ARC功率因数自动补偿控制仪的原理及其应用

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180ºα270º，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270ºα360º，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0ºα90º，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90ºα180º，则电路为感性负载COSφ=COS(α-90º)

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。