功率因数补偿控制器的工作原理及设计方案是什么（功率因数补偿控制器的工作原理及设计方案）

随着现代工业的发展，越来越多的感性负载被用于电网中，如感应电动机和变压器。这些设备工作时，不仅消耗有功功率，还需要电网提供相应的无功功率，导致电网功率因数低。在电网中并联电容器可以减少电网提供给感性负载的无功功率，从而减少无功功率传输带来的传输损耗，改善电网运行状况。因此，功率因数补偿控制器在市场上得到广泛应用。本文介绍的功率因数补偿控制器符合JB/T9663-1999国家标准，其主要功能是：

(1)相序的自动识别

(2)电压、电流和功率因数的采样和显示

(3)过压释放，欠流阻断，保护电容，避免循环投切。

(4)采用先投入、先切除、先切除、先投入的原则，实现补偿电容器的循环投切。

(5)所有工作参数均可通过面板按键设置，包括输入阈值、截止阈值、过压保护阈值、欠流闭锁阈值和切换延迟时间。

一、工作原理

采样三相电源中一条线(如A线)的电流与另外两条线(如BC线)的电压之间的相位差，通过一定的运算得到当前电网的实时功率因数。与设定的输入阈值和截止阈值相比，如果该功率因数在切换阈值内，则在整个切换延迟时间内不会起作用。如果小于输入阈值，将输入另一组电容器；如果大于截止阈值或发现功率因数为负，则切断一组投入的电容器。在切换延迟时间之后，重复比较和切换，直到当前功率因数达到切换阈值。在投切过程中，如果发现检测电压大于设定的过压保护阈值，则分组切除所有投入的电容器；当检测到的电压超过设定过压保护阈值的10%时，所有投入的电容器将被一次性切断，以保护电容器。切换时，如果发现检测电流小于欠流阻断阈值，则停止切换动作，以避免系统中出现循环切换现象。

因为三相电源有不同的接线方式，不同的接线方式有不同的功率因数算法，所以我们规定电弧串联自动功率因数补偿控制器的电流取自三相电源中的A线，电压取自BC之间的线电压。同时，为了降低现场接线的复杂性，我们在程序中自动区分相位。

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

有Ua=Usin(t)、Ub=Usin(t 120o)、Uc=Usin(t 240o)、

因此，BC之间的线电压为Ubc=Ub-Uc=Usin(t-90o)

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

如果A线负载为感性，A线电流Ia滞后于A线电压Ua的角度为(0o90o)，Ia超前Ubc的角度为90o-；

如果A线负载为容性，则A线电流Ia超前A线电压Ua的角度为(0o90o)，Ia超前Ubc的角度为90o。

在我们的电弧功率因数自动补偿控制器中，为了计算方便，电流相位的采样是电压采样的第二个周期，即如果没有相位差，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，根据以上分析可知：

如果180o 为270o，电路为容性负载，COS=COS(270o-)。

若=270o，电路为感性负载，COS=1。

如果270o 是360o，电路是感性负载COS=COS(-270o)。

为了方便用户接线，如果用户将电压Ubc连接到Ucb，或者将Ia的输入反接，根据上面的推论，我们也可以得到：

如果0o 为90o，电路为容性负载，COS=COS(90o-)。

如果=90o，电路为感性负载，COS

控制器的CPU采用ATMEL公司的ATMEGA16-8L。单片机工作电压范围宽(2.7-5.5V)，最高工作频率为8MHz。有16k字节的Flash程序存储器，512字节的EEPROM，1K字节的片内SRAM在芯片里。八个10位ADC；可编程串行USART，内置可编程看门狗定时器和独立片内振荡器；两个8位定时器/计数器，具有独立的预分频器和比较器功能；具有预分频器、比较功能和捕获功能的16位定时器/计数器。显示芯片采用南京秦恒公司生产的键盘，专用显示芯片CH451S，最多可以驱动8个谢妮管，可以直接驱动LED谢妮管，不需要额外的驱动器，大大减小了印制板的体积。单片机采用SPI方式，只需要3条线(片选CS、时钟CLK、数据输入DIN)。由于本系统不使用CH451S的键盘功能，因此不需要CH451S的DOUT引脚。Ubc的电压信号通过电阻限流进入2mA/2mA隔离转换器，然后分成两路。一路进入模拟绝对值处理电路，作为电压显示信号送到单片机的A/D转换端口ADC0，另一路进入中断端口INT0零点比较后的单片机。同一个Ia电流信号经过5A/5mA隔离转换器后分为两路。一路进入模拟绝对值处理电路，作为电流显示信号送到单片机的A/D转换口ADC1，另一路经过零点比较后进入单片机定时器门端的ICP引脚。

图2 2 tmega 16的外部引脚

图3输入信号处理

三、软件设计

由于电压电流采样的精度在整个系统中并不高，所以我们直接利用CPU的10位A/D对电压电流的信号进行A/D转换。一方面需要转换结果进行显示，另一方面作为过压和欠流的比较信号。我们设置INT0为上升沿以产生异步中断，ICP为上升沿以触发输入捕获。当INT0产生中断时，16位计数器开始以内部恒定频率计数，直到产生下一个中断。在计数的同时，当TCP上有上升沿脉冲时，16位计数器计数的数据被放入捕获寄存器。在采样周期结束时，计数器中的数据(n)是外部交流信号的周期基数。捕捉寄存器中数据(N)的底数，取(n/N)*360o为角度。根据上述原理，可以判断在同一周期内是电压超前电流还是电流超前电压，同时可以得到超前或滞后的角度。查阅该数据以获得功率因数。

为了避免一个电容器组的频繁切换，平衡每个电容器组的工作时间，延长整个系统的使用寿命。我们采取先切电容，后切电容，先切电容的原则。我们在单片机的RAM中开辟了一个空间，记录每组电容的输入和切割时间，然后进行排序，以工作时间最长的为优先切割对象，以切割时间最长的为优先切割对象。

当三相交流电的负载电路电流很小时，就会发生开关振荡。也就是说，控制系统中投入一组电容会导致过投，去掉一组电容会导致欠投，控制器会导致反复投切。为了避免这种想象的发生，我们设置了欠电流锁定。当电流值小于该值时，系统将停止电容器的投切动作，保持电容器运行。

工作过程中，如果采样的电压数据大于设定的过压保护值，控制器会逐渐切断投入的电容；如果发现超过设定保护值的10%，会一次性切除所有投入的电容器，以保护电容器。