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ARC功率因数自动补偿控制仪的原理及其应用安科瑞 蔡昀羲摘 要: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。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)http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/25/16149c0.jpg图1 电压、电流向量二、 硬件的设计 控制器的CPU采用ATMEL的ATMEGA16-8L,此单片机工作电压范围宽(2.7 - 5.5V),最高工作频率为8MHz;芯片内部具有16k字节的Flash程序程序存储器,512 字节的EEPROM,1K字节的片内SRAM;8路10 位ADC;一个可编程的串行USART,具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器;两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 ;一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。显示芯片采用南京沁恒公司生产的键盘、显示专用芯片CH451S,CH451S最大能驱动8为数码管,且不需外加驱动就能直接驱动LED数码管,大大减小了印板尺寸,单片机的采用SPI模式,只需3线(片选CS、时钟CLK、数据输入DIN),因本系统未用CH451S的键盘功能,所以CH451S的DOUT引脚不用。Ubc的电压信号经过电阻限流进入2mA/2mA的隔离变换器后分为两路,一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC0,作为电压显示信号,另一路经过零比较后进入单片机中断口INT0;同样Ia的电流信号经5A/5mA的隔离变换器后分为两路,一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC1,作为电流显示信号,另一路经过零比较后进入单片机定时器门控端ICP引脚。http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/25/1626rm.jpg图2 ATMEGA16外部引脚 http://www.acrel.cn/cn/download/common/upload/2011/02/25/16215ld.jpg图3 输入信号处理三、 软件的设计 因整个系统对电压、电流采样的精度要求不高,我们直接用CPU的10位A/D对电压、电流的信号进行A/D转换,转换的结果一方面供显示的需要,另一方面作为过压与欠流的比较信号。我们将INT0设置为上升沿产生异步中断,ICP设置为上升沿触发输入捕捉。当INT0产生中断时,16位计数器开始以内部恒定的频率开始计数,直到下一中断的产生。在计数的同时,当TCP上有上升沿脉冲时,即将16位计数器已计得的数据放入到捕捉寄存器中。当一个采样周期结束时,计数器中得数据(N)即为外部交流信号的一个周期基数, 捕捉寄存器中数据(n)电流Ia滞后电压Ubc的基数,将(n/N)*360º即为角度,根据上面的原理就可判断在同一周波中时电压超前电流还是电流超前电压,同时还可得出超前或滞后的角度,将此数据进行查表即可得到功率因数。 为了避免对电容器组中的某一组进行频繁的投切,平衡每一组电容器的工作时间,延长整个系统的使用寿命。我们对电容器的投切采用先投入的优先切除,先切除的优先投入的原则,我们在单片机的RAM中开辟了一空间,用于记录每组电容器的投入与切除时间,然后进行排序,将已工作时间最长的作为优先切除对象,将切除时间最长的作为优先投入对象。 当三相交流的负载回路电流非常小时,会产生投切振荡的现象。也就是说控制系统投入一组电容器会产生过投,切除一组电容器又会产生投入不足,控制器就会产生重复的投切现象。为避免此想象的发生,我们设置了欠电流锁定,当电流值小于此数值时,系统将停止对电容器的投切动作,维持已投入的电容器工作。 在工作过程中,若采样到的电压数据大于设定的过压保护值时,控制器将逐步切除已投入的电容器,若发现超过设定的保护值的10%时,则一次性切除所有已投入的电容器,保护电容器。 以上的技术现已应用于本公司的ARC功率因数自动补偿控制仪中,经测试运行,系统工作稳定、各项指标达到了国家标准的要求,现已初步投放市场。
摘 要: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ATMEGA16-8L,此单片机工作电压范围宽(2.7 - 5.5V),最高工作频率为8MHz;芯片内部具有16k字节的Flash程序程序存储器,512 字节的EEPROM,1K字节的片内SRAM;8路10 位ADC;一个可编程的串行USART,具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器;两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 ;一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。显示芯片采用南京沁恒公司生产的键盘、显示专用芯片CH451S,CH451S最大能驱动8为数码管,且不需外加驱动就能直接驱动LED数码管,大大减小了印板尺寸,单片机的采用SPI模式,只需3线(片选CS、时钟CLK、数据输入DIN),因本系统未用CH451S的键盘功能,所以CH451S的DOUT引脚不用。Ubc的电压信号经过电阻限流进入2mA/2mA的隔离变换器后分为两路,一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC0,作为电压显示信号,另一路经过零比较后进入单片机中断口INT0;同样Ia的电流信号经5A/5mA的隔离变换器后分为两路,一路进入模拟绝对值处理电路送入单片机的A/D转换口ADC1,作为电流显示信号,另一路经过零比较后进入单片机定时器门控端ICP引脚。三、 软件的设计 因整个系统对电压、电流采样的精度要求不高,我们直接用CPU的10位A/D对电压、电流的信号进行A/D转换,转换的结果一方面供显示的需要,另一方面作为过压与欠流的比较信号。我们将INT0设置为上升沿产生异步中断,ICP设置为上升沿触发输入捕捉。当INT0产生中断时,16位计数器开始以内部恒定的频率开始计数,直到下一中断的产生。在计数的同时,当TCP上有上升沿脉冲时,即将16位计数器已计得的数据放入到捕捉寄存器中。当一个采样周期结束时,计数器中得数据(N)即为外部交流信号的一个周期基数, 捕捉寄存器中数据(n)电流Ia滞后电压Ubc的基数,将(n/N)*360º即为角度,根据上面的原理就可判断在同一周波中时电压超前电流还是电流超前电压,同时还可得出超前或滞后的角度,将此数据进行查表即可得到功率因数。 为了避免对电容器组中的某一组进行频繁的投切,平衡每一组电容器的工作时间,延长整个系统的使用寿命。我们对电容器的投切采用先投入的优先切除,先切除的优先投入的原则,我们在单片机的RAM中开辟了一空间,用于记录每组电容器的投入与切除时间,然后进行排序,将已工作时间最长的作为优先切除对象,将切除时间最长的作为优先投入对象。 当三相交流的负载回路电流非常小时,会产生投切振荡的现象。也就是说控制系统投入一组电容器会产生过投,切除一组电容器又会产生投入不足,控制器就会产生重复的投切现象。为避免此想象的发生,我们设置了欠电流锁定,当电流值小于此数值时,系统将停止对电容器的投切动作,维持已投入的电容器工作。 在工作过程中,若采样到的电压数据大于设定的过压保护值时,控制器将逐步切除已投入的电容器,若发现超过设定的保护值的10%时,则一次性切除所有已投入的电容器,保护电容器。 以上的技术现已应用于本公司的ARC功率因数自动补偿控制仪中,经测试运行,系统工作稳定、各项指标达到了国家标准的要求,现已初步投放市场。
[color=#990000][size=16px]摘要:现有的[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]加速量热仪普遍存在单热电偶温差测量误差大造成绝热效果不好,以及样品球较大壁厚造成热惰性因子较大,都使得[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]测量精度不高。为此本文提出了技术改进解决方案,一是采用多只热电偶组成的温差热电堆进行温差测量,二是采用样品球外的压力自动补偿减小样品球壁厚,三是用高导热金属制作样品球提高球体温度均匀性,四是采用具有远程设定点和串级控制高级功能的超高精度[/size][size=16px]PID[/size][size=16px]控制器,解决方案可大幅度提高[/size][size=16px]ARC[/size][size=16px]精度。[/size][/color][align=center][size=16px][color=#990000][b]==============================[/b][/color][/size][/align][b][size=18px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 加速量热仪(Accelerating Rate Calorimeter)简称ARC,是一种用于危险品评估的热分析仪器,可以提供绝热条件下化学反应的时间-温度-压力数据。加速量热仪(ARC)基于绝热原理,能精确测得样品热分解初始温度、绝热分解过程中温度和压力随时间的变化曲线,尤其是能给出DTA和DSC等无法给出的物质在热分解初期的压力缓慢变化过程。典型的加速量热仪的结构如图1所示。为了保证加速量热计的测量精度,ARC装置需要实现以下两个重要条件:[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=ARC加速量热计典型结构,500,267]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309121740385310_8045_3221506_3.jpg!w690x369.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 ARC加速量热仪典型结构[/b][/color][/size][/align][size=16px] (1)被测样品始终处于绝热环境。绝热环境的实施需采用等温绝热方式,即样品球周围的护热加热器温度始终与样品球温度保持一致,两者的温差越小,样品散失或吸收的热量则越小,量热仪测量精度越高。[/size][size=16px] (2)空心结构样品球(样品池或样品容器)的壁厚越薄越好,以最大限度减少热惰性因子,减少球体吸热和放热影响。[/size][size=16px] 在目前的各种商品化ARC加速量热仪中,并不能很好的实现上述两个边界条件,主要存在以下几方面的问题:[/size][size=16px] (1)样品温度和护热温度仅采用了两只热电偶温度传感器,而热电偶的测温精度和一致性本身就较差,仅靠两只热电偶测温和控温,很难保证达到很好的等温效果,往往会造成漏热严重的现象,导致测量精度较差。热电偶在使用一段时间后,这种现象会更加突出。[/size][size=16px] (2)因为化学反应过程中会产生高温高压,使得现有ARC的样品球壁厚必须较厚以具有较大的耐压强度,避免样品球或量热池产生形变或破裂,但这势必增大了热惰性因子。这种壁厚较厚和较大热惰性因子,是造成ARC加速量热仪测量误差较大的另一个主要原因。[/size][size=16px] (3)由于首先要保证壁厚和耐压强度,量热池所用材质往往是高强度金属,但这些金属材质相应的热导率往往较低,较低的热导率则会影响量热池侧壁温度的快速均匀。这种低导热材质所带来的样品球温度非均匀性问题,又会造成周边护热温度控制的误差,所带来的连锁效果会进一步降低测量精度。[/size][size=16px] 为了解决目前ARC加速量热仪存在的上述问题,本文提出了以下解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案主要包括两方面的技术改进,一是采用多只热电偶构成温差热电堆来提高温差检测的灵敏度和更好的保证绝热环境,二是在样品球外增加气体压力自动补偿。改进后的ARC加速量热仪的结构及控制装置如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=ARC加速量热仪温度和压力控制装置结构示意图,550,283]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/09/202309121741195817_6742_3221506_3.jpg!w690x356.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 ARC加速量热仪温度和压力控制装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 在如图2所示的高温高压控制装置中,采用了4对热电偶组成的热电堆来检测样品球与护热加热器之间的温差,这样可以使温差测量灵敏度提高4倍,即可使原来采用单只热电偶的量热计测量精度得到大幅提高。在实际应用中,热电堆中的热电偶数量并不限制于4只,可以根据ARC结构和体积采用更多的热电偶,由此可进一步提高温差测量灵敏度,但在选择热电偶时,需要采用尽可能细的热电偶丝,以减少热量通过热电偶丝进行传递。[/size][size=16px] 对于补偿压力的控制,如图2所示,在ARC中增加了一路高压气路。压力控制回路由压力传感器、压力调节器和PID控制器构成,通过压力调节器将来自高压气源(如氮气)的压力进行自动减压控制,使得高温高压腔体内的压力始终跟踪样品球内的压力变化,从而尽可能降低样品球内外的压力差。压力调节器是一个内置压力传感器、PID控制器和两只高速进出气阀门的压力控制装置,可直接接收外部压力设定信号进行快速和准确的压力控制,非常适用于像ARC量热仪高温高压腔这样的密闭腔室的气体压力控制。压力调节器的压力控制范围为0~5MPa(表压),如需要更高压力调节,则需增加一个高压背压阀,但压力调节还是通过压力调节器。[/size][size=16px] 在图2所示的高温高压控制装置中,温差传感器的灵敏度、压力传感器测量精度以及压力调节器控制精度都决定了ARC加速量热计边界条件是否精确,但这些部件对ARC的最终测量精度贡献还需PID控制器来决定。PID控制器作为ARC绝热量热仪的核心仪表,需要满足以下要求才能真正保证最终精度:[/size][size=16px] (1)在量热仪绝热实现方面,采用温差热电堆,可灵敏检测出样品球与护热加热器之间的微小温差变化,但温差灵敏度最终是要通过PID控制器的检测精度得以保证,由此要求PID控制器应有尽可能高的采集精度。同样,绝热控制的最终效果是温差越小越好,这也对PID控制器的控制输出提出了很高的要求,即要求控制精度越高越好。本解决方案中选择了VPC2021系列的超高精度PID控制器,这是目前国际上最高精度的工业用小尺寸PID调节器,具有24位AD、16位DA和0.01%最小输出百分比,可完全满足微小温差热电势信号高精度检测和高精度温度控制的要求。[/size][size=16px] (2)在量热仪高压补偿控制方面,需要对高温高压腔室内的气体压力进行跟踪控制以尽可能的减小样品球内外的压力差。在压力控制回路中,压力传感器用来检测样品球内部的压力变化,同时此传感器的输出压力值又作为高温高压腔室压力控制的设定值,PID控制器根据此设定值来动态控制高温高压腔室压力,这就要求PID控制器具有远程设定点功能,并具有与压力调节器组成串级控制回路的功能,而本解决方案配置的VPC2021系列PID控制器则具备这种高级控制功能。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述,本解决方案采用了温差热电堆和压力补偿两种技术手段对现有ARC加速量热仪进行改进,改进后的ARC加速量热仪具有以下特点:[/size][size=16px] (1)温差热电堆可明显提高温差检测灵敏度,可更好的实现绝热效果。[/size][size=16px] (2)压力补偿可使得样品球的壁厚更薄,并降低了样品球材质的强度要求,样品球就可以采用高导热金属,在降低样品球热惰性因子的同时,更能提高样品球整体的温度均匀性,可显著提高量热仪测量精度。[/size][size=16px] (3)采用了具有远程设定点和串级控制这些高级功能的超高精度PID控制器,可充分发挥上述技术改进措施的优势,真正使ARC加速量热仪测量精度的提高得到了保障。[/size][size=16px] (4)所采用的技术手段,可推广应用到其它形式的热反应量热仪中。[/size][align=center][color=#990000][b][/b][/color][/align][align=center][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/align][size=16px][/size]