基于AVR單片機(jī)的低功耗智能復(fù)合開關(guān)設(shè)計

1、設(shè)計與應(yīng)用文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B2235文章編號:167124598(2009)1122235203中圖分類號:TP21基于AVR單片機(jī)的低功耗智能復(fù)合開關(guān)設(shè)計翟文權(quán),李書旗,沈金榮(河海大學(xué)常州校區(qū),江蘇常州213022)摘要:在低壓無功補償設(shè)備中,單獨應(yīng)用接觸器存在涌流大、觸點易損壞和響應(yīng)慢等問題,單獨應(yīng)用電力電子器件則存在功耗大、抗干擾弱等問題;設(shè)計了一種以AVR單片機(jī)ATMEGA16L為核心的低功耗電容投切復(fù)合開關(guān);裝置以可控硅與磁保持繼電器并聯(lián)為主回路開關(guān),電容投或切通過可控硅和繼電器配合工作,可控硅在電壓過零時導(dǎo)通,投合后電流由磁保持繼電器單獨承擔(dān),具有功耗低、浪涌小、抗諧波強(qiáng)、響應(yīng)速度快

2、等優(yōu)點,裝置具有故障自診斷、恢復(fù)和狀態(tài)指示功能;在裝置投切30Kvar補償電容的多次測試中,涌流均在穩(wěn)態(tài)電流峰值的111倍左右,在批量生產(chǎn)和應(yīng)用中收到了良好的使用效果;對該電路的結(jié)構(gòu)、基本原理、關(guān)鍵詞:ATMEGA16L;無功補償;復(fù)合開關(guān);可控硅;磁保持繼電器DesignofLowPowerintelligenter16L,LiShuqi,ShenJinrong(Hohaiuniversity,changzhou213022,China)Keywords:ATMEGA16L;reactivepowercompensation;compoundswitch;thyristor;magnetic

3、latchingrelay0引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,在工業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)大量的沖擊性負(fù)荷,這些負(fù)荷的存在會引起電網(wǎng)電壓的閃變、網(wǎng)損增加、功率因素降低等問題,如不采取有效措施,不僅不能保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)地運行,還會影響到電氣設(shè)備的正常工作,嚴(yán)重時會造成設(shè)備的損壞。無功補償是解決這一問題的有效措施1-3。我國無功補償中電力電容器的投切開關(guān)常用的三種方式4-5:(1)普通接觸器,用這種方式最大缺點是浪涌電流大,還有其它危害,如:在接觸器觸點處產(chǎn)生火花,燒毀接觸器;縮短了電容器的使用壽命;對電網(wǎng)的巨大沖擊而產(chǎn)生干擾,可能使其它電子設(shè)備無法正常工作等6。(2)帶預(yù)投電阻的專用接觸器,這類接觸器整體體積較大

4、,事實上,在工作時也沒有真正解決浪涌電流問題,同樣易被燒毀。另外,電阻發(fā)熱而損壞的現(xiàn)象也時有發(fā)生。(3)純可控硅固態(tài)繼電器,這種收稿日期:2009203220;修回日期:2009204212?；痦椖?常州市科技計劃資助項目。作者簡介:李書旗(19652),男,江蘇姜堰人,工程師,主要從事電子測量、自動化方向的研究。沈金榮(19702),男,江蘇常州人,主要從事自動控制、電力電子及測量技術(shù)方向的研究。方式可以實現(xiàn)過零投切,是電容投切比較理想的器件2。但它也存在著這樣的缺陷:可控硅會受電網(wǎng)諧波干擾,影響電容器的正常投切;導(dǎo)通功耗較大,長期運行會因溫升影響其正常工作7。近年來,大量研究表明,復(fù)合開

5、關(guān)是解決電容投切的理想方法8?？傮w思路是采用可控硅與繼電器并聯(lián)工作的方法實現(xiàn)電容器的投切。既有可控硅過零投切的優(yōu)點,又有繼電器閉合時無功耗的優(yōu)點,而且易實現(xiàn)小型化和便于遠(yuǎn)程集中控制。復(fù)合開關(guān)一般分單項分補和三相共補兩種類型,主要原理相似,本文僅以所研究開發(fā)的分補式復(fù)合開關(guān)為例進(jìn)行介紹。1無功補償開關(guān)功耗分析各類開關(guān)的功率損耗一般分主電路功耗和控制電路功耗,而這些功耗在導(dǎo)通狀態(tài)和切斷狀態(tài)均不相同,因此又分別分析其通態(tài)和斷態(tài)的功耗。下面按30Kvar電容器的各類開關(guān)分析開關(guān)的功耗,導(dǎo)通時每相電流為45A,斷開時視為零,每個機(jī)械觸點電阻按018m計算(忽略觸點溫度變化對接觸電阻的影響),可控硅導(dǎo)通壓

6、降110V。(1)普通接觸器,斷態(tài)主電路功耗為零,控制功耗也為零,因此,斷態(tài)總的功耗可為零;導(dǎo)通狀態(tài)時,主電路三個觸點功耗418W左右,控制線圈功耗一般為15W,因此,通態(tài)總的功耗為20W左右。2236計算機(jī)測量與控制第17卷(2)帶預(yù)投電阻的專用接觸器,斷態(tài)主電路觸點功耗為零,預(yù)投電阻功耗每相1W,控制功耗為零,因此,斷態(tài)總的功耗可為3W;導(dǎo)通狀態(tài)時,主電路三個觸點功耗418W左右,預(yù)投電阻功耗降為零,控制線圈功耗一般為15W,因此,通態(tài)總的功耗為20W左右。(3)純可控硅固態(tài)繼電器,斷態(tài)主電路可控硅功耗接近零,緩沖電路電阻功耗每相1W,控制電路功耗2W左右,因此,斷態(tài)總的功耗可為5W;導(dǎo)通

7、狀態(tài)時,每個可控硅壓降110V,電流45A,功耗45W左右,緩沖電路電阻功耗降為零,無控制線圈功耗,控制電路功耗2W,因此,通態(tài)總的功耗為137W左右。(4)復(fù)合開關(guān),斷態(tài)觸點功耗為零,可控硅緩沖電路電阻功耗每相1W,控制電路功耗2W左右,因此,斷態(tài)總的功耗可為5W;導(dǎo)通狀態(tài)時,電流經(jīng)過繼電器觸點,三個觸點功耗為418W,可控硅沒持續(xù)電流經(jīng)過,功耗為零,功耗降為零,無控制線圈功耗,態(tài)總的功耗為7W2211結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖見圖1,采用Atmel公司生產(chǎn)的AVR系列單片機(jī)ATMEGA16L,它是一款高性能、低功耗的8位微處理器,先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu),具有寬電壓工作、抗干擾、速度快、低功耗、高驅(qū)動、性

8、能穩(wěn)定等特點。在本系統(tǒng)中完成電壓檢測、相序檢測、過零檢測、運行狀態(tài)指示以及對磁保持繼電器和可控硅的驅(qū)動控制。圖1電路結(jié)構(gòu)框圖主電路主要有兩部分:一部分控制觸發(fā)可控硅;另一部分控制使磁保持繼電器觸頭閉合或斷開。212控制原理發(fā)可控硅SCR時,SCR導(dǎo)通,脈沖停止后,SCR過零時截至導(dǎo)通?？煽毓柚皇窃谕肚兴查g(幾十毫秒)導(dǎo)通,電容投合后或切出后均處于截止?fàn)顟B(tài),因此其功耗極小,不需外加散熱器;當(dāng)電容投合后,磁保持繼電器線圈沒有電流,只是觸點的接觸電阻有功耗,每個觸點功耗1W左右,電容切出后,磁保持繼電器功耗為零。312單片機(jī)選擇ATMEGA16L是Atmel公司生產(chǎn)的8位AVR系列單片機(jī)中的一款,該

9、單片機(jī)具有如下特性:(1)該單片機(jī)為高性能、低功耗的8位AVR系列微處理器;(2)工作于16MHz時性能高達(dá);(3)具有Flash,擦寫壽命可達(dá)10000);)G,能夠?qū)崿F(xiàn)程序在線調(diào)試;6其外設(shè)包括兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器,一個具有預(yù)分頻器,比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器,四通道PWM,8路10位ADC,面向字節(jié)的兩線接口TwI、異步串口USART、SPI口等;(7)32個可編程I/O引腳,3個外部中斷以及多個內(nèi)部中斷;(8)具有6種工作模式:空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展的Standby模式等。該款單片機(jī)除具

10、上述特性之外,它可以在217610V之間正常工作,工作狀態(tài)的工作電流為115mA,還可是MCU工作在閑置模式或掉電模式。在掉電模式下,不含看門狗時的工作電流可達(dá)1uA。另外,該款單片機(jī)的I/O端口的緩沖器可以吸收20mA的電流,具有很強(qiáng)的驅(qū)動能力。該款單片機(jī)可用于儀器儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域,并以其工作電壓低、功耗小、外圍接口豐富、I/O引腳多、引腳驅(qū)動能力強(qiáng)、工作速率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。313磁保持繼電器驅(qū)動電路如圖2所示,磁保持繼電器驅(qū)動電路主要由三極管Q1、Q2和磁保持繼電器線圈RELAY組成。通常由于磁保持繼電器強(qiáng)磁力的存在10,必須給線圈通以反向電壓脈沖才可改變觸頭狀態(tài)。本電

11、路采用一種新型磁保持繼電器,它具有中心抽當(dāng)單片機(jī)接收到投合信號時,通過觸點電壓過零檢測,由單片機(jī)控制脈沖并經(jīng)隔離放大后,在過零點觸發(fā)可控硅導(dǎo)通,然后通過智能判斷讓磁保持繼電器閉合實現(xiàn)電容器的正確投合,在電容投合后,大部分電流流經(jīng)磁保持繼電器觸點,實現(xiàn)零功耗(純可控硅導(dǎo)通時損耗達(dá)幾十至上百瓦);當(dāng)單片機(jī)接收到投合信號撤消時,先發(fā)出觸發(fā)脈沖,導(dǎo)通可控硅,再斷開繼電器,然后停止脈沖的發(fā)出,使可控硅電流過零時自動切斷9。3低功耗設(shè)計311復(fù)合開關(guān)主電路開關(guān)主電路主要由下列器件組成:C為電力電容器(組),R0和C0組成吸收路,可有效保護(hù)可控硅SCR,S1為磁保持繼電器開關(guān)觸頭,T1為隔離脈沖變壓器。當(dāng)脈

12、沖通過T1觸圖2主電路原理圖第11期翟文權(quán),等:基于AVR單片機(jī)的低功耗智能復(fù)合開關(guān)設(shè)計2237頭的線圈,磁保持繼電器的線圈中心抽頭(公共端)接在+12V電源上,線圈另兩端分別接控制開關(guān)管。Q1單脈沖導(dǎo)通,Q2保持截至?xí)r,繼電器合(分);Q2單脈沖導(dǎo)通,Q1保持截至?xí)r,繼電器分(合)。C1能提供足夠的能量防止磁保持繼電器工作時對電源的影響。其特點是觸點吸合或分離僅需給線圈加幾十毫秒的脈沖電流,維持不需給線圈通電,因此在本應(yīng)用場合能有效降低整機(jī)功耗。用一個多月后,送杭州電力工業(yè)無功補償成套裝置質(zhì)量檢驗測試中心進(jìn)行了檢驗,對外觀、基本安全、電源影響、保護(hù)功能、功耗、高低溫、溫升、投切等八項內(nèi)容進(jìn)行

13、檢驗,均符合指標(biāo)及功能要求檢驗報告文號:成檢(委)字(2007)第150號。在中期試驗間,對過零檢測進(jìn)行多次調(diào)試,涌流得到進(jìn)一步有效控制,三相分補控制器涌流基本無法觀察,三相共補涌流均在穩(wěn)態(tài)峰值的111112倍,示波器觀察如圖4所示。4軟件流程設(shè)計411工作時序投合電路接收到功率因素控制儀的控制信號后單片機(jī)首先在可控硅SCR電壓過零時刻發(fā)出脈沖信號,使可控硅SCR導(dǎo)通,將電容器C平穩(wěn)可靠地接入電網(wǎng),并維持導(dǎo)通狀態(tài);緊接著單片機(jī)發(fā)出磁保持繼電器的控制信號,使其導(dǎo)通,此時,由于觸點接觸電阻極小,一般在1m以下,主回路電流大部分由可控硅向繼電器觸點分流,處于并聯(lián)工作的狀態(tài);切除,首先發(fā)出可控硅觸發(fā)脈

14、沖,使可控硅SCR同磁保持繼電器處于并聯(lián)工作的狀態(tài);接著斷開磁保持繼電器,此時電容器與電網(wǎng)的連通電流短時內(nèi)由可控硅獨立承擔(dān);再切除可控硅的觸發(fā)信號,使可控硅在電流過零時自然關(guān)斷。412軟件流程設(shè)計控制電路軟件流程圖如圖3所示。主程序首先完成對電壓、相序、開關(guān)狀態(tài)的初始化,設(shè)置標(biāo)志位,然后判斷有無投切信號和開關(guān)狀態(tài),根據(jù)投切信號進(jìn)行投或切操作。在有故障出現(xiàn)時,首先進(jìn)行自動故障修復(fù)操作。無法自動修復(fù)時,開關(guān)拒投,并進(jìn)行故障指示,形成閉環(huán)控制回路。圖4共補投切電容時的涌流試驗圖6結(jié)束語本裝置能自動實現(xiàn)可控硅過零投切,常態(tài)時由磁保持繼電器工作,投合狀態(tài)電流僅流經(jīng)繼電器觸點,提高裝置的抗干擾性能,且接觸

15、電阻小、觸點容量大,大大降低了整機(jī)功耗。本裝置具有涌流小,功耗低,抗干擾強(qiáng),穩(wěn)定性好等優(yōu)點,具有故障自診斷、恢復(fù)和狀態(tài)指示功能。AVR單片機(jī)的高性能、低功耗性能在本裝置中也得到充分體現(xiàn)。目前該產(chǎn)品的10-40Kvar型號已經(jīng)投入批量生產(chǎn),低壓變電所、配電站和中小企業(yè)配電間等場所的應(yīng)用取得了良好的效果。參考文獻(xiàn):1吳啟濤,等.新型低諧波靜止無功補償器及其應(yīng)用J.電力系統(tǒng)自動化,2003,27(9):58-61.2趙志強(qiáng),王淼,穆桂霞.新型動態(tài)無功補償裝置的研制J.電力電子技術(shù),2006,40(8):76-78.3任艷杰,趙玉林.低壓電網(wǎng)具有無功補償?shù)裙δ艿木C合自動化裝置的研究J.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,38(2):229-231.4南余榮.基于單片機(jī)的復(fù)合開關(guān)及其在低壓無功補償中的應(yīng)用J.現(xiàn)代電子技術(shù),2004,(15):84-86.5趙崇西,趙克明.DJ型電網(wǎng)監(jiān)測無功補償裝置及新一代電容器投切器件復(fù)合開關(guān)J.電力設(shè)備,2005,(6):125-125.6趙金云,秦大為.機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)的設(shè)計J.電工技術(shù),2006,(11):69-70.7陳懷忠.基于單片機(jī)(AT89C52)無功補償復(fù)合開關(guān)的研制