基于LPC2220低壓無功補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

　　摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM7TDMI-S處理器LPC2220為主控制MCU，以復(fù)合開關(guān)為電容投切開關(guān)的壓無功補(bǔ)償控制器。該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)采樣計(jì)算、無功自動(dòng)調(diào)節(jié)、故障報(bào)警保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲等功能。并具有LCD液晶菜單顯示，直觀地顯示測量基本電網(wǎng)參數(shù)。軟件設(shè)計(jì)采用基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ。并且可通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)電網(wǎng)參數(shù)、電容投切情況、及歷史數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程查詢。

　　關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償;復(fù)合開關(guān);LPC2220;μC/OS-Ⅱ;遠(yuǎn)程查詢

　　如何跟蹤并快速有效地補(bǔ)償無功功率，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定、改善電能質(zhì)量、降低線損、實(shí)現(xiàn)電力節(jié)能等方面起著重要的作用。

　　本文設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償控制器在硬件上力求精簡實(shí)用，降低成本同時(shí)提高產(chǎn)品的可靠性。發(fā)揮軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，增加實(shí)用的功能。

　　控制器工作原理

　　電網(wǎng)中存在大量的感性負(fù)載，通過并聯(lián)容性負(fù)荷的裝置，實(shí)現(xiàn)兩種負(fù)荷之間的能量交換。感性負(fù)荷所需要的無功功率由容性負(fù)荷輸出的無功功率來補(bǔ)償[1]。安裝并聯(lián)電容器改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量[2]。本文所設(shè)計(jì)的無功補(bǔ)償控制器的基本框架如圖1。三相電壓電流互感器將較高的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換成低電壓信號，用LPC2220進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并計(jì)算出電壓/電流，進(jìn)而算出功率因數(shù)，無功功率等參數(shù)。采用復(fù)合開關(guān)投切電容實(shí)現(xiàn)過零投切。電容投切采取三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)相結(jié)合的方式。該控制器同時(shí)具有電壓電流、功率因數(shù)、無功功率以及電容投切的歷史數(shù)據(jù)記錄以及歷史數(shù)據(jù)的查詢功能。運(yùn)行方式分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種，手動(dòng)投切適合調(diào)試時(shí)使用，自動(dòng)運(yùn)行停電時(shí)自動(dòng)退出，送電后能自動(dòng)恢復(fù)。用戶可以在現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境改變設(shè)置自動(dòng)電容投切的控制參數(shù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及電容投切情況可以通過現(xiàn)場液晶顯示或遠(yuǎn)程PC進(jìn)行隨時(shí)查詢。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　電壓電流互感器選擇

　　LPC2220共有八路A/D轉(zhuǎn)換接口，可以將0V-VREF(典型為3V，最大不超過VDD)模擬電壓轉(zhuǎn)換成10位的數(shù)字信號。電壓/電流互感器均采用天瑞電子TR系列檢測用電壓輸出型變換器。電壓互感器采用檢測用電壓輸出型電壓變換器TR1102-1C，規(guī)格為380V/3.53V，非線性度比差<±0.1%,角差±5分。電流互感器采用檢測用電壓輸出型電流變換器TR0102-2C，規(guī)格為5A/2.88V，非線性度比差<±0.1%，角差±5分。

　　電容投切開關(guān)

　　復(fù)合開關(guān)綜合了機(jī)械式接觸器和電子式無觸點(diǎn)可控硅電容投切開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，如電壓過零投入、涌流低、電流過零切除、不產(chǎn)生過電壓、壽命長、功耗低、溫升小。市場上已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品?？梢詫?shí)現(xiàn)三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)。復(fù)合開關(guān)的原理圖如圖2所示。在整個(gè)控制過程中，當(dāng)需要投入電容時(shí)，只需要無功補(bǔ)償控制器發(fā)送電壓信號給復(fù)合開關(guān)，復(fù)合開關(guān)會自動(dòng)完成電容的投入和切除過程。

　　主電路設(shè)計(jì)

　　LPC2220是基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微處理器，對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%而性能的損失卻很小。片內(nèi)128寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速機(jī)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。同時(shí)由于LPC2220的144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷，使它們特別適用于工業(yè)控制，通過配置總線LPC222O最多可提供76個(gè)GPIO。多個(gè)串行接口包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口(400kbit/s)和2個(gè)SPI接口，8路10位A/D，轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44ms，CPU操作電壓范圍1.65~1.95V(1.8V±8.3%)、I/O操作電壓范圍3.0-3.6V(3.3V±10%)。