刘 俊 孙祖琼 谭文兵 蒙鸿培

（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004）

经济实用型低压无功功率补偿装置的研制

刘 俊 孙祖琼 谭文兵 蒙鸿培

（桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林541004）

文章中系统主要功能，是对电网数据进行采集、监控，与此同时完成电容器组的投切，自动完成无功功率补偿，从而优化电能质量，减少电网损耗。为简化软件设计，将飞思卡尔系列单片机MC9S08DZ60作为控制器，ATT7022B芯片用作采集数据用。对电网相关参数进行测量并计算，最终实现无功功率补偿。与现场补偿装置相接的是RS232通讯口。这样控制器能实现两种功能，其一为实现电容器投切控制，其二为远程监控。文章给出了智能型无功补偿控制器各个模块的相关电路原理图和软件设计流程图。

无功功率；TSC；过零投切；功率因数

1 前言

现代工业发展迅速，对电能的质量要求也随之更高，电网的经济运行状态也必将得到更高度关注。但是电力系统中超过2/3负载都为感性，比如电动机，在系统运行过程中，感性负载将耗费大量的无功功率。假设有功功率一定，则线路功率因数与流过的电流成反比，当功率因数越小时，电流反之越大，这将致使线路上的压降和损耗等随之增大。严重时，将使用户端使用电压无法达到需求值。针对感性电抗消耗无功功率，若在电网中安装无功补偿设备，能补偿所消耗部分，若没有无功补偿，感性负载消耗的部分需由电网电源供给，再经过线路输送至感性负载处。而增加无功功率补偿装置后，能减少电网中无功功率流动，进而降低由此造成的损耗。

2 系统结构及方案

选取容量合适的电容器，选取安装位置得当，能减少无功功率的输送。一般做法是在感性负载附近将电容器并联，这样能使得线路损耗降低且负载端电压能得到提升。但是电容的容量都会有一定限制，若容量超过一定数值，将使得线路的功率因数变为负数，出现负数的后果是补偿装置将向电源端倒送无功，这是绝对禁止的。而在低压配电网中，当负载变化时，无功功率需求也将变化，所以研究能根据此变化而做出自动投切的补偿电容器，实现准确补偿的装置具有很重要的意义。无功补偿得当，能提高功率因数，这对整个电力系统的运行也意义重大。本文将针对此进行研究。

如图 1所示为无功功率补偿控制器的基本逻辑构成：分别为检测单元、控制单元、执行单元和电源。

图1　无功功率补偿控制器逻辑框图

其中检测单元作用是采集相关传感器信号，例如电流，电压等，然后对采集到的信号做相关计算后即可得到功率因数，无功功率等，之后需将功率因数，无功功率进行转换，使得主控单元能进行有效接收。检测单元功能由三相电能计量芯片ATT7022来实现。主控单元负责主要运算，同时需做出相应投切决策。本处选择的是飞思卡尔单片机MC9S08DZ60。具体实现过程是主控单元需先确定一个设定值，然后将设定值与接收到的检测单元发出的信号做比较，对比较输出的结果进行判断，进而发出相关命令，而执行单元正是命令的接收单元。执行单元分为软开关（晶闸管）和硬开关（接触器）两部分，执行单元接到命令后，晶闸管先接通形成回路，紧接着接通接触器最后在断开晶闸管完成投切开关控制电容组的投切，实现无功功率补偿任务。

选取飞思卡尔MC9S08DZ60和ATT7022芯片，不仅系统稳定性提高，而且整体系统成本也较低。处于持续工作状态的晶闸管，发热量大；接触器的通断也会引发烧结问题。而实现机电一体化的投切电容，能同时解决上述两个问题，这对系统故障率的降低，可靠性的提升和使用寿命的延长都起着至关重要的作用。

3 硬件电路

如图2所示为系统硬件框图。

图2　低压无功补偿控制器系统框图

3.1控制器的选择

中央处理器是飞思卡尔公司生产的 MC9S08DZXX微控制器，飞思卡尔 MC9S08DZXX微控制器最大运行频率为40MHz，60KB Flash，最多支持个32中断/复位源，最大2K的EEPROM在线可编程内存；共支持8字节单页，即4字节双页擦除分区；执行Flash程序的同时可编程和擦除操作；系统保护方面 MC9S08DZXX微控制器有灵活的看门狗和片上低功耗RC振荡器，故障保护时钟监控器监测时钟失败并切换到片上低功耗RC振荡器；控制器功率低，但FLASH运行高速，2.5V～5.5V的工作电压范围，并且有工业级和扩展级的工作温度范围，是一款经济可靠的控制器。

3.2ATT7022电能计量芯片

ATT7022芯片是一颗三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。芯片内部集成了许多常用电路，例如：六路二阶ADC delta-sigma、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，充分满足三相复费率多功能电能表的需求。支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功电能脉冲输出 CF1、CF2提供瞬时有功、无功功率信息，可以直接接到标准表，进行误差校正。详细校表方法请参考第三部分校表方法。可以对基波有功、无功功率进行测量，提供脉冲输出CF3和CF4提供瞬时基波有功功率以及基波无功功率信息，可直接用于基波的校正。提供两类视在能量输出，RMS视在能量以及PQS视在能量，CF3和CF4也可被配置为视在能量脉冲输出。提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。

片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源)AVcc(进行监控。当电源电压小于4V±5%时，芯片将会被复位。这样之后能有利于电路上电和掉电时的正确启动以及正常工作。延时和滤波环节中含有电源监控电路，这可以在很大程度上避免因为电源噪声而引发的错误。为保证芯片正常工作应对电源去耦，使AVcc的波动不超过5V±5% 。

3.3投切控制电路设计

对于晶闸管来说，其触发方式一般有移相和过零两种方式。一般来说，触发电路同主回路间都会存在电的联系，那么毫无疑问，若电网电压产生波动或者电源波形产生畸变，都会对触发电路产生一定影响。为解决同步问题，很多时候都会让电路变得复杂。针对此，MOTOROLA公司生产的MOC3021-3081器件可以很好解决这些问题。将此器件应用于晶闸管触发中，具有经济，可靠且电路简单的优点。本系统的设计采用了该类光耦器件的MOC3061芯片实现过零驱动晶闸管，并实现了强电跟弱电的隔离。

图3　电容投切电路

如图3所示，MOC3061为光电耦合双向可控硅驱动器，是光电耦合器的一种类型，作用是驱动双向可控硅BCR，同时能对电路起到隔离作用，R1为触发限流电阻，R2为BCR门极电阻，作用是防止误触发，同时增加抗干扰能力。当单片机引脚PCD0输出的是负脉冲信号时，T2将导通，MOC3061导通，触发BCR导通，此时交流负载将被接通。除此之外，当双向可控硅接的是感性交流负载时，由于负载电流滞后电源电压一个相位角，故当负载电流等于零时，电源电压成为反向电压，同时，感性负载存在自感电动势，这将使双向可控硅两端压值远大于电源电压。即使双向可控硅处于反向导通的状态，但也很容易被击穿，所以必须使双向可控硅能够承受这种反向电压。通常做法是在双向可控硅的两极间并一RC阻容吸收电路，此电路简单，同时能使得双向可控硅得到过电压保护，图中的C1、R2为RC阻容吸收电路。

4 核心程序

ATT7022B的计量芯片采集到电能质量参数通过 SPI通讯格式与控制芯片通讯，8位地址，24位数据，MSB在前，LSB在后，通讯开始时SCLK为低电平，CS由高到低经过32个时钟脉冲SCLK，CS由低到高，完成一个寄存器的读写操作。ATT7022B在时钟的下降沿从DIN线上读取控制器送出的数据，在上升沿从DOUT线上向控制器送出数据。

4.1读取取和显示参数程序：

4.2电压读取和显示函数

4.3电流读取和显示函数

4.4功率因数读取和显示函数

5 实验成果

通过样机现场试验的效果分析，基于 MC9S08DZXX控制器实现的低压无功功率补偿装置达到了预期的效果。

电容投切前后经过滤波电路电流、电压波形如图4所示。

图4　电容投切前后经过滤波电路电流、电压波形对比

6 结束语

系统应用基于飞思卡尔MC9S08DZXX控制器，通过ATT7022B电能计量芯片对电能质量进行采集，通过晶闸管和接触器复合投切电容的方式，实现了低压无功功率的补偿。整体装置不仅稳定性高，而且较为经济，投切电容部分实现了机电一体化，这解决了晶闸管持续工作发热大的现象，同时也解决了接触器接通断开引起的烧结问题，这样之后能有效的降低系统故障绿，同时大大提高系统的可靠性以及使用寿命。本设计装置适合于各类低压厂房的就地无功功率补偿，能起到优化电能质量，保证生产设备稳定运行的作用。

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Design of a TSC reactive power compensation module based on MC9S08D60

The controllcr can measure operation parameters of power network,guarantee system’s stability and anti-interfercnce. It adopts Freescal series MC9S08DZ60 as the control core．It use the metrology chip ATT7022B to measure operation parameter of power network,whitch can simplize the software design．By measuring the voltage,current and the reactive power to achieve the power compensation.At the same time,the controller can link other metering device through RS232，which can realize remte monitoring function．In this paper,the inteligent reactive power compensation controller module circurt schematics and software design process will be given.

Reactive power;TSC;Zero-Crosing switching;power facter

TM13

A

1008-1151(2015)10-0047-04

2015-09-11

大学生创新创业计划项目（201410595003;201510595027;201510595200）。

刘俊（1991－），男，桂林电子科技大学机电工程学院学生，研究方向为电气电子设备开发；孙祖琼（1990－），男，桂林电子科技大学机电工程学院学生，研究方向为电气电子设备开发；谭文兵（1991－），男，桂林电子科技大学机电工程学院学生，研究方向为电气电子设备开发；蒙鸿培（1994－），男，桂林电子科技大学机电工程学院学生，研究方向为电气电子设备开发。