低壓無功補償器的硬件電路設計

司正慶　南利奔　林金煜　楊文源　王伯旺

摘要：系統以Atlmega64處理器為控制核心，采用功率因數控制和電壓限制相結合的方式工作，設計多種保護措施的低壓無功補償器的硬件電路。

關鍵詞：無功補償、并連電容器、ATT7022A、Atlmega

1.概述

目前，低壓電網中的負荷大部分是感性負載，因此在電網中安裝并聯電容器可以供給感性電抗消耗的部分無功功率。并聯電容器補償簡單經濟，靈活方便。但當今電力系統中存在著大量如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等無功功率頻繁變化的設備，這就要求補償裝置能夠根據負荷的變化進行動態補償。而并聯電容器只能補償固定無功，容易造成過補或欠補，無法滿足電力系統的實際需要，還有可能和系統發生并聯諧振，導致諧波放大。因此，能根據負荷無功功率的變化對分組的補償電容器組進行自動投切

以實現對無功功率動態補償的裝置，目前在國內外得到廣泛應用。解決電網中有功功率損耗大、壓降大的最切實可行的辦法就是采用高性能的無功功率補償裝置，就地補償負載的感性無功功率。

2 無功補償控制器硬件電路設計

控制器主要包括用于測量電網參數的ATT7022A及其外圍電路部分，為實現電容電壓過零點投切以避免產生涌流而必須的相電壓過零檢測電路，為進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前狀態檢測部分，為保護裝置內主要元件而設計的元件工作溫度檢測部分，輸出控制動作的控制繼電器輸出部分，以及數據存儲、實時時鐘、通訊、液晶、鍵盤等必要的部分組成。控制器各個器件的工作電壓都是直流+5V，即系統中只要求唯一的+5V直流電源，包括CPU、ATT7022A、液晶顯示屏、存儲芯片、時鐘芯片、繼電器、光電隔離器、運算放大器等的工作電壓都是直流單+5V，不存在多個電源混合使用、多種邏輯電平并存的情況，這使控制器的電源設計大大簡化。

2.1 A相電壓零點檢測單元

為了防止在控制器投切電容器組時產生涌流，應該合理選擇投切電容器組時的相電壓的電角度，這就要求控制器具備檢測電網電壓電角度的功能。本控制器采用檢測A相電壓過零點的辦法來檢測電網電壓過零點。電路原理圖如圖2所示。

當A相電壓為正值時，通過限流電阻使得光電隔離器的原邊發光二極管流有合適的電流而發光，副邊的三極管結構因為B極的受到光照而使得C極和E極導通，導通阻抗接近零，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PG1口的電平狀態便可以知道當前電網A相的電壓處于正半周還是負半周，并且可以通過檢測PG1口的電平跳變來檢測電網A相的過零點位置。

2.2 數據存儲單元

控制器要求具有一定的數據記錄功能，包括系統默認參數的存儲，用戶設定參數的存儲，系統故障狀態的存儲以及電網參數包括電壓、電流、功率因數等的定時存儲功能，還包括電容的投切次數、電容的投入率、電網最大電壓、最大電流等。數據記錄時效最長為150天，150天后新的數據將對前面的數據進行覆蓋，采取時間上先存儲的數據先被覆蓋的原則。采用EEPROM存儲器AT24C512，并且采取在IIC總線上掛接多個芯片的方式以增加系統容量，這種一個總線下掛接多個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 溫度檢測部分

為防止無功補償裝置內部主要元件工作溫度過高，控制器設計有檢測無功補償裝置內部主要元件溫度的功能，并根據設定的溫度保護值確定是否進行溫度保護，主要是溫度過高的保護功能，以避免由于溫度過高而損壞裝置內的元件或產生其它不希望的狀況.溫度測量采用K型熱電偶完成。MAX6675的硬件連接原理圖如圖4所示，設計有6路溫度測量。

2.4通訊部分

系統存儲的電網電壓、電流等數據的定點記錄，電容器組投切次數，系統故障記錄等數據的輸出，控制器接收遠程主機的遙測，遙控等命令并進行解釋執行等功能的實現都依靠通訊功能。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

當控制器檢測到需要投、切電容器組時，通過控制繼電器進一步控制永磁真空同步開關來完成電容器組的投入與切除。本設計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。系統共設計有6路繼電器控制輸出。

當OUT1口輸出低電平時，繼電器J吸合，當數據口輸出高電平時，繼電器J釋放。采用這種控制邏輯可以使繼電器在上電復位或單片機受控復位時不吸合。

參考文獻

[1]粟時平、劉桂英，靜止無功功率補償技術，北京：中國電力出版社，2006

[2]劉彥國，智能低壓無功補償裝置的研制，北京交通大學碩士論文，2007