基于電能專用計量芯片ATT7022A的低壓無功補償控制器設計

孫白艷

摘要：以高精度三相電能專用計量芯片ATT7022A為電能信號采集芯片，及時精確采集電網各項參數，以意法半導體公司的STM32F103為主控芯片，晶閘管控制電容器組的投切，來設計低壓動態(tài)無功補償控制器，用以實現對低壓線路的動態(tài)無功補償。實驗表明，該控制器能極大地提高線路的功率因數，減少線損，延長電力設備的使用壽命，進而改善電網供電質量。

關鍵詞：無功補償；ATT7022A；控制器；功率因數

DOIDOI：10.11907/rjdk.143685

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2015）001007703

0 引言

電網中的用電負載，大多是感性負載，比如發(fā)電機、電動機、變壓器以及整流設備等。它們在日常使用中都需要消耗無功功率，如果這些無功功率得不到及時有效的補償就會增加供電設備投資，降低設備利用率，同時增加線路損耗，浪費電能。智能低壓無功補償控制器根據ATT7022A采集的各項電能參數，按照一定的控制策略能及時有效地補償電網中的無功功率，提高線路功率因數，提高電能利用率。

1 工作原理

許多用電設備均是根據電磁感應原理工作的，比如配電變壓器、電動機等，它們都依靠建立交變磁場進行能量的轉換和傳遞。為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率。在實際的電力系統(tǒng)中，大部分電氣設備的等效電路可以看作電阻R和電感L的串聯電路。在電力系統(tǒng)中，電流I總是滯后電壓U一個角度。在正弦交流電路中，電壓與電流的相位差的余弦值叫做功率因數，在數值上功率因數=有功功率/視在功率，即cos=PS。其物理意義為：在總功率不變的條件下，功率因數越大，則電源供給有功功率越大，因此提高功率因數可以提高輸電和發(fā)電設備的利用率[12]。

假設電網中的負荷電路是用電阻R和電感L串聯形成的電路，如圖1所示。QL為電路需要的無功功率，如果沒有補償電容器，那么QL的無功功率將由電網電源提供，當并聯補償電容器后，電感所需的無功功率將由補償電容器提供，那么電網電源提供的無功功率將減少為Q=QL-QC，其相位角由減少到′，功率因數由cos提高到cos′[2]。由圖2所示的功率三角形可以看出相位角及視在功率的變化。

圖1 電力系統(tǒng)等效電路 圖2 無功補償原理

由于并聯了補償電容器后，電力系統(tǒng)感性負載消耗的無功功率可以有補償電容器提供，這就減少了電網電源向感性負荷提供、由輸電線路傳輸的無功功率。由圖2可知，視在功率由S減少為S′，功率因數提高到cos′，因此無功補償后減少了發(fā)、供電設備的設計容量，降低了線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗。

2 硬件設計

2.1 芯片選擇

電網參數計量采樣采用高精度三相電能專用計量芯片ATT7022A。ATT7022A適用于三相三線和三相四線應用，集成了六路二階∑-△ADC參考電壓電路及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路[3]。其內部結構如圖3所示。

圖3 ATT7022A內部結構

ATT7022A能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量和無能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值功、率因數、相角頻率等參數。它能充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。

本設計采用意法半導體公司的STM32F103為主控芯片。STM32F103時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品，其基本型時鐘頻率為36MHz，以16位產品的價格得到比16位產品大幅提升的性能，是16位產品用戶的最佳選擇。

2.2 控制器系統(tǒng)結構

控制器系統(tǒng)結構如圖4所示。控制器裝置的工作過程為：當裝置運行時，由電流互感器和電壓互感器分別輸入電網中的三相電流、三相電壓信號，電能計量芯片 ATT7022A對信號進行采集分析計算，通過 SPI 接口與STM32連接。由于電容器兩端要求穩(wěn)定，當電網電壓和電容器兩端的電壓有較大差值時觸發(fā)晶閘管會產生涌流，損壞設備和用電器件。因此，電容器投切策略是晶閘管過零觸發(fā)，即在晶閘管兩端電壓為零時使晶閘管導通投入電容器，當電流為零時阻斷晶閘管切斷電容器。通過對ATT7022A采集數據結果的分析確定電網是否需要投切電容，STM32F103發(fā)出控制命令，驅動電路動作，發(fā)出正負脈沖，使晶閘管導通和阻斷控制電容器的投切。

圖4 控制器系統(tǒng)結構

2.3 系統(tǒng)電路設計

2.3.1 數據采集電路

數據采集電路設計包括電壓電流經過電壓互感器和電流互感器輸入[3，89]、電源電路和復電路等的設計，如圖5所示。

圖5 電能數據采集電路

2.3.2 采樣電路設計

電流采集和電壓采集的前端輸入電路[7]分別如圖6、圖7所示。

圖6 輸入電流采集

電流信號的輸入采用電流單端采樣方式，電流信號通過5A/2.5mATR2120電流互感器，輸出2.5mA電流。電壓信號的輸入采用1：1的電壓互感器方式。每個輸入通道均加入了抗混疊濾波器。

圖7 輸入電壓采集

3 軟件設計

由ATT7022A直接讀取電網的各項參數，CPU不涉及A/D采樣數據的處理，這使CPU運算量大大減少[4]。因此，軟件編制的核心轉為如何分析電網的參數，以及如何及時可靠地投切電容等問題上。電容器投切的控制策略是根據ATT7022A讀取的電網各項參數，分析計算實時功率因數、有功功率、無功功率等與設定的功率參數值相比較，以確定是否投切電容，以及投切數量[1，6]。軟件流程如圖8所示。

圖8 軟件流程

系統(tǒng)初始化包括CPU初始化、SPI初始化、ATT7022A初始化等。ATT7022A實時采集電網各

項參數， 通過計算分析功率因數、有功功率、無功功率電壓和電流等參數。由STM32F103驅動晶閘管及時準確投切電容器。與傳統(tǒng)的機械開關投切電容器相比，晶閘管開關無觸點，操作壽命幾乎無限，可以快速無沖擊的將電容器投入到電網中，大大降低了電容投切時的操作困難度。軟

件設計人機接口模塊包括鍵盤輸入控制和LCD液晶顯

示，鍵盤輸入可以方便手動操作電容器的投切，設置相關參數。LCD顯示可以方便查看相應的有功及無功功率、功率因數、電壓、電流以及電容器的投切狀態(tài)。

4 結語

采用電能專用計量芯片ATT7022A為電能數據采集芯片，能準確地采集電能的有功、無功功率等，減少了CPU的計算量。以STM32F103為主控芯片與上位機連接，晶閘管控制電容器組的投切，簡化了電路設計，其實用性強、可靠性高。通過對電網的實時監(jiān)測實現低壓電網動態(tài)補償，極大地提高了線路的功率因數，減少了線損。通過對研制開發(fā)的試驗樣機的測試分析發(fā)現，該控制器電容器投切及時準確、精度較高、性能穩(wěn)定，能極大地減少電網網絡損耗，改善電網供電質量。

參考文獻：

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