基于功率因數(shù)補償?shù)闹悄芄?jié)電裝置設(shè)計與實現(xiàn)

唐偉，鐘偉

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息工程系，四川德陽，618000)

0 引言

節(jié)電降能技術(shù)主要針對大型用電設(shè)備功率因數(shù)補償居多[1]，節(jié)電設(shè)備本身體積比較大,采用的技術(shù)主要是變頻或有源功率因數(shù)校正[3][4]以及無源功率因數(shù)提高。無源功率因數(shù)提高的原理是將具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換，感性負(fù)荷所需要的無功功率可由容性負(fù)荷輸出的無功功率補償。采用變頻技術(shù)或有源功率提高達(dá)到節(jié)能由于成本高,幾乎沒有用于小型設(shè)備或家用電器，對于小型用電設(shè)備主要采用無源功率因數(shù)補償，但目前對小設(shè)備的功率因數(shù)補償方法都是直接并聯(lián)大電容，這樣有可能起不到功率因數(shù)提高的目的，甚至成為過補償反而降低功率因數(shù)，因此，這種補償是一種開環(huán)形式的補償。本文基于上述的原因提出了一種閉環(huán)式的功率因數(shù)提高方案，可以精確地控制功率因數(shù)的補償。

1 系統(tǒng)方案框圖

系統(tǒng)采用無源功率因數(shù)補償?shù)姆椒āＭㄟ^對輸入電流、電壓的檢測，計算出有功、無功、視在功率等數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU，由MCU比較目前功率因數(shù)和目標(biāo)功率因數(shù)從而控制電容陣列切換，選擇合適的電容并聯(lián)到負(fù)載，對負(fù)載功率因數(shù)進(jìn)行精確補償。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要包括輸入EMI濾波，功率因數(shù)計算單元，電容整列和切換控制電路，以及MCU單元電路。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 功率因數(shù)補償?shù)乃惴?/h2>

用電設(shè)備中，絕大部分是感性負(fù)載，電路功率因數(shù)都會小于1,為了提高功率因數(shù)，通常是選擇在負(fù)載的兩端并聯(lián)電容器。

假設(shè)補償前的功率因數(shù)為 c osφ1，功率因數(shù)提高后為cosφ2，則需并聯(lián)的電容值為：

式中P為有功功率，f為輸入交流電的頻率，U為加在負(fù)載上的電壓有效值。本文所設(shè)計的主要針對220V交流輸入電壓。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 功率因數(shù)計算單元電路設(shè)計

功率因數(shù)計算電路主要計算有功功率值、無功功率、視在功率，最后將數(shù)據(jù)傳輸給MCU。在具體電路設(shè)計中采用了功率計量芯片CS5463。芯片內(nèi)部帶有2路的PGA及ADC，能對電流、電壓采樣并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而得到數(shù)字信號，在芯片內(nèi)部，處理單元計算有功功率值、電流有效值、電壓有效值，經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換模塊，CS5463將有功功率值、視在功率值、電流有效值、電壓有效值轉(zhuǎn)換為占空比1∶1的方波脈沖輸出，各數(shù)值的大小與頻率的大小成正比。電路如圖2所示。

圖2 功率因數(shù)計算電路

圖2中，R3為電流取樣電阻，選取0.002歐姆，材質(zhì)為錳銅合金材質(zhì)電阻，R3上的電壓即為電流取樣信號，該電壓通過R4、 R5、C1、C2構(gòu)成的低通濾波和限流電路網(wǎng)絡(luò)后，被送入CS5463的差分輸入端通過芯片內(nèi)部的進(jìn)行第一個PGA進(jìn)行信號調(diào)理。電壓取樣信號是通過接在火線L與零線N之間的電阻R1， R2對交流電壓進(jìn)行分壓采樣得到，通過芯片內(nèi)部的第二個PGA進(jìn)行信號調(diào)理。CS5463收到電流、電壓信號后會將其變換成占空比為1：1的頻率信號從21、22腳輸出。其中21腳輸出的方波信號頻率與有功功率值成正比，第22腳輸出的是頻率與視在功率值成正比的方波信號。所以在MCU中，根據(jù)收到的頻率信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的有功和無功功率值。芯片的SDI，SDO，SCLK是通信串口，MCU可以通過P1口對CS5463進(jìn)行初始化和讀取寄存器操作。

3.2 電容陣列電路

針對不同的感性負(fù)載，功率因數(shù)不同，所以要得到理想的功率因數(shù)補償效果，需要實際測量情況有針對性的并聯(lián)不同大小容值的電容。圖3為電容陣列和驅(qū)動控制電路，MCU根據(jù)式（1）計算出所需電容值，自動選擇繼電器K1～K5閉合，并聯(lián)相應(yīng)大小的電容到負(fù)載。

圖3 電容陣列與開關(guān)驅(qū)動電路

3.3 開關(guān)驅(qū)動電路

開關(guān)驅(qū)動電路主要由三極管驅(qū)動電路構(gòu)成，用于驅(qū)動電容陣列中的繼電器。圖3中，三極管Q1～Q5構(gòu)成了繼電器驅(qū)動電路。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于功率因數(shù)能準(zhǔn)確實現(xiàn)功率因數(shù)補償?shù)闹悄芄?jié)電裝置，與一般的功率因數(shù)補償式節(jié)電裝置相比，該裝置通過檢測實時功率因數(shù)，與目標(biāo)功率因數(shù)計算，達(dá)到準(zhǔn)確補償?shù)哪康模麄€系統(tǒng)采用閉環(huán)方式，對不同形式的負(fù)載都能達(dá)到最佳補償?shù)闹悄芴幚怼?/p>

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖