影响电容补偿投切的原因及其控制逻辑-电容控制器

在专变供电中，功率因数是影响电费的一项重要指标，出现功率因数过低或过高会出现力调电费，就是罚款的意思。一般过补的情况很少，大多是欠补。为了消除不必要的无功罚款，电容补偿则成为重要的干预手段。

电容补偿的原理这里就不多介绍了，总之电力电容器的投切可以调节功率因数，不至于被罚款。无功补偿控制器是实现电容投切的重要组成部分。

无功补偿控制器由以下几个部分组成：单片机、信号采集模块、投切控制模块、人机界面（按键、显示屏）、存储模块、通讯模块、时钟模块和电源模块组成，结构图如下。

工作流程：系统的电流电压信号，通过信号采集处理模块传输给单片机，单片机通过计算对比定值，发出指令给投切控制模块，再通过投切机构实现对电容器的投切。

投切逻辑：采样---计算功率因数----计算无功功率----目标功率因数----计算无功缺额----无闭锁----无报警信息-----选择投切容量----发出投切指令----完成投切动作

需要特别注意的是无功补偿控制器标准（JB/T9663-2013 低压无功功率自动补偿控制器 ）规定了，电容控制器的最小正确动作电流Ismin为0.2A ,互感器二次值为5A,换算过来就是一次负荷电流要达到取样互感器额定电流的4% 时方可正常工作。现实中很多生产厂家一般把灵敏度控制在0.1A，则控制器正常工作的电流为互感器额定值的2% 。

新型的无功补偿控制器为了防止投切震荡，多采用无功功率来判定电容器的投切。根据功率因数和目标功率因数的差值来计算无功缺额，并采用模糊控制的方式选择最适合容量的电容器组来投切。就是当系统判定需要投入10kvar时满足要求，但是电容器组最小容量为20kvar,如果投入1组，功率因数则会超过切除门限值，此时控制器选择不投入。当无功缺额为25kvar时，下面电容器组有40kvar，30kvar，20kvar时，控制器则会发出投入20kvar的指令。所以在采用模糊控制模式的控制器时电容器宜采用分级配置的方式，容量大小分开可实现精确补偿。

关于闭锁和报警的问题需要说明一下，闭锁即自检异常或出现过欠压，欠流，过谐波等情况时，控制器闭锁投入功能，并逐级切除已投电容。所以当投切异常时首先要检查的就是告警信息，一般电容控制器的人机界面会有告警信息的指示，然后查看设置的定值是否正确。一般电流过小低于电容控制器的灵敏度后电容控制器无法正常工作，即使欠流保护未投入，也无法正常工作；当出现过欠压，过谐波时则也无法投入电容器，需要检查定值及接线的问题。

功率因数补偿控制器设计方案

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 180o《α《270o，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 270o《α《360o，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 0o《α《90o，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 90o《α《180o，则电路为感性负载 COSφ=COS（α-90o）

图 1 电压、电流向量

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。

图 2 ATMEGA16 外部引脚

图 3 输入信号处理

三、 软件的设计

因整个系统对电压、电流采样的精度要求不高，我们直接用 CPU 的 10 位 A/D 对电压、电流的信号进行 A/D 转换，转换的结果一方面供显示的需要，另一方面作为过压与欠流的比较信号。我们将 INT0 设置为上升沿产生异步中断，ICP 设置为上升沿触发输入捕捉。当 INT0 产生中断时，16 位计数器开始以内部恒定的频率开始计数，直到下一中断的产生。在计数的同时，当 TCP 上有上升沿脉冲时，即将 16 位计数器已计得的数据放入到捕捉寄存器中。当一个采样周期结束时，计数器中得数据（N）即为外部交流信号的一个周期基数， 捕捉寄存器中数据（n）电流 Ia 滞后电压 Ubc 的基数，将（n/N）*360o 即为角度，根据上面的原理就可判断在同一周波中时电压超前电流还是电流超前电压，同时还可得出超前或滞后的角度，将此数据进行查表即可得到功率因数。

为了避免对电容器组中的某一组进行频繁的投切，平衡每一组电容器的工作时间，延长整个系统的使用寿命。我们对电容器的投切采用先投入的优先切除，先切除的优先投入的原则，我们在单片机的 RAM 中开辟了一空间，用于记录每组电容器的投入与切除时间，然后进行排序，将已工作时间最长的作为优先切除对象，将切除时间最长的作为优先投入对象。

当三相交流的负载回路电流非常小时，会产生投切振荡的现象。也就是说控制系统投入一组电容器会产生过投，切除一组电容器又会产生投入不足，控制器就会产生重复的投切现象。为避免此想象的发生，我们设置了欠电流锁定，当电流值小于此数值时，系统将停止对电容器的投切动作，维持已投入的电容器工作。

在工作过程中，若采样到的电压数据大于设定的过压保护值时，控制器将逐步切除已投入的电容器，若发现超过设定的保护值的 10％时，则一次性切除所有已投入的电容器，保护电容器。

相关问答

无功功率自动补偿控制器是依据JB/T9663-1999国家最新专业标准设计,可与各种型号低压静电电容屏配套使用,能实时监测电网的功率因数和无功电流进行自...

如果你单片机系统功率不大的话直接用LM7805就可以了如果功率比较大的话则不要用LM7805,这个是串连稳压电源模块,功耗很大,本身发热很大,容易烧掉,那么我建...

32单片机的功耗是根据不同的工作环境有所不同,它与你的时钟频率、adc、dac外设是否工作,pwm、定时器外设是否工作,io端口配置等等息息相关。比如你的...32单...

楼主的接法可以,但是我不建议这样做,我们现在一般做项目的常规接法是,LED灯的正极接5V电源,负极接1k的限流电阻到PIC的IO引脚。然后IO写0的时候灯亮,写1的时...

建议下载《基于单片机的电机转速及功率因数测量电路设计》或《电机控制&变频等设计参考》此类文章看看。《电子电路网》有下载,网址如下:http:///...

一、单片机不能直接驱动步进电机。原因是单片机虽然是主要起控制作用,但其端口主要是起到信号控制作用,而不能起到功率驱动。一般单片机的I/O口的输出电流都在...

单片机本身并不直接控制电流和电压的大小,它作为一个微控制器,主要负责控制外部器件的开关和逻辑操作。单片机的输出引脚通常具有较小的电流(几毫安级别)和电...

51单片机测量功率,实际是将功率转化为测量负载的电压与电流,再根据公式P=UI,即功率等于电压*电流,计算出功率。直流电源功率测量:(1)电压采样,设计相应...51单...

可以用电压、电流互感器接到电路上测,接到单片机AD上,注意量程变比什么的。功率因数可以通过编程计算而得,就是测波形落后的时间,这样不一定准。或者直接用...

单片机能不能直接驱动步进电机,原因是单片机虽然是主要起控制作用,但其端口主要是起到信号控制作用,而不能起到功率驱动。一般单片机的I/O口的输出...