一种基于微处理器的功率因数补偿器
　
　　在电力供电系统中，功率因数的提高是一项重要的技术工作，直接关系到输电线路的电能损耗、供电的经济性、供电质量。功率因数的补偿措施一直为人们所重视。研制高性能的功率因数补偿装置具有实际的社会、经济效益。
1　功率因数补偿原理
　　在交流输电线路中，由于负载特性的影响，电路中相电压、相电流之间存在相位差，其角度大小取决于负载所呈现的感性或容性的程度。若以φ表示相位差，则
式中R为负载电阻，X_L为负载感抗，X_C为负载容抗。
负载中消耗的有功功率为
　　P＝UIcosφ（2）式中U、I分别为电力线路中母线上的相电压和相电流的有效值，若令S＝UI，称S为视在功率（其中包含有功功率和无功功率），则（2）式写作P＝Scosφ　　则cosφ=P/S
　　称cosφ为功率因数。在电力系统中应设法减小相位差φ，提高cosφ值，即提高功率因数，以降低无功功率，减少电能损失。由（1）式看出，若能使（X_L－X_C）为零，则φ值为最小，功率因数最高，就是说如能使感抗和容抗最大限度地相互抵消，则线路中功率因数为最高。由容抗抵消感抗（反之亦然）从而减小φ的方法称为功率因数补偿。
　　在厂矿企业中，通常使用的负载感性份量较大，如交流电动机、交流电磁铁、电磁阀线圈等，因此造成输电线路功率因数不高，若不进行补偿，势必使无功功率增大，造成电能浪费。采用补偿措施即是在用户供电变压器的出口母线上并接电容器以抵消感性负载影响，从而提高功率因数。因用户负载是随时变化的，所以功率因数的补偿也应是动态的，即电容量的投入多少是根据负载的变化而变化的。
2　硬件电路设计
　　传统的硬件电子电路构成的功率因数自动补偿装置往往表现为可靠性差、不具备智能运算、精度不高、有级切换、开关动作频繁、触点易被电弧烧蚀、不能连续平滑调节，因而功率因数补偿效果不理想。随着微电脑技术的发展，智能型功率因数补偿装置是发展方向。本文讨论以AT89C2051单片微机构成的智能型功率因数补偿装置，完成在线测试，智能运算，跟踪调节，在线显示φ、cosφ数据。执行机构采用MJYS型可控硅三相集成移相调控全控桥模块，这是一种新颖的电力电子模块，他将同步、隔离、触发等电路全部集成于模块中，由直流电平控制移相触发，使用非常方便。依靠调节全控桥模块中可控硅的导通相位角，从而使电容器的投入实现无级调节。系统的可靠性及补偿效果大为改善。
　　系统原理如图1所示，图中电流、电压传感器T1、T2为基于霍耳元件的测量器件，输出信号与电力线路高度电气隔离，电流电压信号经电压比较器输出为方波信号，分别送至AT89C2051CPU的P3．7和P3．2口。这里通过对电力母线相电流、相电压的检测进而得到相位差φ，如图2所示。因感性负载主要为三相电动机，是三相平衡负载，故只检测某一相的电流、电压相位差即可。如果三相负载呈现明显不平衡，则应将系统设计成分时地对三相电流、电压进行检测，计算各相的相位差φ，再对每相的无功功率分别进行补偿，由于采用微处理器技术，欲做到这一点是完全可行的。
　　在检测电流电压信号时，软、硬件的抗干扰措施是必要的，以保证过零点的真实性。　　系统中电容器组的容量、全控桥电流参数的选择：电容器组的容量选择取决于用户负载的无功功率份量，无功功率为Q=√S²-P²，每相电容器组的容量为C≥Q/U²ω。
式中U为相电压，ω为工频角频率。全控桥模块电流参数可按下式计算I_T≥Q/U式中I_T模块的额定电流，一般取I_T≈3Q/U
系统以性价比很高的AT89C2051单片机作微处理器单元，AT89C2051是美国ATMEL公司推出的AT89系列单片机的一种，该单片机具有当今最新型的片内闪速可编程、可擦除的存贮器（flashmemory），最多可擦写1000次。他不仅具有MCS－51系列单片机所具有的特性，而且还有完善的兼容性、快捷便利的电擦写操作和价格低廉的特点，此外他还可加密，因此广受用户欢迎。AT89C2051为20脚封装，与40脚的MCS－51系列单片机相比，他减少了P0口和P2口，对外只有15条I／O口线。这里以P1口作控制量输出，经D／A转换器输出电平信号，经运放后控制全控桥的导通角。P3．0、P3．1串行输出数据经74LS164转换成并行数据，进而推动三位数码管进行φ值、cosφ值显示。P3．3口控制电容器组开关K_Q。P3．4口作“φ／cosφ”键输入，上挡为显示φ值，下档显示cosφ值，P3．5口作电容器组开关K_Q“合闸／分断”键输入，上档时开关K_Q合闸，下档时K_Q分断。电容器组的总容量和可控硅全控桥模块的电流参数应根据用户负载总容量进行选择。
　　可控硅全控桥模块选用三相整流型，应在其＋、－直流输出端上并接1只几微亨的电感，以减小桥中的di／dt值。
3　软件流程
软件流程图见图3。
　　系统以查询方式访问相电流检测输入口和相电压检测输入口P3．7、P3．2，通过CPU内部的定时／计数器T₀进行时间值计数，通过换算得到相位差φ。控制算法采用PID算法。最终可使相位差φ值控制在理想值0°附近。
4　结论
　　采用AT89C2051为控制器的功率因数补偿装置实现了智能运算、控制，电路方案简洁，硬件线路简单，若改变控制算法无需改动硬件电路。CPU指令系统和有关地址分配与8031CPU芯片完全兼容，程序设计、调试便利。由于采用新颖的可控硅全控桥模块作为执行部件，克服了传统方法中的弊病。实现了功率因数补偿的平滑连续控制。系统具有良好的运行效果。
　　参考文献
1　陈建铎．单片微型计算机原理及其应用．北京：北京师范大学出版社，1987
2　ATMEL．8－BitMicrocontrollerwith2KbytesFlashAT89C2051．AtmelCorporationU．S．A，1995
3　贺康益．电力电子技术基础．杭州：浙江大学出版社，1995