一种由AT89C2051单片微机实现的功率因数补偿装置姚广平　蔡小颀摘　要：介绍一种用于电力配电系统的旨在提高功率因数的智能型功率因数补偿装置，以AT89C2051单片微机为核心，自动完成电力供电线路的参数测定、运算及功率因数自动补偿控制。提出以可控硅全控桥作为执行部件，实现无级平滑容性补偿的方案，一改传统的机械触点式多组开关进行电容器分组切换投入进行补偿的方法，具有一定的实用性。
关键词：单片微机；智能化；功率因数补偿；无级平滑调节
中图分类号：TP272　文献标识码：AANewTypeDeviceofPower-FactorCompensationBasedonAT89C2051SingleChipMicro-ComputerYAOGuang-ping
(JiangsuInstituteofPero-chemicalTechnology,Changzhou213016)
CAIXiao-qi
(JiangsuInstituteofPero-chemicalTechnology,Changzhou213016)Abstract：Inthispaper,anintelligentdeviceofpower-factorcompensationforimprovingpower-factorintheelectricalpowerdistributingsystemisintroduced.ThepracticaldevicebasedonAT89C2051singlechipmicro-computerhasaseriousofautomaticfunctions,suchas:themeasurementandcalculationoftheparameterofelectricalpoweronlineaswellasthecontrolofpower-factorcompensation.Theschemeofsteplesscontrolandcapacitycompensationproposedbythepapercanberealizedbythethyrstorconvertorasexecutivepartsinthesystem,whichcanreplacethetraditionalcompensationmethodthatcapacitorcellsisswitchedbyswitchesofmechaniccontact.
Keywords：singlechipmicro-computer;intelligent;power-factorcompensation;steplesscontrol▲1　引言
　　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。2　功率因数补偿原理
　　由电工学中知道，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：　　(1)式中：R为负载电阻，X_L为负载感抗，Xc为负载容抗。
　　负载中消耗的有功功率为P：　　(2)由(1)式可得：P=UIcosφ　　(3)　　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(3)式写作：P=Scosφ则：　　称cosφ为功率因数，在电力系统中要设法减小相位差φ，提高cosφ值，称为提高功率因数，以降低无功功率，减少电能损失。由(1)式看出，若能使(X_L-Xc)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。3　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，它将同步、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。(限于篇幅，可控硅全控桥模块的详细工作原理不在此讨论。)
　　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，输出信号端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。


图1　系统电路原理图图2　相位差示意图　　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烁可编程可擦除的存贮器（flashmemory）,最多可擦写1000次。它不仅具有MCS-51系列单片机所具有的特性，而且还具备卓越的性能，完善的兼容性，快捷便利的电擦写操作和价格低廉的特点，此外它还可加密，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，它减少了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，由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Q“合闸/分断”键输入，上档时开关Q合闸，下档时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和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“ 、-”直流输出端上并接一只几微亨的电感，以减小桥中的di/dt值。4　软件流程
　　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。软件流程框图见图3。[1][2]下一页