共补型功率因数补偿控制器定制（功率因数补偿控制器设计方案）

随着现代工业的发展，电网中使用的感性负载也愈来愈多，如感应式电动机、变压器等。

这些设备在工作时不但要消耗有功功率，同时需要电网向其提供相应的无功功率，造成电网的功率因数偏低。在电网中并联电容器可以减少电网向感性负载提供的无功功率，从而降低输电线路因输送无功功率造成的输电损耗，改善电网的运行条件，因此功率因数补偿控制器一直有着广阔的应用市场。本文所介绍的功率因数补偿控制器符合 JB/T9663－1999 国家标准，主要功能有：

（1） 相序自动识别

（2） 电压、电流、功率因数采样与显示

（3） 过压解除、欠流封锁，从而保护电容器及避免循环投切

（4） 采用先投入的先切除，先切除的先投入的原则，对补偿电容实行循环投切

（5） 所有的工作参数都可以通过面板按键设定，包括投入门限、切除门限、过压保护门限、欠电流封锁门限、投切延时时间

一、 工作原理

采样三相电源中一线电流（如 A 线）与另外两线的电压（如 BC 线）之间的相位差，通过一定的运算，得到当前电网的实时功率因数。此功率因数与设定的投入门限和切除门限比较，在整个投切延时时间内，若在投切门限以内，则不予动作；若小于投入门限，则另投入一组电容器；若大于切除门限或发现功率因数为负时，则切除一组已投入的电容器。再经过投切延时时间，重复比较与投切，直到当前的功率因数达到投切门限以内。在投切过程中，若发现检测到的电压大于设定的过压保护门限，则按组切除所有已投入的电容；当检测到的电压超过设定的过压保护门限的 10％时，则一次性切除所有已投入的电容，用以保护电容器。在投切时若发现检测到的电流小于欠电流封锁门限，则停止投切动作，避免系统出现循环投切现象。

由于在三相供电中有不同接线方法，不同的接线方法对功率因数的算法也不一样，因此我们规定 ARC 系列功率因数自动补偿控制仪的电流取自三相供电中的 A 线，电压取自 BC 间的线电压，同时为减少现场接线的复杂度，我们在程序中对相位进行自动判别。

在三相供电中，我们假设三相的相电压分别为 Ua、Ub、Uc，A 线电流为 Ia

则有 Ua=Usin（ωt），Ub=Usin（ωt 120o），Uc=Usin（ωt 240o），

从而得到 BC 间的线电压为 Ubc=Ub-Uc= Usin（ωt-90o）

若 A 线负载为纯阻性，则 A 线电流 Ia 与 A 线电压 Ua 同相，Ia 超前 Ubc 的角度为 90o；

若 A 线负载为感性，则 A 线电流 Ia 滞后 A 线电压 Ua 角度为φ（0o≤φ≤90o），Ia 超前 Ubc 的角度为 90o-φ；

若 A 线负载为容性，则 A 线电流 Ia 超前 A 线电压 Ua 角度为φ（0o≤φ≤90o），Ia 超前 Ubc 的角度为 90o φ

在我们的 ARC 功率因数自动补偿控制仪中，为了计算的方便，我们电流相位的采样为电压采样的第二个周期，即若没有相位差 Ia 滞后 Ua 的角度为 360o。在实际检测中，假设我们检测到 Ia 滞后 Ubc 的角度为α，根据以上的分析得知：

若 180o《α《270o，则电路为容性负载，COSφ=COS（270o-α）

若α＝270o，则电路为感性负载，COSφ=1

若 270o《α《360o，则电路为感性负载 COSφ=COS（α-270o）

为方便用户接线，若用户将电压 Ubc 接成了 Ucb，或将 Ia 的输入接反，根据以上的推断，我们同样可得到：

若 0o《α《90o，则电路为容性负载，COSφ=COS（90o-α）

若α＝90o，则电路为感性负载，COSφ=1

若 90o《α《180o，则电路为感性负载 COSφ=COS（α-90o）

图 1 电压、电流向量

二、 硬件的设计

控制器的 CPU 采用 ATMEL 的 ATMEGA16-8L，此单片机工作电压范围宽（2.7 - 5.5V），最高工作频率为 8MHz；芯片内部具有 16k 字节的 Flash 程序程序存储器，512 字节的 EEPROM，1K 字节的片内 SRAM；8 路 10 位 ADC；一个可编程的串行 USART，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器 ；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 / 计数器。显示芯片采用南京沁恒公司生产的键盘、显示专用芯片 CH451S，CH451S 最大能驱动 8 为数码管，且不需外加驱动就能直接驱动 LED 数码管，大大减小了印板尺寸，单片机的采用 SPI 模式，只需 3 线（片选 CS、时钟 CLK、数据输入 DIN），因本系统未用 CH451S 的键盘功能，所以 CH451S 的 DOUT 引脚不用。Ubc 的电压信号经过电阻限流进入 2mA/2mA 的隔离变换器后分为两路，一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的 A/D 转换口 ADC0，作为电压显示信号，另一路经过零比较后进入单片机中断口 INT0；同样 Ia 的电流信号经 5A/5mA 的隔离变换器后分为两路，一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的 A/D 转换口 ADC1，作为电流显示信号，另一路经过零比较后进入单片机定时器门控端 ICP 引脚。

图 2 ATMEGA16 外部引脚

图 3 输入信号处理

三、 软件的设计

因整个系统对电压、电流采样的精度要求不高，我们直接用 CPU 的 10 位 A/D 对电压、电流的信号进行 A/D 转换，转换的结果一方面供显示的需要，另一方面作为过压与欠流的比较信号。我们将 INT0 设置为上升沿产生异步中断，ICP 设置为上升沿触发输入捕捉。当 INT0 产生中断时，16 位计数器开始以内部恒定的频率开始计数，直到下一中断的产生。在计数的同时，当 TCP 上有上升沿脉冲时，即将 16 位计数器已计得的数据放入到捕捉寄存器中。当一个采样周期结束时，计数器中得数据（N）即为外部交流信号的一个周期基数， 捕捉寄存器中数据（n）电流 Ia 滞后电压 Ubc 的基数，将（n/N）*360o 即为角度，根据上面的原理就可判断在同一周波中时电压超前电流还是电流超前电压，同时还可得出超前或滞后的角度，将此数据进行查表即可得到功率因数。

为了避免对电容器组中的某一组进行频繁的投切，平衡每一组电容器的工作时间，延长整个系统的使用寿命。我们对电容器的投切采用先投入的优先切除，先切除的优先投入的原则，我们在单片机的 RAM 中开辟了一空间，用于记录每组电容器的投入与切除时间，然后进行排序，将已工作时间最长的作为优先切除对象，将切除时间最长的作为优先投入对象。

当三相交流的负载回路电流非常小时，会产生投切振荡的现象。也就是说控制系统投入一组电容器会产生过投，切除一组电容器又会产生投入不足，控制器就会产生重复的投切现象。为避免此想象的发生，我们设置了欠电流锁定，当电流值小于此数值时，系统将停止对电容器的投切动作，维持已投入的电容器工作。

在工作过程中，若采样到的电压数据大于设定的过压保护值时，控制器将逐步切除已投入的电容器，若发现超过设定的保护值的 10％时，则一次性切除所有已投入的电容器，保护电容器。