摘 要 系統(tǒng)以80C196KC作為主控單元,控制晶閘管輪流軟啟動(dòng)、軟切除電容器,并按照先投入者先切除的較優(yōu)化原則工作. 關(guān)鍵詞 單片機(jī);晶閘管;軟啟動(dòng) 工廠電力負(fù)荷中有相當(dāng)一部分感性負(fù)荷,這些負(fù)荷除了大量消耗有功功率外,還大量地吸收無(wú)功功率.為了節(jié)約能源,提高電力系統(tǒng)的可靠性和供電質(zhì)量,必須采用無(wú)功補(bǔ)償措施.目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的無(wú)功補(bǔ)償裝置是用接觸器（每動(dòng)作一次為10～30 s）作為投切開關(guān)元件,無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的跟蹤補(bǔ)償,每次投切電容均產(chǎn)生較大沖擊電流和起電網(wǎng)電壓的波動(dòng),易造成接觸器觸點(diǎn)燒焊.若全部用晶閘管[1],則成本高、諧波分量大,對(duì)電網(wǎng)有較大的污染80C196KC是80年代后期推出的16位高檔單片機(jī),本文80C196KC單片機(jī)控制一組較小的晶閘管作為軟啟動(dòng)器或軟調(diào)節(jié)器,軟啟動(dòng)完畢后,將對(duì)應(yīng)于該電路的接觸器短接或切除,可以有效地克服單獨(dú)用接觸器或晶閘管作為開關(guān)元件的缺點(diǎn),從而增大電容柜單位體積的容量. 1 系統(tǒng)的工作原理 1）系統(tǒng)的主電路取AB相（見圖1）.軟啟動(dòng)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(tǒng)處于較合理的工作狀態(tài).每組電容在投切時(shí)都經(jīng)過(guò)軟調(diào)節(jié),有效地避免大電流的沖擊,同時(shí)減少短接電容接觸器D[sub]i[/sub]（i=1～12）的觸點(diǎn)電流,使接觸器壽命延長(zhǎng),提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性.為了使電容柜合理工作實(shí)行欠補(bǔ)時(shí)先投入的電容在過(guò)補(bǔ)時(shí)應(yīng)先切除,后投入的后切除的循環(huán)工作制. 眾所周知,當(dāng)功率因數(shù)cosφ=1時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程分析:投入前的電網(wǎng)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(dòng)初始時(shí),電流會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng),為保護(hù)晶閘管KP,限制浪涌電流,在KP回路中串聯(lián)電抗器L.為防止高次諧波可能帶來(lái)的高壓擊穿KP,在KP兩端用壓敏電阻和電阻R進(jìn)行限壓和吸收.壓敏電阻的參數(shù)取1000 V/3000 A,通過(guò)電阻R的電流取0.1 A;此時(shí)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(huì)長(zhǎng)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(shè)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(shí)欠補(bǔ),而n+1組電容投入又過(guò)補(bǔ),那么在n組電容投入的基礎(chǔ)上,用晶閘管無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)第n+1組電容,使功率因數(shù)滿足精度要求,而系統(tǒng)又不會(huì)出現(xiàn)振蕩. 2 系統(tǒng)硬件及接口電路 2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由80C196KC單片機(jī)組成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示. 圖中接口芯片8155的輸出口PA0～PA7,PB0～PB3經(jīng)光隔控制短接電容接觸器D1～D12.晶閘管在軟啟動(dòng)電容時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生較大的電流,因此必須確保晶閘管每次只啟動(dòng)一個(gè)電容,避免同時(shí)投入兩個(gè)或兩個(gè)以上電容,用接觸器Zi的輔助觸點(diǎn)互鎖,因觸點(diǎn)數(shù)量有限,不能全部覆蓋,其互鎖邏輯應(yīng)滿足: 考慮到在80C196KC系統(tǒng)中互鎖容易實(shí)現(xiàn).根據(jù)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(dòng)作,而且軟硬件較容易協(xié)調(diào),編程方便. 8155的輸出口PC[sub]0[/sub]～PC[sub]3[/sub]對(duì)應(yīng)接到74LS154的A,B,C,D輸入端,這時(shí)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(duì)應(yīng)控制Z[sub]1[/sub]～Z[sub]12[/sub].當(dāng)不需要輸出時(shí)（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(cè)電路 系統(tǒng)能準(zhǔn)確可靠地獲取功率因數(shù)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(cè)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(tǒng)的精度要求.亦可采用查表法計(jì)算cosφ值.在計(jì)算出cosφ的絕對(duì)值后,還要進(jìn)一步確定φ的方向,這可由相應(yīng)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(gòu)成占空比較小的調(diào)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(jīng)過(guò)光隔分別控制AB相、BC相及CA相.經(jīng)光隔后的輸出口PB′5作為總開關(guān).為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件,三相晶閘管的同步信號(hào)僅取AB相,其他兩相各差120°,考慮到可能選用大晶閘管,系統(tǒng)發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)為10°～13°占空比小的脈沖群,也能可靠地觸發(fā)大晶閘管且功耗較小.為防止晶閘管因誤觸發(fā)損壞,在晶閘管回路加上電流傳感器,形成閉環(huán)系統(tǒng),限制電流激增.若有短路即令PB[sup]′5[/sup]=0關(guān)閉晶閘管和對(duì)應(yīng)的Z[sub]i[/sub],同時(shí)發(fā)出報(bào)警. 3 系統(tǒng)軟件組成 本裝置的軟件系統(tǒng)由主程序、子程序、中斷服務(wù)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(diào)用子程序.3）協(xié)調(diào)各功能模塊之間工作. 3.2 子程序 子程序包括A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)運(yùn)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(duì)系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)采集到的功率因數(shù)進(jìn)行一階遞推數(shù)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(shí)現(xiàn)用軟件代替硬件濾波器.在采樣功率因數(shù)時(shí)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(shù)是屬于慣性較大的參數(shù)之一,現(xiàn)場(chǎng)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(shù)值波動(dòng),可采用限幅濾波,該方式可以有效地克服數(shù)據(jù)采集中的一些擾動(dòng).從理論上看采樣到的數(shù)據(jù)正態(tài)分布值是趨近系統(tǒng)特性的值,而不是偶爾的某些參數(shù),因此突變的這些可視為干擾,在數(shù)值處理上加以限制.經(jīng)限幅濾波后的cosφ值,在干擾較大的環(huán)境下也相當(dāng)平滑. 3.3 中斷處理服務(wù)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(wù)程序獲取AB相同步信號(hào),根據(jù)要求準(zhǔn)確算出AB相、BC相和CA相的觸發(fā)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(dòng)作順序要求嚴(yán)格,在編程時(shí)首先需要將各輸出規(guī)范化、序列化,即按投入、切除的規(guī)律編號(hào),作為子程序調(diào)用、使整個(gè)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)數(shù),e為切除電容的位置,s為投入電容的位置,開機(jī)時(shí)n=e=s=0. 4 系統(tǒng)的抗干擾措施 4.1 硬件 系統(tǒng)多采用智能接口芯片和組合邏輯陣列GAL或PAL芯片,使系統(tǒng)集成化提高,減少受干擾機(jī)率.同時(shí)用開關(guān)電源作為系統(tǒng)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(wù)程序中,以覆蓋整個(gè)程序群.2）定時(shí)刷新顯示內(nèi)容,確保顯示正確.3）采用軟件沉余法,系統(tǒng)由一次采樣、處理控制輸出改為循環(huán)采樣處理控制輸出.這種方法對(duì)于慣性較大的控制系統(tǒng)有良好的抗偶然因素干擾作用.4）設(shè)置軟件陷阱:當(dāng)PC指針失控時(shí),造成程序“亂飛”,進(jìn)入不該進(jìn)入的程序區(qū)或非程序區(qū),容易造成死循環(huán)或誤動(dòng)作.所以程序之間用5～8個(gè)NOP隔開,或在非程序之間設(shè)置攔截措施,使程序進(jìn)入陷阱,然后迫使程序進(jìn)入初始狀態(tài).在初始化程序中又設(shè)置一些“冷”、“熱”啟動(dòng)識(shí)別標(biāo)志及一些容錯(cuò)標(biāo)志,以便使程序能迅速恢復(fù)正常工作.原則是硬件隔離,軟件排除. 5 結(jié) 論 該系統(tǒng)是一種新型的輪流軟啟動(dòng)電容補(bǔ)償裝置,將晶閘管技術(shù)與接觸器相結(jié)合,可以明顯地改善電容投切時(shí)的工作狀態(tài)和電網(wǎng)的供電質(zhì)量,提高工作的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命,運(yùn)用面較廣.