低压无功补偿器的硬件电路设计

司正庆　南利奔　林金煜　杨文源　王伯旺

摘要：系统以Atlmega64处理器为控制核心，采用功率因数控制和电压限制相结合的方式工作，设计多种保护措施的低压无功补偿器的硬件电路。

关键词：无功补偿、并连电容器、ATT7022A、Atlmega

1.概述

目前，低压电网中的负荷大部分是感性负载，因此在电网中安装并联电容器可以供给感性电抗消耗的部分无功功率。并联电容器补偿简单经济，灵活方便。但当今电力系统中存在着大量如轧钢机、电弧炉、电气化铁道等无功功率频繁变化的设备，这就要求补偿装置能够根据负荷的变化进行动态补偿。而并联电容器只能补偿固定无功，容易造成过补或欠补，无法满足电力系统的实际需要，还有可能和系统发生并联谐振，导致谐波放大。因此，能根据负荷无功功率的变化对分组的补偿电容器组进行自动投切

以实现对无功功率动态补偿的装置，目前在国内外得到广泛应用。解决电网中有功功率损耗大、压降大的最切实可行的办法就是采用高性能的无功功率补偿装置，就地补偿负载的感性无功功率。

2 无功补偿控制器硬件电路设计

控制器主要包括用于测量电网参数的ATT7022A及其外围电路部分，为实现电容电压过零点投切以避免产生涌流而必须的相电压过零检测电路，为进行电压谐波分析而必须的相电压A/D采样，为投切电容器组做必要参考的电容器组当前状态检测部分，为保护装置内主要元件而设计的元件工作温度检测部分，输出控制动作的控制继电器输出部分，以及数据存储、实时时钟、通讯、液晶、键盘等必要的部分组成。控制器各个器件的工作电压都是直流+5V，即系统中只要求唯一的+5V直流电源，包括CPU、ATT7022A、液晶显示屏、存储芯片、时钟芯片、继电器、光电隔离器、运算放大器等的工作电压都是直流单+5V，不存在多个电源混合使用、多种逻辑电平并存的情况，这使控制器的电源设计大大简化。

2.1 A相电压零点检测单元

为了防止在控制器投切电容器组时产生涌流，应该合理选择投切电容器组时的相电压的电角度，这就要求控制器具备检测电网电压电角度的功能。本控制器采用检测A相电压过零点的办法来检测电网电压过零点。电路原理图如图2所示。

当A相电压为正值时，通过限流电阻使得光电隔离器的原边发光二极管流有合适的电流而发光，副边的三极管结构因为B极的受到光照而使得C极和E极导通，导通阻抗接近零，使得副边PG1处被拉为低电平，从而使得CPU的PG1口为低电平，CPU通过检测PG1口的电平状态便可以知道当前电网A相的电压处于正半周还是负半周，并且可以通过检测PG1口的电平跳变来检测电网A相的过零点位置。

2.2 数据存储单元

控制器要求具有一定的数据记录功能，包括系统默认参数的存储，用户设定参数的存储，系统故障状态的存储以及电网参数包括电压、电流、功率因数等的定时存储功能，还包括电容的投切次数、电容的投入率、电网最大电压、最大电流等。数据记录时效最长为150天，150天后新的数据将对前面的数据进行覆盖，采取时间上先存储的数据先被覆盖的原则。采用EEPROM存储器AT24C512，并且采取在IIC总线上挂接多个芯片的方式以增加系统容量，这种一个总线下挂接多个芯片的方式比采用一片更大容量芯片的方式要灵活一些。电路原理图如图3所示。

2.3 温度检测部分

为防止无功补偿装置内部主要元件工作温度过高，控制器设计有检测无功补偿装置内部主要元件温度的功能，并根据设定的温度保护值确定是否进行温度保护，主要是温度过高的保护功能，以避免由于温度过高而损坏装置内的元件或产生其它不希望的状况.温度测量采用K型热电偶完成。MAX6675的硬件連接原理图如图4所示，设计有6路温度测量。

2.4通讯部分

系统存储的电网电压、电流等数据的定点记录，电容器组投切次数，系统故障记录等数据的输出，控制器接收远程主机的遥测，遥控等命令并进行解释执行等功能的实现都依靠通讯功能。采用9芯连接器RS-232接口，如图5所示。

2.5继电器输出电路

当控制器检测到需要投、切电容器组时，通过控制继电器进一步控制永磁真空同步开关来完成电容器组的投入与切除。本设计选用直流电磁式继电器，继电器控制输出部分原理图如图6所示。系统共设计有6路继电器控制输出。

当OUT1口输出低电平时，继电器J吸合，当数据口输出高电平时，继电器J释放。采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。

参考文献

[1]粟时平、刘桂英，静止无功功率补偿技术，北京：中国电力出版社，2006

[2]刘彦国，智能低压无功补偿装置的研制，北京交通大学硕士论文，2007