0 概述
隨著現代工業的發展，對電能質量的要求也越來越高。目前電力網中的電力負荷如感應式非同步電動機、變壓器等，大部分屬於感性負載，在執行過程中需要向這些裝置提供相應的無功功率，造成電網的功率因數偏低。在電網中安裝併聯電容器可以供給感性電抗消耗的部分無功功率，減少電網電源向感性負載提供的無功功率，以及減少無功功率在電網中的流動，從而降低輸電線路因輸送無功功率造成的輸電損耗，改善電網的執行條件，因此無功功率補償控制器一直有著廣闊的應用市場。
目前市場上該類產品較多，但大多數為低端產品，對電容組投切都基於功率因數或無功電流，而對於過壓切除和欠流的處理相對比較粗糙，更不用說具有無功限制功能了；少數產品為高階產品，其功能強大但**較高。因此，如果能開發出既具有高階產品的效能，同時又具有低端產品**的補償控制器，將有著重要的意義。本文所述的低壓無功功率補償控制器的主要功能有：
（1）相序自動識別。
（2）電壓取樣0．5級、電流取樣和功率因數1級、符合行業標準。
（3）具有過壓解除、欠流閉鎖、無功限制功能。
（4）幾乎所有引數都可鍵盤設定，如功率因數門限、投入延時、過壓門限、欠流門限、過壓加速切除時間、欠流時間、同組切投時間延時等。
1 工作原理
取樣三相電中一相的電流（如a相）以及另外兩相（如b、c相）電壓之間的相位差，得到相應的功率因數；該功率因數與設定的投切門限（按標準功率因數滯後為0.95；超前為0.98）進行比較：
若在門限內，則不予動作；若超出門限，則相應採取投切措施，力圖保持功率因數在設定的限帶內。在執行過程中若出現過壓，則按設定時間加速切除，若欠流超出一定時間，則也予以加速切除；若無功小於一組電容的無功時，不予投入。由於對電壓和電流都進行取樣且滿足一定的精度要求，因此過壓解除和欠流閉鎖以及無功限制可以處理得比較精確。
由於三相電的接線有各種不同的接法（共有12種），不同接法的功率因數計算和超前滯後的判斷有所不同，因此針對不同接法相序的自動判別將很有意義，下面對其原理作一簡單介紹：
設三相的電壓分別為ua、ub、uc，則它們的表示式可以表示如下：
ua＝umsinωt
ub＝umsin（ωt－120°）
uc＝umsin（ωt－240°）
由此得：
ub=ub-uc=3umsin（ωt－90°）
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若負載為純阻性，則a相電流與電壓同相，ubc電壓滯後a相電流90°；若a相負載為容性，假設a相電流超前電壓α（0≤α≤90）角，則ubc電壓滯後a相電流90°＋α；若a相負載為感性，假設a相電流滯後電壓α（0≤α≤90）角，則ubc電壓滯後a相電流90°－α。在電路設計中，若把a相電流和ubc電壓的取樣訊號放大後經過過零比較器，即可得到反映相位的方波訊號；檢測兩個方波訊號上公升沿的時間差，即可得到反映兩者相位差的時間。假設線電壓的兩個相鄰週期的上公升沿的時間差為t（即週期），相電流與線電壓的上公升沿的時間差為τ，則α＝｜τ／t×360°－90°｜。
由於三相有不同的接法，如何區分超前和滯後泥？我們可以參照上面方法，可以得到所有接法的情況，並且可以分成以下兩種型別：
ⅰ型：0≤τ＜t／4，超前；t／4≤τ＜t／2，滯後；α＝｜τ／t×360°－90°｜。
ⅱ型：3t／4≤τ＜t，超前；t／2≤τ＜3t／4，滯後；α＝｜τ／t×360°－270°｜
由上分析，我們可以根據τ和t的關係，判斷出該接法屬於何種型式，從而判斷是超前還是滯後，並算出超前滯後角α。
2 硬體設計
控制器的cpu採用atmel公司的89c52，硬體設計主要包括電源監視和掉電保護電路、鍵盤介面電路、led顯示電路、繼電器輸出電路、a／d取樣電路以及資訊處理部分。電源監視和掉電保護電路採用x25045晶元，該晶元介面電路簡單，同時具備上電復位、電源監視、硬體看門狗電路的功能，而且還有節的flashrom，可以提供控制器設定引數的掉電保護功能；鍵盤介面、led顯示、繼電器輸出等電路比較簡單，採用74ls245、74ls373以及cpu本身具有的一些i／o口線即可完成；a／d採用adc0809晶元，因其只有8位精度，因此電壓和電流訊號放大到±5 v的範圍，然後採用取樣半波的方式即可滿足電壓取樣0．5級的精度要求；訊號處理部分見圖1。
相電流通過互感器得到初始訊號is。is首先通過低通濾波，然後進行放大得到－5～5 v的訊號。該訊號通過過零比較，得到標準的方波訊號fi。
用fi作為控制訊號，使is的正半周送至a／d取樣晶元進行取樣，這樣可以用較小的代價獲得較高的精度。us的處理過程與is一模一樣，這樣可以保證電路對兩者的影響完全一樣而不至於影響功率因數的精度。為了盡可能減少硬體成本，直接把fu和fi送到80c52的中斷引腳x0和x1，通過軟體程式設計按照前面原理所示直接判斷超前或滯後，並計算超前滯後角。
3 軟體設計
控制器的軟體設計主要包括初始化模組、鍵盤處理模組、a/d取樣模組、顯示模組、時鐘排程模組、控制模組、自檢模組等。除了自檢模組，幾乎所有模組都有時鐘排程模組進行管理，下面我們對時鐘排程模組作一詳細介紹。
低壓無功補償控制器幾乎所有的操作都基於時鐘，我們把操作稱之為任務，這樣時鐘排程也就變為任務排程。整個時鐘排程模組的程式流程見圖2。
由於控制器速度要求不是很高，因此在程式流程上可以處理得比較簡單。主程式迴圈只作一些簡單處理，如硬體的自檢、引數標誌的檢查、一些關鍵狀態位的校驗等工作。幾乎所有關鍵的任務都放到時鐘排程程式中按順序執行。
占用時間不多的a/d取樣在每次時鐘中斷中都予以執行，而其它任務則在時間到（本控制器取0.5s）時才執行一次。由於眾多任務的執行需占用較多時間，為了不影響a/d的取樣，在主任務的執行時採用中斷假返回的技術進行處理，即釋放中斷資源，程式流程進入主任務處理，主任務處理完後，需清理中斷的堆疊同時以ret返回主程式。
對於其它程式模組，限於篇幅，在這裡不一一介紹，下面就如何提高取樣精度作一簡單說明。
電壓和電流的取樣精度直接關係到功率因數控制器的效能，為此，我們對軟硬體都採取了一些措施，主要有：（1）對電壓和電流的處理電路保證一模一樣，以防止取樣電路對功率因數的影響；（2）對電壓和電流實現過零比較轉化為方波，使波形的畸變對功率因數的取樣幾乎無任何影響；（3）直接取樣波形的週期，消除電網週期的波動對功率因數的影響；（4）用16位定時器來測量週期和相位差，再通過一定的補償措施和濾波演算法，使功率因數的測量達到相當精確的地步；（5）電壓和電流的取樣值經過濾波演算法，然後用均方根計算其有效值，可以較大程度消除波形畸變對取樣精度的影響，從而使取樣精度達到設計要求。
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