基于ATT7022A無功補(bǔ)償控制器

1、基于ATT7022A的無功補(bǔ)償控制文章出處：lgh67831 發(fā)布時(shí)間： 2012/05/25 | 1646 次閱讀每天新產(chǎn)品 時(shí)刻新體驗(yàn)一站式電子數(shù)碼采購中心專業(yè)PCB打樣工廠，24小時(shí)加急出貨服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)的超新互連解決方案多樣化的電子和電氣元件摘要：以三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022A和一種高性能低功耗的AVR單片機(jī)atmega128為核心，設(shè)計(jì)一種無功補(bǔ)償控制器。該控制器能實(shí)時(shí)測(cè)量電網(wǎng)的電流電壓值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況，準(zhǔn)確的控制電容器的投切，能有效的提高線路功率因數(shù)、較少損耗，改善電網(wǎng)質(zhì)量。在工業(yè)和生活用電負(fù)載中，阻感負(fù)載占有很大的比例。異步電動(dòng)機(jī)、變

2、壓器、熒光燈等都是典型的阻感負(fù)載。異步電動(dòng)機(jī)和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負(fù)載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的工作性質(zhì)決定的。最合理的方法就是在這些感性設(shè)備附近及線路適當(dāng)位置并聯(lián)電容器組來進(jìn)行無功補(bǔ)償。在電力系統(tǒng)中，采用無功補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)、減少無功損耗，是改善供電質(zhì)量、提高設(shè)備利用率的重要手段之一。1 以ATT7022A為核心的無功補(bǔ)償器介紹進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)那疤崾悄軠?zhǔn)確地測(cè)量電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，主要有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波狀況等。ATT7022A是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，

3、適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。它能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流、電壓有效值、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足電能數(shù)據(jù)采集的需求。而且提供一個(gè)SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)的傳遞，所有的計(jì)量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。用它能準(zhǔn)確地采集這些參數(shù)，并且精度高，軟件設(shè)計(jì)簡單，內(nèi)部框圖如圖1所示。圖1 ATT7022A內(nèi)部框圖文中所介紹的無功補(bǔ)償控制器是基于三相電能專用計(jì)量芯片ATT7022A來實(shí)現(xiàn)的，控制芯片為atmel公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)ATmega128和ATme ga16相比，它是AVR8位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片

4、機(jī)，并有53個(gè)可編程IO口，在設(shè)計(jì)液晶顯示和驅(qū)動(dòng)電路上比較方便。該控制器能根據(jù)ATT7022A提供的的有功功率、無功功率、功率因數(shù)來分析判斷是否進(jìn)行無功補(bǔ)償，自動(dòng)投切電容器，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的自動(dòng)無功補(bǔ)償，提高輸電效率。2 硬件電路設(shè)計(jì)控制器的硬件電路設(shè)計(jì)主要有電壓電流檢測(cè)電路、電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、通信電路及液晶顯示模塊等組成，以Atmega128為控制芯片，可以輕松的完成這些控制功能。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)過互感器后，電壓電流信號(hào)送到了ATT7022A上。ATT7022A提供一個(gè)SPI接口，所有的計(jì)量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出，單片機(jī)根據(jù)這些參數(shù)來判斷功率因數(shù)，決定是否進(jìn)行無

5、功補(bǔ)償，并把信號(hào)傳送給電容投切模塊。圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)電路檢測(cè)電路如圖，該模塊主要是采集電網(wǎng)的電壓、電流信號(hào)，電壓輸入U(xiǎn)A UB UC UN,量程0220V.電流輸入IA1 IA2 IB1 IB2 IC1 IC2,量程05 A.ATT7022A推薦芯片電壓輸入腳上的采樣值為0.20.5 V,芯片電流輸入腳上采樣電壓為0.1 V.因此，5 A的電流信號(hào)通過5 A/2.5 mA電流互感器把5 A的電流轉(zhuǎn)換成2.5 mA的電流。再經(jīng)過40 的電阻，輸入電壓為0.1 V.220 V的電壓信號(hào)通過120 K的電阻，再經(jīng)過2 mA/2 mA電流型電壓互感器，輸出電流大約為2 mA,再經(jīng)過250 的電阻。

6、轉(zhuǎn)換成0.5 V的電壓。ATT7022內(nèi)部集成了7路16位ADC,參考電壓電路和所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電路，并分別將實(shí)測(cè)值存放在相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)空間，并通過SPI與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，無需在系統(tǒng)軟件中進(jìn)行編程得出無功功率，這樣不僅節(jié)省了CPU空間，還提高了計(jì)算效率。 圖3 電壓和電流輸入通道原理圖電源電路設(shè)計(jì)如圖4所示，采用24V開關(guān)電源，它是高頻逆變開關(guān)電源中的一個(gè)種類。開關(guān)電源輸入為200240VAC,輸出為正24V電壓，供驅(qū)動(dòng)芯片MCl413使用。再用MC34063DC/DC變換器，可實(shí)現(xiàn)升壓或降壓電源變換器，把24 V的電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，Atmega

7、128和ATT7022、液晶模塊LCD所需要的電壓都是+5 V.數(shù)字電路與模擬電路，一般要分開，最后一點(diǎn)匯集在一起，此時(shí)可以用0歐電阻相連，作用有：1）直接相連的電流通路可能很大，用0歐電阻則可以獲得很窄的電流通路，能有效限制環(huán)路電流，抑制噪聲。2）布線的時(shí)候，區(qū)分?jǐn)?shù)字地與模擬地很麻煩，用0歐電阻分開，可以清楚的分辨數(shù)字地與模擬地。圖4 電壓轉(zhuǎn)換電路電容投切單元。通過對(duì)ATT7022A測(cè)量出來的無功功率或功率因數(shù)分析，決定是否進(jìn)行無功補(bǔ)償，即投切電容器，本控制器采用晶閘管控制電容器進(jìn)行投切。由于電容器兩端電壓不能突變，電網(wǎng)電壓和電容器電壓差值較大時(shí)，觸發(fā)晶閘管會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊，為了防止在投

8、切電容器時(shí)產(chǎn)生涌流，在晶閘管兩端電壓為零時(shí)投入，電流為零時(shí)切除，對(duì)無功功率實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。驅(qū)動(dòng)芯片選用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC1413,它是大電流達(dá)林頓陳列反向驅(qū)動(dòng)器，工作電壓高，灌電流可以達(dá)到500mA,并能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50 V的電壓。如圖所示，MC1413在輸入為1時(shí)，輸出為0,這樣三極管在電阻的分壓下，發(fā)射極、基極和集電極之間形成壓降，連通發(fā)射極和集電極，輸出+24 V的電壓，通過一個(gè)脈沖變壓器，可以驅(qū)動(dòng)可控硅打開，反之則關(guān)閉。圖5 電源電路晶閘管控制電容器，每兩個(gè)晶閘管連接一個(gè)電容器，圖中所示為一路晶閘管輸出，G1、K1分別接晶閘管的門極和陰極，控制器用兩個(gè)MC1413芯片，可以控制12

9、個(gè)晶閘管共6組，可以控制6組電容器投切。圖6 驅(qū)動(dòng)電路原理圖通信模塊。其電路采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片max232,用于與上位機(jī)通信，主要用來進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸以及系統(tǒng)時(shí)間的校準(zhǔn)，并接受上位機(jī)發(fā)出的投切等操作命令。人機(jī)接口單元。人機(jī)接口單元包括鍵盤輸入和液晶顯示兩部分。鍵盤部分用于設(shè)定工作參數(shù)、切換顯示內(nèi)容和設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間，也可特殊情況下實(shí)現(xiàn)電容器的手動(dòng)投切，鍵盤采用I/O口直接驅(qū)動(dòng)。液晶顯示功能主要顯示電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電容的運(yùn)行狀態(tài)及諧波狀況等。3 軟件流程設(shè)計(jì)采用ATT7022A計(jì)量芯片，單片機(jī)無需進(jìn)行任何復(fù)雜的運(yùn)算，測(cè)量數(shù)據(jù)直接提供，并且可以提供

10、四象限功率測(cè)量參數(shù)，可準(zhǔn)確測(cè)量到21次以上諧波。CPU不涉及A/D采樣數(shù)據(jù)的處理，這使CPU的運(yùn)算量大大降低，并且大大的簡化了軟件程序設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的運(yùn)行更加可靠。在電力傳輸過程中，電力系統(tǒng)功率因數(shù)一般大于0.95,如果功率因數(shù)小于0.95就要進(jìn)行補(bǔ)償。功率因數(shù)是投切的依據(jù)，若功率因數(shù)低于0.95,則投入電容器，若大于1.0,切除電容器?？刂破鞯目刂撇呗允歉鶕?jù)計(jì)量芯片提供的有功功率、無功功率等參數(shù)，分析電網(wǎng)的功率因數(shù)是否低于0.95,電網(wǎng)是否過壓或者欠壓等，通過與設(shè)定值比較，決定電容器是分相投切還是三相同時(shí)投切，電容器投切時(shí)，采取先投先切，先切先投的原則，防止對(duì)一組電容器組的頻繁投切，保證電容器

11、安全，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的正常運(yùn)行。圖7 系統(tǒng)軟件流程圖5 結(jié)論以ATmega128單片機(jī)為CPU,ATT7022A為計(jì)量芯片設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償控制器，能精確的計(jì)算出電網(wǎng)的無功功率、有功功率、功率因數(shù)，為實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，可靠，同時(shí)減低了對(duì)CPU的要求，精簡了軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)有能保證穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。引言電力系統(tǒng)無功功率的平衡是電能質(zhì)量的重要保證。在電力系統(tǒng)0.4kV低壓電網(wǎng)中，采用無功補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)，減少無功損耗，是改善供電質(zhì)量、減少損耗、提高設(shè)備利用率的重要手段之一。目前，低壓無功補(bǔ)償裝置多采用MCU作為主處理器，通過A/D采樣電網(wǎng)的電壓、電流參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)的無

12、功功率、無功電流或功率因數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的控制策略來控制電容器組的投切，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無功補(bǔ)償。這類控制器由于A/D采樣精度不高、計(jì)算量較大，所以，對(duì)CPU計(jì)算性能要求高、軟硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜且難度大、無功補(bǔ)償精度低、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間比較長，通常只能用于對(duì)無功補(bǔ)償動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度要求不高的場(chǎng)合。鑒于此，本文提出了一種基于專用電能計(jì)量芯片ATT7022A+MCU的新型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制器?？刂破鞴ぷ髟砑坝布O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度無功補(bǔ)償?shù)那疤崾悄軌驕?zhǔn)確測(cè)量電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，包括有功和無功功率、能量、電網(wǎng)的功率因數(shù)、諧波狀況等參數(shù)的采集和測(cè)量。利用 ATT7022A電能計(jì)量芯片可以得到這些參數(shù)的精確值，并且簡化軟件設(shè)計(jì);在控制

13、策略上，許多無功補(bǔ)償控制器以功率因數(shù)作為投切判據(jù)，實(shí)際上功率因數(shù)的高低并不能直接反映無功缺額的大小，極易造成在某些情況下頻繁誤動(dòng)。若采用無功電流判據(jù)，比僅用功率因數(shù)作判據(jù)好些，但也不夠完善。本設(shè)計(jì)采用無功缺額作為主判據(jù)，以功率因數(shù)和電壓做為輔助判據(jù)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電容器的循環(huán)投切，對(duì)無功補(bǔ)償電容的控制更加合理。本文選用ATT7022A電能計(jì)量芯片搭配8位單片機(jī)ATmega128L的設(shè)計(jì)方案，可以完成對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的及時(shí)、精確地測(cè)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無功補(bǔ)償。ATT7022A的性能介紹ATT7022A是一種高精度三相電能專用計(jì)量芯片，具有l(wèi)6位A/D轉(zhuǎn)換精度，內(nèi)嵌有專用DSP電路，集成了6路二階?

14、ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電路。能夠測(cè)量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量各相電流/電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，并支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表。有功、無功頻率校驗(yàn)輸出CF1、 CF2提供瞬時(shí)有功、無功功率信息，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表，進(jìn)行誤差校正。ATT7022A提供一個(gè)SPI接口，方便與外部控制器進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。圖1 控制器系統(tǒng)硬件原理框圖系統(tǒng)主要功能單元控制器系統(tǒng)原理如圖1所示，主要由以下部分構(gòu)成：1. 數(shù)據(jù)采集單元：電網(wǎng)的電壓、電流分別通過電壓、電流

15、互感器，采用差分方式輸入ATT7022A的電壓通道和電流通道。電壓和電流的前端輸入通道電路如圖2 所示。電壓信號(hào)的輸入采用1：1的電流互感器方式，選用的是SPT204A，電流信號(hào)的輸入采用電流單端采樣方式，選用的是SCT254AK，每個(gè)輸入通道均加入了抗混疊濾波器。圖2 電壓和電流的采樣輸入電路2. 控制單元：在綜合考慮單片機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，選定AVR系列ATmegal28L單片機(jī)作為主控芯片。 ATmegal28L是一款高性能、低功耗的8位微處理器，采用RISC體系結(jié)構(gòu)，有53個(gè)可編程的I/O口，2個(gè)可編程的USART口，128KB系統(tǒng)可編程Flash和4KB的EEPROM

16、，同時(shí)支持片內(nèi)調(diào)試，通過JTAG接口可以方便地對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位進(jìn)行編程。ATmegal28L通過SPI總線接口實(shí)現(xiàn)與 ATT7022A的通信，完成校表數(shù)據(jù)的寫入和寄存器結(jié)果的讀出。3. 過零觸發(fā)模塊：控制單元通過對(duì)ATT7022A的測(cè)量結(jié)果分析、判斷，決定是否進(jìn)行無功補(bǔ)償，即電容器的投切，由于電容器兩端電壓不能突變，電網(wǎng)電壓和電容器電壓的差值較大時(shí)，觸發(fā)晶閘管會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊，為了防止在投切電容器時(shí)的電流沖擊，必須在晶閘管兩端電壓為零時(shí)刻投切。所以選擇具有過零觸發(fā)能力的芯片控制電容器的投切，本控制器選用的是MOC3083。外部連線如圖3所示。圖3 雙向晶閘管過零觸

17、發(fā)電路4.人機(jī)接口單元：人機(jī)接口包括鍵盤輸入和液晶顯示。鍵盤有確定、退出、前進(jìn)和后退4個(gè)通用按鍵，可手動(dòng)改變電容器的投切狀態(tài)，可切換液晶顯示內(nèi)容并設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間;液晶顯示采用RT12864模塊，主要顯示當(dāng)前各相的電流、電壓、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、各電容器投切狀態(tài)和系統(tǒng)時(shí)間等。5.通信單元：RS-232/485串口通訊用于與上位機(jī)通信，主要用來進(jìn)行電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)和控制器運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸、鐵電存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的輸出及系統(tǒng)時(shí)間的校準(zhǔn)等。6.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元：FM24C64為64Kb的FRAM鐵電存儲(chǔ)器，其支持1012次寫入,用于保存系統(tǒng)的某些初始值、低壓電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的定時(shí)存儲(chǔ)、系統(tǒng)故障狀態(tài)的存儲(chǔ)等

18、功能，以便監(jiān)控主站，隨時(shí)查閱歷史記錄?？刂破鞯能浖O(shè)計(jì)低壓電網(wǎng)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)可通過ATT7022A采樣、計(jì)算得出，CPU不用進(jìn)行A/D采樣數(shù)據(jù)的處理，這使CPU的運(yùn)算量大大降低，并且大大簡化了軟件程序設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的運(yùn)行更為精確、可靠。所以，軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)從ATT7022A所得到的各項(xiàng)參數(shù)的分析，依托合理的控制策略，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加合理 、可靠地投切電容器和外圍接口電路的軟件設(shè)計(jì)。本裝置采用的電容器投切控制策略以無功缺額為主要判據(jù)，并結(jié)合功率因數(shù)與電壓的控制。分析電網(wǎng)是否過壓和欠壓，在保證電壓穩(wěn)定的前提下，分析電網(wǎng)的無功功率，判斷功率因數(shù)，與設(shè)定值比較，決定是否投切電容器以及如何投切更加合理，最大可能地實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的補(bǔ)償。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖4所