性，程序設(shè)計(jì)中當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓及諧波含量超標(biāo)的情況，自動(dòng)均切除電容。(過(guò)壓值、欠壓值、諧波含量目標(biāo)值軟件中均可以設(shè)定)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件中包括了主程序、初始化程序、定時(shí)中斷程序及各任務(wù)程序。采用多任務(wù)的設(shè)計(jì)思想，包括ATT7022B讀寫(xiě)任務(wù)，電量參數(shù)計(jì)算分析任務(wù)，LCD顯示任務(wù)，按鍵判斷任務(wù)，E2PROM讀寫(xiě)任務(wù)，電容投切控制任務(wù)。在程序運(yùn)行中以上任務(wù)分別循環(huán)進(jìn)行，提高了程序的可移植性和可讀性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)基于電能計(jì)量芯片ATT7022B和PIC18F4520芯片設(shè)計(jì)的新型無(wú)功補(bǔ)償器，采用無(wú)功功率為主判據(jù)，三相共補(bǔ)和單相分補(bǔ)相結(jié)合的控制策略。該補(bǔ)償器在試運(yùn)行中能精確地測(cè)量當(dāng)前的各種電量參數(shù)，準(zhǔn)確地輸出控制電容的投切，避免了早期無(wú)功補(bǔ)償器的不足，并且無(wú)功補(bǔ)償器市場(chǎng)中具有較高的性?xún)r(jià)比。

[1]王琳基,王蘇潭,等.諧波狀態(tài)下電容柜損壞原因分析及采用措施[J].電氣應(yīng)用,2008,(8)：76～78.

[2]鉅泉光電科技(上海)有限公司.ATT7022B用戶(hù)手冊(cè)中文版[EB/OL].http://www.hitrendtech.com/download/210-SD-109_V1.0%20ATT7022B用戶(hù)手冊(cè)中文版.pdf.

[3]鉅全光電科技(上海)有限公司.ATT7022B應(yīng)用中文筆記[EB/OL].http://www.hitrendtech.com/download/260-CS-103%20V1.0%20ATT7022B應(yīng)用筆記中文版.pdf.

[4]王丁,王斌,江修.基于ATT7022B的配變監(jiān)控終端的研究[J].開(kāi)發(fā)研究與設(shè)計(jì)技術(shù)，2007，(1):1073～1075.

[5]呂曉潔.智能低壓TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究[D].西安：西安科技大學(xué)學(xué)位論文，2007.