功率因數(shù)補(bǔ)償控制器如何設(shè)計(jì)?
發(fā)布時(shí)間:2020-02-26 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,電網(wǎng)中使用的感性負(fù)載也愈來(lái)愈多,如感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)、變壓器等。這些設(shè)備在工作時(shí)不但要消耗有功功率,同時(shí)需要電網(wǎng)向其提供相應(yīng)的無(wú)功功率,造成電網(wǎng)的功率因數(shù)偏低。
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,電網(wǎng)中使用的感性負(fù)載也愈來(lái)愈多,如感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)、變壓器等。這些設(shè)備在工作時(shí)不但要消耗有功功率,同時(shí)需要電網(wǎng)向其提供相應(yīng)的無(wú)功功率,造成電網(wǎng)的功率因數(shù)偏低。
在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器可以減少電網(wǎng)向感性負(fù)載提供的無(wú)功功率,從而降低輸電線路因輸送無(wú)功功率造成的輸電損耗,改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件,因此功率因數(shù)補(bǔ)償控制器一直有著廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。本文所介紹的功率因數(shù)補(bǔ)償控制器符合 JB/T9663-1999 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),主要功能有:
(1) 相序自動(dòng)識(shí)別
(2) 電壓、電流、功率因數(shù)采樣與顯示
(3) 過(guò)壓解除、欠流封鎖,從而保護(hù)電容器及避免循環(huán)投切
(4) 采用先投入的先切除,先切除的先投入的原則,對(duì)補(bǔ)償電容實(shí)行循環(huán)投切
(5) 所有的工作參數(shù)都可以通過(guò)面板按鍵設(shè)定,包括投入門限、切除門限、過(guò)壓保護(hù)門限、欠電流封鎖門限、投切延時(shí)時(shí)間
一、 工作原理
采樣三相電源中一線電流(如 A 線)與另外兩線的電壓(如 BC 線)之間的相位差,通過(guò)一定的運(yùn)算,得到當(dāng)前電網(wǎng)的實(shí)時(shí)功率因數(shù)。此功率因數(shù)與設(shè)定的投入門限和切除門限比較,在整個(gè)投切延時(shí)時(shí)間內(nèi),若在投切門限以內(nèi),則不予動(dòng)作;若小于投入門限,則另投入一組電容器;若大于切除門限或發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)為負(fù)時(shí),則切除一組已投入的電容器。再經(jīng)過(guò)投切延時(shí)時(shí)間,重復(fù)比較與投切,直到當(dāng)前的功率因數(shù)達(dá)到投切門限以內(nèi)。在投切過(guò)程中,若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的電壓大于設(shè)定的過(guò)壓保護(hù)門限,則按組切除所有已投入的電容;當(dāng)檢測(cè)到的電壓超過(guò)設(shè)定的過(guò)壓保護(hù)門限的 10%時(shí),則一次性切除所有已投入的電容,用以保護(hù)電容器。在投切時(shí)若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到的電流小于欠電流封鎖門限,則停止投切動(dòng)作,避免系統(tǒng)出現(xiàn)循環(huán)投切現(xiàn)象。
由于在三相供電中有不同接線方法,不同的接線方法對(duì)功率因數(shù)的算法也不一樣,因此我們規(guī)定 ARC 系列功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀的電流取自三相供電中的 A 線,電壓取自 BC 間的線電壓,同時(shí)為減少現(xiàn)場(chǎng)接線的復(fù)雜度,我們?cè)诔绦蛑袑?duì)相位進(jìn)行自動(dòng)判別。
在三相供電中,我們假設(shè)三相的相電壓分別為 Ua、Ub、Uc,A 線電流為 Ia
則有 Ua=Usin(ωt),Ub=Usin(ωt+120o),Uc=Usin(ωt+240o),
從而得到 BC 間的線電壓為 Ubc=Ub-Uc= Usin(ωt-90o)
若 A 線負(fù)載為純阻性,則 A 線電流 Ia 與 A 線電壓 Ua 同相,Ia 超前 Ubc 的角度為 90o;
若 A 線負(fù)載為感性,則 A 線電流 Ia 滯后 A 線電壓 Ua 角度為φ(0o≤φ≤90o),Ia 超前 Ubc 的角度為 90o-φ;
若 A 線負(fù)載為容性,則 A 線電流 Ia 超前 A 線電壓 Ua 角度為φ(0o≤φ≤90o),Ia 超前 Ubc 的角度為 90o+φ
在我們的 ARC 功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償控制儀中,為了計(jì)算的方便,我們電流相位的采樣為電壓采樣的第二個(gè)周期,即若沒(méi)有相位差 Ia 滯后 Ua 的角度為 360o。在實(shí)際檢測(cè)中,假設(shè)我們檢測(cè)到 Ia 滯后 Ubc 的角度為α,根據(jù)以上的分析得知:
若 180o《α《270o,則電路為容性負(fù)載,COSφ=COS(270o-α)
若α=270o,則電路為感性負(fù)載,COSφ=1
若 270o《α《360o,則電路為感性負(fù)載 COSφ=COS(α-270o)
為方便用戶接線,若用戶將電壓 Ubc 接成了 Ucb,或?qū)?Ia 的輸入接反,根據(jù)以上的推斷,我們同樣可得到:
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(kāi)始以內(nèi)部恒定的頻率開(kāi)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(kāi)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。
免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來(lái)電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號(hào)和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開(kāi)”超級(jí)電容的“外衣”,看看超級(jí)電容“超級(jí)”在哪兒
- DigiKey 誠(chéng)邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國(guó)電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢(mèng)想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測(cè)試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測(cè)量?jī)x
頻率器件
頻譜測(cè)試儀
平板電腦