摘 要 系統以80C196KC作為主控單元,控制晶閘管輪流軟啟動、軟切除電容器,并按照先投入者先切除的較優化原則工作. 關鍵詞 單片機;晶閘管;軟啟動 工廠電力負荷中有相當一部分感性負荷,這些負荷除了大量消耗有功功率外,還大量地吸收無功功率.為了節約能源,提高電力系統的可靠性和供電質量,必須采用無功補償措施.目前國內外廣泛采用的無功補償裝置是用接觸器（每動作一次為10～30 s）作為投切開關元件,無法實現快速準確的跟蹤補償,每次投切電容均產生較大沖擊電流和起電網電壓的波動,易造成接觸器觸點燒焊.若全部用晶閘管[1],則成本高、諧波分量大,對電網有較大的污染80C196KC是80年代后期推出的16位高檔單片機,本文80C196KC單片機控制一組較小的晶閘管作為軟啟動器或軟調節器,軟啟動完畢后,將對應于該電路的接觸器短接或切除,可以有效地克服單獨用接觸器或晶閘管作為開關元件的缺點,從而增大電容柜單位體積的容量. 1 系統的工作原理 1）系統的主電路取AB相（見圖1）.軟啟動電容柜的工作原則是:在保證每組電容可靠工作（投切）的前提下,盡可能使系統處于較合理的工作狀態.每組電容在投切時都經過軟調節,有效地避免大電流的沖擊,同時減少短接電容接觸器D[sub]i[/sub]（i=1～12）的觸點電流,使接觸器壽命延長,提高了整個系統的可靠性.為了使電容柜合理工作實行欠補時先投入的電容在過補時應先切除,后投入的后切除的循環工作制. 眾所周知,當功率因數cosφ=1時最理想但必須投入更多的電容,需加大投資,綜合各種因素,推薦:0.95≤cosφ≤0.98（見圖2）. 2）晶閘管動態調節過程分析:投入前的電網交流電壓U=U[sub]m[/sub]sin（ωt+ψ）,初始條件為 U[sub]c[/sub]（-0）=U[sub]c[/sub]（+0）≈0, i（-0）=i（+0）≈0. 得:電流上升率最大值Km∝Um（1+sinψ）/Lsinα;浪涌電流最大值. 在軟啟動初始時,電流會出現擺動,為保護晶閘管KP,限制浪涌電流,在KP回路中串聯電抗器L.為防止高次諧波可能帶來的高壓擊穿KP,在KP兩端用壓敏電阻和電阻R進行限壓和吸收.壓敏電阻的參數取1000 V/3000 A,通過電阻R的電流取0.1 A;此時功率P[sub]R[/sub]=U[sub]AB[/sub]I[sub]R[/sub]=380×0.1=38 W,電阻R=U[sub]AB[/sub]/I[sub]R[/sub]=380/0.1=3.8 kΩ.考慮到電阻可能會長期工作,R取3.8 kΩ/40 W,K[sub]P[/sub]取3～5I[sub]e[/sub]/1200 V.選擇PK系列晶閘管模塊.假設接觸器投入的邏輯為“1”,切除邏輯為“0”,投入單組電容的工作原理框圖如圖3所示. [align=center] [/align] 如果有n組電容投入時欠補,而n+1組電容投入又過補,那么在n組電容投入的基礎上,用晶閘管無級調節第n+1組電容,使功率因數滿足精度要求,而系統又不會出現振蕩. 2 系統硬件及接口電路 2.1 控制系統結構 由80C196KC單片機組成控制系統結構如圖4所示. 圖中接口芯片8155的輸出口PA0～PA7,PB0～PB3經光隔控制短接電容接觸器D1～D12.晶閘管在軟啟動電容時,可能會產生較大的電流,因此必須確保晶閘管每次只啟動一個電容,避免同時投入兩個或兩個以上電容,用接觸器Zi的輔助觸點互鎖,因觸點數量有限,不能全部覆蓋,其互鎖邏輯應滿足: 考慮到在80C196KC系統中互鎖容易實現.根據邏輯要求選擇譯碼器74LS154最合適,由于74LS154的特性是每次僅輸出一路,用74LS154控制KP的投入接觸器Z[sub]i[/sub],可避免誤動作,而且軟硬件較容易協調,編程方便. 8155的輸出口PC[sub]0[/sub]～PC[sub]3[/sub]對應接到74LS154的A,B,C,D輸入端,這時74LS154控制端全部有效.用PC[sub]0[/sub]～PC[sub]3[/sub]選擇不同的Y[sub]0[/sub]～Y[sub]11[/sub]（74LS154的輸出口）,對應控制Z[sub]1[/sub]～Z[sub]12[/sub].當不需要輸出時（即Y[sub]0[/sub]～Y[sub]11[/sub]不輸出）,僅令PC[sub]0[/sub]=PC[sub]1[/sub]=PC[sub]2[/sub]=PC[sub]3[/sub]=1,選中Y[sub]15[/sub]輸出即可. 2.2 相位檢測電路 系統能準確可靠地獲取功率因數cosφ是非常重要的,φ為電流落后或超前電壓的角度.相位φ檢測電路原理如圖5所示. 用泰勒展開式求cosφ值,顯然cosφ=1-（φ[sup]2[/sup]/2!）+（φ[sup]4[/sup]/4!）-（φ[sup]6[/sup]/6!）能保證系統的精度要求.亦可采用查表法計算cosφ值.在計算出cosφ的絕對值后,還要進一步確定φ的方向,這可由相應的硬件與軟件配合完成. 2.3 晶閘管的控制電路 控制晶閘管輸出原理如圖6所示. 圖6中反相器4069構成占空比較小的調制波,頻率在10～50 kHz之間.80C196KC的高速輸出口HSO[sub]0[/sub],HSO[sub]1[/sub],HSO[sub]2[/sub]及8155的PB[sub]5[/sub]輸出口經過光隔分別控制AB相、BC相及CA相.經光隔后的輸出口PB′5作為總開關.為簡化系統的硬件,三相晶閘管的同步信號僅取AB相,其他兩相各差120°,考慮到可能選用大晶閘管,系統發出的觸發信號為10°～13°占空比小的脈沖群,也能可靠地觸發大晶閘管且功耗較小.為防止晶閘管因誤觸發損壞,在晶閘管回路加上電流傳感器,形成閉環系統,限制電流激增.若有短路即令PB[sup]′5[/sup]=0關閉晶閘管和對應的Z[sub]i[/sub],同時發出報警. 3 系統軟件組成 本裝置的軟件系統由主程序、子程序、中斷服務程序三大部分組成. 3.1 主程序 主程序的三大功能:1）程序初始化.2）調用子程序.3）協調各功能模塊之間工作. 3.2 子程序 子程序包括A/D轉換、數據運算及處理、顯示子程序、鍵盤輸入子程序、濾波子程序和輸出子程序等.濾波子程序又包括均值濾波、中值濾波、去最老值濾波等.針對系統的特點對采集到的功率因數進行一階遞推數字濾波,這種方法是利用軟件完成阻容RC低通濾波器的算法,實現用軟件代替硬件濾波器.在采樣功率因數時為了不影響相位,沒有用硬件RC濾波,因此用遞推濾波很必要.濾波器的輸出Y[sub]n[/sub]=TX[sub]n[/sub]+（1-T）Y [sub]n-1[/sub] [sup][2][/sup] .考慮到功率因數是屬于慣性較大的參數之一,現場又有高次諧波等其他電磁噪音的污染造成采樣到的功率因數值波動,可采用限幅濾波,該方式可以有效地克服數據采集中的一些擾動.從理論上看采樣到的數據正態分布值是趨近系統特性的值,而不是偶爾的某些參數,因此突變的這些可視為干擾,在數值處理上加以限制.經限幅濾波后的cosφ值,在干擾較大的環境下也相當平滑. 3.3 中斷處理服務程序 1）在高速輸入中斷程序中判斷φ的方向.2）在外中斷服務程序獲取AB相同步信號,根據要求準確算出AB相、BC相和CA相的觸發脈沖的角度.3）由高速輸出HSO[sub]0[/sub],HSO[sub]1[/sub],HSO[sub]2[/sub]分別控制AB相、BC相及CA相的晶閘管.4）控制電容的接觸器較多,動作順序要求嚴格,在編程時首先需要將各輸出規范化、序列化,即按投入、切除的規律編號,作為子程序調用、使整個軟件系統結構簡化. 電容投入的程序框圖如圖7所示.電容切除的程序框圖如圖8所示.圖中n為投入電容的個數,e為切除電容的位置,s為投入電容的位置,開機時n=e=s=0. 4 系統的抗干擾措施 4.1 硬件 系統多采用智能接口芯片和組合邏輯陣列GAL或PAL芯片,使系統集成化提高,減少受干擾機率.同時用開關電源作為系統電源并加上濾波器,所有輸入輸出接口均光電隔離. 4.2 軟件 1）將Watchdog放在外中斷服務程序中,以覆蓋整個程序群.2）定時刷新顯示內容,確保顯示正確.3）采用軟件沉余法,系統由一次采樣、處理控制輸出改為循環采樣處理控制輸出.這種方法對于慣性較大的控制系統有良好的抗偶然因素干擾作用.4）設置軟件陷阱:當PC指針失控時,造成程序“亂飛”,進入不該進入的程序區或非程序區,容易造成死循環或誤動作.所以程序之間用5～8個NOP隔開,或在非程序之間設置攔截措施,使程序進入陷阱,然后迫使程序進入初始狀態.在初始化程序中又設置一些“冷”、“熱”啟動識別標志及一些容錯標志,以便使程序能迅速恢復正常工作.原則是硬件隔離,軟件排除. 5 結 論 該系統是一種新型的輪流軟啟動電容補償裝置,將晶閘管技術與接觸器相結合,可以明顯地改善電容投切時的工作狀態和電網的供電質量,提高工作的可靠性和延長使用壽命,運用面較廣.