基于單片機(jī)的功率因數(shù)補(bǔ)償控制器硬件的研究

蔣科芬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710000）

(Aircraft Strength Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi)

基于單片機(jī)的功率因數(shù)補(bǔ)償控制器硬件的研究

蔣科芬

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710000）

為了減小電網(wǎng)中感性負(fù)載造成的電量損耗，在分析了現(xiàn)有功率因數(shù)補(bǔ)償控制器的補(bǔ)償效果后，設(shè)計(jì)了一種通過單片機(jī)控制四組電容器組，自動(dòng)控制投切進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)補(bǔ)償控制器。

功率因數(shù)；單片機(jī)；功率補(bǔ)償

1．引言

隨著近年來電力負(fù)荷的迅速增長(zhǎng)，電網(wǎng)的功率因數(shù)和電壓降低，使得電器設(shè)備得不到充分的利用。在電網(wǎng)中，無功補(bǔ)償要保持平衡，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓下降，電能質(zhì)量得不到保證，嚴(yán)重?fù)p壞了設(shè)備。為了改善用戶的用電質(zhì)量，發(fā)揮供電設(shè)備的效益，大大降低用電成本。陜西高科電力電子有限公司特試制了以下這種功率因數(shù)補(bǔ)償控制器。

本控制器是以 C8051F系列的單片機(jī)為核心，可以自動(dòng)檢測(cè)出電網(wǎng)的功率因數(shù)值cosφ，和電氣設(shè)備所需要的功率因數(shù)cosφ0進(jìn)行比較，在允許的誤差Δcosφ范圍內(nèi)自動(dòng)控制投切電容器進(jìn)行功率因數(shù)的補(bǔ)償，使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在最佳狀態(tài)。除此之外，其滿足脈沖或周期性負(fù)荷動(dòng)態(tài)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)男枰坏到y(tǒng)運(yùn)行參數(shù)可通過面板自帶按鈕來設(shè)定，而且保護(hù)功能完善，達(dá)到使用方便、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量小、運(yùn)行效果好的目的，從而提高電網(wǎng)電能質(zhì)量和輸電能力。

2．功率因數(shù)補(bǔ)償控制器的技術(shù)要求

本控制器的工作電源電壓：220V 50Hz，對(duì)應(yīng)電網(wǎng)線電壓輸入交流電壓：100V 50Hz，對(duì)應(yīng)電網(wǎng)相電流輸入交流電流：0---5A。可根據(jù)輸入電壓與電流計(jì)算有功、無功功率和功率因數(shù)，實(shí)時(shí)顯示有功、無功功率和功率因數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果與電容容量配備情況決定投入哪路補(bǔ)償電容。按電容實(shí)際分組數(shù)通過面板觸摸開關(guān)輸入電容參數(shù)、功率因數(shù)上、下限、保護(hù)參數(shù)；可對(duì)電容的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控和報(bào)警，實(shí)時(shí)顯示電容的投切情況。輸出可直接帶動(dòng)繼電器控制高壓接觸器對(duì)電容進(jìn)行合分控制。面板儀表式結(jié)構(gòu)，便于安裝；輸入與輸出線統(tǒng)一置于表后蓋，帶與計(jì)算機(jī)的通信接口，可通過上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定與控制。有保護(hù)時(shí)一次切除所有支路電容的開關(guān)量輸入口，可控制最多8路電容，分為兩段控制。

3．硬件電路的工作原理

本控制器由中央處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、邏輯控制單元、電源模塊、信號(hào)采集模塊、投切控制單元以及開關(guān)量輸出和顯示等部分組成。系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)整體框圖

首先將電網(wǎng)的電壓及電流信號(hào)通過霍爾傳感器進(jìn)行采集，通過數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換及功率因數(shù)的測(cè)定，再將信號(hào)送人中央處理模塊將測(cè)定功率因數(shù)和系統(tǒng)設(shè)定的功率因數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)行電容器組的自動(dòng)投切，使得功率因數(shù)達(dá)到最大值。

在信號(hào)的采集部分則用霍爾傳感器代替了常用的電壓、電流互感器，霍爾傳感器在精度、線性度及動(dòng)態(tài)性能上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)的優(yōu)于電壓、電流互感器。而且其還有體積小、重量輕、靈敏度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在市場(chǎng)上有各種品牌可供選擇。

由于單片機(jī)采用的是TTL電平，而接RS-232通信的典型工作電平是+3V～+12V與—3V～—12V，是不能夠和單片機(jī)進(jìn)行連接的，否則有可能損壞單片機(jī)，因此，要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的RS—232通信，就必須采用相應(yīng)的接口芯片[1]。 MAX232產(chǎn)品是由美國(guó) Maxim公司推出的一款兼容RS—232標(biāo)準(zhǔn)的芯片。該器件包含兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA—232—F電平，該器件符合TIA/EIA—232—F標(biāo)準(zhǔn)。一片 MAX232支持兩路RS—232串口同時(shí)全雙工通信。單片機(jī)的信號(hào)從11、12引腳輸入，轉(zhuǎn)換為RS—232電平后從14、7引腳輸出；RS—232電平信號(hào)從13、8引腳輸入，轉(zhuǎn)換后的TTL電平從12、9引腳輸出。 MAX232有商業(yè)級(jí)到工業(yè)級(jí)的不同信號(hào)芯片，商業(yè)級(jí)芯片工作溫度范圍為0～70℃，工業(yè)級(jí)芯片的工作溫度范圍為40～85℃。 MAX232具有2000V的ESD保護(hù)，是一款低成本的RS—232轉(zhuǎn)換芯片。同樣的， MAX485接口芯片是 Maxim公司的一種RS—485芯片。而RS—485協(xié)議正是針對(duì)遠(yuǎn)距離、高靈敏度、多點(diǎn)通訊制定的標(biāo)準(zhǔn)。RS—485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為100 Mbps。而且其接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，大大增強(qiáng)了抗共模干擾能力。兩芯片及外圍電路如圖2所示：

圖2 RS485、RS232通信模塊

現(xiàn)中央處理模塊選用的是 C8051F系列的單片機(jī)[2]，由于其具有與8051兼容的 CIP-51微處理器內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運(yùn)行速度是8051的12倍，全指令集運(yùn)行速度是原來的9.5倍。所以其與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是由于 C8051F系列的單片機(jī)是3.3V低功耗、高速單片機(jī)，與傳統(tǒng)的5V供電低速單片機(jī)在引腳處理以及P CB布板方面會(huì)有一定的區(qū)別，所以在實(shí)際的運(yùn)用中要特別注意這一點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)處理部分則采用的是一種精度高且功能強(qiáng)的多功能防竊電三相電能專業(yè)芯片ATT7022EU[3]，它集成了7路二階sigma-deltaAD C，其中三路用于三相電壓采樣，三路用于三相電流采樣，還有一路可用于零線電流或其它防竊電參數(shù)的采樣，輸出采用數(shù)據(jù)和有效值，使用十分方便。并且其內(nèi)部集成了7路19位A/D轉(zhuǎn)換器，可方便地用于其轉(zhuǎn)換。ATT7022EU芯片內(nèi)包含一套電源監(jiān)控電路，可以連續(xù)地對(duì)模擬電源（AV C C）進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)電源電壓低于2.5V±5%時(shí)，芯片將被復(fù)位。這有利于電路上通電和掉電時(shí)芯片的正確啟動(dòng)和正常工作。電源監(jiān)控電路被安排在延時(shí)和濾波環(huán)節(jié)中，這在很大程度上防止了由電源噪聲引發(fā)的錯(cuò)誤。該芯片還集成了參考電壓電路以及所有包括基波和全波的各項(xiàng)電參數(shù)測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路，可進(jìn)行有功功率、無功功率和功率因數(shù)的計(jì)量，它集合了多種功能，但是價(jià)格低廉。ATT7022EU封裝為44腳LQFP形式，外圍硬件電路主要包括電源、電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出及SPI通訊接口等電路。其芯片及外圍電路如圖3所示：

圖3 有功無功計(jì)量模塊電路圖

隔離輸入輸出模塊主要采用的是光電耦合器，其中一個(gè)重要特性是其輸入端連接的電路可以和其輸出端的電路完全隔開，并且在這兩個(gè)電路之間可以安全地存在成百上千伏的電位差而不會(huì)對(duì)光電耦合器的工作產(chǎn)生不利影響，這種光電耦合器主要用于低壓到高壓（或反過來）信號(hào)的耦合。還可替代低功率的繼電器和脈沖變壓器。光電耦合器的另外一個(gè)重要的特性就是其信號(hào)的傳遞是單向的，輸出端即使有很強(qiáng)的干擾和噪聲，也不會(huì)影響反饋到輸入端。

光電耦合器的應(yīng)用主要有：電平的轉(zhuǎn)換、隔離作用、運(yùn)用于邏輯門電路。

4．結(jié)論

采用 C8051F系列的單片機(jī)為控制中心的智能型功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的電氣參數(shù)的測(cè)量、運(yùn)算、判斷以及功率因數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償功能。用戶可以通過面板上的按鈕對(duì)功率因數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，而系統(tǒng)通過周期性地測(cè)量功率因數(shù)，有針對(duì)性地對(duì)系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到用戶所需的功率因數(shù)，滿足功率因數(shù)的動(dòng)態(tài)需要，使系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。

[1]翁獻(xiàn)進(jìn)．RS232、RS422/RS485串行通信標(biāo)準(zhǔn)及其在火力發(fā)電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐[J]．科技信息，2010，(10)．

[2]魏敏．基于C8051F040及FPGA的總線隔離器測(cè)試臺(tái)[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，(12)．

[3]杜運(yùn)福．基于STM32與ATT7022E的用電智能采集模塊設(shè)計(jì)[D]．蘇州：蘇州大學(xué)，2013．

Enhance Knowledge Management through a Unified Search Platform

Wang Xiaohong

With the development of electronic information technology,diversified knowledge platforms in enterprise have been built,including scientific and technical journals,standard libraries and digital libraries.The amount of data also varies from hundreds of thousands to millions.Users when looking for information or documents often need to switch between multiple systems. How to find a quick and effective knowledge acquisition mechanism to integrate and enhance the unity of knowledge management has become an urgent demand for many enterprises.This paper describes the enterprise information retrieval to build a unified platform,realizing multi-dimensional search on the information distributed in various application systems,to improve query efficiency and provide a strong support for the enhancement of the level of classification and management of knowledge.

unified search;knowledge management;integration;efficiency

(Aircraft Strength Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi)

蔣科芬，女，陜西榆林人，研究生，研究方向：特種電源及微機(jī)控制技術(shù)。