ARC無功功率因數補償(chang) 控製器
隨著現代工業(ye) 的發展，電網中使用的感性負載也愈來愈多，如感應式電動機、變壓器等。這些設備在工作時不但要消耗有功功率，同時需要電網向其提供相應的無功功率，造成電網的功率因數偏低。在電網中並聯電容器可以減少電網向感性負載提供的無功功率，從(cong) 而降低輸電線路因輸送無功功率造成的輸電損耗，改善電網的運行條件，因此功率因數補償(chang) 控製器一直有著廣闊的應用市場。本文所介紹的功率因數補償(chang) 控製器符合JB/T9663-1999國家標準，主要功能有：
(1) 相序自動識別
(2) 電壓、電流、功率因數采樣與(yu) 顯示
(3) 過壓解除、欠流封鎖，從(cong) 而保護電容器及避免循環投切
(4) 采用先投入的先切除，先切除的先投入的原則，對補償(chang) 電容實行循環投切
(5) 所有的工作參數都可以通過麵板按鍵設定，包括投入門限、切除門限、過壓保護門限、欠電流封鎖門限、投切延時時間
一、工作原理
采樣三相電源中一線電流(如A線)與(yu) 另外兩(liang) 線的電壓(如BC線)之間的相位差，通過一定的運算，得到當前電網的實時功率因數。此功率因數與(yu) 設定的投入門限和切除門限比較，在整個(ge) 投切延時時間內(nei) ，若在投切門限以內(nei) ，則不予動作;若小於(yu) 投入門限，則另投入一組電容器;若大於(yu) 切除門限或發現功率因數為(wei) 負時，則切除一組已投入的電容器。再經過投切延時時間，重複比較與(yu) 投切，直到當前的功率因數達到投切門限以內(nei) 。在投切過程中，若發現檢測到的電壓大於(yu) 設定的過壓保護門限，則按組切除所有已投入的電容;當檢測到的電壓超過設定的過壓保護門限的10%時，則一次性切除所有已投入的電容，用以保護電容器。在投切時若發現檢測到的電流小於(yu) 欠電流封鎖門限，則停止投切動作，避免係統出現循環投切現象。--ARC無功功率因數補償(chang) 控製器
由於(yu) 在三相供電中有不同接線方法，不同的接線方法對功率因數的算法也不一樣，因此我們(men) 規定ARC係列功率因數自動補償(chang) 控製儀(yi) 的電流取自三相供電中的A線，電壓取自BC間的線電壓，同時為(wei) 減少現場接線的複雜度，我們(men) 在程序中對相位進行自動判別。--ARC無功功率因數補償(chang) 控製器
在三相供電中，我們(men) 假設三相的相電壓分別為(wei) Ua、Ub、Uc，A線電流為(wei) Ia
則有Ua=Usin(ωt)，Ub=Usin(ωt+120º)，Uc=Usin(ωt+240º)，
從(cong) 而得到BC間的線電壓為(wei) Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90º)
若A線負載為(wei) 純阻性，則A線電流Ia與(yu) A線電壓Ua同相，Ia超前Ubc的角度為(wei) 90º;
若A線負載為(wei) 感性，則A線電流Ia滯後A線電壓Ua角度為(wei) φ(0º≤φ≤90º)，Ia超前Ubc的角度為(wei) 90º-φ;
若A線負載為(wei) 容性，則A線電流Ia超前A線電壓Ua角度為(wei) φ(0º≤φ≤90º)，Ia超前Ubc的角度為(wei) 90º+φ
在我們(men) 的ARC功率因數自動補償(chang) 控製儀(yi) 中，為(wei) 了計算的方便，我們(men) 電流相位的采樣為(wei) 電壓采樣的**個(ge) 周期，即若沒有相位差Ia滯後Ua的角度為(wei) 360º。在實際檢測中，假設我們(men) 檢測到Ia滯後Ubc的角度為(wei) α，根據以上的分析得知：
若180º<α<270º，則電路為(wei) 容性負載，COSφ=COS(270º-α)
若α=270º，則電路為(wei) 感性負載，COSφ=1
若270º<α<360º，則電路為(wei) 感性負載COSφ=COS(α-270º)
為(wei) 方便用戶接線，若用戶將電壓Ubc接成了Ucb，或將Ia的輸入接反，根據以上的推斷，我們(men) 同樣可得到：
若0º<α<90º，則電路為(wei) 容性負載，COSφ=COS(90º-α)
若α=90º，則電路為(wei) 感性負載，COSφ=1
若90º<α<180º，則電路為(wei) 感性負載COSφ=COS(α-90º)
二、硬件的設計
控製器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L，此單片機工作電壓範圍寬(2.7 - 5.5V)，工作頻率為(wei) 8MHz;芯片內(nei) 部具有16k字節的Flash程序程序存儲(chu) 器，512 字節的EEPROM，1K字節的片內(nei) SRAM;8路10 位ADC;一個(ge) 可編程的串行USART，具有獨立片內(nei) 振蕩器的可編程看門狗定時器;兩(liang) 個(ge) 具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數器 ;一個(ge) 具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數器。顯示芯片采用南京沁恒公司生產(chan) 的鍵盤、顯示專(zhuan) 用芯片CH451S，CH451S能驅動8為(wei) 數碼管，且不需外加驅動就能直接驅動LED數碼管，大大減小了印板尺寸，單片機的采用SPI模式，隻需3線(片選CS、時鍾CLK、數據輸入DIN)，因本係統未用CH451S的鍵盤功能，所以CH451S的DOUT引腳不用。Ubc的電壓信號經過電阻限流進入2mA/2mA的隔離變換器後分為(wei) 兩(liang) 路，一路進入模擬值處理電路送入單片機的A/D轉換口ADC0，作為(wei) 電壓顯示信號，另一路經過零比較後進入單片機中斷口INT0;同樣Ia的電流信號經5A/5mA的隔離變換器後分為(wei) 兩(liang) 路，一路進入模擬值處理電路送入單片機的A/D轉換口ADC1，作為(wei) 電流顯示信號，另一路經過零比較後進入單片機定時器門控端ICP引腳。
三、軟件的設計
因整個(ge) 係統對電壓、電流采樣的精度要求不高，我們(men) 直接用CPU的10位A/D對電壓、電流的信號進行A/D轉換，轉換的結果一方麵供顯示的需要，另一方麵作為(wei) 過壓與(yu) 欠流的比較信號。我們(men) 將INT0設置為(wei) 上升沿產(chan) 生異步中斷，ICP設置為(wei) 上升沿觸發輸入捕捉。當INT0產(chan) 生中斷時，16位計數器開始以內(nei) 部恒定的頻率開始計數，直到下一中斷的產(chan) 生。在計數的同時，當TCP上有上升沿脈衝(chong) 時，即將16位計數器已計得的數據放入到捕捉寄存器中。當一個(ge) 采樣周期結束時，計數器中得數據(N)即為(wei) 外部交流信號的一個(ge) 周期基數, 捕捉寄存器中數據(n)電流Ia滯後電壓Ubc的基數，將(n/N)*360º即為(wei) 角度，根據上麵的原理就可判斷在同一周波中時電壓超前電流還是電流超前電壓，同時還可得出超前或滯後的角度，將此數據進行查表即可得到功率因數。
為(wei) 了避免對電容器組中的某一組進行頻繁的投切，平衡每一組電容器的工作時間，延長整個(ge) 係統的使用壽命。我們(men) 對電容器的投切采用先投入的優(you) 先切除，先切除的優(you) 先投入的原則，我們(men) 在單片機的RAM中開辟了一空間，用於(yu) 記錄每組電容器的投入與(yu) 切除時間，然後進行排序，將已工作時間長的作為(wei) 優(you) 先切除對象，將切除時間長的作為(wei) 優(you) 先投入對象。
當三相交流的負載回路電流非常小時，會(hui) 產(chan) 生投切振蕩的現象。也就是說控製係統投入一組電容器會(hui) 產(chan) 生過投，切除一組電容器又會(hui) 產(chan) 生投入不足，控製器就會(hui) 產(chan) 生重複的 投切現象。為(wei) 避免此想象的發生，我們(men) 設置了欠電流鎖定，當電流值小於(yu) 此數值時，係統將停止對電容器的投切動作，維持已投入的電容器工作。
在工作過程中，若采樣到的電壓數據大於(yu) 設定的過壓保護值時，控製器將逐步切除已投入的電容器，若發現超過設定的保護值的10%時，則一次性切除所有已投入的電容器，保護電容器。
以上的技術現已應用於(yu) 本公司的ARC功率因數自動補償(chang) 控製儀(yi) 中，經測試運行，係統工作穩定、各項指標達到了國家標準的要求，現已初步投放市場。
參考文獻
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[2].周中.電力儀(yi) 表在大型公共建築電能分項計量中的應用[J].現代建築電氣 2010. 6
作者簡介：
師晴晴（1985－），女，漢族，本科，工程師，主要研究方向為(wei) 智能建築供配電監控係統
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