投切控制单元 - 基于STC12C5A60S2和ATT7026A无功补偿控制器设计

　　投切控制单元

　　以单片机 STC12C5A60S2 作为控制器，它的CPU 通过对 ATT7026A 的测量结果分析、判断来确定是否进行无功补偿，即通过电容器的投切及对电容状态输入部分的判断来确定应投入补偿的支路。 由于电容器的两端电压不能发生突变，所以，当电网电压和电容器电压的差值较大时，触发晶闸管会产生很大的电流冲击，影响电容器的使用寿命。 抽象 1 组单相电容器组，由拉氏变换方程式

　　

　　将式（3）可以分为 3 部分，第 1 部分为稳态电流：Iam×cos（ωt+α），第 2 部分为电容的谐振冲击电流：n［U∞-n2×Um×sinα/（n2-1）］，第 3 部分为投切时刻电容器上的电流幅值：Iam×cosα×ωn t。 为避免出现冲击电流，就需要第 2 部分和第 3 部分都为零。所以，就需要保证投入时电容器的两端电压与电网电压值相同，过零投入。 通过对硬件电路的设计，在主回路的正向或负向电压驱动下，通过光耦来实现电压的零导通。 通过实验就得到了晶闸管过零触发前后电压波形，如图 4、5 所示。

　

　　由图 4 与图 5 对比可知，在晶闸管电压过零时投入电容，可避免损坏晶闸管。 所以，过零脉冲对系统投入电容器是必要的。

　　软件设计的实现

　　由于 电 网 运 行 参 数 可 直 接 通 过 ATT7026A采样、计算得出，所以单片机就无需 A/D 采样数据处理，可大大降低 CPU 的运算量，简化了软件程序设计因此，软件设计的核心工作就是如何分析电网参数以及如何可靠投切电容器组，进而达到无功功率的精确补偿。

　　软件设计流程

　　本 控 制 器 采 用 的 电 容 器 投 切 策 略 是：首先要 分 析 电 网 是 否 过 压 或 欠 压，在 保 证 电 压 稳 定的 前 提 下，通 过 对 电 网 实 际 的 功 率 因 数 与 补 偿后 希 望 得 到 功 率 因 数 设 定 值 进 行 比 较，决 定 是三 相 同 时 投 切 还 是 分 相 投 切，以 及 选 择 投 切 电容器容量 的大小。 软 件的主程序 流 程 图 如 图 6所示。

　

　　投切判断

　　由于此控制器是以功率 因数作为投 切判断的 依 据，所 以 本 实 验 所 设 定 的 功 率 因 数 值 范 围为 0.55~0.95，切除值设定为 0.95。 当测 量 值 大于切除 值，控 制 器 就 要 给 出 延 时 切 除 电 容 器 命令，按 电容器容量由小 到大的顺序 来切除;当测量 值 小 于 投 入 值 时，控 制 器 就 要 发 出 延 时 投 入电 容 器 命 令，按 大 容 量 电 容 器 到 小 容 量 电 容 器的顺序来将电容器投入到补偿线路上。 本实验 室 是 利 用 主 电 路 中 R=18.2 Ω 的 电 阻 和 L=64 mH 的电感串联来模拟电机负载， 其中在相电压有效值为 20 V 时电压与电流的波形图图 7所示， 投入电容之后电压与电流之间的相位差如图 8 所示。

　　从 图 7、8 可知，电 容 投 入 之 前 电 压 与 电 流之 间 的 相 位 差 为 45.84° ，功率 因 数 值 为 0.69。经 计 算 投 入 所 需 的 电 容 器 容 量 使 得 电 压 与 电流 之 间 的 相 位 差 缩 小 到 18.76°，功率 因 数 值 为0.9468，功 率 因 数 大 大 提 高 了 ，达 到 了 补 偿 的要 求。

　

　　该无功功率控制器硬件 结构简单、 可 靠性强、低功耗、高性能。 采用 ATT7026A 专用计量芯片测量电网 运行参数，从 而 降 低 了 对 CPU 的要求，精减了软件设计，保证了系统的稳定性及抗干扰性。 该控制器适用于低压配电网无功功率的补偿，对改善电网功率因数、降低电网损耗具有良好效果和广阔的市场前景与应用价值.