ARC功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀的原理及其應(yīng)用

若0º<α<90º，則電路為容性負(fù)載，COSφ=COS(90º-α)
若α＝90º，則電路為感性負(fù)載，COSφ=1
若90º<α<180º，則電路為感性負(fù)載COSφ=COS(α-90º)

圖1　電壓、電流向量

二、 硬件的設(shè)計(jì)
控制器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L，此單片機(jī)工作電壓范圍寬（2.7 - 5.5V），最高工作頻率為8MHz；芯片內(nèi)部具有16k字節(jié)的Flash程序程序存儲(chǔ)器，512 字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；8路10 位ADC；一個(gè)可編程的串行USART，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 ；一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器。顯示芯片采用南京沁恒公司生產(chǎn)的鍵盤、顯示專用芯片CH451S，CH451S最大能驅(qū)動(dòng)8為數(shù)碼管，且不需外加驅(qū)動(dòng)就能直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，大大減小了印板尺寸，單片機(jī)的采用SPI模式，只需3線（片選CS、時(shí)鐘CLK、數(shù)據(jù)輸入DIN），因本系統(tǒng)未用CH451S的鍵盤功能，所以CH451S的DOUT引腳不用。Ubc的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻限流進(jìn)入2mA/2mA的隔離變換器后分為兩路，一路進(jìn)入模擬絕對(duì)值處理電路送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口ADC0，作為電壓顯示信號(hào)，另一路經(jīng)過(guò)零比較后進(jìn)入單片機(jī)中斷口INT0；同樣Ia的電流信號(hào)經(jīng)5A/5mA的隔離變換器后分為兩路，一路進(jìn)入模擬絕對(duì)值處理電路送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口ADC1，作為電流顯示信號(hào)，另一路經(jīng)過(guò)零比較后進(jìn)入單片機(jī)定時(shí)器門控端ICP引腳。

圖2　ATMEGA16外部引腳 

圖3　輸入信號(hào)處理

三、 軟件的設(shè)計(jì)
因整個(gè)系統(tǒng)對(duì)電壓、電流采樣的精度要求不高，我們直接用CPU的10位A/D對(duì)電壓、電流的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果一方面供顯示的需要，另一方面作為過(guò)壓與欠流的比較信號(hào)。我們將INT0設(shè)置為上升沿產(chǎn)生異步中斷，ICP設(shè)置為上升沿觸發(fā)輸入捕捉。當(dāng)INT0產(chǎn)生中斷時(shí)，16位計(jì)數(shù)器開始以內(nèi)部恒定的頻率開始計(jì)數(shù)，直到下一中斷的產(chǎn)生。在計(jì)數(shù)的同時(shí)，當(dāng)TCP上有上升沿脈沖時(shí)，即將16位計(jì)數(shù)器已計(jì)得的數(shù)據(jù)放入到捕捉寄存器中。當(dāng)一個(gè)采樣周期結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器中得數(shù)據(jù)(N)即為外部交流信號(hào)的一個(gè)周期基數(shù), 捕捉寄存器中數(shù)據(jù)（n）電流Ia滯后電壓Ubc的基數(shù)，將(n/N)*360º即為角度，根據(jù)上面的原理就可判斷在同一周波中時(shí)電壓超前電流還是電流超前電壓，同時(shí)還可得出超前或滯后的角度，將此數(shù)據(jù)進(jìn)行查表即可得到功率因數(shù)。
為了避免對(duì)電容器組中的某一組進(jìn)行頻繁的投切，平衡每一組電容器的工作時(shí)間，延長(zhǎng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命。我們對(duì)電容器的投切采用先投入的優(yōu)先切除，先切除的優(yōu)先投入的原則，我們?cè)趩纹瑱C(jī)的RAM中開辟了一空間，用于記錄每組電容器的投入與切除時(shí)間，然后進(jìn)行排序，將已工作時(shí)間最長(zhǎng)的作為優(yōu)先切除對(duì)象，將切除時(shí)間最長(zhǎng)的作為優(yōu)先投入對(duì)象。
當(dāng)三相交流的負(fù)載回路電流非常小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生投切振蕩的現(xiàn)象。也就是說(shuō)控制系統(tǒng)投入一組電容器會(huì)產(chǎn)生過(guò)投，切除一組電容器又會(huì)產(chǎn)生投入不足，控制器就會(huì)產(chǎn)生重復(fù)的投切現(xiàn)象。為避免此想象的發(fā)生，我們?cè)O(shè)置了欠電流鎖定，當(dāng)電流值小于此數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將停止對(duì)電容器的投切動(dòng)作，維持已投入的電容器工作。
在工作過(guò)程中，若采樣到的電壓數(shù)據(jù)大于設(shè)定的過(guò)壓保護(hù)值時(shí)，控制器將逐步切除已投入的電容器，若發(fā)現(xiàn)超過(guò)設(shè)定的保護(hù)值的10％時(shí)，則一次性切除所有已投入的電容器，保護(hù)電容器。
以上的技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于本公司的ARC功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀中，經(jīng)測(cè)試運(yùn)行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)已初步投放市場(chǎng)。

　　文章來(lái)源于：《低壓電器》2006年第10期。

參考文獻(xiàn)
[1] ATMEL Corporation. ATmega16技術(shù)手冊(cè)的中文翻譯，2466G–AVR–10/03