基于AVR單片機(jī)的電力投切裝置開(kāi)發(fā)

一、前言

在工礦企業(yè)用電設(shè)備中存在大量的感性負(fù)載，如電弧爐、直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、整流逆變?cè)O(shè)備等，它們?cè)谙挠泄β实耐瑫r(shí)，也占用了大量感性無(wú)功功率，致使電力功率因數(shù)下降。由于無(wú)功功率虛占了設(shè)備容量、增大了線路的電流值，而線路損耗與電流的平方成正比，因此造成電力資源的巨大浪費(fèi)。另外，這些感性負(fù)載工作時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的電力諧波，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，使電能質(zhì)量惡化，電器儀表工作異常。為了提高功率因數(shù)、治理諧波，可以采用動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償，由電容器和電感器串聯(lián)形成消諧回路，起到無(wú)功補(bǔ)償和濾除諧波的作用。各種濾波補(bǔ)償系統(tǒng)，基本都由電力電容器、鐵芯電抗器、無(wú)功補(bǔ)償控制器和電力投切裝置等構(gòu)成，其中電力投切裝置負(fù)責(zé)與電網(wǎng)接通、切斷任務(wù)，是整個(gè)補(bǔ)償系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一。目前，用于電力投切的裝置主要有：

(1)普通接觸器

其優(yōu)點(diǎn)是接觸電阻很小，適合大電流導(dǎo)通，但它的缺陷也很明顯：吸合、釋放時(shí)間長(zhǎng)，不適合快速通斷的場(chǎng)合。在接觸器觸點(diǎn)處易產(chǎn)生火花，使觸點(diǎn)粘住、無(wú)法分?jǐn)喽鴵p壞，對(duì)電網(wǎng)的巨大沖擊而產(chǎn)生干擾，可能使周圍電子設(shè)備無(wú)法正常工作。

(2)帶預(yù)投電阻的專用接觸器

這類接觸器整體體積較大，事實(shí)上在工作時(shí)也沒(méi)有真正解決浪涌電流問(wèn)題，同時(shí)，由于與接觸器觸點(diǎn)配合不理想使電阻發(fā)熱而損壞的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，所以，這類接觸器并不是理想的投切接觸器。

(3)過(guò)零觸發(fā)固態(tài)繼電器

交流繼電器的內(nèi)部往往用2個(gè)單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅構(gòu)成，當(dāng)固態(tài)繼電器接到投切信號(hào)時(shí)，一旦等待到兩端壓差接近零電壓時(shí)，則開(kāi)關(guān)閉合，投入工作；當(dāng)固態(tài)繼電器接到切斷信號(hào)時(shí)，則可控硅自然關(guān)斷，即電流為零時(shí)關(guān)斷?？梢钥闯?，固態(tài)繼電器在投入和切斷時(shí)的工作狀態(tài)非常理想，但存在著一個(gè)致命的缺陷，即工作過(guò)程的器件發(fā)熱和諧波干擾問(wèn)題，限制了它在電力投切領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣。

（4）分立元件復(fù)合開(kāi)關(guān)

集傳統(tǒng)電磁式繼電器和無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)于一體，其中的時(shí)序配合關(guān)系可以用電阻電容的延時(shí)電路完成其功能。但是，由于分立元件的參數(shù)分散性以及可靠性差將會(huì)影響整個(gè)復(fù)合開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期正常的工作。

針對(duì)以上現(xiàn)有投切裝置的不足，本課題采用高性能嵌入系統(tǒng)作為投切裝置的核心控制部件，具有運(yùn)算速度快、響應(yīng)時(shí)間短、投入浪涌電流小、工作穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

二、基本組成和工作框圖

圖1原理框圖
本課題開(kāi)發(fā)的投切裝置由電源電路、投切信號(hào)檢測(cè)、過(guò)零檢測(cè)、脈沖觸發(fā)、可控硅電路、電磁接觸器以及狀態(tài)指示等部分構(gòu)成。以美國(guó)ATMEL公司AVR系列單片機(jī)ATmega48V作為核心部件，具有內(nèi)部的RC 振蕩器，提供1/2/4/8MHz 的工作時(shí)鐘，無(wú)需外加時(shí)鐘電路元器件即可工作，非常簡(jiǎn)單和方便。工作電壓范圍寬2.7V～6.0V，具有系統(tǒng)電源低電壓檢測(cè)功能，電源抗干擾性能強(qiáng)。

圖2工作時(shí)序

投切裝置工作原理如圖1所示，其基本工作過(guò)程是：投切檢測(cè)電路以查詢方式檢測(cè)投入（通）、切除（斷）信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到投入信號(hào)（高電平）時(shí)，過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)可控硅兩端脈動(dòng)電壓，只有電壓接近于零時(shí)才輸出脈沖觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，延遲一定時(shí)間后使電磁接觸器閉合導(dǎo)通，之后可控硅斷開(kāi)，由接觸器承載線路電流，完成一次投入過(guò)程。切除（斷）時(shí)，首先觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，然后控制電磁接觸器斷開(kāi)，延遲一定時(shí)間當(dāng)電流過(guò)零時(shí)可控硅關(guān)斷，完成切除動(dòng)作，進(jìn)入下一個(gè)投切循環(huán)。如果在工作時(shí)電網(wǎng)出現(xiàn)缺相、過(guò)電壓故障，則投切裝置拒絕投入，并由LED指示故障部位，以保證整個(gè)設(shè)備的安全運(yùn)行。圖2為工作時(shí)序圖，其中 T1－T4分別為電網(wǎng)電壓、投切控制信號(hào)、可控硅和電磁接觸器的波形圖。

三、過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)與脈沖觸發(fā)

電壓過(guò)零檢測(cè)電路由限流電阻R1、上拉電阻R2、保護(hù)二極管D、光耦P等組成，如圖3所示。電網(wǎng)交流電壓經(jīng)限流電阻R1到光電耦合器P的輸入端，在其輸出端得到與電網(wǎng)同頻且反相的矩形波。由單片機(jī)的“高－低”或“低－高”電平處理程序，即可檢測(cè)出電網(wǎng)電壓的過(guò)零點(diǎn)。

脈沖觸發(fā)電路如圖4所示，主要由放大、LC振蕩、脈沖變壓器組成。單片機(jī)引腳輸出的矩形脈沖，經(jīng)過(guò)放大、LC諧振、脈沖變壓器耦合升壓，形成尖峰脈沖，加到兩個(gè)反并聯(lián)單向可控硅的控制極和陰極之間，使它們分別在電網(wǎng)電壓波形的正、負(fù)半周導(dǎo)通。為了保證可控硅可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖寬度不小于100us，這可以由ATmega48V單片機(jī)程序設(shè)定。

圖3過(guò)零檢測(cè)電路

四、單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

AVR系列單片機(jī)采用了RISC結(jié)構(gòu)，其速度、內(nèi)存容量、外圍接口的集成度、向串行擴(kuò)展和更適合使用高級(jí)語(yǔ)言編程等眾多特性，以及其所使用的開(kāi)發(fā)技術(shù)和仿真調(diào)試技術(shù)等方面，都充分體現(xiàn)和代表了當(dāng)前單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。本課題采用AVR系列中的ATmega48V芯片，使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率和系統(tǒng)的可維護(hù)性。具有較高的性價(jià)比，是ATmega48V的突出優(yōu)點(diǎn)。它提供23個(gè)可編程的I/O口線，4K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，256字節(jié)的EEPROM，6路10位ADC等配置，能夠滿足本課題的設(shè)計(jì)要求。

單片機(jī)程序整體是一個(gè)循環(huán)結(jié)構(gòu)，首先進(jìn)行程序初始化，包括管腳方向、中斷方式、定時(shí)器等設(shè)置。單片機(jī)的一個(gè)引腳檢測(cè)投入控制信號(hào)的電平狀態(tài)，為高電平時(shí)，讀取并保存過(guò)零檢測(cè)引腳的電平值，當(dāng)過(guò)零檢測(cè)引腳發(fā)生反轉(zhuǎn)（高→低或者低→高）時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳輸出周期為200us占空比50％的矩形脈沖，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。延遲一定時(shí)間（60ms左右）控制電磁接觸器閉合，完成投入過(guò)程。當(dāng)收到切除信號(hào)（低電平）時(shí)，單片機(jī)管腳輸出矩形脈沖觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，控制斷開(kāi)接觸器，延遲一定時(shí)間終止輸出脈沖，電流為零時(shí)可控硅自然關(guān)斷。

五、結(jié)論

以ATmega48V為投切裝置的核心，外圍電路簡(jiǎn)單，功能設(shè)計(jì)靈活，產(chǎn)品成本低，工作穩(wěn)定可靠。投切時(shí)的浪涌電流小，可以頻繁地進(jìn)行投、切操作。本裝置應(yīng)用于電力無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理設(shè)備中，可以增加投切電容器的組數(shù)以提高補(bǔ)償精度，抑制諧波，提高電網(wǎng)電能質(zhì)量。

圖5分別是觸發(fā)脈沖波形圖以及與電網(wǎng)電壓波形對(duì)比圖（因電網(wǎng)電壓幅值較大，只顯示其部分波形）。

本課題開(kāi)發(fā)的電力投切裝置，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可以達(dá)到的性能指標(biāo)如下：

（1）開(kāi)通時(shí)間60 ms；關(guān)斷時(shí)間60 ms。

（2）開(kāi)關(guān)接觸電阻≤0.02Ω；控制電路功耗2 w。

（3）開(kāi)關(guān)在額定電流負(fù)載下溫升≤25℃。

（4）系統(tǒng)電壓處于額定電壓的±20%范圍內(nèi)，能正常工作；超過(guò)額定電壓 自動(dòng)強(qiáng)行跳閘。

（5）缺相時(shí)開(kāi)關(guān)拒合閘。正常運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)缺相自動(dòng)跳閘，響應(yīng)時(shí)間≤0.2 s。

（6）系統(tǒng)停電時(shí)，開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳閘響應(yīng)時(shí)間≤0.2 s。

（7）開(kāi)關(guān)工作電源異常時(shí)，開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳閘。

（8）采用LED指示，包括開(kāi)關(guān)合閘、跳閘位置以及缺相故障指示。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本課題開(kāi)發(fā)的電力投切裝置電壓等級(jí)660伏，切合華北地區(qū)冶金、礦山等企業(yè)的實(shí)際需求；采用AVR系列單片機(jī)ATmega48V作為核心部件，使得投切裝置功能強(qiáng)、性能穩(wěn)定。

本課題所開(kāi)發(fā)的電力投切裝置，可廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)供電系統(tǒng)中自動(dòng)控制場(chǎng)合，特別是在電力諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備中作為開(kāi)關(guān)部件，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景，經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)500萬(wàn)元以上。

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