ARC功率因數(shù)自動補(bǔ)償控制儀的原理及其應(yīng)用

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
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程序程序存儲器，512 字節(jié)的EEPROM，1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；8路10 位ADC；一個可編程的串行USART，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；兩個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器 ；一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(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8為數(shù)碼管，且不需外加驅(qū)動就能直接驅(qū)動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的電壓信號經(jīng)過電阻限流進(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，另一路經(jīng)過零比較后進(jìn)入單片機(jī)中斷口INT0；同樣Ia的電流信號經(jīng)5A/5mA的隔離變換器后分為兩路，一路進(jìn)入模擬絕對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，另一路經(jīng)過零比較后進(jìn)入單片機(jī)定時器門控端ICP引腳。

圖2　ATMEGA16外部引腳 

圖3　輸入信號處理

三、 軟件的設(shè)計
因整個系統(tǒng)對電壓、電流采樣的精度要求不高，我們直接用CPU的10位A/D對電壓、電流的信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果一方面供顯示的需要，另一方面作為過壓與欠流的比較信號。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，16位計數(shù)器開始以內(nèi)部恒定的頻率開始計數(shù)，直到下一中斷的產(chǎn)生。在計數(shù)的同時，當(dāng)TCP上有上升沿脈沖時，即將16位計數(shù)器已計得的數(shù)據(jù)放入到捕捉寄存器中。當(dāng)一個采樣周期結(jié)束時，計數(shù)器中得數(shù)據(jù)(N)即為外部交流信號的一個周期基數(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電壓超前電流還是電流超前電壓，同時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間，延長整個系統(tǒng)的使用壽命。我們對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，我們在單片機(jī)的RAM中開辟了一空間，用于記錄每組電容器的投入與切除時間，然后進(jìn)行排序，將已工作時間最長的作為優(yōu)先切除對象，將切除時間最長的作為優(yōu)先投入對象。
當(dāng)三相交流的負(fù)載回路電流非常小時，會產(chǎn)生投切振蕩的現(xiàn)象。也就是說控制系統(tǒng)投入一組電容器會產(chǎn)生過投，切除一組電容器又會產(chǎn)生投入不足，控制器就會產(chǎn)生重復(fù)的投切現(xiàn)象。為避免此想象的發(fā)生，我們設(shè)置了欠電流鎖定，當(dāng)電流值小于此數(shù)值時，系統(tǒng)將停止對電容器的投切動作，維持已投入的電容器工作。
在工作過程中，若采樣到的電壓數(shù)據(jù)大于設(shè)定的過壓保護(hù)值時，控制器將逐步切除已投入的電容器，若發(fā)現(xiàn)超過設(shè)定的保護(hù)值的10％時，則一次性切除所有已投入的電容器，保護(hù)電容器。
以上的技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于本公司的ARC功率因數(shù)自動補(bǔ)償控制儀中，經(jīng)測試運(yùn)行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、各項指標(biāo)達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，現(xiàn)已初步投放市場。

　　文章來源于：《低壓電器》2006年第10期。

參考文獻(xiàn)
[1] ATMEL Corporation. ATmega16技術(shù)手冊的中文翻譯，2466G–AVR–10/03