基于ATMEGA16的高精度低压无功功率补偿器系统设计

介绍了基于ATMEGA16的高精度低压无功功率补偿器。该控制器采用数字检测电路来获取电网电压与电流的相位差，从无功补偿的原理出发，设计控制器的软硬件。使该系统在应用中实现了对电网功率因数的及时补偿和实时监测，适用于目前企业用户进行无功功率补偿。

Abetted:This article introduces reactive power compensator based on ATMEGA16 controlling with high precision. It measures excess phase of voltage and current by using digital circuit, Based on the reactive compensation theorem, The software and hardware of the controller is deigned.By using the system a timely compensation and real-time monitnring of the power factor in electricity network are possible, It is mainly used to compensate reactive power in present factories and mines.

关键词：功率因数；无功补偿；单片机

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-