基于單片機(jī)的智能動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置研究

張貴生 周孟然 朱艷娜

（1.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

目前，工礦企業(yè)對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的要求越來(lái)越高，電動(dòng)機(jī)、變壓器等感性負(fù)載的使用量也在日益增加，大量感性負(fù)載向電網(wǎng)吸收有功功率的同時(shí)，還吸收大量的無(wú)功功率，這不僅降低了電網(wǎng)功率因數(shù)和電子設(shè)備利用率，同時(shí)也增加了電能損耗[1]。因此，本文通過(guò)在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器來(lái)補(bǔ)償感性負(fù)載所需的無(wú)功功率，其目的就是為了減少電損，降低電壓波動(dòng)和諧波，穩(wěn)定電網(wǎng)，提高供電可靠性。

1 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?/h2>

在供電電網(wǎng)中，電源需向感性負(fù)載提供適量的無(wú)功功率，這就在很大程度上降低了供電設(shè)備的運(yùn)行效率，造成供電線路電能大量損失。為了提高電網(wǎng)利用率，節(jié)約電能，本文通過(guò)在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器的方法來(lái)補(bǔ)償感性負(fù)載所需的無(wú)功功率，該裝置可以為感性負(fù)載提供無(wú)功功率，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，減少電能損耗，這就是無(wú)功補(bǔ)償。在供電電網(wǎng)中，發(fā)電機(jī)輸出的電功率可分為三種：有功功率、無(wú)功功率和視在功率[2]。

①有功功率又稱為平均功率，在電網(wǎng)供電電路中電阻實(shí)際消耗的電功率稱為有功功率，其計(jì)算公式為：

即功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。

②無(wú)功功率：在含有電感或電容的電網(wǎng)中，電源首先給電感或電容充電，并將電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)或電場(chǎng)的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，待充電結(jié)束后，電感或電容又將儲(chǔ)存的能量釋放給電源，在整個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，電能并沒(méi)有損耗，只是在不同時(shí)刻以不同形式的能量?jī)?chǔ)存在電源、電感或電容之中，我們把這種沒(méi)有損耗的能量交換的振幅值稱為無(wú)功功率[2-3]。

在電網(wǎng)電路中，當(dāng)電壓波形和電流波形都為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，且負(fù)載為具有純電阻特性的線性負(fù)載時(shí)，電壓和電流的瞬時(shí)值表達(dá)式為

式中U——電壓有效值；I——電流有效值；Φ——電流滯后相角若按有無(wú)做功來(lái)分，則可以將電流i分解成以下兩個(gè)部分

其中，電流ip是與電壓u同相的有功電流，iq是與電壓u相差90°相位角的無(wú)功電流。

由式（2）和式（3）可得瞬時(shí)功率p的表達(dá)式

上式中，p1=UI cosΦ（1-cos2ω1t）是非正弦周期功率，是不可逆分量；p2=-UI sinΦsin2ω1t是正弦波形功率，周期內(nèi)正負(fù)時(shí)間各占一半，因此有

即正弦波功率在一個(gè)周期內(nèi)的積分為零，且是可逆分量。

③視在功率：視在功率等于供電電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)端口處電壓有效值和電流有效值的乘積，即

式中，P是有功功率，cosΦ是功率因數(shù)。

2 基于單片機(jī)的智能動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的方案實(shí)施

智能動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置是維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、保護(hù)電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全運(yùn)行必不可少的保護(hù)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)的基本原理是：將容性負(fù)載與感性負(fù)載并聯(lián)，電能在這兩種負(fù)載之間相互轉(zhuǎn)換，利用這種方法就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)感性負(fù)載所需無(wú)功功率的補(bǔ)償[4]。

本裝置的設(shè)計(jì)電路由主控制器、A/D轉(zhuǎn)換、檢測(cè)電路（電流和電壓檢測(cè)器）、功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、過(guò)零觸發(fā)模塊、同步開(kāi)關(guān)器件、人機(jī)接口電路和放電保護(hù)系統(tǒng)等模塊組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

（1）主控制器：本裝置以AT89C51單片機(jī)芯片為主控制器，用于控制整個(gè)電路，并實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量負(fù)載電壓、電流、無(wú)功功率和功率因數(shù)，然后將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析、邏輯判斷和實(shí)時(shí)控制，最后選定最佳補(bǔ)償效果的補(bǔ)償方式并通過(guò)指令控制過(guò)零觸發(fā)模塊，用以判斷同步開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)刻，從而可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的無(wú)功補(bǔ)償。

（2）檢測(cè)電路：主要包含電流檢測(cè)器和電壓檢測(cè)器，其中的多路開(kāi)關(guān)可用于檢測(cè)電路中負(fù)載的電流和電壓，然后把采集到的電信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸送給單片機(jī)主控制器，在完成數(shù)據(jù)分析和邏輯判斷之后，單片機(jī)發(fā)出系統(tǒng)控制指令用于控制過(guò)零觸發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)同步開(kāi)關(guān)投切，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償[5]。

（3）功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)：在功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)整形、同步周期測(cè)量、相位測(cè)量等計(jì)算后，把所得數(shù)據(jù)送入單片機(jī)中進(jìn)行邏輯分析、判斷，并得出被測(cè)電路的功率因數(shù)。這種設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了功率因數(shù)測(cè)量電路的結(jié)構(gòu)，又增強(qiáng)了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和快速性。

同步開(kāi)關(guān)器件用以控制電容器，可以使電容器的開(kāi)關(guān)接點(diǎn)在需要的時(shí)刻準(zhǔn)確的斷開(kāi)或閉合，并且可以實(shí)現(xiàn)電容器的無(wú)涌流投入[6]，在電流為零的時(shí)刻斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)接點(diǎn)的無(wú)電弧分?jǐn)?。同步開(kāi)關(guān)器件相比復(fù)合開(kāi)關(guān)器件取消了晶閘管組件，這不僅簡(jiǎn)化了器件結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本，而且還避免了晶閘管組件所容易出現(xiàn)的故障，使開(kāi)關(guān)可靠性和準(zhǔn)確性得到了很大的提高。

3 結(jié)語(yǔ)

基于單片機(jī)的智能動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在供電電網(wǎng)中的運(yùn)用，是針對(duì)電網(wǎng)中無(wú)功功率消耗大、電能損耗大、電網(wǎng)利用率低等問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。在實(shí)際電網(wǎng)中的測(cè)試結(jié)果表明，功率因數(shù)大幅提升，電網(wǎng)利用率顯著提高，可以很好地適應(yīng)電網(wǎng)中復(fù)雜的電路。AT89C51單片機(jī)控制芯片的高控制性能，保證了整個(gè)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。采用的檢測(cè)模塊、功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)和過(guò)零觸發(fā)模塊，在測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)良好，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，控制性能良好。本設(shè)計(jì)適合在供電電網(wǎng)中運(yùn)用和推廣。

［1］裘永衛(wèi)．低壓無(wú)功補(bǔ)償配置方案[J]．電氣時(shí)代，2004(3)：38-39．

［2］DL／T5219-2005送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)，2005.

［3］劉雄軍.關(guān)于一種新型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用的研究與探討[J].科園月刊，2008(6).

［4］董國(guó)興.李向東.王福忠.低壓無(wú)功補(bǔ)償電容器的投切條件分析[J].焦作大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,20(1).

［5］姚志坤.低壓無(wú)功補(bǔ)償新技術(shù)的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2009(20).

［6］項(xiàng)遙翔.低壓電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償方式分析[J].黑龍江科技信息，2010(29).