劉 俊 孫祖瓊 譚文兵 蒙鴻培

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

經(jīng)濟(jì)實(shí)用型低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的研制

劉 俊 孫祖瓊 譚文兵 蒙鴻培

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

文章中系統(tǒng)主要功能，是對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)控，與此同時(shí)完成電容器組的投切，自動(dòng)完成無(wú)功功率補(bǔ)償，從而優(yōu)化電能質(zhì)量，減少電網(wǎng)損耗。為簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)，將飛思卡爾系列單片機(jī)MC9S08DZ60作為控制器，ATT7022B芯片用作采集數(shù)據(jù)用。對(duì)電網(wǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償。與現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償裝置相接的是RS232通訊口。這樣控制器能實(shí)現(xiàn)兩種功能，其一為實(shí)現(xiàn)電容器投切控制，其二為遠(yuǎn)程監(jiān)控。文章給出了智能型無(wú)功補(bǔ)償控制器各個(gè)模塊的相關(guān)電路原理圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖。

無(wú)功功率；TSC；過(guò)零投切；功率因數(shù)

1 前言

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)電能的質(zhì)量要求也隨之更高，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)也必將得到更高度關(guān)注。但是電力系統(tǒng)中超過(guò)2/3負(fù)載都為感性，比如電動(dòng)機(jī)，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，感性負(fù)載將耗費(fèi)大量的無(wú)功功率。假設(shè)有功功率一定，則線路功率因數(shù)與流過(guò)的電流成反比，當(dāng)功率因數(shù)越小時(shí)，電流反之越大，這將致使線路上的壓降和損耗等隨之增大。嚴(yán)重時(shí)，將使用戶端使用電壓無(wú)法達(dá)到需求值。針對(duì)感性電抗消耗無(wú)功功率，若在電網(wǎng)中安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，能補(bǔ)償所消耗部分，若沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償，感性負(fù)載消耗的部分需由電網(wǎng)電源供給，再經(jīng)過(guò)線路輸送至感性負(fù)載處。而增加無(wú)功功率補(bǔ)償裝置后，能減少電網(wǎng)中無(wú)功功率流動(dòng)，進(jìn)而降低由此造成的損耗。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及方案

選取容量合適的電容器，選取安裝位置得當(dāng)，能減少無(wú)功功率的輸送。一般做法是在感性負(fù)載附近將電容器并聯(lián)，這樣能使得線路損耗降低且負(fù)載端電壓能得到提升。但是電容的容量都會(huì)有一定限制，若容量超過(guò)一定數(shù)值，將使得線路的功率因數(shù)變?yōu)樨?fù)數(shù)，出現(xiàn)負(fù)數(shù)的后果是補(bǔ)償裝置將向電源端倒送無(wú)功，這是絕對(duì)禁止的。而在低壓配電網(wǎng)中，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，無(wú)功功率需求也將變化，所以研究能根據(jù)此變化而做出自動(dòng)投切的補(bǔ)償電容器，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確補(bǔ)償?shù)难b置具有很重要的意義。無(wú)功補(bǔ)償?shù)卯?dāng)，能提高功率因數(shù)，這對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行也意義重大。本文將針對(duì)此進(jìn)行研究。

如圖 1所示為無(wú)功功率補(bǔ)償控制器的基本邏輯構(gòu)成：分別為檢測(cè)單元、控制單元、執(zhí)行單元和電源。

圖1　無(wú)功功率補(bǔ)償控制器邏輯框圖

其中檢測(cè)單元作用是采集相關(guān)傳感器信號(hào)，例如電流，電壓等，然后對(duì)采集到的信號(hào)做相關(guān)計(jì)算后即可得到功率因數(shù)，無(wú)功功率等，之后需將功率因數(shù)，無(wú)功功率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得主控單元能進(jìn)行有效接收。檢測(cè)單元功能由三相電能計(jì)量芯片ATT7022來(lái)實(shí)現(xiàn)。主控單元負(fù)責(zé)主要運(yùn)算，同時(shí)需做出相應(yīng)投切決策。本處選擇的是飛思卡爾單片機(jī)MC9S08DZ60。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是主控單元需先確定一個(gè)設(shè)定值，然后將設(shè)定值與接收到的檢測(cè)單元發(fā)出的信號(hào)做比較，對(duì)比較輸出的結(jié)果進(jìn)行判斷，進(jìn)而發(fā)出相關(guān)命令，而執(zhí)行單元正是命令的接收單元。執(zhí)行單元分為軟開(kāi)關(guān)（晶閘管）和硬開(kāi)關(guān)（接觸器）兩部分，執(zhí)行單元接到命令后，晶閘管先接通形成回路，緊接著接通接觸器最后在斷開(kāi)晶閘管完成投切開(kāi)關(guān)控制電容組的投切，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償任務(wù)。

選取飛思卡爾MC9S08DZ60和ATT7022芯片，不僅系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，而且整體系統(tǒng)成本也較低。處于持續(xù)工作狀態(tài)的晶閘管，發(fā)熱量大；接觸器的通斷也會(huì)引發(fā)燒結(jié)問(wèn)題。而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的投切電容，能同時(shí)解決上述兩個(gè)問(wèn)題，這對(duì)系統(tǒng)故障率的降低，可靠性的提升和使用壽命的延長(zhǎng)都起著至關(guān)重要的作用。

3 硬件電路

如圖2所示為系統(tǒng)硬件框圖。

圖2　低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器系統(tǒng)框圖

3.1控制器的選擇

中央處理器是飛思卡爾公司生產(chǎn)的 MC9S08DZXX微控制器，飛思卡爾 MC9S08DZXX微控制器最大運(yùn)行頻率為40MHz，60KB Flash，最多支持個(gè)32中斷/復(fù)位源，最大2K的EEPROM在線可編程內(nèi)存；共支持8字節(jié)單頁(yè)，即4字節(jié)雙頁(yè)擦除分區(qū)；執(zhí)行Flash程序的同時(shí)可編程和擦除操作；系統(tǒng)保護(hù)方面 MC9S08DZXX微控制器有靈活的看門狗和片上低功耗RC振蕩器，故障保護(hù)時(shí)鐘監(jiān)控器監(jiān)測(cè)時(shí)鐘失敗并切換到片上低功耗RC振蕩器；控制器功率低，但FLASH運(yùn)行高速，2.5V～5.5V的工作電壓范圍，并且有工業(yè)級(jí)和擴(kuò)展級(jí)的工作溫度范圍，是一款經(jīng)濟(jì)可靠的控制器。

3.2ATT7022電能計(jì)量芯片

ATT7022芯片是一顆三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。芯片內(nèi)部集成了許多常用電路，例如：六路二階ADC delta-sigma、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電路。能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功能量以及無(wú)功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求。支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無(wú)功電能脈沖輸出 CF1、CF2提供瞬時(shí)有功、無(wú)功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正。詳細(xì)校表方法請(qǐng)參考第三部分校表方法?？梢詫?duì)基波有功、無(wú)功功率進(jìn)行測(cè)量，提供脈沖輸出CF3和CF4提供瞬時(shí)基波有功功率以及基波無(wú)功功率信息，可直接用于基波的校正。提供兩類視在能量輸出，RMS視在能量以及PQS視在能量，CF3和CF4也可被配置為視在能量脈沖輸出。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)以及校表參數(shù)的傳遞。

片內(nèi)包含一個(gè)電源監(jiān)控電路，連續(xù)對(duì)模擬電源)AVcc(進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)電源電壓小于4V±5%時(shí)，芯片將會(huì)被復(fù)位。這樣之后能有利于電路上電和掉電時(shí)的正確啟動(dòng)以及正常工作。延時(shí)和濾波環(huán)節(jié)中含有電源監(jiān)控電路，這可以在很大程度上避免因?yàn)殡娫丛肼暥l(fā)的錯(cuò)誤。為保證芯片正常工作應(yīng)對(duì)電源去耦，使AVcc的波動(dòng)不超過(guò)5V±5% 。

3.3投切控制電路設(shè)計(jì)

對(duì)于晶閘管來(lái)說(shuō)，其觸發(fā)方式一般有移相和過(guò)零兩種方式。一般來(lái)說(shuō)，觸發(fā)電路同主回路間都會(huì)存在電的聯(lián)系，那么毫無(wú)疑問(wèn)，若電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)或者電源波形產(chǎn)生畸變，都會(huì)對(duì)觸發(fā)電路產(chǎn)生一定影響。為解決同步問(wèn)題，很多時(shí)候都會(huì)讓電路變得復(fù)雜。針對(duì)此，MOTOROLA公司生產(chǎn)的MOC3021-3081器件可以很好解決這些問(wèn)題。將此器件應(yīng)用于晶閘管觸發(fā)中，具有經(jīng)濟(jì)，可靠且電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了該類光耦器件的MOC3061芯片實(shí)現(xiàn)過(guò)零驅(qū)動(dòng)晶閘管，并實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電跟弱電的隔離。

圖3　電容投切電路

如圖3所示，MOC3061為光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，是光電耦合器的一種類型，作用是驅(qū)動(dòng)雙向可控硅BCR，同時(shí)能對(duì)電路起到隔離作用，R1為觸發(fā)限流電阻，R2為BCR門極電阻，作用是防止誤觸發(fā)，同時(shí)增加抗干擾能力。當(dāng)單片機(jī)引腳PCD0輸出的是負(fù)脈沖信號(hào)時(shí)，T2將導(dǎo)通，MOC3061導(dǎo)通，觸發(fā)BCR導(dǎo)通，此時(shí)交流負(fù)載將被接通。除此之外，當(dāng)雙向可控硅接的是感性交流負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載電流滯后電源電壓一個(gè)相位角，故當(dāng)負(fù)載電流等于零時(shí)，電源電壓成為反向電壓，同時(shí)，感性負(fù)載存在自感電動(dòng)勢(shì)，這將使雙向可控硅兩端壓值遠(yuǎn)大于電源電壓。即使雙向可控硅處于反向?qū)ǖ臓顟B(tài)，但也很容易被擊穿，所以必須使雙向可控硅能夠承受這種反向電壓。通常做法是在雙向可控硅的兩極間并一RC阻容吸收電路，此電路簡(jiǎn)單，同時(shí)能使得雙向可控硅得到過(guò)電壓保護(hù)，圖中的C1、R2為RC阻容吸收電路。

4 核心程序

ATT7022B的計(jì)量芯片采集到電能質(zhì)量參數(shù)通過(guò) SPI通訊格式與控制芯片通訊，8位地址，24位數(shù)據(jù)，MSB在前，LSB在后，通訊開(kāi)始時(shí)SCLK為低電平，CS由高到低經(jīng)過(guò)32個(gè)時(shí)鐘脈沖SCLK，CS由低到高，完成一個(gè)寄存器的讀寫(xiě)操作。ATT7022B在時(shí)鐘的下降沿從DIN線上讀取控制器送出的數(shù)據(jù)，在上升沿從DOUT線上向控制器送出數(shù)據(jù)。

4.1讀取取和顯示參數(shù)程序：

4.2電壓讀取和顯示函數(shù)

4.3電流讀取和顯示函數(shù)

4.4功率因數(shù)讀取和顯示函數(shù)

5 實(shí)驗(yàn)成果

通過(guò)樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的效果分析，基于 MC9S08DZXX控制器實(shí)現(xiàn)的低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置達(dá)到了預(yù)期的效果。

電容投切前后經(jīng)過(guò)濾波電路電流、電壓波形如圖4所示。

圖4　電容投切前后經(jīng)過(guò)濾波電路電流、電壓波形對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)應(yīng)用基于飛思卡爾MC9S08DZXX控制器，通過(guò)ATT7022B電能計(jì)量芯片對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行采集，通過(guò)晶閘管和接觸器復(fù)合投切電容的方式，實(shí)現(xiàn)了低壓無(wú)功功率的補(bǔ)償。整體裝置不僅穩(wěn)定性高，而且較為經(jīng)濟(jì)，投切電容部分實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，這解決了晶閘管持續(xù)工作發(fā)熱大的現(xiàn)象，同時(shí)也解決了接觸器接通斷開(kāi)引起的燒結(jié)問(wèn)題，這樣之后能有效的降低系統(tǒng)故障綠，同時(shí)大大提高系統(tǒng)的可靠性以及使用壽命。本設(shè)計(jì)裝置適合于各類低壓廠房的就地?zé)o功功率補(bǔ)償，能起到優(yōu)化電能質(zhì)量，保證生產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的作用。

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Design of a TSC reactive power compensation module based on MC9S08D60

The controllcr can measure operation parameters of power network,guarantee system’s stability and anti-interfercnce. It adopts Freescal series MC9S08DZ60 as the control core．It use the metrology chip ATT7022B to measure operation parameter of power network,whitch can simplize the software design．By measuring the voltage,current and the reactive power to achieve the power compensation.At the same time,the controller can link other metering device through RS232，which can realize remte monitoring function．In this paper,the inteligent reactive power compensation controller module circurt schematics and software design process will be given.

Reactive power;TSC;Zero-Crosing switching;power facter

TM13

A

1008-1151(2015)10-0047-04

2015-09-11

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（201410595003;201510595027;201510595200）。

劉俊（1991－），男，桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)殡姎怆娮釉O(shè)備開(kāi)發(fā)；孫祖瓊（1990－），男，桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)殡姎怆娮釉O(shè)備開(kāi)發(fā)；譚文兵（1991－），男，桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)殡姎怆娮釉O(shè)備開(kāi)發(fā)；蒙鴻培（1994－），男，桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院學(xué)生，研究方向?yàn)殡姎怆娮釉O(shè)備開(kāi)發(fā)。