基于STC12C5A60S2和ATT7026A無功補(bǔ)償控制器設(shè)計 - 全文

　　無功補(bǔ)償控制器是無功補(bǔ)償裝置的核心部件，具有舉足輕重的地位，大部分無功補(bǔ)償裝置的生產(chǎn)廠家都是買來控制器然后自行裝配整機(jī)，具有設(shè)計制造控制器能力的廠家不多，能夠設(shè)計制造出性能優(yōu)異的控制器的廠家更是鳳毛麟角。

　　電容器投切的無功補(bǔ)償方式

　　在電容器投切的無功補(bǔ)償方式中，一般采用共補(bǔ)、分補(bǔ)、共補(bǔ)—分補(bǔ)相結(jié)合的方式。 而在補(bǔ)償方式中電容 器分組的方法比較靈活多變，但是，考慮到系統(tǒng)控制復(fù)雜度以及經(jīng)濟(jì)實(shí)用等 問題， 本文采用 8421 編碼規(guī)律將電容器容量分組進(jìn)行補(bǔ)償， 選擇容量倍增的電容器予以編號，經(jīng)過不同組合可以使容量級數(shù)大大增多 。 例如 4臺電容器， 容量分別為 10 μF、20 μF、40 μF、80μF， 經(jīng)過組合可以實(shí)現(xiàn) 10 μF、20 μF、30 μF、40μF、50 μF、60 μF、70 μF、80 μF、90 μF、100 μF、110 μF、120 μF、130 μF、140 μF、150 μF 等電容值。 當(dāng)控制器通過電 能專用計量 芯片讀出線 路功率因數(shù) 并判斷是否需要對線路進(jìn)行補(bǔ)償時，就會發(fā)出相應(yīng)的投切電容器指令，一步到位，快速準(zhǔn)確。 本文主要采用的電容器投切補(bǔ)償電氣原理

　　如圖 1 所示。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　在投切電容器之前要精 確地測量出 電網(wǎng)的運(yùn)行情況，包括電壓、電流、無功功率、有功功率、視在功率、電壓與電流之間的相位差、電網(wǎng)的功率因數(shù)等參數(shù)。 本控制器采用智能芯片 ATT7026A來采集這些參數(shù)，并且將采集到的實(shí)際測量參數(shù)值存放在相應(yīng)的存儲空間里，當(dāng)需要某個參數(shù)值時，只需查找相對應(yīng)的地址就可以讀到所要的參數(shù)值，使得測量的準(zhǔn)確度提高很多，而且軟件程序的設(shè)計也隨之變得簡單很多，所用的主控制芯片也不至于很昂貴，在達(dá)到補(bǔ)償效果的同時也減少 了 投 資 成 本 ， 所以本控制單元采用單片機(jī)STC12C5A60S2 作為主控芯片，它有與計量芯片ATT7026A 相接的 SPI 總線。 該控制結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

　　測量模塊單元

　　在實(shí)驗(yàn)中電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)過互感器 LCTV31CE 和 LCTA2DCC 后，將信號電壓和電流送到ATT7026A 上。 然后經(jīng)過計算將所得的數(shù)據(jù)存到相應(yīng)的地址中，等待單片機(jī)的命令。 這樣就使得功 率 因 數(shù) 無 需 在 系 統(tǒng) 軟 件 中 用 算 法 算 出，不 僅節(jié)省了 CPU 空間，還提高了采樣數(shù)據(jù)的精度，從而提高了無功補(bǔ)償?shù)木取?ATT7026A 有 SPI 接口，方便與外部控制器相連，并且進(jìn)行計量參數(shù)的 傳遞， 所有計 量參數(shù)都 可以通過 SPI 接口讀出。 當(dāng)程序首次開始運(yùn)行時，從 ATT7026A 芯片計 算 相 位 角 到 單 片 機(jī) 動 作 響 應(yīng) 的 時 間 為 0.7 s如圖 3 所示。

　　由波形圖可以看出，從電壓動作到單片機(jī)采樣得到功率因數(shù)角之間的時間差將近 700 ms。 這樣得到的投切命令有些延時，通過修正軟件的程序不會影響投切電容命令的準(zhǔn)時發(fā)出，達(dá)到投切電 容 量 的 要 求。 其 中 實(shí) 驗(yàn) 的 三 相 主 電 路 用 R=18.2 Ω 的電阻和 L=64 mH 的電感串聯(lián)來模擬電機(jī)負(fù)載，經(jīng)過 ATT7026A 芯片采集計算后的電壓值、電流值與示波器測得的實(shí)際電壓值、電流值見表 1 和表 2。

　　由表1可知，實(shí)際電壓值與用ATT7026A芯片采集計算所得電壓值的絕對誤差平均值為0.21V，由表2可知，實(shí)際電流值與用ATT7026A芯片采集計算所得電流值的絕對誤差平均值為0.044A，都在可以接受的范圍之內(nèi)，可見在本控制器設(shè)計中ATT7026A起著重要的作用。

　　投切控制單元

　　以單片機(jī) STC12C5A60S2 作為控制器，它的CPU 通過對 ATT7026A 的測量結(jié)果分析、判斷來確定是否進(jìn)行無功補(bǔ)償，即通過電容器的投切及對電容狀態(tài)輸入部分的判斷來確定應(yīng)投入補(bǔ)償?shù)闹贰?由于電容器的兩端電壓不能發(fā)生突變，所以，當(dāng)電網(wǎng)電壓和電容器電壓的差值較大時，觸發(fā)晶閘管會產(chǎn)生很大的電流沖擊，影響電容器的使用壽命。 抽象 1 組單相電容器組，由拉氏變換方程式

　　將式（3）可以分為 3 部分，第 1 部分為穩(wěn)態(tài)電流：Iam×cos（ωt+α），第 2 部分為電容的諧振沖擊電流：n［U∞-n2×Um×sinα/（n2-1）］，第 3 部分為投切時刻電容器上的電流幅值：Iam×cosα×ωn t。 為避免出現(xiàn)沖擊電流，就需要第 2 部分和第 3 部分都為零。所以，就需要保證投入時電容器的兩端電壓與電網(wǎng)電壓值相同，過零投入。 通過對硬件電路的設(shè)計，在主回路的正向或負(fù)向電壓驅(qū)動下，通過光耦來實(shí)現(xiàn)電壓的零導(dǎo)通。 通過實(shí)驗(yàn)就得到了晶閘管過零觸發(fā)前后電壓波形，如圖 4、5 所示。

　　由圖 4 與圖 5 對比可知，在晶閘管電壓過零時投入電容，可避免損壞晶閘管。 所以，過零脈沖對系統(tǒng)投入電容器是必要的。

　　軟件設(shè)計的實(shí)現(xiàn)

　　由于 電 網(wǎng) 運(yùn) 行 參 數(shù) 可 直 接 通 過 ATT7026A采樣、計算得出，所以單片機(jī)就無需 A/D 采樣數(shù)據(jù)處理，可大大降低 CPU 的運(yùn)算量，簡化了軟件程序設(shè)計因此，軟件設(shè)計的核心工作就是如何分析電網(wǎng)參數(shù)以及如何可靠投切電容器組，進(jìn)而達(dá)到無功功率的精確補(bǔ)償。

　　軟件設(shè)計流程

　　本 控 制 器 采 用 的 電 容 器 投 切 策 略 是：首先要 分 析 電 網(wǎng) 是 否 過 壓 或 欠 壓，在 保 證 電 壓 穩(wěn) 定的 前 提 下，通 過 對 電 網(wǎng) 實(shí) 際 的 功 率 因 數(shù) 與 補(bǔ) 償后 希 望 得 到 功 率 因 數(shù) 設(shè) 定 值 進(jìn) 行 比 較，決 定 是三 相 同 時 投 切 還 是 分 相 投 切，以 及 選 擇 投 切 電容器容量 的大小。 軟 件的主程序 流 程 圖 如 圖 6所示。

　　投切判斷

　　由于此控制器是以功率 因數(shù)作為投 切判斷的 依 據(jù)，所 以 本 實(shí) 驗(yàn) 所 設(shè) 定 的 功 率 因 數(shù) 值 范 圍為 0.55~0.95，切除值設(shè)定為 0.95。 當(dāng)測 量 值 大于切除 值，控 制 器 就 要 給 出 延 時 切 除 電 容 器 命令，按 電容器容量由小 到大的順序 來切除;當(dāng)測量 值 小 于 投 入 值 時，控 制 器 就 要 發(fā) 出 延 時 投 入電 容 器 命 令，按 大 容 量 電 容 器 到 小 容 量 電 容 器的順序來將電容器投入到補(bǔ)償線路上。 本實(shí)驗(yàn) 室 是 利 用 主 電 路 中 R=18.2 Ω 的 電 阻 和 L=64 mH 的電感串聯(lián)來模擬電機(jī)負(fù)載， 其中在相電壓有效值為 20 V 時電壓與電流的波形圖圖 7所示， 投入電容之后電壓與電流之間的相位差如圖 8 所示。

　　從 圖 7、8 可知，電 容 投 入 之 前 電 壓 與 電 流之 間 的 相 位 差 為 45.84° ，功率 因 數(shù) 值 為 0.69。經(jīng) 計 算 投 入 所 需 的 電 容 器 容 量 使 得 電 壓 與 電流 之 間 的 相 位 差 縮 小 到 18.76°，功率 因 數(shù) 值 為0.9468，功 率 因 數(shù) 大 大 提 高 了 ，達(dá) 到 了 補(bǔ) 償 的要 求。

　　該無功功率控制器硬件 結(jié)構(gòu)簡單、 可 靠性強(qiáng)、低功耗、高性能。 采用 ATT7026A 專用計量芯片測量電網(wǎng) 運(yùn)行參數(shù)，從 而 降 低 了 對 CPU 的要求，精減了軟件設(shè)計，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及抗干擾性。 該控制器適用于低壓配電網(wǎng)無功功率的補(bǔ)償，對改善電網(wǎng)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)損耗具有良好效果和廣闊的市場前景與應(yīng)用價值.