唐伟，钟伟

(四川工程职业技术学院电气信息工程系，四川德阳，618000)

0 引言

节电降能技术主要针对大型用电设备功率因数补偿居多[1]，节电设备本身体积比较大,采用的技术主要是变频或有源功率因数校正[3][4]以及无源功率因数提高。无源功率因数提高的原理是将具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联在同一电路，能量在两种负荷之间相互交换，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。采用变频技术或有源功率提高达到节能由于成本高,几乎没有用于小型设备或家用电器，对于小型用电设备主要采用无源功率因数补偿，但目前对小设备的功率因数补偿方法都是直接并联大电容，这样有可能起不到功率因数提高的目的，甚至成为过补偿反而降低功率因数，因此，这种补偿是一种开环形式的补偿。本文基于上述的原因提出了一种闭环式的功率因数提高方案，可以精确地控制功率因数的补偿。

1 系统方案框图

系统采用无源功率因数补偿的方法。通过对输入电流、电压的检测，计算出有功、无功、视在功率等数据发送给MCU，由MCU比较目前功率因数和目标功率因数从而控制电容阵列切换，选择合适的电容并联到负载，对负载功率因数进行精确补偿。系统总体框图如图1所示，系统硬件主要包括输入EMI滤波，功率因数计算单元，电容整列和切换控制电路，以及MCU单元电路。

图1 系统总体框图

2 功率因数补偿的算法

用电设备中，绝大部分是感性负载，电路功率因数都会小于1,为了提高功率因数，通常是选择在负载的两端并联电容器。

假设补偿前的功率因数为 c osφ1，功率因数提高后为cosφ2，则需并联的电容值为：

式中P为有功功率，f为输入交流电的频率，U为加在负载上的电压有效值。本文所设计的主要针对220V交流输入电压。

3 系统硬件设计

3.1 功率因数计算单元电路设计

功率因数计算电路主要计算有功功率值、无功功率、视在功率，最后将数据传输给MCU。在具体电路设计中采用了功率计量芯片CS5463。芯片内部带有2路的PGA及ADC，能对电流、电压采样并进行模数转换，从而得到数字信号，在芯片内部，处理单元计算有功功率值、电流有效值、电压有效值，经过频率转换模块，CS5463将有功功率值、视在功率值、电流有效值、电压有效值转换为占空比1∶1的方波脉冲输出，各数值的大小与频率的大小成正比。电路如图2所示。

图2 功率因数计算电路

图2中，R3为电流取样电阻，选取0.002欧姆，材质为锰铜合金材质电阻，R3上的电压即为电流取样信号，该电压通过R4、 R5、C1、C2构成的低通滤波和限流电路网络后，被送入CS5463的差分输入端通过芯片内部的进行第一个PGA进行信号调理。电压取样信号是通过接在火线L与零线N之间的电阻R1， R2对交流电压进行分压采样得到，通过芯片内部的第二个PGA进行信号调理。CS5463收到电流、电压信号后会将其变换成占空比为1：1的频率信号从21、22脚输出。其中21脚输出的方波信号频率与有功功率值成正比，第22脚输出的是频率与视在功率值成正比的方波信号。所以在MCU中，根据收到的频率信号转换为对应的有功和无功功率值。芯片的SDI，SDO，SCLK是通信串口，MCU可以通过P1口对CS5463进行初始化和读取寄存器操作。

3.2 电容阵列电路

针对不同的感性负载，功率因数不同，所以要得到理想的功率因数补偿效果，需要实际测量情况有针对性的并联不同大小容值的电容。图3为电容阵列和驱动控制电路，MCU根据式（1）计算出所需电容值，自动选择继电器K1～K5闭合，并联相应大小的电容到负载。

图3 电容阵列与开关驱动电路

3.3 开关驱动电路

开关驱动电路主要由三极管驱动电路构成，用于驱动电容阵列中的继电器。图3中，三极管Q1～Q5构成了继电器驱动电路。

4 系统软件设计

如图4所示。

5 结束语

本文设计并实现了基于功率因数能准确实现功率因数补偿的智能节电装置，与一般的功率因数补偿式节电装置相比，该装置通过检测实时功率因数，与目标功率因数计算，达到准确补偿的目的，整个系统采用闭环方式，对不同形式的负载都能达到最佳补偿的智能处理。

图4 系统主程序流程图