基于ATT7022A的無功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

楊斌，李宏

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

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[1]。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(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)單[2]，內(nèi)部框圖如圖1所示。

圖1 ATT7022A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Internal structure diagram of ATT7022A

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 ATmega16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(cè)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。

圖2 控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of Controller

檢測(cè)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0～220 V。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(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電路，并分別將實(shí)測(cè)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[3]。

圖3 電壓和電流輸入通道原理圖Fig.3 Input channel schematic of Voltage and Current

電源電路設(shè)計(jì)如圖4所示，采用24 V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200～240 VAC，輸出為正24 V電壓，供驅(qū)動(dòng)芯片MC1413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。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Voltage conversion circuit

電容投切單元。通過對(duì)ATT7022A測(cè)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500 mA，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[4]。

晶閘管控制電容器，每?jī)蓚€(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)[5]。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。

圖6 電源電路原理Fig.6 Principle of Power Circuit

圖7 驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of Driving Circuit

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(cè)量數(shù)據(jù)直接提供，并且可以提供四象限功率測(cè)量參數(shù)，可準(zhǔn)確測(cè)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(jiǎn)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?？刂破鞯目刂撇呗允歉鶕?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[6]。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Flow chart of system software

4 控制器測(cè)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(cè)量大電流大電壓時(shí)需要進(jìn)行電壓電流轉(zhuǎn)換。如測(cè)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L(zhǎng)MZJ 1000/5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(cè)的電參數(shù)。

測(cè)量10 kV，200 A的負(fù)載，電壓和電流都不能直接測(cè)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(cè)量參數(shù)。

圖9 控制器連接互感器接線圖Fig.9 Connection diagram of Controller and Transformer

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(jiǎn)單，可靠，同時(shí)減低了對(duì)CPU的要求，精簡(jiǎn)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(cè)高電壓大電流的方案，文中也給出了測(cè)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(jiǎn)單，成本低，具有良好的市場(chǎng)前景。

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