低壓無功補(bǔ)償器的硬件電路設(shè)計(jì)

司正慶　南利奔　林金煜　楊文源　王伯旺

摘要：系統(tǒng)以Atlmega64處理器為控制核心，采用功率因數(shù)控制和電壓限制相結(jié)合的方式工作，設(shè)計(jì)多種保護(hù)措施的低壓無功補(bǔ)償器的硬件電路。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償、并連電容器、ATT7022A、Atlmega

1.概述

目前，低壓電網(wǎng)中的負(fù)荷大部分是感性負(fù)載，因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器可以供給感性電抗消耗的部分無功功率。并聯(lián)電容器補(bǔ)償簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，靈活方便。但當(dāng)今電力系統(tǒng)中存在著大量如軋鋼機(jī)、電弧爐、電氣化鐵道等無功功率頻繁變化的設(shè)備，這就要求補(bǔ)償裝置能夠根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。而并聯(lián)電容器只能補(bǔ)償固定無功，容易造成過補(bǔ)或欠補(bǔ)，無法滿足電力系統(tǒng)的實(shí)際需要，還有可能和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。因此，能根據(jù)負(fù)荷無功功率的變化對(duì)分組的補(bǔ)償電容器組進(jìn)行自動(dòng)投切

以實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)难b置，目前在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。解決電網(wǎng)中有功功率損耗大、壓降大的最切實(shí)可行的辦法就是采用高性能的無功功率補(bǔ)償裝置，就地補(bǔ)償負(fù)載的感性無功功率。

2 無功補(bǔ)償控制器硬件電路設(shè)計(jì)

控制器主要包括用于測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)的ATT7022A及其外圍電路部分，為實(shí)現(xiàn)電容電壓過零點(diǎn)投切以避免產(chǎn)生涌流而必須的相電壓過零檢測(cè)電路，為進(jìn)行電壓諧波分析而必須的相電壓A/D采樣，為投切電容器組做必要參考的電容器組當(dāng)前狀態(tài)檢測(cè)部分，為保護(hù)裝置內(nèi)主要元件而設(shè)計(jì)的元件工作溫度檢測(cè)部分，輸出控制動(dòng)作的控制繼電器輸出部分，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通訊、液晶、鍵盤等必要的部分組成。控制器各個(gè)器件的工作電壓都是直流+5V，即系統(tǒng)中只要求唯一的+5V直流電源，包括CPU、ATT7022A、液晶顯示屏、存儲(chǔ)芯片、時(shí)鐘芯片、繼電器、光電隔離器、運(yùn)算放大器等的工作電壓都是直流單+5V，不存在多個(gè)電源混合使用、多種邏輯電平并存的情況，這使控制器的電源設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。

2.1 A相電壓零點(diǎn)檢測(cè)單元

為了防止在控制器投切電容器組時(shí)產(chǎn)生涌流，應(yīng)該合理選擇投切電容器組時(shí)的相電壓的電角度，這就要求控制器具備檢測(cè)電網(wǎng)電壓電角度的功能。本控制器采用檢測(cè)A相電壓過零點(diǎn)的辦法來檢測(cè)電網(wǎng)電壓過零點(diǎn)。電路原理圖如圖2所示。

當(dāng)A相電壓為正值時(shí)，通過限流電阻使得光電隔離器的原邊發(fā)光二極管流有合適的電流而發(fā)光，副邊的三極管結(jié)構(gòu)因?yàn)锽極的受到光照而使得C極和E極導(dǎo)通，導(dǎo)通阻抗接近零，使得副邊PG1處被拉為低電平，從而使得CPU的PG1口為低電平，CPU通過檢測(cè)PG1口的電平狀態(tài)便可以知道當(dāng)前電網(wǎng)A相的電壓處于正半周還是負(fù)半周，并且可以通過檢測(cè)PG1口的電平跳變來檢測(cè)電網(wǎng)A相的過零點(diǎn)位置。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

控制器要求具有一定的數(shù)據(jù)記錄功能，包括系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)的存儲(chǔ)，用戶設(shè)定參數(shù)的存儲(chǔ)，系統(tǒng)故障狀態(tài)的存儲(chǔ)以及電網(wǎng)參數(shù)包括電壓、電流、功率因數(shù)等的定時(shí)存儲(chǔ)功能，還包括電容的投切次數(shù)、電容的投入率、電網(wǎng)最大電壓、最大電流等。數(shù)據(jù)記錄時(shí)效最長(zhǎng)為150天，150天后新的數(shù)據(jù)將對(duì)前面的數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋，采取時(shí)間上先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)先被覆蓋的原則。采用EEPROM存儲(chǔ)器AT24C512，并且采取在IIC總線上掛接多個(gè)芯片的方式以增加系統(tǒng)容量，這種一個(gè)總線下掛接多個(gè)芯片的方式比采用一片更大容量芯片的方式要靈活一些。電路原理圖如圖3所示。

2.3 溫度檢測(cè)部分

為防止無功補(bǔ)償裝置內(nèi)部主要元件工作溫度過高，控制器設(shè)計(jì)有檢測(cè)無功補(bǔ)償裝置內(nèi)部主要元件溫度的功能，并根據(jù)設(shè)定的溫度保護(hù)值確定是否進(jìn)行溫度保護(hù)，主要是溫度過高的保護(hù)功能，以避免由于溫度過高而損壞裝置內(nèi)的元件或產(chǎn)生其它不希望的狀況.溫度測(cè)量采用K型熱電偶完成。MAX6675的硬件連接原理圖如圖4所示，設(shè)計(jì)有6路溫度測(cè)量。

2.4通訊部分

系統(tǒng)存儲(chǔ)的電網(wǎng)電壓、電流等數(shù)據(jù)的定點(diǎn)記錄，電容器組投切次數(shù)，系統(tǒng)故障記錄等數(shù)據(jù)的輸出，控制器接收遠(yuǎn)程主機(jī)的遙測(cè)，遙控等命令并進(jìn)行解釋執(zhí)行等功能的實(shí)現(xiàn)都依靠通訊功能。采用9芯連接器RS-232接口，如圖5所示。

2.5繼電器輸出電路

當(dāng)控制器檢測(cè)到需要投、切電容器組時(shí)，通過控制繼電器進(jìn)一步控制永磁真空同步開關(guān)來完成電容器組的投入與切除。本設(shè)計(jì)選用直流電磁式繼電器，繼電器控制輸出部分原理圖如圖6所示。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有6路繼電器控制輸出。

當(dāng)OUT1口輸出低電平時(shí)，繼電器J吸合，當(dāng)數(shù)據(jù)口輸出高電平時(shí)，繼電器J釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復(fù)位或單片機(jī)受控復(fù)位時(shí)不吸合。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉彥國(guó)，智能低壓無功補(bǔ)償裝置的研制，北京交通大學(xué)碩士論文，2007