基于F410的礦井低壓無功補償控制器的研制

楊 意 于 群

（山東科技大學信息與電氣工程學院，山東 青島 266590）

在我國煤礦井下低壓（660V、1140V）供電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)負載為感性負載。因此，煤礦井下的功率因數(shù)非常低，普遍在0.5～0.7之間。特別是在設備起動瞬時，功率因數(shù)甚至低至0.3。這導致井下供電末端電壓非常低，起動瞬間只有空載電壓的 67%左右，是正常運行電壓的75%左右，這極易造成設備損壞，影響設備的生產(chǎn)效率和使用壽命。因此，為了提高井下供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定末端供電電壓，同時達到降低損耗、節(jié)約能源的目的，必須采取快速有效的無功補償方法，改善煤礦井下供電狀況，提高電能質(zhì)量。

本設計是基于 Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的C8051F410單片機，應用電力電子技術控制晶閘管的過零投切，有效克服了沖擊電流對電網(wǎng)的影響，而且響應速度快，對設備起動瞬時和正常運行時進行快速有效的無功補償，提高井下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 控制器的組成

1.1 主控制芯片的選擇

本控制器以C8051F410單片機為主控制芯片，具有 1個 12位 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度可達200ksps，最高支持24通道模擬信號輸入。包含32KB的片內(nèi)flash儲存器和2304字節(jié)片內(nèi)RAM。芯片可以在工業(yè)溫度范圍（-40℃～+85℃）內(nèi)用 2.0～2.75V的工作電壓穩(wěn)定工作。

與普通80C51單片機相比，它具備控制系統(tǒng)所需的豐富模擬和數(shù)字外設，包括看門狗、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準輸出、定時器、PWM等，并具備多種總線接口，包括UART、SPI、SMBUS總線以及CAN總線。運行速度快，穩(wěn)定性高。采用流水線處理（pipe line）技術，執(zhí)行效率高，它的峰值速度可達50MIPS。它比DSP數(shù)字信號處理器相比它的價格便宜，技術成熟，運行穩(wěn)定，完全滿足快速無功補償?shù)囊蟆?/p>

1.2 硬件框圖

低壓無功補償控制器的組成主要包括前向通道（電量采集和調(diào)理電路）、單片機、晶閘管驅(qū)動模塊、顯示模塊、鍵盤控制、EEPROM、通信模塊等。

控制器框圖如圖1所示。

圖1 控制器框圖

1.3 CPU外圍電路的設計

C8051F410單片機是32引腳的LQFP封裝，最高支持24通道模擬信號輸入。本控制器分別使用其P2.1至P2.6端口作為三相電壓電流數(shù)據(jù)采集的模擬量輸入通道，P2.0端口作為上拉電壓的數(shù)據(jù)采集的模擬量輸入通道，引腳2和引腳32作為C2調(diào)試端口，P1.2/VREF端口作為內(nèi)部基準電壓輸出管腳，提供上拉電壓的電壓源。

圖2 CPU引腳接線及外圍電路

P1.3至P1.6端口作為鍵盤信號輸入通道，P1.7和P0.3端口分別提供EEPROM和顯示模塊的片選信號，P0.2 、P0.1及 P 0.0端口分別提供 E EPROM和顯示模塊的串行數(shù)據(jù)輸入、輸出和時鐘信號，P0.4至P0.6端口作為單片機UART通信端口，電路圖如圖2所示。

1.4 前向通道的設計

由于本無功補償器應用于煤礦井下低壓660V、1140V的供電系統(tǒng)中，選用型號為TV31C 2mA/2mA的微型電流型電壓互感器，因此電壓互感器的一次側(cè)串聯(lián)一個680k?的電阻。經(jīng)過互感器轉(zhuǎn)換到二次側(cè)的電流為

660V時：I1=660V/680k Ω=0.971mA

1140V時：I1=1140V/680kΩ=1.676mA。

在二次側(cè)并聯(lián)一個大小為 100?的電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸入單片機A/D轉(zhuǎn)換 I /O口中，電壓的有效值為

660V時：U1=0.971mA× 100Ω=0.0971V；

1140V時：U1=1.676mA× 100Ω=0.1676V 。

電壓信號A/D轉(zhuǎn)換前向通道如圖3所示。

圖3 電壓信號A-D轉(zhuǎn)換前向通道

電流信號 A-D轉(zhuǎn)換前向通道與電壓信號的相似，同樣是在二次側(cè)并聯(lián)一個電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于篇幅問題，不再贅述。

為了方便單片機A-D轉(zhuǎn)換，本設計在電壓互感器的二次側(cè)加上大小為1.1V的直流信號上拉電壓，由單片機的內(nèi)部電壓基準VREF口輸出2.2V的電壓分壓得到。

R3和C1取值分別是100?和0.1μF，是一組低通濾波回路。

為了防止輸入單片機 I/O口的電壓過大，在濾波電路之后加一個擊穿電壓為3.3V的穩(wěn)壓管，起保護單片機的作用。

在電壓信號濾波之后，加一個電壓跟隨器，將前后兩級隔開，對輸入電壓其緩沖隔離的作用，防止電壓的突變影響單片機的穩(wěn)定工作。

1.5 晶閘管驅(qū)動器電路的設計

晶閘管驅(qū)動器的常規(guī)設計是將大功率雙向晶閘管光電耦合器直接并聯(lián)到交流電壓中，來驅(qū)動晶閘管的投切。本設計中的晶閘管驅(qū)動器采用夏普公司的PC817光電耦合器隔離上下兩級電流信號，用驅(qū)動晶閘管觸發(fā)模塊來觸發(fā)晶閘管，優(yōu)點是使光電耦合器與交流電壓隔離，使其承受的耐壓大大減小，延長了光電耦合器的壽命，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。電路圖如圖4所示。

圖4 晶閘管驅(qū)動器電路圖

晶閘管觸發(fā)模塊采用+12V直流供電，其內(nèi)部本身有過零觸發(fā)模塊，其 K1、K2端口接在雙向晶閘管對的兩端，以檢測過零電流，實現(xiàn)晶閘管的過零投切，大大減少了投切過程中沖擊電流的產(chǎn)生，有效減少了投切過程中對電網(wǎng)的沖擊。

但是在過零投切的情況下，電容電壓等于電源電壓，電流由零直接躍變成穩(wěn)態(tài)電流，盡管電流幅值可能不大，但是由于時間極短，di/dt的值很大，仍然可能會損壞晶閘管，所以應串聯(lián)電抗器來抑制電流的突變。

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2.1 無功補償?shù)乃惴?/h3>

無功補償控制器的單片機根據(jù)A-D轉(zhuǎn)換采集到的實際交流電壓電流信號，為了提高計算速度，常采用遞推的傅里葉算法，其基本原理如下：

假定對被采樣信號每周期采樣點數(shù)為 N，采樣間隔Ts=，則在一個基波周期后的ts=mT( m＞N)采樣時刻的計算值為

式中，an( m)、bn( m ) 分別為第n次諧波分量在t=mTs采樣時刻計算的正、余弦項的幅值；x( i+m-N)為t=(i+m-N) Ts(i=1, 2…, N)時刻的采樣值。

以上兩式與t=(i+m-N) Ts采樣值的計算公式只差x( m-N ) 和x( m)兩項。據(jù)此，有下列遞推公式

以上兩式的運算只需要2次乘法和4次加減法，且與N選取無關，極大地減少了運算量，因此具有廣泛的使用價值。

通過以上方法得到電壓、電流值后，就能很方便地計算出無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)。

傅里葉算法原理簡單，計算精度高，本身具有較強的濾波作用，在電能質(zhì)量復雜的環(huán)境下得到廣泛的應用。

2.2 控制策略

根據(jù)選擇控制量的不同，無功補償可分為多種控制方式，如根據(jù)電網(wǎng)電壓、功率因數(shù)，無功功率等電量的大小及變化情況來控制電容器的投切。但是在實際工程中，單純根據(jù)某一種電量參數(shù)來進行無功補償控制不足以滿足準確性的要求，例如：如果在負載電流很小的情況下，單一依靠功率因數(shù)這一電量參數(shù)來控制電容器的投切，很容易造成投切振蕩的現(xiàn)象。所以比較合理的控制策略應該滿足 5點要求：①最大限度的利用補償設備來提高功率因數(shù)，提高設備的利用率；②不發(fā)生過補。過度無功補償對電網(wǎng)電壓有明顯的太高作用，大大減小電力設備的使用壽命。另外，過補還會增加無功電流，增加線路損耗；③不發(fā)生投切振蕩。投切振蕩減小電容器的使用壽命，甚至會嚴重威脅電網(wǎng)的安全，對電網(wǎng)是十分不利的；④無沖擊投切。即上文所述的過零投切；⑤補償應該迅速準確。電容器的投切應根據(jù)計算量，將適合的電容器組投入或切除，迅速簡潔，一步到位，減少投切次數(shù)，不應按最小步進遞增或遞減。

根據(jù)以上5點，本設計方案采取一種復合性投切策略，即以負荷無功功率控制為主，以系統(tǒng)電壓作為輔助判斷。無功功率控制方式響應速度快，補償目標直接，但未考慮到電網(wǎng)實際運行水平；系統(tǒng)電壓控制方式依據(jù)電網(wǎng)實際運行狀態(tài)，能夠得到更準確的補償效果，但是補償?shù)娜萘恳?jīng)過復雜的計算，不利于快速響應。因此，這兩種控制方式的結合既能快速響應，又能準確補償。

經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)處理，得到電網(wǎng)電流電壓值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等判斷無功補償?shù)年P鍵數(shù)據(jù)參數(shù)，再與已經(jīng)設定好的參數(shù)進行比較，根據(jù)按無功功率控制，按電壓校正的控制策略，確定電容器組的投切情況。其具體運行框圖如圖5所示。

圖5 控制策略運行框圖

3 結論

基于 F410的礦下低壓無功補償控制器適用于礦下660～1140V電壓等級的無功補償控制，其計算速度快，精度高，其無觸點的投切方式減少沖擊電流的產(chǎn)生，極大地改善井下的供電質(zhì)量，提高了井下設備運行的安全性和穩(wěn)定性。

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