摘 要 系统以80C196KC作为主控单元,控制晶闸管轮流软启动、软切除电容器,并按照先投入者先切除的较优化原则工作. 关键词 单片机;晶闸管;软启动 工厂电力负荷中有相当一部分感性负荷,这些负荷除了大量消耗有功功率外,还大量地吸收无功功率.为了节约能源,提高电力系统的可靠性和供电质量,必须采用无功补偿措施.目前国内外广泛采用的无功补偿装置是用接触器（每动作一次为10～30 s）作为投切开关元件,无法实现快速准确的跟踪补偿,每次投切电容均产生较大冲击电流和起电网电压的波动,易造成接触器触点烧焊.若全部用晶闸管[1],则成本高、谐波分量大,对电网有较大的污染80C196KC是80年代后期推出的16位高档单片机,本文80C196KC单片机控制一组较小的晶闸管作为软启动器或软调节器,软启动完毕后,将对应于该电路的接触器短接或切除,可以有效地克服单独用接触器或晶闸管作为开关元件的缺点,从而增大电容柜单位体积的容量. 1 系统的工作原理 1）系统的主电路取AB相（见图1）.软启动电容柜的工作原则是:在保证每组电容可靠工作（投切）的前提下,尽可能使系统处于较合理的工作状态.每组电容在投切时都经过软调节,有效地避免大电流的冲击,同时减少短接电容接触器D[sub]i[/sub]（i=1～12）的触点电流,使接触器寿命延长,提高了整个系统的可靠性.为了使电容柜合理工作实行欠补时先投入的电容在过补时应先切除,后投入的后切除的循环工作制. 众所周知,当功率因数cosφ=1时最理想但必须投入更多的电容,需加大投资,综合各种因素,推荐:0.95≤cosφ≤0.98（见图2）. 2）晶闸管动态调节过程分析:投入前的电网交流电压U=U[sub]m[/sub]sin（ωt+ψ）,初始条件为 U[sub]c[/sub]（-0）=U[sub]c[/sub]（+0）≈0, i（-0）=i（+0）≈0. 得:电流上升率最大值Km∝Um（1+sinψ）/Lsinα;浪涌电流最大值.

在软启动初始时,电流会出现摆动,为保护晶闸管KP,限制浪涌电流,在KP回路中串联电抗器L.为防止高次谐波可能带来的高压击穿KP,在KP两端用压敏电阻和电阻R进行限压和吸收.压敏电阻的参数取1000 V/3000 A,通过电阻R的电流取0.1 A;此时功率P[sub]R[/sub]=U[sub]AB[/sub]I[sub]R[/sub]=380×0.1=38 W,电阻R=U[sub]AB[/sub]/I[sub]R[/sub]=380/0.1=3.8 kΩ.考虑到电阻可能会长期工作,R取3.8 kΩ/40 W,K[sub]P[/sub]取3～5I[sub]e[/sub]/1200 V.选择PK系列晶闸管模块.假设接触器投入的逻辑为“1”,切除逻辑为“0”,投入单组电容的工作原理框图如图3所示. [align=center][/align] 如果有n组电容投入时欠补,而n+1组电容投入又过补,那么在n组电容投入的基础上,用晶闸管无级调节第n+1组电容,使功率因数满足精度要求,而系统又不会出现振荡. 2 系统硬件及接口电路 2.1 控制系统结构 由80C196KC单片机组成控制系统结构如图4所示. 图中接口芯片8155的输出口PA0～PA7,PB0～PB3经光隔控制短接电容接触器D1～D12.晶闸管在软启动电容时,可能会产生较大的电流,因此必须确保晶闸管每次只启动一个电容,避免同时投入两个或两个以上电容,用接触器Zi的辅助触点互锁,因触点数量有限,不能全部覆盖,其互锁逻辑应满足: 考虑到在80C196KC系统中互锁容易实现.根据逻辑要求选择译码器74LS154最合适,由于74LS154的特性是每次仅输出一路,用74LS154控制KP的投入接触器Z[sub]i[/sub],可避免误动作,而且软硬件较容易协调,编程方便. 8155的输出口PC[sub]0[/sub]～PC[sub]3[/sub]对应接到74LS154的A,B,C,D输入端,这时74LS154控制端全部有效.用PC[sub]0[/sub]～PC[sub]3[/sub]选择不同的Y[sub]0[/sub]～Y[sub]11[/sub]（74LS154的输出口）,对应控制Z[sub]1[/sub]～Z[sub]12[/sub].当不需要输出时（即Y[sub]0[/sub]～Y[sub]11[/sub]不输出）,仅令PC[sub]0[/sub]=PC[sub]1[/sub]=PC[sub]2[/sub]=PC[sub]3[/sub]=1,选中Y[sub]15[/sub]输出即可. 2.2 相位检测电路 系统能准确可靠地获取功率因数cosφ是非常重要的,φ为电流落后或超前电压的角度.相位φ检测电路原理如图5所示. 用泰勒展开式求cosφ值,显然cosφ=1-（φ[sup]2[/sup]/2!）+（φ[sup]4[/sup]/4!）-（φ[sup]6[/sup]/6!）能保证系统的精度要求.亦可采用查表法计算cosφ值.在计算出cosφ的绝对值后,还要进一步确定φ的方向,这可由相应的硬件与软件配合完成. 2.3 晶闸管的控制电路 控制晶闸管输出原理如图6所示. 图6中反相器4069构成占空比较小的调制波,频率在10～50 kHz之间.80C196KC的高速输出口HSO[sub]0[/sub],HSO[sub]1[/sub],HSO[sub]2[/sub]及8155的PB[sub]5[/sub]输出口经过光隔分别控制AB相、BC相及CA相.经光隔后的输出口PB′5作为总开关.为简化系统的硬件,三相晶闸管的同步信号仅取AB相,其他两相各差120°,考虑到可能选用大晶闸管,系统发出的触发信号为10°～13°占空比小的脉冲群,也能可靠地触发大晶闸管且功耗较小.为防止晶闸管因误触发损坏,在晶闸管回路加上电流传感器,形成闭环系统,限制电流激增.若有短路即令PB[sup]′5[/sup]=0关闭晶闸管和对应的Z[sub]i[/sub],同时发出报警. 3 系统软件组成 本装置的软件系统由主程序、子程序、中断服务程序三大部分组成. 3.1 主程序 主程序的三大功能:1）程序初始化.2）调用子程序.3）协调各功能模块之间工作. 3.2 子程序 子程序包括A/D转换、数据运算及处理、显示子程序、键盘输入子程序、滤波子程序和输出子程序等.滤波子程序又包括均值滤波、中值滤波、去最老值滤波等.针对系统的特点对采集到的功率因数进行一阶递推数字滤波,这种方法是利用软件完成阻容RC低通滤波器的算法,实现用软件代替硬件滤波器.在采样功率因数时为了不影响相位,没有用硬件RC滤波,因此用递推滤波很必要.滤波器的输出Y[sub]n[/sub]=TX[sub]n[/sub]+（1-T）Y [sub]n-1[/sub] [sup][2][/sup] .考虑到功率因数是属于惯性较大的参数之一,现场又有高次谐波等其他电磁噪音的污染造成采样到的功率因数值波动,可采用限幅滤波,该方式可以有效地克服数据采集中的一些扰动.从理论上看采样到的数据正态分布值是趋近系统特性的值,而不是偶尔的某些参数,因此突变的这些可视为干扰,在数值处理上加以限制.经限幅滤波后的cosφ值,在干扰较大的环境下也相当平滑. 3.3 中断处理服务程序 1）在高速输入中断程序中判断φ的方向.2）在外中断服务程序获取AB相同步信号,根据要求准确算出AB相、BC相和CA相的触发脉冲的角度.3）由高速输出HSO[sub]0[/sub],HSO[sub]1[/sub],HSO[sub]2[/sub]分别控制AB相、BC相及CA相的晶闸管.4）控制电容的接触器较多,动作顺序要求严格,在编程时首先需要将各输出规范化、序列化,即按投入、切除的规律编号,作为子程序调用、使整个软件系统结构简化. 电容投入的程序框图如图7所示.电容切除的程序框图如图8所示.图中n为投入电容的个数,e为切除电容的位置,s为投入电容的位置,开机时n=e=s=0. 4 系统的抗干扰措施 4.1 硬件 系统多采用智能接口芯片和组合逻辑阵列GAL或PAL芯片,使系统集成化提高,减少受干扰机率.同时用开关电源作为系统电源并加上滤波器,所有输入输出接口均光电隔离. 4.2 软件 1）将Watchdog放在外中断服务程序中,以覆盖整个程序群.2）定时刷新显示内容,确保显示正确.3）采用软件沉余法,系统由一次采样、处理控制输出改为循环采样处理控制输出.这种方法对于惯性较大的控制系统有良好的抗偶然因素干扰作用.4）设置软件陷阱:当PC指针失控时,造成程序“乱飞”,进入不该进入的程序区或非程序区,容易造成死循环或误动作.所以程序之间用5～8个NOP隔开,或在非程序之间设置拦截措施,使程序进入陷阱,然后迫使程序进入初始状态.在初始化程序中又设置一些“冷”、“热”启动识别标志及一些容错标志,以便使程序能迅速恢复正常工作.原则是硬件隔离,软件排除. 5 结 论 该系统是一种新型的轮流软启动电容补偿装置,将晶闸管技术与接触器相结合,可以明显地改善电容投切时的工作状态和电网的供电质量,提高工作的可靠性和延长使用寿命,运用面较广.