基于ATT7022A的無功補償控制

摘要：以三相電能專用計量芯片ATT7022A和一種高性能低功耗的AVR單片機atmega128為核心，設(shè)計一種無功補償控制器。該控制器能實時測量電網(wǎng)的電流電壓值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)，根據(jù)實際情況，準確的控制電容器的投切，能有效的提高線路功率因數(shù)、較少損耗，改善電網(wǎng)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無功補償；ATT7022A；控制器；功率因數(shù)

在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的工作性質(zhì)決定的。最合理的方法就是在這些感性設(shè)備附近及線路適當位置并聯(lián)電容器組來進行無功補償。在電力系統(tǒng)中，采用無功補償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)、減少無功損耗，是改善供電質(zhì)量、提高設(shè)備利用率的重要手段之一。

1 以ATT7022A為核心的無功補償器介紹

進行無功補償?shù)那疤崾悄軠蚀_地測量電網(wǎng)的運行狀況，主要有功功率、無功功率、功率因數(shù)、諧波狀況等。ATT7022A是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。

它能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、相角、頻率等參數(shù)，充分滿足電能數(shù)據(jù)采集的需求。而且提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數(shù)的傳遞，所有的計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出。用它能準確地采集這些參數(shù)，并且精度高，軟件設(shè)計簡單，內(nèi)部框圖如圖1所示。

文中所介紹的無功補償控制器是基于三相電能專用計量芯片ATT7022A來實現(xiàn)的，控制芯片為atmel公司生產(chǎn)的AVR單片機ATmega128和ATme ga16相比，它是AVR8位系列單片機的最高配置的一款單片機，并有53個可編程IO口，在設(shè)計液晶顯示和驅(qū)動電路上比較方便。該控制器能根據(jù)ATT7022A提供的的有功功率、無功功率、功率因數(shù)來分析判斷是否進行無功補償，自動投切電容器，實現(xiàn)配電網(wǎng)的自動無功補償，提高輸電效率。

2 硬件電路設(shè)計

控制器的硬件電路設(shè)計主要有電壓電流檢測電路、電源電路、驅(qū)動電路、通信電路及液晶顯示模塊等組成，以Atmega128為控制芯片，可以輕松的完成這些控制功能。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)過互感器后，電壓電流信號送到了ATT7022A上。ATT7022A提供一個SPI接口，所有的計量參數(shù)都可以通過SPI接口讀出，單片機根據(jù)這些參數(shù)來判斷功率因數(shù)，決定是否進行無功補償，并把信號傳送給電容投切模塊。

檢測電路如圖，該模塊主要是采集電網(wǎng)的電壓、電流信號，電壓輸入UA UB UC UN，量程0～220V。電流輸入IA1 IA2 IB1 IB2 IC1 IC2，量程0～5 A。ATT7022A推薦芯片電壓輸入腳上的采樣值為0．2～0．5 V，芯片電流輸入腳上采樣電壓為0．1 V。因此，5 A的電流信號通過5 A／2．5 mA電流互感器把5 A的電流轉(zhuǎn)換成2．5 mA的電流．再經(jīng)過40 Ω的電阻，輸入電壓為0．1 V。220 V的電壓信號通過120 K的電阻，再經(jīng)過2 mA／2 mA電流型電壓互感器，輸出電流大約為2 mA，再經(jīng)過250 Ω的電阻．轉(zhuǎn)換成0．5 V的電壓。ATT7022內(nèi)部集成了7路16位ADC，參考電壓電路和所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路，并分別將實測值存放在相對應(yīng)的存儲空間，并通過SPI與單片機進行數(shù)據(jù)交換，無需在系統(tǒng)軟件中進行編程得出無功功率，這樣不僅節(jié)省了CPU空間，還提高了計算效率。

電源電路設(shè)計如圖4所示，采用24V開關(guān)電源，它是高頻逆變開關(guān)電源中的一個種類。開關(guān)電源輸入為200～240VAC，輸出為正24V電壓，供驅(qū)動芯片MCl413使用。再用MC34063DC／DC變換器，可實現(xiàn)升壓或降壓電源變換器，把24 V的電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，Atmega128和ATT7022、液晶模塊LCD所需要的電壓都是+5 V。數(shù)字電路與模擬電路，一般要分開，最后一點匯集在一起，此時可以用0歐電阻相連，作用有：1)直接相連的電流通路可能很大，用0歐電阻則可以獲得很窄的電流通路，能有效限制環(huán)路電流，抑制噪聲。2)布線的時候，區(qū)分數(shù)字地與模擬地很麻煩，用0歐電阻分開，可以清楚的分辨數(shù)字地與模擬地。