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[導(dǎo)讀]摘要:以三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022A和一種高性能低功耗的AVR單片機(jī)atmega128為核心,設(shè)計(jì)一種無功補(bǔ)償控制器。該控制器能實(shí)時(shí)測量電網(wǎng)的電流電壓值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù),根據(jù)實(shí)際情況,準(zhǔn)確的控

摘要:以三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022A和一種高性能低功耗的AVR單片機(jī)atmega128為核心,設(shè)計(jì)一種無功補(bǔ)償控制器。該控制器能實(shí)時(shí)測量電網(wǎng)的電流電壓值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù),根據(jù)實(shí)際情況,準(zhǔn)確的控制電容器的投切,能有效的提高線路功率因數(shù)、較少損耗,改善電網(wǎng)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞:無功補(bǔ)償;ATT7022A;控制器;功率因數(shù)

    在工業(yè)和生活用電負(fù)載中,阻感負(fù)載占有很大的比例。異步電動(dòng)機(jī)、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負(fù)載。異步電動(dòng)機(jī)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(fù)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。最合理的方法就是在這些感性設(shè)備附近及線路適當(dāng)位置并聯(lián)電容器組來進(jìn)行無功補(bǔ)償。在電力系統(tǒng)中,采用無功補(bǔ)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(shè)備利用率的重要手段之一。

1 以ATT7022A為核心的無功補(bǔ)償器介紹
    進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)那疤崾悄軠?zhǔn)確地測量電網(wǎng)的運(yùn)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(jì)量芯片,適用于三相三線和三相四線應(yīng)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(shí)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(gè)SPI接口,方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的傳遞,所有的計(jì)量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。用它能準(zhǔn)確地采集這些參數(shù),并且精度高,軟件設(shè)計(jì)簡單,內(nèi)部框圖如圖1所示。


    文中所介紹的無功補(bǔ)償控制器是基于三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022A來實(shí)現(xiàn)的,控制芯片為atmel公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)ATmega128和ATme ga16相比,它是AVR8位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片機(jī),并有53個(gè)可編程IO口,在設(shè)計(jì)液晶顯示和驅(qū)動(dòng)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(jìn)行無功補(bǔ)償,自動(dòng)投切電容器,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的自動(dòng)無功補(bǔ)償,提高輸電效率。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    控制器的硬件電路設(shè)計(jì)主要有電壓電流檢測電路、電源電路、驅(qū)動(dòng)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(hào)送到了ATT7022A上。ATT7022A提供一個(gè)SPI接口,所有的計(jì)量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出,單片機(jī)根據(jù)這些參數(shù)來判斷功率因數(shù),決定是否進(jìn)行無功補(bǔ)償,并把信號(hào)傳送給電容投切模塊。


    檢測電路如圖,該模塊主要是采集電網(wǎng)的電壓、電流信號(hào),電壓輸入U(xiǎn)A UB UC UN,量程0~220V。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(hào)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(hào)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(hào)處理等電路,并分別將實(shí)測值存放在相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間,并通過SPI與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,無需在系統(tǒng)軟件中進(jìn)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(jì)算效率。


    電源電路設(shè)計(jì)如圖4所示,采用24V開關(guān)電源,它是高頻逆變開關(guān)電源中的一個(gè)種類。開關(guān)電源輸入為200~240VAC,輸出為正24V電壓,供驅(qū)動(dòng)芯片MCl413使用。再用MC34063DC/DC變換器,可實(shí)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(diǎn)匯集在一起,此時(shí)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(shí)候,區(qū)分?jǐn)?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。


    電容投切單元。通過對(duì)ATT7022A測量出來的無功功率或功率因數(shù)分析,決定是否進(jìn)行無功補(bǔ)償,即投切電容器,本控制器采用晶閘管控制電容器進(jìn)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(shí),觸發(fā)晶閘管會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊,為了防止在投切電容器時(shí)產(chǎn)生涌流,在晶閘管兩端電壓為零時(shí)投入,電流為零時(shí)切除,對(duì)無功功率實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。


    驅(qū)動(dòng)芯片選用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC1413,它是大電流達(dá)林頓陳列反向驅(qū)動(dòng)器,工作電壓高,灌電流可以達(dá)到500mA,并能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50 V的電壓。如圖所示,MC1413在輸入為1時(shí),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(gè)脈沖變壓器,可以驅(qū)動(dòng)可控硅打開,反之則關(guān)閉。


    晶閘管控制電容器,每兩個(gè)晶閘管連接一個(gè)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(gè)MC1413芯片,可以控制12個(gè)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(jī)通信,主要用來進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)時(shí)間的校準(zhǔn),并接受上位機(jī)發(fā)出的投切等操作命令。
    人機(jī)接口單元。人機(jī)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(shè)定工作參數(shù)、切換顯示內(nèi)容和設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間,也可特殊情況下實(shí)現(xiàn)電容器的手動(dòng)投切,鍵盤采用I/O口直接驅(qū)動(dòng)。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(yùn)行狀態(tài)及諧波狀況等。

3 軟件流程設(shè)計(jì)
    采用ATT7022A計(jì)量芯片,單片機(jī)無需進(jìn)行任何復(fù)雜的運(yùn)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(zhǔn)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(yùn)算量大大降低,并且大大的簡化了軟件程序設(shè)計(jì),使系統(tǒng)的運(yùn)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(jìn)行補(bǔ)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。控制器的控制策略是根據(jù)計(jì)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(shè)定值比較,決定電容器是分相投切還是三相同時(shí)投切,電容器投切時(shí),采取“先投先切,先切先投”的原則,防止對(duì)一組電容器組的頻繁投切,保證電容器安全,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

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(shí)需要進(jìn)行電壓電流轉(zhuǎn)換。如測量0.4 kV,500 KVA的負(fù)載時(shí),其額定電流大約為700 A,因此可以選用電流互感器的型號(hào)為LMZJ1000/5的電流互感器,變比為200。程序中對(duì)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(shí)測的電參數(shù)。
    測量10 kV,200 A的負(fù)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(duì)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(shí)際的測量參數(shù)。



5 結(jié)論
    以ATmega128單片機(jī)為CPU,ATT7022A為計(jì)量芯片設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償控制器,能精確的計(jì)算出電網(wǎng)的無功功率、有功功率、功率因數(shù),為實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),硬件結(jié)構(gòu)簡單,可靠,同時(shí)減低了對(duì)CPU的要求,精簡了軟件設(shè)計(jì),同時(shí)有能保證穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。
    該控制器只適用于低壓配電網(wǎng)無功功率的補(bǔ)償,對(duì)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(duì)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(shè)計(jì)簡單,成本低,具有良好的市場前景。

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