一种基于单片机控制的功率因数补偿器

摘要 目前不少企业单位使用的功率因数补偿器大都采用同时对三相负载进行均衡补偿的方式，这种补偿方式在负载三相都对称时效果比较理想，但面对三相不对称的三相负载时我们就不得不对每相都进行人工补偿了，本文介绍一种用单片机控制的采用并联电容补偿器方式的自动功率因数补偿器。

关键词 功率因数；单片机；补偿电容器

中图分类号TP39 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）47-0235-02

1 系统方案设计

本系统采用C8051F330单片机作为处理器，它内置一个10位AD转换,速率可以达到200ksps可多达16个外部单端或者差分输入，可在内部VREF、外部引脚或VDD中选择内部或外部转换启动源。片内调试电路提供全速、非侵入式的系统调试，并且支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器，比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更越的性能，芯片速度可达25MIPS。芯片与8255连接进行并行端口的扩展以满足继电器，键盘，显示等模块儿的需要。为满足数据转换和计算我们可以外扩适当容量的RAM和ROM。

系统框图如下：

框图中单片机控制驱动继电器的状态来控制电容器的组数，键盘及其显示电路来完成电流，功率因数的设定和显示。

2系统硬件设计及其原理介绍

2.1数据采集

三相电压电流在多路模拟开关的控制下分别由三个电压互感器和电流互感器输出，后面的电路对这些信号进行放大、整流、滤波处理，接着分别输入到C8051F330单片机对应的引脚进行A/D转换并把这些数据放入指定的存储单元备用。需要指出的是，被选为ADC0输入的引脚被配置为模拟输入，并且要被数字开关跳过。要将一个端口引脚配置为模拟输入，应将PnMDIN（n=0,1）寄存器中的对应位置零。为了使交叉开关跳过一个端口引脚，应使PnSKIP（n=0,1）寄存器中的对应位置1。

2.2相位差和功率因数的计算测量

多路模拟开关分别将三相的电压和电流过零比较器与单片机的I/O口连接，启动定时器单片机就能够扫描到输入状态和电压和电流过零的时刻。并在电压或者电流过零比较器发生正跳变时分别记录每相电压和电流过零时刻并同时记录两个信号的状态存储，在进行计算时应读状态再读时间。以A相为例以判定电流超前电压的情况为例，在电流过零比较器正跳变时刻此时单片机扫描到电压为低电平，在电压过零比较器正跳变时电流过零比较器输出低电平。显然电压与电流的相位差与他们分别过零的时间差是成正比的假如单片机晶振为12MHz，16位定时器如果每隔1us计数一次那么：

Δt=65.536N+（Tu1-Ti1）×2/1000;

式中Tu1和Ti1为A相电压和电流过零比较器发生正跳变时的定时器计数值，N为定时器溢出次数。如果信号为工频信号那么：

φ=Δt/20×2 π。

我们可以连续多次求φ，然后经软件滤波获得比较准确的φ然后通过查表可以求的A相的功率因数，同理也可以求的B相和C相的。

2.3继电器输出接口电路

继电器工作时会对电流产生一定的影响，为了保证单片机的可靠稳定运行我们可以在单片机和继电器之间进行光耦隔离，并采用一片SN75468驱动继电器，继电器KA线圈由晶体管9013驱动如图：

2.4 补偿电容器控制

根据相位的超前滞后情况我们可以判定负载的性质，如果是感性负载我们就控制继电器在电路中加入电容，如果是容性负载就要切除电路中的电容，控制加入或者被切除的电容电压或者电流的阻值决定，下面是计算公式：

式中I1为继电器没有进行动作之前的电流值；φ为继电器没有动作之前的相位差，ω为工频角频率；U为对应的相电压；根据这个公式经过计算我们可以需要加入或者切除的电容组数NC。

3系统软件设计

系统程序采用模块化方式，分别由主程序调用系统初始化子程序，A/D转换子程序，相位测量子程序，数据处理子程序，显示子程序，由外部中断子程序完成对键盘的扫描和相关参数的设置。系统根据单片机采集到的数据信息进行计算完成补偿电容组数的加入或者切除控制。

4结论

本方案能一次性完成补偿电容的加入或者切除，并且相位测量的精度也比较理想，可以使得补偿结果达到cosφ≥0.95，能够满足大多数用户的要求。对于控制精度较高的用户我们可以减小每组的补偿电容，增加电容组数，用户可以根据情况做出经济合理的选择。

参考文献

[1]C8051F330/1混合信号ISP FLASH微控器数据手册.潘琢金译.

[2]贾立新，王涌编著.电子系统设计与实践.