基于ATT7022A的無功補償控制器設計

楊斌，李宏

（西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710065）

在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的工作性質(zhì)決定的[1]。最合理的方法就是在這些感性設備附近及線路適當位置并聯(lián)電容器組來進行無功補償。在電力系統(tǒng)中，采用無功補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)、減少無功損耗，是改善供電質(zhì)量、提高設備利用率的重要手段之一。

1 以ATT7022A為核心的無功補償器介紹

進行無功補償?shù)那疤崾悄軠蚀_地測量電網(wǎng)的運行狀況，主要有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波狀況等。ATT7022A是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。

它能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足電能數(shù)據(jù)采集的需求。而且提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數(shù)的傳遞，所有的計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。用它能準確地采集這些參數(shù)，并且精度高，軟件設計簡單[2]，內(nèi)部框圖如圖1所示。

圖1 ATT7022A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Internal structure diagram of ATT7022A

文中所介紹的無功補償控制器是基于三相電能專用計量芯片ATT7022A來實現(xiàn)的，控制芯片為atmel公司生產(chǎn)的AVR單片機 ATmega128，和 ATmega16相比，它是 AVR8位系列單片機的最高配置的一款單片機，，并有53個可編程IO口，在設計液晶顯示和驅(qū)動電路上比較方便。該控制器能根據(jù)ATT7022A提供的的有功功率、無功功率、功率因數(shù)來分析判斷是否進行無功補償，自動投切電容器，實現(xiàn)配電網(wǎng)的自動無功補償，提高輸電效率。

2 硬件電路設計

控制器的硬件電路設計主要有電壓電流檢測電路、電源電路、驅(qū)動電路、通信電路及液晶顯示模塊等組成，以Atmega128為控制芯片，可以輕松的完成這些控制功能。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)過互感器后，電壓電流信號送到了ATT7022A上。ATT7022A提供一個SPI接口，所有的計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出，單片機根據(jù)這些參數(shù)來判斷功率因數(shù)，決定是否進行無功補償，并把信號傳送給電容投切模塊。

圖2 控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of Controller

檢測電路如圖，該模塊主要是采集電網(wǎng)的電壓、電流信號，電壓輸入UA UB UC UN，量程0～220 V。電流輸入IA1 IA2 IB1 IB2 IC1 IC2，量程0～5 A。ATT7022A推薦芯片電壓輸入腳上的采樣值為0.2～0.5 V，芯片電流輸入腳上采樣電壓為0.1 V。因此，5 A的電流信號通過5 A/2.5 mA電流互感器把5 A的電流轉(zhuǎn)換成2.5 mA的電流，再經(jīng)過40 Ω的電阻，輸入電壓為0.1 V。220 V的電壓信號通過120 K的電阻，再經(jīng)過2 mA/2 mA電流型電壓互感器，輸出電流大約為2 mA，再經(jīng)過250 Ω的電阻，轉(zhuǎn)換成0.5 V的電壓。ATT7022內(nèi)部集成了7路16位ADC，參考電壓電路和所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，并分別將實測值存放在相對應的存儲空間，并通過SPI與單片機進行數(shù)據(jù)交換，無需在系統(tǒng)軟件中進行編程得出無功功率，這樣不僅節(jié)省了CPU空間，還提高了計算效率[3]。

圖3 電壓和電流輸入通道原理圖Fig.3 Input channel schematic of Voltage and Current

電源電路設計如圖4所示，采用24 V開關電源，它是高頻逆變開關電源中的一個種類。開關電源輸入為200～240 VAC，輸出為正24 V電壓，供驅(qū)動芯片MC1413使用。再用MC34063DC/DC變換器，可實現(xiàn)升壓或降壓電源變換器，把24 V的電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，Atmega128和ATT7022、液晶模塊LCD所需要的電壓都是+5 V。數(shù)字電路與模擬電路，一般要分開，最后一點匯集在一起，此時可以用0歐電阻相連，作用有：1）直接相連的電流通路可能很大，用0歐電阻則可以獲得很窄的電流通路，能有效限制環(huán)路電流，抑制噪聲。2）布線的時候，區(qū)分數(shù)字地與模擬地很麻煩，用0歐電阻分開，可以清楚的分辨數(shù)字地與模擬地。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Voltage conversion circuit

電容投切單元。通過對ATT7022A測量出來的無功功率或功率因數(shù)分析，決定是否進行無功補償，即投切電容器，本控制器采用晶閘管控制電容器進行投切。由于電容器兩端電壓不能突變，電網(wǎng)電壓和電容器電壓差值較大時，觸發(fā)晶閘管會產(chǎn)生很大的電流沖擊，為了防止在投切電容器時產(chǎn)生涌流，在晶閘管兩端電壓為零時投入，電流為零時切除，對無功功率實時動態(tài)補償。

驅(qū)動芯片選用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC1413，它是大電流達林頓陳列反向驅(qū)動器，工作電壓高，灌電流可以達到500 mA，并能夠在關態(tài)時承受50 V的電壓。如圖所示，MC1413在輸入為1時，輸出為0，這樣三極管在電阻的分壓下，發(fā)射極、基極和集電極之間形成壓降，連通發(fā)射極和集電極，輸出+24 V的電壓，通過一個脈沖變壓器，可以驅(qū)動可控硅打開，反之則關閉[4]。

晶閘管控制電容器，每兩個晶閘管連接一個電容器，圖中所示為一路晶閘管輸出，G1、K1分別接晶閘管的門極和陰極，控制器用兩個MC1413芯片，可以控制12個晶閘管共6組，可以控制6組電容器投切。

通信模塊。其電路采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片max232，用于與上位機通信，主要用來進行電網(wǎng)運行參數(shù)和系統(tǒng)運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)時間的校準，并接受上位機發(fā)出的投切等操作命令。

人機接口單元。人機接口單元包括鍵盤輸入和液晶顯示兩部分。鍵盤部分用于設定工作參數(shù)、切換顯示內(nèi)容和設置時鐘時間，也可特殊情況下實現(xiàn)電容器的手動投切，鍵盤采用I/O口直接驅(qū)動[5]。液晶顯示功能主要顯示電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電容的運行狀態(tài)及諧波狀況等。

圖6 電源電路原理Fig.6 Principle of Power Circuit

圖7 驅(qū)動電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of Driving Circuit

3 軟件流程設計

采用ATT7022A計量芯片，單片機無需進行任何復雜的運算，測量數(shù)據(jù)直接提供，并且可以提供四象限功率測量參數(shù)，可準確測量到21次以上諧波。CPU不涉及A/D采樣數(shù)據(jù)的處理，這使CPU的運算量大大降低，并且大大的簡化了軟件程序設計，使系統(tǒng)的運行更加可靠。

在電力傳輸過程中，電力系統(tǒng)功率因數(shù)一般大于0.95，如果功率因數(shù)小于0.95就要進行補償。功率因數(shù)是投切的依據(jù)，若功率因數(shù)低于0.95，則投入電容器，若大于1.0，切除電容器?？刂破鞯目刂撇呗允歉鶕?jù)計量芯片提供的有功功率、無功功率等參數(shù)，分析電網(wǎng)的功率因數(shù)是否低于0.95，電網(wǎng)是否過壓或者欠壓等，通過與設定值比較，決定電容器是分相投切還是三相同時投切，電容器投切時，采取“先投先切，先切先投”的原則，防止對一組電容器組的頻繁投切，保證電容器安全，實現(xiàn)電網(wǎng)的正常運行[6]。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Flow chart of system software

4 控制器測量大電流大電壓的方法

控制器的電壓輸入范圍為0～220 V，電流的輸入范圍為0～5 A，所以測量大電流大電壓時需要進行電壓電流轉(zhuǎn)換。如測量0.4 kV，500 KVA的負載時，其額定電流大約為700 A，因此可以選用電流互感器的型號為LMZJ 1000/5的電流互感器，變比為200。程序中對讀取的電流、有功功率、無功功率、視在功率乘以 變比200，就是實測的電參數(shù)。

測量10 kV，200 A的負載，電壓和電流都不能直接測量，需要加電壓互感器和電流互感器，可以選用變比為100的電壓互感器，變比為50電流互感器，如下圖接線。程序中，對讀取的電壓乘以變比100，讀取的電流、有功功率、無功功率、視在功率乘以 變比50，就是實際的測量參數(shù)。

圖9 控制器連接互感器接線圖Fig.9 Connection diagram of Controller and Transformer

5 結(jié) 論

以ATmega128單片機為CPU，ATT7022A為計量芯片設計的無功補償控制器，能精確的計算出電網(wǎng)的無功功率、有功功率、功率因數(shù)，為實現(xiàn)無功功率的補償提供了準確的數(shù)據(jù)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，可靠，同時減低了對CPU的要求，精簡了軟件設計，同時有能保證穩(wěn)定性好的特點。

該控制器只適用于低壓配電網(wǎng)無功功率的補償，對于測高電壓大電流的方案，文中也給出了測量方法及接線圖。該控制器對改善電網(wǎng)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)損耗有良好的效果，并且設計簡單，成本低，具有良好的市場前景。

[1]王兆安.諧波抑制和無功功率補償[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

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