基于單片機的功率因數(shù)補償控制器硬件的研究

蔣科芬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710000）

(Aircraft Strength Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi)

基于單片機的功率因數(shù)補償控制器硬件的研究

蔣科芬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710000）

為了減小電網(wǎng)中感性負載造成的電量損耗，在分析了現(xiàn)有功率因數(shù)補償控制器的補償效果后，設(shè)計了一種通過單片機控制四組電容器組，自動控制投切進行補償?shù)墓β室驍?shù)補償控制器。

功率因數(shù)；單片機；功率補償

1．引言

隨著近年來電力負荷的迅速增長，電網(wǎng)的功率因數(shù)和電壓降低，使得電器設(shè)備得不到充分的利用。在電網(wǎng)中，無功補償要保持平衡，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓下降，電能質(zhì)量得不到保證，嚴重損壞了設(shè)備。為了改善用戶的用電質(zhì)量，發(fā)揮供電設(shè)備的效益，大大降低用電成本。陜西高科電力電子有限公司特試制了以下這種功率因數(shù)補償控制器。

本控制器是以 C8051F系列的單片機為核心，可以自動檢測出電網(wǎng)的功率因數(shù)值cosφ，和電氣設(shè)備所需要的功率因數(shù)cosφ0進行比較，在允許的誤差Δcosφ范圍內(nèi)自動控制投切電容器進行功率因數(shù)的補償，使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在最佳狀態(tài)。除此之外，其滿足脈沖或周期性負荷動態(tài)功率因數(shù)補償?shù)男枰?，不但系統(tǒng)運行參數(shù)可通過面板自帶按鈕來設(shè)定，而且保護功能完善，達到使用方便、現(xiàn)場調(diào)試工作量小、運行效果好的目的，從而提高電網(wǎng)電能質(zhì)量和輸電能力。

2．功率因數(shù)補償控制器的技術(shù)要求

本控制器的工作電源電壓：220V 50Hz，對應(yīng)電網(wǎng)線電壓輸入交流電壓：100V 50Hz，對應(yīng)電網(wǎng)相電流輸入交流電流：0---5A?？筛鶕?jù)輸入電壓與電流計算有功、無功功率和功率因數(shù)，實時顯示有功、無功功率和功率因數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果與電容容量配備情況決定投入哪路補償電容。按電容實際分組數(shù)通過面板觸摸開關(guān)輸入電容參數(shù)、功率因數(shù)上、下限、保護參數(shù)；可對電容的運行狀況進行監(jiān)控和報警，實時顯示電容的投切情況。輸出可直接帶動繼電器控制高壓接觸器對電容進行合分控制。面板儀表式結(jié)構(gòu)，便于安裝；輸入與輸出線統(tǒng)一置于表后蓋，帶與計算機的通信接口，可通過上位機進行設(shè)定與控制。有保護時一次切除所有支路電容的開關(guān)量輸入口，可控制最多8路電容，分為兩段控制。

3．硬件電路的工作原理

本控制器由中央處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、邏輯控制單元、電源模塊、信號采集模塊、投切控制單元以及開關(guān)量輸出和顯示等部分組成。系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)整體框圖

首先將電網(wǎng)的電壓及電流信號通過霍爾傳感器進行采集，通過數(shù)據(jù)處理模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換及功率因數(shù)的測定，再將信號送人中央處理模塊將測定功率因數(shù)和系統(tǒng)設(shè)定的功率因數(shù)進行比較，進行電容器組的自動投切，使得功率因數(shù)達到最大值。

在信號的采集部分則用霍爾傳感器代替了常用的電壓、電流互感器，霍爾傳感器在精度、線性度及動態(tài)性能上都遠遠的優(yōu)于電壓、電流互感器。而且其還有體積小、重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點。在市場上有各種品牌可供選擇。

由于單片機采用的是TTL電平，而接RS-232通信的典型工作電平是+3V～+12V與—3V～—12V，是不能夠和單片機進行連接的，否則有可能損壞單片機，因此，要實現(xiàn)單片機和計算機之間的RS—232通信，就必須采用相應(yīng)的接口芯片[1]。 MAX232產(chǎn)品是由美國 Maxim公司推出的一款兼容RS—232標準的芯片。該器件包含兩個驅(qū)動器，兩個接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA—232—F電平，該器件符合TIA/EIA—232—F標準。一片 MAX232支持兩路RS—232串口同時全雙工通信。單片機的信號從11、12引腳輸入，轉(zhuǎn)換為RS—232電平后從14、7引腳輸出；RS—232電平信號從13、8引腳輸入，轉(zhuǎn)換后的TTL電平從12、9引腳輸出。 MAX232有商業(yè)級到工業(yè)級的不同信號芯片，商業(yè)級芯片工作溫度范圍為0～70℃，工業(yè)級芯片的工作溫度范圍為40～85℃。 MAX232具有2000V的ESD保護，是一款低成本的RS—232轉(zhuǎn)換芯片。同樣的， MAX485接口芯片是 Maxim公司的一種RS—485芯片。而RS—485協(xié)議正是針對遠距離、高靈敏度、多點通訊制定的標準。RS—485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為100 Mbps。而且其接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，大大增強了抗共模干擾能力。兩芯片及外圍電路如圖2所示：

圖2 RS485、RS232通信模塊

現(xiàn)中央處理模塊選用的是 C8051F系列的單片機[2]，由于其具有與8051兼容的 CIP-51微處理器內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運行速度是8051的12倍，全指令集運行速度是原來的9.5倍。所以其與傳統(tǒng)的單片機相比具有一定的優(yōu)勢。但是由于 C8051F系列的單片機是3.3V低功耗、高速單片機，與傳統(tǒng)的5V供電低速單片機在引腳處理以及P CB布板方面會有一定的區(qū)別，所以在實際的運用中要特別注意這一點。

在數(shù)據(jù)處理部分則采用的是一種精度高且功能強的多功能防竊電三相電能專業(yè)芯片ATT7022EU[3]，它集成了7路二階sigma-deltaAD C，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流或其它防竊電參數(shù)的采樣，輸出采用數(shù)據(jù)和有效值，使用十分方便。并且其內(nèi)部集成了7路19位A/D轉(zhuǎn)換器，可方便地用于其轉(zhuǎn)換。ATT7022EU芯片內(nèi)包含一套電源監(jiān)控電路，可以連續(xù)地對模擬電源（AV C C）進行監(jiān)控，當(dāng)電源電壓低于2.5V±5%時，芯片將被復(fù)位。這有利于電路上通電和掉電時芯片的正確啟動和正常工作。電源監(jiān)控電路被安排在延時和濾波環(huán)節(jié)中，這在很大程度上防止了由電源噪聲引發(fā)的錯誤。該芯片還集成了參考電壓電路以及所有包括基波和全波的各項電參數(shù)測量的數(shù)字信號處理電路，可進行有功功率、無功功率和功率因數(shù)的計量，它集合了多種功能，但是價格低廉。ATT7022EU封裝為44腳LQFP形式，外圍硬件電路主要包括電源、電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出及SPI通訊接口等電路。其芯片及外圍電路如圖3所示：

圖3 有功無功計量模塊電路圖

隔離輸入輸出模塊主要采用的是光電耦合器，其中一個重要特性是其輸入端連接的電路可以和其輸出端的電路完全隔開，并且在這兩個電路之間可以安全地存在成百上千伏的電位差而不會對光電耦合器的工作產(chǎn)生不利影響，這種光電耦合器主要用于低壓到高壓（或反過來）信號的耦合。還可替代低功率的繼電器和脈沖變壓器。光電耦合器的另外一個重要的特性就是其信號的傳遞是單向的，輸出端即使有很強的干擾和噪聲，也不會影響反饋到輸入端。

光電耦合器的應(yīng)用主要有：電平的轉(zhuǎn)換、隔離作用、運用于邏輯門電路。

4．結(jié)論

采用 C8051F系列的單片機為控制中心的智能型功率因數(shù)自動補償控制器，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的電氣參數(shù)的測量、運算、判斷以及功率因數(shù)的自動補償功能。用戶可以通過面板上的按鈕對功率因數(shù)值進行設(shè)定，而系統(tǒng)通過周期性地測量功率因數(shù)，有針對性地對系統(tǒng)的功率因數(shù)進行補償，達到用戶所需的功率因數(shù)，滿足功率因數(shù)的動態(tài)需要，使系統(tǒng)穩(wěn)定地運行。

[1]翁獻進．RS232、RS422/RS485串行通信標準及其在火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用實踐[J]．科技信息，2010，(10)．

[2]魏敏．基于C8051F040及FPGA的總線隔離器測試臺[J]．計算機測量與控制，2013，(12)．

[3]杜運福．基于STM32與ATT7022E的用電智能采集模塊設(shè)計[D]．蘇州：蘇州大學(xué)，2013．

Enhance Knowledge Management through a Unified Search Platform

Wang Xiaohong

With the development of electronic information technology,diversified knowledge platforms in enterprise have been built,including scientific and technical journals,standard libraries and digital libraries.The amount of data also varies from hundreds of thousands to millions.Users when looking for information or documents often need to switch between multiple systems. How to find a quick and effective knowledge acquisition mechanism to integrate and enhance the unity of knowledge management has become an urgent demand for many enterprises.This paper describes the enterprise information retrieval to build a unified platform,realizing multi-dimensional search on the information distributed in various application systems,to improve query efficiency and provide a strong support for the enhancement of the level of classification and management of knowledge.

unified search;knowledge management;integration;efficiency

(Aircraft Strength Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi)

蔣科芬，女，陜西榆林人，研究生，研究方向：特種電源及微機控制技術(shù)。